Die Originalversion von diese Geschichte erschien in Quanta-Magazin.
Wissenschaftler haben erkannt, dass im Boden und in den Felsen unter unseren Füßen etwas liegt eine riesige Biosphäre mit einem globalen Volumen, das fast doppelt so groß ist wie das aller Weltmeere. Über diese unterirdischen Organismen, die den größten Teil der mikrobiellen Masse des Planeten ausmachen und deren Vielfalt möglicherweise die der an der Oberfläche lebenden Lebensformen übersteigt, ist wenig bekannt. Ihre Existenz ist mit einem großen Rätsel verbunden: Forscher haben oft angenommen, dass es sich bei vielen dieser unterirdischen Bereiche um tote Zonen mit Sauerstoffmangel handelt, die nur von primitiven Mikroben bewohnt werden Stoffwechsel im Handumdrehen und an Spuren von Nährstoffen vorbeischaben. Mit zunehmender Erschöpfung dieser Ressourcen, so die Annahme, müsse die unterirdische Umgebung mit zunehmender Tiefe leblos werden.
In neue Forschung veröffentlicht im Juni in Naturkommunikation, Forscher legten Beweise vor, die diese Annahmen in Frage stellen. In Grundwasserreservoirs 200 Meter unter den fossilen Brennstofffeldern von Alberta, Kanada, entdeckten sie zahlreiche Mikroben, die selbst in Abwesenheit von Licht unerwartet große Mengen Sauerstoff produzieren. Die Mikroben erzeugen und setzen so viel von dem, was die Forscher „dunklen Sauerstoff“ nennen, frei, dass es so ist, als ob man „das Ausmaß des Sauerstoffs entdecken würde, der aus der Photosynthese im Amazonas-Regenwald stammt“, sagte er Karen Lloyd, ein unterirdischer Mikrobiologe an der University of Tennessee, der nicht an der Studie beteiligt war. Die Menge des aus den Zellen diffundierenden Gases ist so groß, dass scheinbar günstige Bedingungen für sauerstoffabhängiges Leben im umgebenden Grundwasser und in den Schichten geschaffen werden.
„Es ist eine bahnbrechende Studie“, sagte er Barbara Sherwood Lollar, ein Geochemiker an der University of Toronto, der nicht an der Arbeit beteiligt war. Frühere Forschungen haben sich oft mit Mechanismen befasst, die Wasserstoff und einige andere lebenswichtige Moleküle für das Leben im Untergrund produzieren könnten, aber die Entstehung sauerstoffhaltiger Moleküle wurde weitgehend übersehen, weil solche Moleküle in der unterirdischen Umgebung so schnell verbraucht werden. Bisher „hat keine Studie so alles so zusammengetragen wie diese“, sagte sie.
Die neue Studie untersuchte tiefe Grundwasserleiter in der kanadischen Provinz Alberta, die über so reiche Vorkommen an unterirdischem Teer, Ölsand und Kohlenwasserstoffen verfügt, dass sie als „Texas Kanadas“ bezeichnet wird. Da die große Viehzucht und die Landwirtschaft stark vom Grundwasser abhängig sind, überwacht die Provinzregierung aktiv den Säuregehalt und die chemische Zusammensetzung des Wassers. Dennoch hatte niemand die Mikrobiologie des Grundwassers systematisch untersucht.
Für Emil RuffDie Durchführung einer solchen Umfrage erschien ihm 2015, als er sein Postdoktorandenstipendium für Mikrobiologie an der University of Calgary antrat, wie eine „Lernaufgabe“. Er wusste nicht, dass ihn dieses scheinbar einfache Studium die nächsten sechs Jahre lang belasten würde.
Die überfüllten Tiefen
Nachdem sie Grundwasser aus 95 Brunnen in ganz Alberta gesammelt hatten, begannen Ruff und seine Mitarbeiter mit der grundlegenden Mikroskopie: Sie färbten mikrobielle Zellen in Grundwasserproben mit einem Nukleinsäurefarbstoff und zählten sie mithilfe eines Fluoreszenzmikroskops. Durch die Radiodatierung der organischen Substanz in den Proben und die Überprüfung der Tiefen, in denen sie gesammelt wurden, konnten die Forscher das Alter der von ihnen angezapften Grundwasserleiter ermitteln.
Ein Muster in den Zahlen verwirrte sie. Normalerweise stellen Wissenschaftler beispielsweise bei Untersuchungen des Sediments unter dem Meeresboden fest, dass die Anzahl mikrobieller Zellen mit der Tiefe abnimmt: Ältere, tiefere Proben können nicht mehr so viel Leben aufrechterhalten, weil sie stärker von den Nährstoffen abgeschnitten sind, die von photosynthetischen Pflanzen produziert werden und Algen in der Nähe der Oberfläche. Doch zur Überraschung von Ruffs Team enthielten die älteren, tieferen Grundwässer mehr Zellen als die frischeren Gewässer.
Anschließend begannen die Forscher mit der Identifizierung der Mikroben in den Proben und nutzten molekulare Werkzeuge, um ihre verräterischen Markergene zu erkennen. Viele von ihnen waren methanogene Archaeen – einfache, einzellige Mikroben, die Methan produzieren, nachdem sie Wasserstoff und Kohlenstoff verbraucht haben, der aus Gesteinen oder in verrottendem organischem Material austritt. Außerdem waren viele Bakterien vorhanden, die sich vom Methan oder von Mineralien im Wasser ernähren.