Vielleicht weil der Großteil seiner Bewohner mikroskopisch klein ist. Eine Volkszählung unter Wasser offenbart nun die ungeahnte Vielfalt der Mikroben.

Winzlinge sind die wahren Herrscher dieser Welt. Unsichtbare Kreaturen regieren auf den Kontinenten – und erst recht in den Ozeanen. Mikroben dominieren selbst die unwirtlichsten Winkel des Planeten: Superheiße Quellen, tiefgekühltes Polareis, die finstere Tiefsee und kilometertiefe Sediment- und Gesteinsschichten unter dem Meer – überall wimmelt es vor bakteriellem Leben. Auch in Pflanzen, Tieren und Menschen tummelt sich ein Kosmos mikroskopisch kleiner Wesen.

Das Reich der Bakterien ist noch immer weithin unbekannt, doch ohne sie gibt es kein höheres Leben. Würde die Erde von Mikroben befreit, wäre sie bald darauf tot. Erst seit Kurzem erkunden Wissenschaftler diese Vielfalt systematisch. Mit moderner Roboter-, Tauch-, Bohr- und Biotechnik nehmen sie eine erste globale Bestandsaufnahme im verborgenen Reich der Winzlinge vor.

Sie sind dabei auf einen gigantischen Zoo bisher unbekannter Lebewesen gestoßen, dessen volle Erkundung noch Jahrzehnte dauern wird. Doch schon der erste Einblick förderte ungeahnte Mengen an Mikroben in verblüffender Vielfalt zutage, und das wahrlich überall: Wo immer Forscher Proben nehmen – sie treffen auf Mikroben.

Nirgendwo ist die immense Fülle der mikrobiellen Lebensgemeinschaften besser zu besichtigen als in den Meeren. Seit zehn Jahren läuft dort eine regelrechte Volkszählung, der Zensus des marinen Lebens ( Census of Marine Life , kurz ComL) . An ihm sind mehr als 2000 Forscher aus über 80 Nationen beteiligt. Im Oktober endet diese bislang umfassendste Bestandsaufnahme des Meereslebens. »In keinem anderen marinen Lebensbereich war das Ausmaß beträchtlicher als in der Mikrobenwelt«, sagt Mitchell Sogin vom Marine Biological Laboratory in Woods Hole. An mehr als 1200 Orten wurden Proben gezogen, von den Polen bis zum Äquator, von den Küsten bis in die Tiefsee. Jedes Mal hagelte es Neuentdeckungen.

Einige Zahlen verdeutlichen, wie dieses Durchkämmen der Meere unser Bild von der Mikrobiologie verändert hat: Zuvor galten rund 20.000 verschiedene marine Mikrobenarten als bekannt – ein schwacher Abglanz der Realität. Die tatsächliche Zahl dürfte bei etwa einer Milliarde liegen, schätzt John Barros von der University of Washington. Er sitzt dem Wissenschaftsrat des International Census of Marine Microbes (ICoMM) vor. Beim Meereszensus ist ICoMM eines von 14 Projekten und als »Mikrobenzensus« für die Zählung der kleinsten Lebewesen zuständig – und damit wohl der größten Schar.

Schon bevor das Zensus-Projekt startete, hatte man die durchschnittliche Anzahl von Mikroben, die in jedem Liter Seewasser oder in jedem Gramm Schlamm am Meeresboden zu erwarten sind, dramatisch nach oben revidiert. Galten früher hunderttausend Einzeller pro Liter oder Gramm als grobe Faustregel, geht ICoMM jetzt von mehr als einer Milliarde aus. Die gesamte Mikrobenzahl im Ozeanwasser wird auf eine Quintillion (1030) geschätzt. Diese unvorstellbare Zahl übertrifft bei Weitem die geschätzte Anzahl aller Sterne im gesamten Universum (etwa 1024).

So viele Mikroben haben Gewicht: Die kleinsten Rädchen im Getriebe des Lebens stellen etwa 50 bis 90 Prozent der gesamten lebenden Masse (Biomasse) in den Ozeanen, rechnen die Forscher vor. Dies entspreche dem »Gewichtsäquivalent von 240 Milliarden afrikanischen Elefanten«. Auf jeden Menschen käme eine Mikrobenmasse, so schwer wie 35 Dickhäuter.

Doch wie solide sind solche Einschätzungen? Antje Boetius, Leiterin einer gemeinsamen Forschungsgruppe am Bremer Max-Planck-Institut für marine Mikrobiologie und am Alfred-Wegener-Institut für Polar- und Meeresforschung , hat der Bakterienvielfalt auf rund 40 Expeditionen weltweit nachgespürt. Die Bedeutung dieser unsichtbaren Lebensformen steht für sie außer Frage: »Sie beherrschen unseren Planeten seit Jahrmilliarden und tun das noch heute. Denn sie spielen Schlüsselrollen in den globalen Stoffkreisläufen lebenswichtiger Elemente wie Kohlenstoff, Stickstoff, Schwefel oder Eisen.«

Ja, die Mikroben der Meere haben die Welt, wie wir sie kennen, und ihre Kreisläufe erst erschaffen. Beispiel Kohlenstoff: Schon vor mehr als drei Milliarden Jahren waren Cyanobakterien (umgangssprachlich »Blaualgen«) die Klimaingenieure der ersten Stunde. Die Urviecher entzogen der prall mit Kohlendioxid gefüllten heißen Erdatmosphäre das Treibhausgas CO₂ und verwandelten es mit Sonnenlicht und Wasser zu Zucker. Bei diesem Grundprozess des Lebens, Photosynthese genannt, wird Sauerstoff freigesetzt.

Alle Tiere und Menschen brauchen ihn zum Atmen, doch in der Uratmosphäre kam er nicht vor. »Erst die Massenvermehrung von Mikroben im Meer und deren Daueraktivität machten die Luft atembar und das Land bewohnbar«, erklärt die Meeresbiologin. Das Erfolgsrezept der bakteriellen Photosynthese übernahmen später sowohl Grünalgen als auch grüne Pflanzen – deren Ahnen integrierten die viel älteren Cyanobakterien dauerhaft in ihre Zellen. Biologen nennen das Endosymbiose.

Auch heute noch prägen Cyanobakterien ganze Ökosysteme, sogar aus dem Weltall kann man das sehen, etwa jetzt im Sommer in der Ostsee: Im erwärmten Wasser entsteht bei entsprechendem Nährstoffangebot eine massive »Algenblüte«. Deren gewaltiges Ausmaß dokumentieren eindrückliche Satellitenaufnahmen. Korrekt müsste man statt von Algen- von einer Bakterienblüte sprechen.

Die ersten Organismen entstanden im Meer. Aber nicht nur hier wimmelt es von Bakterien. Sie durchdringen alles irdische Leben. »Die meisten Menschen wissen gar nicht, dass sie etwa zehnmal mehr Mikroben mit sich herumtragen, als sie Körperzellen haben«, sagt Boetius. Die 43-Jährige – eloquent und Mitglied im Wissenschaftsrat, dem wichtigsten politischen Gremium der Zunft – denkt fächerübergreifend.

Deswegen zieht sie eine Parallele zwischen dem Mikrobenzensus im Meer und einer ganz anderen Zählung: Derzeit findet eine besonders gründliche internationale Genomanalyse der wichtigsten Mikroorganismen statt, die den Menschen besiedeln. Sie gedeihen besonders in Nase, Mund, auf der Haut, im Geschlechts- und Verdauungstrakt. Aufwendig wird ihr gesamtes Erbgut analysiert, das »menschliche Mikrobiom«.

Das International Human Microbiome Consortium koordiniert diese Anstrengung. »Man weiß zwar, dass Mikroben unabdingbar sind für unsere Gesundheit, etwa für die Verdauung, den Stoffwechsel und die Immunität. Aber wie genau ihre Vielfalt mit Krankheit und Gesundheit zusammenhängt, ist noch weitgehend unbekannt«, sagt die Biologin. Kein Wunder. Bisherigen Analysen zufolge leben Menschen mit mehr als tausend verschiedenen Mikrobenarten zusammen. Und die verfügen über hundertmal mehr Gene als wir – sorgen also für eine äußerst komplexe Biochemie.

Sie ist das Ergebnis langer gemeinsamer Evolution und wird von Generation zu Generation weitergereicht. »Beim Menschen kann man zum Beispiel anhand verschiedener Stämme des Magenbakteriums Helicobacter pylori rekonstruieren, wie vor Tausenden Jahren Völkerwanderungen und Besiedlungen von Kontinenten verlaufen sind«, erzählt Boetius. Jedes Volk trägt ein typisches Spektrum dieser Magenbakterien, ähnlich einem Fingerabdruck, auf allen Wegen mit sich.

Offenbar schleppen alle Lebewesen einen spezifischen Mikrobenzoo mit sich herum. So wird plausibel, was die Biologin vorrechnet: »Laut Zensus des marinen Lebens existieren zwischen einer und zehn Millionen verschiedene Tierarten in den Ozeanen. Weist jede Art nur zehn bis hundert spezifische Partnermikroben auf, dann hätten wir bereits hundert Millionen Mikrobenarten, die speziell an das tierische Leben im Meer gebunden sind.« Und paradoxerweise scheint die Komplexität einer Art keinen Einfluss auf die Zahl der Mitbewohner zu haben. So sind Schwämme zwar sehr einfache Tiere ohne Organe, aber auf einem Schwamm aus dem großen australischen Barriereriff fanden Forscher dennoch fast 3000 Bakterienarten.

Noch vor zehn Jahren wäre ein solcher Nachweis technisch unmöglich gewesen. Heute erlauben extrem leistungsfähige Sequenziermaschinen, spezifische Erbgutteile und individuelle Eigenschaften festzustellen. So lässt sich dann jeder Art quasi ihr persönliches Etikett zuordnen, ähnlich einer Internetadresse. Mit dieser Kennung werden dann in Datenbanken andere individuelle Eigenschaften verknüpft: Lebt der Winzling lieber an den Polen oder am Äquator, wie viel Licht, Salz, Sauerstoff oder Nährstoffe braucht er?

Auch makroskopisch wurde neuestes Material aufgeboten: vom eisbrechenden Schiff mit ferngesteuerten Greifsystemen über Bohrschiffe, die Proben aus dem Tiefseeschlamm oder gar kilometertief aus dem Meeresboden heraufziehen konnten, bis hin zu Tiefseetauchrobotern, die Analysematerial von untermeerischen Gebirgen, Vulkanen, kalten und heißen Quellen ans Tageslicht förderten. Ganze Ökosysteme wurden erstmals systematisch nach Mikroben durchforstet.

Diese globale Hightechsuche, kombiniert mit Spitzenanalytik, sprengt nun das alte Bild der Mikrobiologie. »Das erklärt auch die schwindelerregenden Zahlen«, sagt Antje Boetius. Sie hält die Schätzung ihres Kollegen John Barros von einer Milliarde Arten für »eher konservativ«, also tief gegriffen. »Nehmen Sie irgendwo einen Teelöffel voller Erde. Dann einen Teelöffel voll Schlamm aus dem Meer. Und dann einen Liter Meerwasser. In allen drei Proben werden Sie etwa 20000 Mikrobenarten finden. Davon überlappen sich jeweils nur 20.« Auch scheinbar Unbelebtes strotzt vor mikrobieller Vielfalt.

Selbst im tiefsten Minenloch der Erde, in einer südafrikanischen Goldmine drei Kilometer unter der Oberfläche, sind schon Bakteriengemeinschaften entdeckt worden. Nicht Sonnenlicht, sondern chemische Verbindungen und vielleicht sogar natürliche Radioaktivität ist der Quell ihrer Lebensenergie. Auch die ICoMM-Forscher beim Meereszensus kamen aus dem Staunen nicht heraus. In ihrem Bericht heißt es: »Selbst im tiefsten je geborgenen Schlamm – vor der Küste von Neufundland, 1626 Meter unter dem Meeresboden und 4560 Meter unter der Wasseroberfläche – wimmelte es von Bakterien.« Schleimige Biofilme aus zusammenklebenden Mikroorganismen fanden sie noch an mehr als 200 Grad Celsius heißen Stellen in vulkanischen Unterwasserschloten.

Unverwüstlich ist das Mikrobenvolk aber auch nicht: Hochintensive Strahlung töte jedes Leben, sagt die Forscherin Boetius: »Manche Mikroben können 200 Grad Hitze zwar kurzzeitig über leben. Aber wirklich leben und sich vermehren, das schaffen sie unter solchen Extrembedingungen nicht mehr.« Da liegt der Rekord bisher bei 121 Grad.

An Unterwasserschloten machten die ICoMM-Forscher noch eine andere zentrale Entdeckung. Sie verglichen die Mikroben aus heißen, aktiven Jungschloten mit jenen, die sich in erkalteten Altschloten in der Nachbarschaft tummelten. Die Genanalysen zeigten, dass seltene Arten in den jungen Schloten viel häufiger vorkamen als in den alten. Ein starkes Indiz dafür, dass rare Winzlinge sich plötzlich ausbreiten, sobald sich die Umweltbedingungen für sie positiv ändern. Genau das passt zu einer der grundlegendsten und überraschendsten Entdeckungen des marinen Mikrobenzensus: der »seltenen Biosphäre«.

Wo immer die Meeresbiologen nachschauten, sie stießen stets auf dasselbe Phänomen: Einige wenige Arten überwogen zahlenmäßig. Doch neben diesen dominaten Mikroben fanden sie eine Vielfalt lokal seltener und extrem rarer Spezies – eben die seltene Biosphäre. Viele dieser Kandidaten liegen in Lauerstellung und harren auf eine Gelegenheit, um alsbald zur beherrschenden Art aufsteigen zu können. Das ist die Lotterie des Lebens: Heerscharen von Schattenkindern hoffen darauf, endlich mal das große Los zu ziehen.

Ursprünglich gingen viele Forscher davon aus, das Leben im Ozeanwasser lasse sich relativ schnell sequenzieren. Zu ihnen gehörte auch der geniale Erbgutforscher und notorische Angeber Craig Venter . Er wollte einfach mit seiner Yacht in See stechen und den Job in fünf Jahren erledigen. Der Plan klang durchaus plausibel: Wird nicht im großen Ozean alles langfristig vermischt durch Wind, Wellen, kleine und globale Strömungen? Da sollten schon relativ wenige Probenahmen zwischen den Polen und dem Äquator genügen!

Doch das Gegenteil war der Fall: Im Meer schwimmt kein mikrobieller Einheitsbrei, vielmehr variiert die lokale Zusammensetzung des bunten Völkchens von Ort zu Ort und von Tag zu Tag, weil sich Temperaturen, Lichtverhältnisse oder Nährstoffangebote ändern und auch jahreszeitenbedingt schwanken. Die beeindruckende Flexibilität belegen mehrjährige Messungen am selben Ort vor der Küste Kaliforniens. Die Veränderungen waren so deutlich, dass sich nach der Zusammensetzung ein Kalender erstellen ließ.

Jene Vielfalt, die sich heute im Ozean beobachten lässt, sei aber längst nicht mehr dieselbe wie vor hundert Jahren, sagt Antje Boetius. Der Hauptgrund: »Wir haben die Wale, Haie und großen Raubfische dezimiert und mit der wachsenden Meeresverschmutzung, siehe die Ölpest im Golf von Mexiko, das ganze Ökosystem verändert.«

Die nächste dramatische Veränderung erwartet sie in der Arktis. Durch die Klimaerwärmung verschwinde großflächig das alte Eis. »Am mehrjährigen Meereis hängt eine ganze Nahrungskette von Algen, Plankton, Krebsen und Fischen« – und eine ganz eigene Mikrowelt. Boetius plant mit Hochdruck eine neue Expedition in die Arktis, um wenigstens diese unbekannte Vielfalt zu dokumentieren, bevor sie verschwindet.

Ähnliche Probleme sieht sie für alle Weltmeere voraus, wenn Klimawandel, Überfischung und Verschmutzung weiter vorangehen. Als abschreckendes Zukunftsmodell sieht sie das Schwarze Meer, in dem sie selbst geforscht hat. Unter Wasser dominierten die Quallen – eine Folge der Überfischung. Und der Boden ist, wegen Sauerstoffmangel infolge von Überdüngung, großflächig tot. »Er gleicht einer Mondlandschaft, man sieht auf ihm keine Lebensspuren.« Dennoch gibt es in dieser lebensfeindlichen Umgebung kräftige mikrobielle Aktivität. Immer wieder steigen Blasen auf, es ist Methan, auch Erdgas oder Biogas genannt. Die Winzlinge in der Tiefe nutzen diese Energiequelle für ihren Stoffwechsel. Wie genau, klärte Boetius und erhielt im vergangenen Jahr den Leibniz-Preis dafür, die höchstdotierte Auszeichnung für Wissenschaftler in Deutschland.

Geradezu verblüffend ist, dass Mikroben auf dem toten – und damit von Räubern ungestörten – Meeresboden weit über die Dimensionen des Mikrokosmos hinauswachsen: Sie reihen sich zu vielzelligen Fäden auf. So werden aus den unsichtbaren Davids zwei bis sieben Zentimeter lange Goliaths, halb so dick wie ein Haar und für das bloße Auge sichtbar. Doch das ist nur der Anfang: Sie bilden aus diesen feinen Haaren große, mehrere Dezimeter dicke Teppiche. Diese können gigantische Ausmaße erreichen. Kürzlich hat das ICoMM-Forscher Victor Gallardo mithilfe von Tauchrobotern entdeckt: Vor den Küsten von Chile und Peru erstreckt sich ein solcher Unterwasserteppich über eine Fläche von der Größe Griechenlands!

Ausgerechnet die kleinsten, vielfältigsten Bewohner des Meeres bilden Geflechte, deren Ausmaße in dunkler Tiefsee kaum zu erfassen sind. Weil sie einfach viel zu groß sind.

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