Da der Klimawandel die Wärme in tiefere Schichten des Meereswassers drückt, ist die wissenschaftliche Gemeinschaft besorgt darüber, dass das empfindliche Gleichgewicht des Meereslebens gestört werden könnte. Eine neue Studie legt jedoch nahe, dass sich ein wichtiger Tiefseemikroorganismus – das marine nitrifizierende Bakterium Nitrosopumilus maritimus – still und heimlich an diese wärmere, nährstoffarme Umgebung angepasst hat.
Durch die kombinierten Auswirkungen der globalen Erwärmung und häufiger Hitzewellen im Meer beschränkt sich die Erwärmung nicht mehr auf die Meeresoberfläche. Auch Meerwasser in einer Tiefe von bis zu tausend Metern erwärmt sich, was Anlass zur Besorgnis über Störungen der chemischen Umgebung und der Ökosysteme des Ozeans gibt. Ein Forschungsteam der University of Illinois in Urbana-Champaign und anderer Institutionen wies jedoch darauf hin, dass Archaeen wie Nitrosopumilus maritimus, die auf Eisen angewiesen sind und durch die Oxidation von Ammoniak leben, ihre physiologischen Strategien offenbar anpassen, um sich an den doppelten Druck höherer Temperaturen und geringerer Metallversorgung anzupassen. Forscher glauben, dass sie in einem Ozean, der sich weiter erwärmt, wahrscheinlich eine immer wichtigere Rolle bei der Neugestaltung der Nährstoffverteilungsmuster im Ozean spielen werden.
Relevante Ergebnisse wurden kürzlich in den Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht. Nitrosopumilus maritimus und seine verwandten Mikroorganismen machen etwa 30 % des gesamten mikrobiellen Planktons im Meer aus und gelten weithin als Schlüsselakteure bei der Aufrechterhaltung des chemischen Gleichgewichts des Ozeans. Durch die Oxidation von Ammoniak im Meerwasser sind diese Archaeen an der Umwandlung von Stickstoff in verschiedene chemische Formen beteiligt und beeinflussen so das Wachstum ganzer mikrobieller Planktongemeinschaften, die die Grundlage mariner Nahrungsnetze bilden und für die marine Artenvielfalt von entscheidender Bedeutung sind.
Wei Qin, korrespondierender Autor der Studie und Professor für Mikrobiologie an der University of Illinois in Urbana-Champaign, sagte, dass man in der Vergangenheit allgemein geglaubt habe, dass Meerwasser unter 1.000 Metern weitgehend von den Auswirkungen der Oberflächenerwärmung „isoliert“ sei, aber es sei jetzt immer deutlicher geworden, dass die Tiefseeerwärmung die Art und Weise verändert, wie diese reichlich vorhandenen Archaeen Eisen nutzen. Eisen ist ein Metallelement, von dem sie in hohem Maße für ihre Stoffwechselprozesse abhängig sind. Diese Veränderung kann sich weiter auf die Verfügbarkeit von Spurenmetallen in der Tiefsee auswirken, was Auswirkungen auf umfassendere biogeochemische Prozesse im Meer hat.
Um der realen Meeresumwelt so nahe wie möglich zu kommen, führte das Forschungsteam eine Reihe von Temperatur- und Eisenkonzentrationsgradientenexperimenten an einer Reinkultur von Nitrosopumilus maritimus unter streng kontrollierten Versuchsbedingungen für Metallkontaminationen durch. Die Ergebnisse zeigten, dass steigende Temperaturen bei begrenztem Eisenangebot nicht nur die Überlebensfähigkeit dieser Art von Mikroorganismen schwächten, sondern sie vielmehr dazu veranlassten, ihren Eisenbedarf zu reduzieren und ihre Eisenverwertungseffizienz zu verbessern. Dies zeigt, dass Nitrosopumilus maritimus mit der Erwärmung des Meerwassers und der Abnahme des verfügbaren Eisens eine gewisse Fähigkeit zur „Selbstregulierung“ besitzt und Stoffwechselaktivitäten in einer ressourcenbeschränkteren Tiefseeumgebung aufrechterhalten oder sogar optimieren kann.
Auf der Grundlage von Experimenten arbeitete das Team mit Alessandro Tagliabue, einem Experten für marine biogeochemische Modellierung an der Universität Liverpool, zusammen, um diese physiologischen Daten für Simulationen in das globale biogeochemische Modell des Ozeans zu integrieren. Simulationsergebnisse zeigen, dass in riesigen Meeresgebieten mit begrenztem Eisengehalt Tiefsee-Archaeengemeinschaften unter künftigen Erwärmungsszenarien möglicherweise nicht nur nicht „zurückweichen“, sondern auch in der Lage sein werden, ihre Rolle im Stickstoffkreislauf des Ozeans und bei der Unterstützung der Primärproduktion aufrechtzuerhalten oder sogar zu stärken. Mit anderen Worten: In vielen Tiefseegebieten, die ursprünglich als fragil galten, könnten diese winzigen Lebewesen zu einer „adaptiven Kraft“ werden, die die Funktionen des Ozeans aufrechterhält.
Um zu testen, ob die Laborergebnisse auch auf reale Ozeansysteme anwendbar sind, werden Qin Wei und David Hutchins, Professor für Biologie des globalen Wandels an der University of Southern California, diesen Sommer gemeinsam eine wissenschaftliche Offshore-Expedition leiten. Sie werden an Bord des Forschungsschiffs Sikuliaq gehen, von Seattle aus durch den Golf von Alaska fahren und dann in das subtropische Wirbelgebiet segeln, wo sie in Honolulu, Hawaii, Halt machen. Zwanzig Wissenschaftler aus mehreren Institutionen werden an Bord des Schiffes Vor-Ort-Beobachtungen und Probenahmen durchführen und sich dabei darauf konzentrieren, zu beurteilen, wie archaische Gemeinschaften in der natürlichen Umgebung auf verschiedene Kombinationen von Temperatur- und Metallbeschränkungen reagieren und sich anpassen.
Das Forschungsteam betonte, dass es sich bei dieser Arbeit nicht nur um eine Untersuchung der Anpassungsfähigkeit einer einzelnen Art handelt, sondern sich auch auf den gesamten Stickstoffkreislauf, den Spurenmetallkreislauf im Ozean und die „Resilienz“ von Tiefseeökosystemen im Kontext des Klimawandels bezieht. Wenn wichtige Mikroorganismen wie Nitrosopumilus maritimus tatsächlich in der Lage sind, die Effizienz der Eisenverwertung zu steigern und in wärmeren Tiefseeumgebungen aktiv zu bleiben, können sie bis zu einem gewissen Grad einige der durch die Erwärmung verursachten chemischen Ungleichgewichte ausgleichen und den Meeresökosystemen wertvolle Zeit für die Anpassung verschaffen. Wissenschaftler erinnern jedoch auch daran, dass dies nicht bedeutet, dass die Risiken des Klimawandels ignoriert werden können. Die menschliche Kontrolle der Treibhausgasemissionen ist immer noch das grundlegende Mittel zum Schutz der Gesundheit der Ozeane und globalen Ökosysteme.
Berichten zufolge wurde die Forschung gemeinsam von der National Science Foundation, der Simons Foundation, der National Natural Science Foundation of China, der University of Illinois at Urbana-Champaign und der University of Oklahoma finanziert. Einer der Studienleiter, Qin Wei, ist auch dem Carl Wuth Institute for Genomic Biology angeschlossen. Das zuständige Team gab an, dass es plant, in Zukunft Langzeitbeobachtungen in mehr Meeresgebieten und verschiedenen Jahreszeiten durchzuführen, um den Evolutionspfad der Rolle von Tiefseearchaeen im sich erwärmenden Ozean weiter zu klären.