Molekulares Paläothermometer auf dem Prüfstand

Die Rekonstruktion der Oberflächentemperaturen des Ozeans ist ein wichtiger Bestandteil der Paläoklimaforschung. Nun weist ein Team um Sarah Hurley von der Harvard Universität (Cambridge, USA) und Felix Elling vom MARUM – Zentrum für Marine Umweltwissenschaften an der Universität Bremen auf bisher übersehene biologische Aspekte des Paläothermometers TEX₈₆ hin.

Diese organisch-geochemische Methode nutzen Wissenschaftler_innen, um die Ozeantemperatur in der Erdgeschichte zu ermitteln. Im Meeresboden gelagerte molekulare Fossilien liefern Erkenntnisse auf die Umweltbedingungen der Vergangenheit.

Die neue Studie zeigt Folgendes: Nicht nur die Temperatur, sondern auch die Atmungsrate des Mikroplanktons beeinflusst, wie diese molekularen Fossilien zusammengesetzt sind. Seine Ergebnisse hat das Team jetzt im Wissenschaftsmagazin Proceedings of the National Academy of Sciences (PNAS) veröffentlicht.

Archaeen sind einzellige Mikroorganismen und stellen eine der häufigsten Lebensformen in den nährstoffarmen Ozeanen dar. Eine wichtige marine Archaeengruppe, die sogenannten Ammoniak-oxidierenden Archaeen, veratmet hier Ammoniak und bildet, wie Pflanzen, ihre Zellbestandteile aus Kohlenstoffdioxid. Eine Besonderheit der Archaeen, die diese von Bakterien und höheren Lebewesen unterscheidet, ist die chemische Zusammensetzung ihrer Membran.

Sie besteht aus einer Schicht von Lipiden (Fetten), die eine Grenzschicht zwischen dem Zellinneren und der Umwelt darstellt. Die an der Wasseroberfläche herangewachsenen Archaeen sinken langsam zum Meeresboden und lagern sich über die Zeit dort ab.

Die Membranlipide von planktonischen Archaeen sind besonders stabil, und ihre Überreste können noch nach Jahrtausenden in den Meeressedimenten gefunden werden. Sie bilden damit organische Fossile, die Auskunft über ihre Wachstumsbedingungen in der Vergangenheit geben. Ein wichtiger „Proxy“, der auf der Zusammensetzung der Archaeenlipiden beruht, ist der Temperaturanzeiger TEX₈₆, den Geochemiker für die Rekonstruktion des Klimas in der Vergangenheit anwenden.

„Bisher nahm man an, dass Archaeen die Zusammensetzung ihrer Membran lediglich an die Wassertemperatur anpassen. Leider ist der Zusammenhang zwischen Membranaufbau und Wassertemperatur nicht so einfach wie bisher gedacht, denn die Archaeen passen sich an mehrere umweltliche Stressfaktoren an.

Unsere Studie zeigt, dass die Theorie hinter dem Temperaturindikator TEX₈₆ neu überdacht werden muss“, sagt Dr. Felix Elling, der am MARUM promoviert hat und inzwischen an die Harvard Universität gewechselt ist. Ausgangspunkt für den Studienaufbau von Sarah Hurley, Felix Elling und ihren Kolleg_innen war, dass die Messungen der Archaeen an der Wasseroberfläche nicht mit dem übereinstimmte, was die Forschenden aufgrund der Messungen im Sediment berechnet hatten.

Erst seit etwa zehn Jahren ist es möglich, Ammoniak-oxidierende Archaeen zu kultivieren und im Labor zu untersuchen, wie sich verschiedene Faktoren auf das Wachstum dieser Organismen auswirken. Die Kultivierung, betont PD Dr. Martin Könneke, war eine wichtige Voraussetzung, um überhaupt Biomasse für reproduzierbare Versuche zu schaffen. Könneke leitet am MARUM die Gruppe „Archaeen im Ozean“.

Die Studie der Wissenschaftler_innen aus Bremen und Cambridge zeigt, dass sich die Lipide, die die Mikroorganismen umgeben, nicht wie bislang angenommen mit der Temperatur, sondern mit der Nährstoffzufuhr verändern. Denn die Lipide sind es, die in ihrer Struktur und Zusammensetzung Auskunft über das Nährstoffangebot geben. Außerdem, sagt Könneke, habe es Übereinstimmungen zu älteren Daten aus geschlossenen Kultivierungssystemen und dem Ozean gegeben. „Unsere Studie zeigt, dass die Ammonium-Oxidationsraten, also die Atmungsrate, die Zusammensetzung der Membran dieser Archaeen unabhängig von der Temperatur beeinflussen.“

Für ihre Studie zur Wirksamkeit des Temperaturproxies TEX₈₆ hat die Arbeitsgruppe am MARUM etwa ein Jahr investiert, um ein offenes, kontinuierliches Kultivierungssystem zu entwickeln, in dem die Archaeen herangezüchtet werden. „Besonders ist, dass das System für die Kultivierung kein geschlossener Behälter ist, sondern dass die Mikroorganismen, genau wie in ihrer Umwelt, ständig und in geringen Konzentrationen mit Nährstoffen versorgt werden“, erklärt Martin Könneke. Einfluss auf die Wachstumsrate haben die Wissenschaftler_innen genommen, indem die Nährstofflösung mal schneller, mal langsamer in den Behälter geflossen ist. Immer aber, betonen die Autoren, sei die Temperatur konstant geblieben.

Welchen Stellenwert hat die Studie nun für Folgeuntersuchungen? Der Geochemiker Prof. Dr. Kai-Uwe Hinrichs vom MARUM bewertet die Arbeit als wichtigen Schritt, um Studien zur Klimarekonstruktion der Ozeane unter einem anderen Gesichtspunkt neu zu betrachten. „Wir stellen das Temperatursignal nicht komplett in Frage, aber möglicherweise können künftig Temperatur und Wachstumsrate kombiniert werden“, sagt Hinrichs. Der Temperaturproxy ist auf Sediment und die darin enthaltenen Lipide anwendbar. Man müsse aber bedenken, dass er nicht die aktuell gemessenen Werte von Archaeen in der Wassersäule erklären kann. Das zeige, dass der Temperaturindikator TEX₈₆ nicht so funktionieren kann, wie bisher gedacht. „In unserer jetzigen Studie schlagen wir einen Mechanismus vor, der die Bildung der Archaeenmembran aus biologischer Sicht, nämlich in Abhängigkeit von der Atmungsaktivität der Ammoniak-Oxidierer beschreibt“, sagt Felix Elling. „Wir hoffen, dadurch zu einer Verbesserung – oder gar Neuinterpretation – des TEX₈₆-Proxies und damit von Temperaturrekonstruktionen beitragen zu können.“

Publikation:
Hurley S. J., Elling F. J., Könneke M., Buchwald C., Wankel S. D., Santoro A. E., Lipp J. S., Hinrichs K.-U. and Pearson A. (2016): Influence of ammonia oxidation rate on thaumarchaeal lipid composition and the TEX86 proxy. Veröffentlicht in: Proceedings of the National Academy of Sciences, USA
DOI: 10.1073/pnas.1518534113

Kontakt:
PD Dr. Martin Könneke
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Weitere Informationen / Bildmaterial:
Ulrike Prange
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MARUM entschlüsselt mit modernsten Methoden und eingebunden in internationale Projekte die Rolle des Ozeans im System Erde – insbesondere im Hinblick auf den globalen Wandel. Es erfasst die Wechselwirkungen zwischen geologischen und biologischen Prozessen im Meer und liefert Beiträge für eine nachhaltige Nutzung der Ozeane. Das MARUM umfasst das DFG-Forschungszentrum und den Exzellenzcluster „Der Ozean im System Erde“.