Bakterien in Tiefengestein wecken Hoffnungen auf Leben auf dem Mars

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In dünnen Gesteinsprobeschnitten aus Tiefengestein unter dem Meeresboden haben Wissenschaftler erstmals Bakteriengemeinschaften entdeckt. Copyright: Suzuki et al. 2020, DOI: 10.1038 / s42003-020-0860-1, CC BY 4.0

In dünnen Gesteinsprobeschnitten aus Tiefengestein unter dem Meeresboden haben Wissenschaftler erstmals Bakteriengemeinschaften entdeckt.
Copyright: Suzuki et al. 2020, DOI: 10.1038 / s42003-020-0860-1, CC BY 4.0

Tokio (Japan) – Die Entdeckung von einzelligem Leben in festem Gestein tief unter dem Meer und die hierzu verwendete Methode könnte zu einer neuen Suche nach Leben auf dem Mars führen.

Wie das Team um Professor Yohey Suzuki von der University of Tokio aktuell im Nature-Fachjournal „Communications Biology“ (DOI: 10.1038/s42003-020-0860-1) berichtet, wurden die Bakterien mit einer neuen Methode in winzigen Rissen in unterseeischen Vulkangestein entdeckt, nachdem Forscher über ein Jahrzehnt lang versucht hatten, einen neuen Weg zur Untersuchung der Gesteine ​​zu finden.

Suzuki und Kollegen entdeckten die Bakterien in Gesteinsproben, die sie Ende 2010 während des „Integrated Ocean Drilling Program“ (IODP) gesammelt hatten. Die IODP Expedition 329 brachte ein Forscherteam von der tropischen Insel Tahiti mitten im Pazifik nach Auckland, Neuseeland. Das Forschungsschiff ankerte über drei Stellen entlang der Route und erreichte mit einer 5,7 Kilometer langen Metallröhre den Meeresboden. Dann schnitt ein Bohrer 125 Meter unter dem Meeresboden die Probe ab und zog Kernproben mit einem Durchmesser von jeweils etwa 6,2 Zentimetern heraus. Die ersten 75 Meter unter dem Meeresboden waren Schlammsedimente, gefolgt von weiteren 40 Metern festem Gestein. Je nach Standort wurden die Gesteinsproben auf 13,5 Millionen, 33,5 Millionen und 104 Millionen Jahre geschätzt.

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Die Forscher schätzen, dass in den Gesteinsrissen beheimatete Bakteriengemeinschaft, so dicht ist wie die des menschlichen Darms und demnach etwa 10 Milliarden Bakterienzellen pro Kubikzentimeter beträgt. Im Gegensatz dazu wird die durchschnittliche Dichte von Bakterien, die in Schlammsedimenten auf dem Meeresboden leben, lediglich auf 100 Zellen pro Kubikzentimeter geschätzt.

Hintergrund
Unterwasservulkane speien Lava bei ungefähr 1.200 Grad Celsius aus, die schließlich abbricht, wenn sie abkühlt und zu Fels wird. Die darin enthaltenen Risse sind sehr schmal, oft mit einem Durchmesser von weniger als 1 Millimeter. Über Millionen von Jahren hinweg füllen sich diese Risse mit Tonmineralien, dem gleichen Ton, aus dem auch Keramik hergestellt wird.
“Irgendwie finden Bakterien ihren Weg in diese Risse und vermehren sich darin“, führt Suzuki weiter aus. „Diese Risse sind ein sehr lebensfreundlicher. Tonmineralien sind wie eine Art ‚magisches Material‘. Wenn man Tonmineralien findet, findet man fast immer Mikroben, die in ihnen leben.“

Bei den in den Rissen identifizierten Mikroben handelt es sich um aerobe Bakterien, also um mikroskopische Organismen, die einen ähnlichen Prozess wie die Energieerzeugung menschlicher Zellen nutzen und dabei auf Sauerstoff und organische Nährstoffe angewiesen sind.

Die Stellen der Probenentnahmen befanden sich nicht in der Nähe von hydrothermalen Quellen, Schloten oder Wasserkanälen unter dem Meeresboden. Daher sind die Forscher zuversichtlich, dass die Bakterien unabhängig voneinander in die Risse gelangt sind, anstatt von einer Strömung hineingezwungen zu werden. Die Gesteinskernproben wurden auch sterilisiert, um eine Kontamination der Oberfläche unter Verwendung einer künstlichen Meerwasserwäsche und einer schnellen Verbrennung zu verhindern – ein Verfahren, das Suzuki mit der Herstellung von Aburi-Sushi (flammengebratenem Sushi) vergleicht.

Bis zu dieser Zeit bestand die Standardmethode zum Auffinden von Bakterien in Gesteinsproben darin, die äußere Gesteinsschicht abzusplittern, dann die Mitte des Gesteins zu einem Pulver zu zermahlen und Zellen aus diesem zerkleinerten Gestein zu zählen.

Inspiriert durch die Art und Weise, wie Pathologen ultradünne Scheiben von Körpergewebeproben vorbereiten und erstellen, um Krankheiten zu diagnostizieren, beschichtete Suzuki die Steine ​​mit einem speziellen Epoxidharz. Auf diese Weise konnte er trotz der dünnen Schnitte die natürliche Form der Gesteine und Strukturen erhalten. Diese dünnen Schichten aus festem Gestein wurden dann mit einem DNA-färbenden Farbstoff gewaschen und unter ein Mikroskop untersucht.

Hier zeigten sich die Bakterien nun als leuchtend grüne Kugeln, dicht gepackt in orange leuchtenden Tunneln, umgeben von schwarzem Gestein (s. Abb.): „Dieses orangefarbene Leuchten kommt von Tonmineralablagerungen, jenem ‚magischen Material‘, das Bakterien einen attraktiven Lebensraum bietet.“

Aerobe Bakterien leben dicht gepackt in Tunneln aus Tonmineralien, die in dieser Probe aus festem Gestein aus 122 Metern Tiefe unter dem Meeresboden gefunden wurden. Bild B ist 1000-mal größer als Bild A. Das Foto auf der linken Seite in jedem Bild wurde mit normalem Licht und das Foto auf der rechten Seite mit fluoreszierendem Licht aufgenommen. Das feste Basaltgestein ist grau, die Tonmineralien sind orange und die Bakterienzellen sind grüne Kugeln. Copyright: Suzuki et al. 2020, DOI: 10.1038 / s42003-020-0860-1, CC BY 4.0

Aerobe Bakterien leben dicht gepackt in Tunneln aus Tonmineralien, die in dieser Probe aus festem Gestein aus 122 Metern Tiefe unter dem Meeresboden gefunden wurden. Bild B ist 1000-mal größer als Bild A. Das Foto auf der linken Seite in jedem Bild wurde mit normalem Licht und das Foto auf der rechten Seite mit fluoreszierendem Licht aufgenommen. Das feste Basaltgestein ist grau, die Tonmineralien sind orange und die Bakterienzellen sind grüne Kugeln.
Copyright: Suzuki et al. 2020, DOI: 10.1038 / s42003-020-0860-1, CC BY 4.0

Mit einer DNA-Analyse des gesamten Genoms identifizierten die Wissenschaftler und Wissenschaftlerinnen dann die verschiedenen Bakterienarten, die in den Rissen lebten. Proben von verschiedenen Orten offenbarten ähnliche, aber nicht identische Bakterienarten. „Gesteine ​​an verschiedenen Orten haben ein unterschiedliches Alter, was sich darauf auswirken kann, welche Mineralien sich angesammelt haben und welche Bakterien in den Rissen am häufigsten vorkommen.“

Suzuki und Kollegen vermuten, dass die mit Tonmineralien gefüllten Risse jene Nährstoffe konzentrieren, die die Bakterien als Nahrung verwenden. Dies könnte erklären, warum die Dichte der Bakterien in den Gesteinsrissen um acht Größenordnungen höher ist als die Dichte der Bakterien, die frei im Schlammsediment leben, wo Meerwasser die Nährstoffe verdünnt.

Die japanischen Wissenschaftler vermuten weiterhin, dass die Tonmineralien, die die Risse in Tiefseegesteinen füllen, jenen Mineralien ähneln, die sich auch in Gesteinen auf der Marsoberfläche befinden können: “Mineralien sind wie ein Fingerabdruck für die Bedingungen, unter denen sich der Ton gebildet hat. Neutral bis leicht alkalisch, niedrige Temperatur, mäßiger Salzgehalt, eisenreiche Umgebung, Basaltgestein – all diese Bedingungen finden sich sowohl im irdischen tiefen Ozean und Teilen der Marsoberfläche“, so Suzuki.

Schon jetzt plant das Team eine Zusammenarbeit mit dem Johnson Space Center der NASA, um einen Plan zur Untersuchung von Gesteinen zu entwerfen, die von Labor-Rovern auf der Marsoberfläche gesammelt wurden. Zu den Ideen gehören die Aufbewahrung der Proben in einem Titanröhrchen und die Verwendung eines CT-Scanners (Computertomographie), einer Art 3D-Röntgen, um das Leben in mit Tonmineralien gefüllten Rissen zu suchen.

“Unsere Entdeckung von Leben, dort, wo niemand es in festem Fels unter dem Meeresboden erwartet hat, könnte auch die Suche nach Leben im All verändern”, zeigt sich Suzuki abschlie0end zuversichtlich.

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Quelle: University of Tokio, Nature

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