Tim Kalvelage
Radioaktivität gilt als lebensfeindlich. Doch in Manganknollen in der Tiefsee könnten Mikroorganismen von ihr profitieren. Oder sogar von ihr leben? Diese ungewöhnliche These möchte der Geowissenschaftler Walter Geibert nachweisen.
Röhrenförmige Strukturen, die an Säulen erinnern. Daneben auffällig regelmäßige Punkte, anderswo ungeordnete Tupfen. "Ich arbeite seit Jahren mit marinen Sedimentproben und bin von Expert:innen umgeben, doch konnten sich 30 Meereswissenschaftler:innen nicht darauf einigen, was das ist", sagt Dr. Walter Geibert und blickt auf das Foto. "Nicht mal darauf, ob es sich um Spuren des Lebens oder des Unbelebten handelt." Geibert leitet das Labor für Radiogeochemie am Alfred-Wegener-Institut in Bremerhaven. Das Bild zeigt ein winziges Bruchstück einer Manganknolle.
Manganknollen: Rohstoff und Lebensraum
Diese kugeligen, bis zu mehreren Zentimeter großen Gebilde liegen in etwa 3.000 bis 6.000 Metern Tiefe auf dem Meeresboden, teilweise dicht an dicht. Äußerst langsam – nur wenige Millimeter in einer Million Jahren – wachsen sie aus Metallen heran, die durch Erosion oder vulkanische Quellen ins Meer gelangen. Da sie wertvolle Rohstoffe wie Mangan, Nickel, Kobalt und Kupfer enthalten, rücken sie zunehmend in den Fokus des Tiefseebergbaus, mit potenziell erheblichen ökologischen Folgen. Für viele gelten sie daher vor allem als umstrittene Rohstofflagerstätten auf dem Meeresboden.
Walter Geibert jedoch vermutet in ihnen noch etwas ganz anderes: einen Lebensraum unter extremen Bedingungen, der spektakuläre Erkenntnisse über mögliches Leben im All oder den Verlauf der Evolution liefern könnte.
Manganknollenfeld in der Tiefsee: Im Scheinwerferlicht eines Tauchroboters gleitet ein Grenadierfisch (Macrouridae sp.) über den flachen, mit den kartoffelartigen Gesteinsklumpen übersäten Pazifikboden.
Ungewöhnlich hohe Radioaktivität
Die Wege von Geibert und den Manganknollen kreuzten sich vor einigen Jahren eher zufällig. Der Geowissenschaftler beschäftigt sich schon lange mit natürlicher Radioaktivität im Ozean. "Meerwasser enthält natürlicherweise etwa drei Teile Uran auf eine Milliarde Teile Wasser. Das klingt verschwindend wenig, doch in einem Kubikmeter Meerwasser schwimmen 3,2 Milligramm Uran. Für uns ist das sehr hilfreich: Wir können damit Zeitskalen und Transportprozesse nachvollziehen – Uran dient quasi als Uhr, die im Ozean mitläuft", sagt Geibert. Bei einer solchen Alters- und Zeitbestimmungsfrage fiel ihm etwas Unerwartetes auf: Manganknollen sind deutlich radioaktiver als das umgebende Meerwasser, um mehrere Größenordnungen. Seine Neugier war geweckt.
Radioaktivität als Energiequelle für verborgenes Leben?
Denn die radioaktiven Knollen sind, soviel ist bereits erwiesen, von Mikroorganismen besiedelt. Geiberts Hypothese: Radioaktivität und Leben hängen zusammen – die radioaktive Strahlung könnte eine essenzielle Energiequelle für die Mikroorganismen darstellen. Doch stimmt diese Mutmaßung? Das wird der Geowissenschaftler im Rahmen seiner Förderung in der Initiative "Pioniervorhaben – Explorationen des unbekannten Unbekannten" der VolkswagenStiftung überprüfen.
"So viele Zusammenhänge sind nach wie vor ungeklärt. Genau deshalb halte ich die Grundlagenforschung für so wichtig: Sie bietet die nötige Offenheit, um den Blickwinkel zu wechseln", sagt er.
Rätselhafte Strukturen im Inneren von Manganknollen
"Wir finden ständig Neues", erwähnt er ruhig, dennoch kann er seine Begeisterung nur schwer verbergen. Zur Demonstration zoomt er tief in eine rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines winzigen Manganknollenstücks und zeigt auf die seltsamen säulen- und punktförmigen Strukturen, auf die sich Expert:innen bislang keinen Reim machen können.
Chemisch gesehen bestehen sie größtenteils aus Mangan- und Eisenoxiden, organisches Material ist nicht mehr nachweisbar. Dennoch vermutet Geibert, dass es sich um die Spuren der Mikroorganismen handelt. "Mikroorganismen hatten alle Zeit der Welt, sich an die Strahlung anzupassen und ihre chemische Energie für sich zu erschließen. Möglicherweise leben verschiedene Gruppen von Organismen in einer Symbiose, bei der die einen die Reaktionsprodukte der anderen verwerten", sagt er.
Rätselhafte Strukturen: Elektronenmikroskopische Aufnahmen einer polymetallischen Manganknolle aus dem Pazifik zeigen teils regelmäßige, teils unregelmäßige punkt- und wabenartige Muster. Walter Geibert vermutet, dass sie von Kolonien von Mikroorganismen erzeugt wurden.
Radioaktive Strahlung erzeugt Wasserstoff
Eine mögliche Nahrungsquelle der Mikroorganismen könnte Wasserstoff sein. Erst kürzlich wiesen Kolleg:innen von Geibert eine "tiefe Biosphäre" nach, die weit in die Erdkruste hineinreicht und deren Leben von winzigen Mengen Wasserstoff abhängt.
"Durch die Radioaktivität müssen auch in den Manganknollen erhebliche Mengen dieses lebensspendenden Stoffes entstehen. Denn die radioaktiven Strahlen spalten die Wassermoleküle in verschiedene Bruchstücke auf, unter anderem in Wasserstoff – man spricht von Radiolyse", weiß der Forscher. "Ein komplizierter Vorgang: Die verschiedenen Molekül-Bruchstücke reagieren zum Teil weiter zu anderen Substanzen – abhängig von zahlreichen Parametern wie dem pH-Wert, dem Sauerstoffgehalt der Umgebung, ja sogar von der Porenweite der Manganknollen."
Neue Technik macht radioaktive Strahlung in Manganknollen sichtbar
Um diese komplexen Abläufe näher zu beleuchten, braucht es das entsprechende Equipment: Etwa solches, mit dem sich die radioaktive Strahlung kartieren lässt. "Dafür haben wir eine Technologie zur Röntgenvisualisierung angepasst. So können wir jetzt erstmals einzelnen Atomen in den Knollen live beim Zerfall zuschauen, die entstehende radioaktive Strahlung sichtbar machen und die Zerfallsprozesse mit einer von uns entwickelten Software analysieren", begeistert er sich. "Bilder und Videos, auf denen man räumlich aufgelöst Alphastrahlung – also Strahlung aus positiv geladenen Helium-4-Kernen – sehen kann, das gab es vorher nicht!" Ein erster Meilenstein wäre damit erreicht.
Mit einem neuartigen Detektor für ortsaufgelöste digitale Strahlenmessung untersuchte Geibert die Radioaktivität der Manganknollen. Die Helligkeit im rechten Bild zeigt die von radioaktiver Strahlung abgegebene Energie - jeder Lichtpunkt entspricht einem einzelnen Zerfallsereignis. Die größeren Punkte sind Luftbläschen, die beim Eingießen der Probe entstanden sind.
Im nächsten Schritt auf der Suche nach Hinweisen auf die Kleinstlebewesen und ihre Lebensgrundlage will Geibert herausfinden, was genau in den Manganknollen passiert: Wo entsteht wie viel radioaktive Strahlung? Wieviel Energie hat sie? Und welche Mengen an Wasserstoff und anderen Wassermolekül-Bruchstücken erzeugt sie? Den Antworten auf diese Fragen nähert sich der Wissenschaftler experimentell und rechnerisch, später sollen sie in einem Modell zusammenfließen.
Vielleicht sind die Manganknollen sogar selbst eine Art Organismus?
Den Mikroorganismen selbst möchte er schließlich indirekt auf die Spur kommen: über Wasser, das mit sogenannten Isotopen markiert ist. Denn verwerten die kleinen Lebewesen Wasserstoff aus dem so gekennzeichneten Wasser, müssten sich die Spuren davon in ihren Hinterlassenschaften nachweisen lassen – und damit möglicherweise in den bislang noch rätselhaften Punkten und Säulen.
Außerirdisches Leben, Evolution und das Leben an sich
Nun sind Mikroorganismen in Manganknollen auf dem Meeresgrund kilometerweit von unserem Alltag entfernt, sie leben buchstäblich in einer anderen Welt. Dennoch ist Geibert sich sicher, dass die Ergebnisse seines Projekts großen Einfluss auf andere Forschungen haben könnten, etwa in der Astrobiologie. "Die Suche nach außerirdischem Leben beispielsweise beschränkt sich derzeit auf Orte, an die Sonnenlicht dringt. Doch sollte diese These stimmen, könnten Lebewesen ebenso gut Energie aus Radioaktivität nutzen – und damit Orte besiedeln, die wir bislang als lebensfeindlich angesehen haben", sagt Geibert.
Auch für die Frühgeschichte der Erde liefern die Untersuchungen neue Ansätze, schließlich war die natürliche Radioaktivität damals deutlich höher als heute. "Gleichzeitig hat viel Evolution stattgefunden. Es ist durchaus denkbar, dass Radioaktivität maßgeblich an der Entstehung von Leben beteiligt war. Vielleicht sind die Manganknollen sogar selbst eine Art Organismus?", sinniert Geibert. Eine provokante Idee, und eine neue Perspektive auf die Definition des Lebens an sich.
Verantwortliche Redakteurin
