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Was wir forschen

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          Einleitung          Elementare Achterbahn          Symbiosen          Sandkastenspiele       

 

 

Einleitung

Unsere Forschung ist organisatorisch in vier Bereiche aufgeteilt:

In der Abteilung für Molekulare Ökologie beschäftigen sich die Mitarbeiter vor allem mit der Vielfalt, Zusammensetzung und Funktion der Lebensgemeinschaften von Kleinstlebewesen im Meer. Dabei erforschen sie verschiedenste Lebensräume, von Küsten bis zu Tiefseequellen. Besondere Aufmerksamkeit widmet diese Gruppe dem Wattenmeer der Nordsee.

Die Mitarbeiter der Symbiose-Abteilung schauen sich ganz genau an, wie Bakterien und höhere Lebewesen in enger Einheit zusammenarbeiten. Besonders spannend finden sie die sogenannten chemosynthetischen Lebensräume, in denen aus dunkler Energie neue Biomasse geschaffen wird.

Unsere Kollegen aus der Abteilung Biogeochemie verbringen viel Zeit damit, die biogeochemischen Stoffkreisläufe in unseren Meeren und Meeresböden zu untersuchen. Wodurch werden sie gesteuert, und was bedeutet das für den Ozean früher, heute und in Zukunft?

In der Abteilung Mikrobiologie stehen die Mikroorganismen selbst im Zentrum der Aufmerksamkeit. Sie werden isoliert und bis in ihre kleinsten Bestandteile hinein untersucht. Denn die kleinen Wesen können viel – beispielsweise Erdöl abbauen.

Außerdem gibt es noch eine Reihe von Forschungsgruppen, die eng mit den Abteilungen und anderen Forschungsinstituten zusammenarbeiten. Dazu gehört beispielsweise das AWI, das marum oder das ICBM in Oldenburg.

 

 

Elementare Achterbahn

Fahren Sie gerne Achterbahn? Es geht auf und wieder hinab, im Looping, um die Kurve, noch einmal hoch und runter und am Ende steht man wieder da, wo man angefangen hat. Auch viele Elemente der Erde befinden sich auf Achterbahnfahrt, wenn auch mit deutlich geringerem Tempo. Zwischen den Ökosystemen unserer Erde gibt es einen steten Austausch von Stoffen und Energie – wie in einer Achterbahn kreisen die Stoffe zwischen verschiedenen Lebensräumen und Zuständen herum.

Ein bekanntes Beispiel ist der Kohlenstoff. Der wird in Form von Kohle aus der Erde geholt und anschließend von Kraftwerken als Kohlendioxid in die Luft gepustet. Pflanzen nehmen ihn aus der Luft auf und verwandeln ihn im Zuge der Photosynthese in Biomasse – zum Beispiel ein Blatt. Dieses Blatt fällt zu Boden und wird dort von kleinen Tierchen und Bakterien zersetzt, die dabei den Kohlenstoff aufnehmen. Wenn die Tiere ausatmen, gelangt er wieder in die Luft. Ein Kreis schließt sich. Nun kann der Kohlenstoff wieder von Pflanzen aufgenommen werden, oder aber auch von Algen im Meer, die ihn dann in den tiefen Ozean und den Meeresboden transportieren.

Solche Kreisläufe gibt es scheinbar unendlich viele. Einige davon stehen im Zentrum unserer Forschung. Sie verbinden das Land mit der Luft und dem Ozean, aber auch den offenen Ozean mit der Tiefsee und den Küsten. Diese biogeochemischen Kreisläufe - also jene der chemischen Elemente - sind die Voraussetzung für alle Lebensvorgänge auf der Erde. Mikroorganismen spielen dabei eine Schlüsselrolle.

Um zukünftige Veränderungen und den Einfluss von uns Menschen vorherzusagen, müssen wir die globale Achterbahnfahrt der Elemente kennen und verstehen. Wie wird sie gesteuert? Was hängt womit und wie zusammen? Wer spielt welche Rolle? Daran arbeiten beispielsweise die Forscher aus der Abteilung Biogeochemie. Sie untersuchen ganze Ökosysteme, werfen aber auch einen Blick in einzelne Zellen. So erkennen sie beispielsweise, welche Zellen in der Umwelt welche Stoffe aufnehmen und umsetzen, wie schnell das geht und wie es die anderen Bewohner eines Lebensraumes beeinflusst.

Auch Ausfahrten mit dem Forschungsschiff sind unverzichtbar, denn nur dann kann man Untersuchungen möglichst nah am natürlichen Leben der Meeresmikroben machen.

Auch die Abteilung Smybiose forscht an den großen Stoffkreisläufen. „Die Wis­sen­schaft hat die Stick­stoff­fi­xie­rung durch che­mo­syn­the­ti­sche Sym­bi­on­ten lan­ge Zeit völ­lig über­se­hen“, sagt beispielsweise Jillian Peterson. In einer Zusammenarbeit mit dem Hydra Institut auf Elba konnte sie vor Kurzem zeigen, dass Sym­bi­on­ten ei­nen bislang unbekannten und un­er­war­te­ten Vor­teil brin­gen könn­ten: Sie pep­pen den Spei­se­plan mit Stick­stoff auf. Zu­dem könn­ten sie den umgebenden Ozean mit Stick­stoff düngen.

Auch die Strände der Nordsee sind ein Gebiet, dessen Bedeutung für die globale Achterbahn der Elemente lange übersehen wurde. An den Stränden der Nordsee und auf der Felseninsel Helgoland sind Mitarbeiter der Abteilungen Biogeochemie und Molekulare Ökologie, aber auch der Mikrosensoren-Gruppe Stammgäste. Sande stehen eben eher für Wüste als für reiches Leben. Dennoch weiß man mittlerweile, dass diese Sande, beispielweise im Wattenmeer, eine ganz wichtige Funktion ausüben. Beispielsweise bilden sie einen wichtigen Filter, der das Meer vor menschgemachten Nährstoffeinträgen schützen kann. Und auch der Kohlenstoffumsatz im Sand ist nicht zu unterschätzen.

Und im Wasser der Nordsee, über dem Meeresboden? Kleinen Algen, die zu Abertausenden in jedem Milliliter Meereswasser leben, haben große Auswirkungen auf unser Klima: Sie sind ebenso wichtig wie Landpflanzen für die Entfernung von Kohlendioxid aus der Atmosphäre. Doch die Algen sind kurzlebig. Nach ihrem Tod werden sie von Bakterien zersetzt und das aufgenommene Kohlendioxid wird größtenteils wieder freigesetzt.

Um den marinen Kohlenstoffkreislauf zu verstehen, müssen wir also erforschen, wie die Bakteriengemeinschaft des Meeres funktioniert. Bernhard FuchsHanno Teeling und Rudolf Amann aus der Abteilung Molekulare Ökologie in Zusammenarbeit mit der Biologischen Anstalt Helgoland des Alfred-Wegener-Instituts sind dem kürzlich einen großen Schritt näher gekommen. Sie entwarfen ein detailliertes Bild der Dynamik von Bakterien und Algen vor der Insel Helgoland während der alljährlichen Frühjahrsblüte. Die Veröffentlichung enthielt so viele Daten, dass die dazugehörigen Bilder nur in Postergröße darstellbar sind!

 

 

 

Unverzichtbare Untermieter

Wenn zwei zusammenhalten wie Pech und Schwefel, und gar nicht ohne einander können – dann ist das vielleicht eine Symbiose. Wissenschaftlich gesprochen ist eine Symbiose ein enger Zusammenschluss zwischen zwei Arten. Ein bekanntes Beispiel sind Flechten - eine Partnerschaft zwischen Pilzen und Algen oder Cyanobakterien.

Muscheln an heußer Tiefseequelle
C. Borowski/MPIMM

Symbiosen verhelfen beiden Partnern zu Fähigkeiten, die sie alleine nicht hätten. Das kann wiederum helfen, unwirtliche Lebensräume zu besiedeln. So kommt es auch, dass Symbiosen in der Tiefsee eine ganz besondere Bedeutung haben. Dort ist es kalt und dunkel, Nahrung ist selten – es ist also reichlich ungemütlich. Doch immer wieder finden sich Oasen des Lebens, an denen sich Tiere tummeln und die Biomasse jener von Regenwäldern nicht nachsteht. Das geht nur mit Hilfe der Symbiosen.

Symbiosen sind die große Leidenschaft von Max-Planck-Direktorin Nicole Dubilier. Seit der ersten Entdeckung der Tiefseeoasen in den 70er Jahren lässt die dieses Thema nicht mehr los.

Vor mehr als 300 Jahren beobachtete der niederländische Naturkundler Antonie van Leeuwenhoek Mikroorganismen, die auf seinen Zähnen lebten – und beschrieb damit erstmals eine Symbiose. Vor etwa 40 Jahren wurden an heißen Tiefseequellen des Galapagosgrabens so genannte chemosynthetische Symbiosen zwischen Röhrenwürmern und Bakterien entdeckt. Zum ersten Mal fanden Forscher dort eine vitale Gemeinschaft, die ihre Energie nicht aus dem Sonnenlicht sondern aus chemischen Umsetzungsprozessen zieht.

Heute weiß man: Chemosynthetische Symbiosen sind im Meer allgegenwärtig. An hydrothermalen Quellen wie jenen des Galapagosgrabens, an denen heißes, mineralreiches Wasser aus dem Erdinneren strömt, machen symbiontische Organismen den Großteil der Biomasse aus.

Photosynthese ist in den dunklen Tiefen des Meeres unmöglich. Statt des Lichts nutzen die Organismen dort chemische Energie, beispielsweise aus Sulfid oder Methan, um Biomasse herzustellen. Und zwar jede Menge: Leuchtend rote Röhrenwürmer wachsen zu mehreren Metern Länge heran, ohne jemals einen Bissen zu essen – verfügen sie doch nicht einmal über einen Mund. Bakterien, die ihnen unter der Haut sitzen, nehmen Stoffe aus dem Quellwasser auf und geben sie in veränderter Form als Nahrung an die Würmer weiter. Was haben die Bakterien davon? Sie leben sicher in ihrem Wirt, der ihnen die stete Nähe zur Nahrungsquelle garantiert. Ähnliche Gemeinschaften bilden Bakterien mit Schnecken, Muscheln oder kleinen Krebschen.

An anderer Stelle erreichen die Symbiosen weniger eindrucksvolle Gestalt, sind aber ebenso vielfältig und erfolgreich. Zum Meeresboden gesunkene Walkadaver etwa bilden einen beliebten Lebensraum für chemosynthetische Gemeinschaften, ebenso Holzreste und Schiffswracks. Diesen vergleichsweise vergänglichen Oasen, die oft schon nach kurzer Zeit „abgefrühstückt“ sind, widmen sich auch Mitarbeiter aus der Gruppe für Tiefsee-Ökologie und -Technologie.

Doch warum immer in die Ferne schweifen? Zusehends entdecken die Forscher auch die symbiontische Vielfalt direkt vor unserer Nasenspitze, in den Flachwassergebieten des Ozeans. Im Mittelmeer, vor den idyllischen Stränden der Insel Elba beispielsweise, oder auch an den Stränden der Nordsee.

„In Anbetracht der Tatsache, dass erst eine kleiner Teil der Tiefsee erforscht ist, wird die Zahl der bekannten chemosynthetischen Symbiosen sicher noch steigen“, betont Nicole Dubilier. Mit Hilfe der modernen mikrobiologischen Techniken werden am laufenden Band neue Kooperationen und Symbionten entdeckt. „Mit zahlreichen Überraschungen über Herkunft, Ausbreitung und Stoffwechsel der Mikroorganismen und ihrer Wirte ist noch zu rechnen – in der Tiefsee wie auch an den Küsten.“

 

Mehr zum Thema:

Ein Oze­an von Sym­bio­sen, von un­ge­ahn­ter Tie­fe

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Sandkastenspiele – unsere Forscher an der Küste

MPIMM Presse Naomi Halbach

Wer auf Sylt Urlaub macht, schätzt vor allem die kilometerlangen Strände der Insel. Urlauber liegen dort in der Sonne oder spazieren durch die Dünen; Kinder bauen Sandburgen oder sammeln Muscheln und anderes Strandgut. Bei Niedrigwasser beobachten große wie kleine Hobbyforscher das Treiben von Wattwürmern, Krebsen und vielem mehr. In regelmäßigen Abständen kommen auch Wissenschaftler aus Bremen nach Sylt. Für sie sind die Strände der Insel ein riesiges Freilandlabor.

Unser Augenmerk gilt jenen Küstenbewohnern die unsichtbar im Sand leben. Und das sind so einige: Die Forscher schätzen, dass mehrere Hunderttausend unterschiedliche Mikroorganismen, vor allem verschiedene Arten von Algen und Bakterien, zwischen und auf den Sandkörnern leben. Auf jedem Korn sitzen im Schnitt 5000 Bakterienzellen – ein reges Treiben. Nur ein kleiner Teil davon wurde bisher identifiziert. Das liegt vor allem daran, dass der Strand lange Zeit als wissenschaftlich eher langweiliger Lebensraum galt. Tatsächlich erfüllen Sande aber eine ganz wichtige Funktion für unsere Küsten: Sie sind riesige Filter. Sie schützen die Ozeane vor Überdüngung, indem sie die vielen Nährstoffe, die über die Flüsse ins Meer gelangen, zurückhalten. Wie das genau funktioniert, könnt Ihr in diesem Film erfahren.

Auch für unser Klima sind die Sande wichtig. Deshalb untersuchen Bremer Forscher die Produktion und den Verbrauch von Kohlendioxid im Sand. Dazu muss man die Transportprozesse im Sand verstehen lernen. Aber wie? Der Max-Planck-Forscher Felix Janssen und seine Kollegen Soeren AhmerkampPaul Färber und Moritz Holtappels mussten dazu erst einmal die nötige Hardware entwickeln. Das Gerät namens „Lance-A-Lot“ kann zweierlei: Es liefert dreidimensionale Bilder des Meeresbodens und misst, wie schnell sich das Wasser durch den Sand bewegt. Das hat große Auswirkungen darauf, was und wie viel die im Sand lebenden Bakterien veratmen, und was im Wasser übrig bleibt.

 

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Unsere Sandkastenforschung im MPG-Magazin GeoMax

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