Tiefsee-Mikroorganismus senkt Eisenbedarf bei 5 °C Erwärmung um mehr als 80 %

Eine neue Studie zeigt, dass ein Mikroorganismus aus der Tiefsee seinen Eisenbedarf um mehr als 80 % senken kann, wenn sich das Wasser um 5 °C erwärmt.

Diese erstmals dokumentierte Widerstandsfähigkeit verändert die Einschätzung von Forschenden dazu, welche Organismen die Chemie der Ozeane weiter prägen könnten, während sich der Planet aufheizt.

Verschobener Eisenbedarf

Im lichtarmen, eisenarmen Meerwasser erweist sich ein bestimmter Mikroorganismus – Nitrosopumilus maritimus – als besonders gut auf eine wärmere Zukunft vorbereitet.

Mikrobiologe Wei Qin und sein Team an der University of Illinois Urbana-Champaign untersuchten Kulturen unter Bedingungen, die diesen Belastungen entsprachen. Sie beobachteten Zellen, die weiterwuchsen, obwohl höhere Temperaturen ihren Bedarf an dem Metall deutlich verringerten.

Das Ergebnis geht über bloßes Überleben hinaus: Steigende Temperaturen veränderten die Eisennutzung des Mikroorganismus und ließen knappe Vorräte weiter reichen.

Damit ist zwar nicht geklärt, was im gesamten Ozean geschehen wird. Die Fähigkeit des Mikroorganismus, sich zu behaupten, ist jedoch die zentrale Beobachtung, die der weitere Verlauf erklären muss.

Weshalb Eisen entscheidend ist

Weit unterhalb der sonnendurchfluteten Wasserschichten gewinnen diese Mikroorganismen Energie, indem sie Ammoniak in eine andere Stickstoffform umwandeln, die benachbarte Zellen nutzen können.

Diese Reaktion setzt die Nitrifikation in Gang, einen Recyclingprozess, der bestimmt, wie viel nutzbarer Stickstoff im Meerwasser verbleibt.

Verschiebt sich dieses Gleichgewicht, kann sich das Wachstum von mikrobiellem Plankton an der Basis des Nahrungsnetzes verändern – und damit auch, welche Organismen darüber gedeihen.

Mehrere eisenabhängige Proteine treiben in diesem Stoffwechselweg den Elektronentransport an. Eisenmangel kann deshalb die gesamte Reaktion beeinträchtigen.

Eine riesige Arbeitskraft

Nur wenige Meeresmikroorganismen sind so weit verbreitet wie ammoniakoxidierende Archaeen, die etwa 30 % des marinen mikrobiellen Planktons ausmachen können.

Anders als Bakterien gehören Archaeen zu einem eigenständigen Zweig einzelligen Lebens; viele von ihnen leben in Wasserschichten weit unterhalb des Sonnenlichts.

Im Jahr 2005 wurde Nitrosopumilus maritimus als erster mariner Vertreter dieser Gruppe in Kultur gezüchtet.

Aufgrund ihrer enormen Zahl können selbst geringe Veränderungen ihres Stoffwechsels weit über die einzelnen Zellen hinaus Folgen haben.

Zellen tauschen Bausteine aus

Die Erwärmung scheint zu helfen, weil die Zellen eisenreiche Bestandteile ihres Energiesystems deutlich weniger stark nutzen.

Die Autoren berichteten, dass bei gleichzeitig steigender Wärme und zunehmendem Mangel weniger von einem eisenhaltigen Protein und mehr von einem kupferbasierten Ersatzstoff vorhanden war.

Durch diesen Austausch kann die Zelle weiterhin Energie durch den Stoffwechselweg leiten und benötigt dabei wesentlich weniger Eisen.

Ein effizienter Umgang mit Metallen könnte diesen Mikroorganismen in Regionen einen Vorteil verschaffen, in denen Eisen über lange Zeit knapp bleibt.

Modelle zeigen größere Reichweite

Als das Team die Laborergebnisse in ein globales Computermodell überführte, zeigte sich der stärkste Effekt in kälteren Gewässern hoher Breitengrade.

Dort führten aktivere Zellen zu einem schnelleren Rückgang von Ammoniak, weil die Mikroorganismen ihn weiterhin in nachgelagerte Stickstoffverbindungen umwandelten.

Die Meereszirkulation transportierte einen Teil dieses chemischen Signals anschließend in Richtung niedrigerer Breitengrade – weg von den Regionen, in denen der Erwärmungseffekt begann.

Der Klimawandel könnte die räumliche Verteilung von Nährstoffen verändern, selbst wenn die erste biologische Reaktion weit entfernt von den Tropen einsetzt.

Tiefere Wasserschichten werden wärmer

Die Erkenntnis betrifft einen Ozeanbereich, der lange als ruhiger, dunkler und teilweise gegen die rasche Erwärmung an der Oberfläche abgeschirmt galt.

Jüngste Beobachtungen zeigen, dass extreme Hitze unter der Oberfläche in weiten Teilen der oberen 1.000 Meter zunehmend häufig vorkommt.

„Die Auswirkungen der Ozeanerwärmung könnten sich bis in Tiefen von 1.000 Metern oder mehr erstrecken“, sagte Qin.

Diese größere Erwärmungszone erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass Tiefseemikroorganismen zugleich steigenden Temperaturen und Metallstress ausgesetzt sind.

Folgen für das Nahrungsnetz

Für die meisten Menschen bleiben diese Mikroorganismen unsichtbar, doch ihre Chemie beeinflusst mit, welches Plankton aufblühen kann und welches nicht.

Wenn die Ammoniakmenge sinkt und andere Stickstoffformen zunehmen, können sich Gewinner und Verlierer unter winzigem Plankton verschieben.

Das ist bedeutsam, weil das Wachstum von Plankton zur Kohlenstoffbindung beiträgt und Organismen vom Zooplankton bis zu Fischlarven ernährt.

Ein Organismus, der Erwärmung besser standhält als erwartet, kann somit das Leben im Ozean weiterhin formen, selbst wenn die Bedingungen rauer werden.

Grenzen bleiben bestehen

Laborkulturen ermöglichen kontrollierte Untersuchungen, begrenzen die Aussage jedoch auf eine gut erforschte Art, die außerhalb ihrer natürlichen Gemeinschaft wächst.

Im offenen Ozean leben zahlreiche verwandte Stämme sowie Konkurrenten und Partner, die auf gleichzeitige Veränderungen von Eisen und Temperatur anders reagieren könnten.

Natürliches Meerwasser bringt zudem Druck, Durchmischung und organisches Material mit sich; jeder dieser Faktoren kann beeinflussen, wie rasch sich die Zellen anpassen.

Gerade diese Einschränkungen machen das Ergebnis noch überzeugender, denn ein starkes Laborsignal verlangt nun nach Tests unter realen Bedingungen.

Prognosen müssen sich anpassen

Klimamodelle behandeln Mikroorganismen meist anhand fester Regeln. Lebende Zellen können ihren Metallhaushalt jedoch verändern, wenn sich ihre Umwelt wandelt.

Diese Flexibilität kann in umfangreichen Prognosen verborgen bleiben, sofern Experimente die zugrunde liegende Biologie nicht sichtbar machen, bevor sie in Durchschnittswerten untergeht.

Indem die Forschenden die zelluläre Eiseneinsparung in Ozeansimulationen einbezogen, verknüpften sie eine mikroskopische Anpassung mit der Chemie ganzer Meeresbecken.

„Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass archaeelle Gemeinschaften der Tiefsee ihre Rolle im Stickstoffkreislauf und bei der Unterstützung der Primärproduktion in ausgedehnten eisenlimitierten Regionen unter einem sich erwärmenden Klima aufrechterhalten oder sogar verstärken könnten“, sagte Qin.

Auswirkungen auf das Leben im Ozean

Die neue Arbeit legt nahe, dass Erwärmung die Chemie der Tiefsee nicht einfach unterdrücken wird, weil einige ihrer wichtigsten Mikroorganismen ihre Funktionsweise umstellen können.

Ob diese Widerstandsfähigkeit Ökosysteme stabilisiert oder sie neu ordnet, wird davon abhängen, wie sich diese anpassungsfähigen Zellen in natürlichen Gemeinschaften verhalten.