Desulforudis audaxviator
Ein wagemutiger Reisender zum Mittelpunkt der Erde
24. Mai 1863 – der deutsche Professor Otto Lidenbrock findet in einem Runendokument aus dem 12. Jahrhundert eine verschlüsselte Nachricht. Sie gibt Hinweise darauf, dass, wer in den Krater des isländischen Vulkans Snaefellsjökull steigt, von dort aus zum Mittelpunkt der Erde gelangen kann. Der Verfasser der Nachricht ist der isländische Alchemist Arne Saknussemm, der diese Reise bereits selbst unternommen haben will. Lidenbrock möchte der Sache auf den Grund gehen und macht sich gemeinsam mit seinem Neffen Axel auf den Weg nach Island. Entenjäger Hans Bjelke führt die beiden in den Krater des Vulkans – der Beginn einer spannenden Reise, die für das Trio einige Überraschungen bereithält. Durch tiefe Höhlen und über ein unterirdisches Meer führt sie ihr Weg. Sie werden sogar Zeugen eines Kampfes zwischen einem Ichthyosaurus und einem Plesiosaurus, bevor sie die Höhle des Alchemisten erreichen. Als sie sich den Weg freisprengen wollen, werden sie von den Fluten des unterirdischen Meeres mitgerissen und schließlich von einem Lavastrom auf die Erdoberfläche zurückbefördert. Am Stromboli, nördlich von Sizilien endet ihre Reise – deren Verlauf von Axel akribisch festgehalten und damit der Nachwelt zugänglich gemacht wurde.
Das war natürlich keine wahre Geschichte, sondern der Inhalt des Abenteuerromans „Die Reise zum Mittelpunkt der Erde“ von Jules Verne. Die als wissenschaftlicher Reisebericht anmutende Erzählung hat große Wellen geschlagen – von daher ist es wohl kaum überraschend, wenn ich euch erzähle, dass sie auch die Benennung einer durchaus ungewöhnlichen Mikrobe inspiriert hat. Die Rede ist von einer Mikrobe, die es zwar nicht ganz zum Mittelpunkt der Erde geschafft hat – auf die Professor Lidenbrock aber durchaus hätte stoßen können, wäre seine Reise tatsächlich so von statten gegangen, wie Jules Verne sie beschreibt. In 1.5 bis 3 km Tiefe unter der Erdoberfläche verharrt sie im Grundwasser und als es darum ging einen Namen für dieses ungewöhnliche Lebewesen zu finden, kam den Geomikrobiologen Tullis C. Onstott und Dylan Chivian wohl ein Satz aus Jules Vernes Roman besonders passend vor. „Descende, audax viator, et terrestre centrum attinges“ lautet dort eine geheime Inschrift, die Lindenbrock entziffert. Aus dem Lateinischen übersetzt bedeutet das so viel wie „Steig hinab, wagemutiger Reisender, und du wirst zum Mittelpunkt der Erde gelangen“. Der wagemutige Reisende, audax viator, ist in diesem Fall eine Mikrobe – und die trägt seit 2008 den vollständigen Namen Desulforudis audaxviator – oder besser Candidatus Desulforudis audaxviator. Doch nicht nur hinter dem Namen dieser Mikrobe versteckt sich eine spannende Geschichte – unser wagemutiger Reisender hat noch so einiges mehr zu bieten, von dem ich euch heute erzählen möchte.
Findige Leser dieses Blogs wissen ja schon, was es bedeutet, wenn eine Mikrobe Candidatus heißt. Der Kandidatenstatus ist ein vorläufiger Status für Organismen, die wissenschaftlich charakterisiert sind, deren taxonomische Einordnung aber noch nicht abgesichert ist. Das ist auch bei Candidatus Desulforudis audaxviator der Fall. Erstmals wissenschaftlich beschrieben wurde diese Mikrobe im Jahr 2008 durch ein Team von Forschenden aus insgesamt 9 verschiedenen Instituten und Universitäten. Während es häufig so ist, dass Mikroben mit Kandidatenstatus erstmals unter dem Mikroskop beobachtet werden oder durch bestimmte Stoffwechseleigenschaften auffallen, war es hier etwas anders. Aus einem 2.8 km tiefen Schacht einer Goldmine in Südafrika nahmen die Forschenden etwa 5600 Liter Wasser und filtrierten sie, um alle darin enthaltenen Bakterien zu finden. Die Forschenden staunten sicher nicht schlecht, als sich herausstellte, dass 99.9 % der Mikroben, deren DNA sich in der Bruchwasserprobe der Goldmine befanden, zur selben Spezies gehörten. Das war ein absoluter Glücksgriff. Es bedeutete nämlich, dass man aus der vorliegenden Probe ein vollständiges Genom der dort gefunden Spezies konstruieren konnte, ohne von Kontaminationen gestört zu werden. Und dieses Genom hielt so einige Überraschungen bereit.
Um einschätzen zu können, wie faszinierend die Information ist, die ich euch gleich zum Genom von Desulforudis audaxviator und seinem Inhalt geben werde, muss ich euch zunächst aber ein paar mehr Einblicke in die Lebenswelt geben, die sich uns im Schacht einer Goldmine in 2.8 km Tiefe bietet. Hier ist es zunächst mal, wie ihr euch sicher vorstellen könnt, zappenduster. Sonnenlicht gibt es hier überhaupt gar keins und somit auch eigentlich keine organische Masse. Die meisten Lebewesen, unter ihnen Pflanzen, Tiere aber auf direkte oder indirekte Art auch Mikroorganismen sind auf Sonnenlicht zum Leben angewiesen. Zusätzlich zum Mangel an Sonnenlicht und organischem Material kommt auch quasi kein Sauerstoff vor. Und wer das noch nicht für eine doch recht lebensfeindliche Umgebung hält, dem kann ich zusätzlich noch sagen, dass hier dauerhaft Temperaturen um die 60 °C herrschen.
Wie kann jetzt aber in einer Region, in der es nur sehr wenig gibt, worauf sich ein Mikroorganismus für seine Energiegewinnung verlassen kann, Leben entstehen? Dieses Leben muss eben einfach alles mitbringen, um aus den wenigen zur Verfügung stehenden Ressourcen die notwendigen Nährstoffe und Energie zu gewinnen. Der Name der Mikrobe Desulforudis weist schon auf den hauptsächlichen Weg der Energiegewinnung hin. Das Bakterium kann nämlich Sulfat zu Sulfid reduzieren, um Energie zu erzeugen. Hierfür werden Elektronen benötigt, deren Bewegung bei anderen Mikroben durch die Energie des Sonnenlichts angetrieben wird. Für Desulforudis steht die Sonne allerdings nicht zur Verfügung. Stattdessen findet im Erdinneren ein Prozess statt, bei dem durch den Zerfall radioaktiver Elemente Strahlung entsteht, die Wasser in verschiedene Produkte, unter anderem elementaren Wasserstoff spalten kann. Und eben dieser Wasserstoff reicht aus, um Desulforudis audaxviator zur Energie für alle lebenswichtigen Prozesse zu verhelfen.
Jetzt braucht es zum Überleben aber nicht nur Energie, sondern auch andere Elemente, allen voran Kohlenstoff und Stickstoff. Zur Kohlenstoffgewinnung kann das Bakterium beispielsweise Kohlenstoffdioxid oder Kohlenstoffmonoxid assimilieren, also aufnehmen und verarbeiten. Gleichzeitig besitzt es aber auch Gene, die für Aminosäure- oder Zuckertransporter codieren. In Umgebungen, wo diese Nährstoffe vorliegen, ist das für Bakterium der viel einfachere Weg. Es ermöglicht in nährstoffärmeren Regionen aber eventuell auch das Recycling von wichtigen Elementen aus umgebenden abgestorbenen Zellen und stellt damit eine effiziente Nutzung der wenigen verfügbaren Ressourcen sicher.
Während sich Mikroben in größeren Ökosystemen auf andere Lebewesen verlassen, um manche dieser Prozesse durchzuführen, ist Desulforudis audaxviator deutlich unabhängiger. Auf den Lebensstil als Einsiedler angepasst, hat das Bakterium alles, was es braucht, um alle überlebenswichtigen Prozesse selbst auszuführen. Damit steht es im kompletten Gegensatz zu den minimalen und sehr reduzierten Genomen, die wir uns im letzten Beitrag angesehen haben. Auf einem einzigen Genom von knapp 2 Mio Basenpaaren und über 2000 Genen sind hier alle Proteine codiert, die es für die Energiegewinnung, Kohlenstoff- und Stickstoffaufnahme und -assimilierung, Wahrnehmung von Nährstoffen und gezielte Bewegung zu ihnen sowie die Fähigkeit Sporen, also resistente Überdauerungsformen zu bilden braucht – dieses Bakterium kann also einfach so einen komplett von allem anderen unabhängigen Lebensstil unterhalb der Erdkruste aufrechterhalten. Für Forschende war es eines der ersten Beispiele für ein extrem vereinfachtes Ökosystem, in dem eine einzige Mikrobenart offenbar alle wesentlichen biologischen Funktionen selbst bereitstellen kann. Das ist wirklich, wirklich ungewöhnlich und rechtfertigt durchaus die Auszeichnung des „wagemutigen Reisenden“. Manche der Forschenden halten es nach diesen Entdeckungen übrigens für möglich, dass ähnliche Prozesse auf anderen Planeten, wie beispielsweise auf dem Mars oder dem Saturnmond Enceladus ablaufen könnten und dort auch ohne die Verfügbarkeit organischer Materialien Leben entstanden sein könnte.
Damit hört die Reihe an faszinierenden Fakten zu Desulforudis audaxviator aber immer noch nicht auf. In weiteren Publikationen aus 2019 und 2024 wurde das Vorkommen des Bakteriums auch an weiteren Orten bspw. einer 2 km tiefen Grundwasserleitung im westlichen Sibirien, im Death Valley in Kalifornien beschrieben. Sibirien, das Death Valley und die Goldmine in Südafrika sind drei Orte, die wohl kaum weiter voneinander entfernt liegen könnten. Umso überraschter waren Forschende, also Genomanalysen aller drei Proben vorlagen und ihr Vergleich eine unerwartet hohe Übereinstimmung der Genome ergab. Keinerlei Hinweise deuteten darauf hin, dass das Bakterium in der Lage war, große Distanzen zu reisen oder an der Erdoberfläche, geschweige denn in der Anwesenheit von Sauerstoff zu überleben. Vielmehr lag die Vermutung nahe, dass sich die Grundwasserreservoirs vor etwa 165 bis 55 Millionen Jahren während des Zerfalls des Urkontinents Pangäa ausgebildet hatten. Damit hätten sie seit der Zeit, in der noch Dinos auf der Erde herumliefen weder Licht noch Sauerstoff oder die Oberfläche gesehen hatten. Eine mögliche Erklärung für die hohe Übereinstimmung war also, dass in Desulforudis audaxviator sehr wenig evolutionäre Anpassungsprozesse abgelaufen waren. Innerhalb von hunderten Millionen Jahren hätte sich die Sequenz des Genoms nur an sehr wenigen, eingeschränkten Stellen verändert – eine Beobachtung, die der Mikrobe auch die Bezeichnung eines lebendigen Mikrofossils eingebracht hat.
Jetzt, wo ihr einen kurzen Einblick in die Welt der Mikroorganismen bekommen habt, die unter der Oberfläche unserer Erde leben, seid ihr sicher nicht überrascht, wenn ich euch sage, dass es Schätzungen gibt, die besagen, dass diese etwa zehn Prozent der Biomasse auf der Erde ausmachen. Hier gibt es also noch eine Menge zu entdecken und den einen oder anderen wagemutigen Wanderer kennenzulernen, der sich tief unter die Erdkruste wagt. Vom Mittelpunkt der Erde sind wir damit dennoch weit entfernt – wir kratzen in 2.8 km Tiefe gerade mal an der Kruste. Diese geht bis etwa 70 km Tiefe, dann folgt der Erdmantel bis etwa 2900 km Tiefe, bevor dann der Erdkern kommt. Bis wir in der Mitte der Erde ankommen, müssten wir etwa 6400 km tief in den Erdkern vordringen, also etwa zweitausend Mal so tief, wie Desulforudis audaxviator gefunden wurde. Da wäre es dann aber auch unvorstellbare 5000 bis 6000 °C heiß, es herrscht ein unaushaltbarer Druck, der die vorliegende Eisen-Nickel Legierung im festen Zustand hält. Man soll ja niemals nie sagen, aber dass wir an diesem Ort auch nur irgendetwas finden, das an Leben grenzt, ist aus wissenschaftlicher Sicht doch arg unwahrscheinlich. Stattdessen erfreuen wir uns lieber an der Geschichte unseres wagemutigen Reisenden, Desulforudis audaxviator, der in für die Mikrobenwelt neue Tiefen hinabgestiegen ist und es sich dort für eine lange Zeit häuslich eingerichtet hat. Ganz genau so wie der isländische Alchemist aus Jules Vernes Roman.
Links & weitere Infos
Chivian, D. u. a. (2008), Science, 322(5899), S. 275–278.
Karnachuk, O.V. u. a. (2019), The ISME Journal, 13(8), S. 1947–1959.
Lindsay, M.R. u. a. (2024), Proceedings of the National Academy of Sciences, 121(15), S. e2309636121.
Becraft, E.D. u. a. (2021), The ISME Journal, 15(10), S. 2830–2842.