Antarktis verborgene subglaziale Seen: Mikrobielles Leben, Kontaminationsrisiken und der Wettlauf zu ihrer Erforschung
Im Jahr 1996 bestätigten Radardaten etwas, das Forscher bereits seit Jahren vermutet hatten, sich aber nur schwer vorstellen konnten: Unter dem antarktischen Eisschild befanden sich große Mengen flüssigen Wassers, begraben unter Kilometern von Eis.
Keine gefrorenen Reservoirs.
Tatsächliche Seen.
Einer von ihnen – der Wostoksee – erwies sich als gigantisch. Er ist etwa 250 Kilometer lang, stellenweise fast 50 Kilometer breit und liegt unter fast 4 Kilometern ostantarktischem Eis begraben. Spätere Messungen deuten darauf hin, dass der See an einigen Stellen eine Tiefe von über 1.000 Metern erreichen könnte. In einem 1998 in Nature veröffentlichten Artikel wurde er als einer der größten bekannten subglazialen Seen der Erde beschrieben. Quelle: https://www.nature.com/articles/32381
Zunächst klang die Entdeckung vor allem geologisch. Sicherlich interessant. Aber abgelegen.
Dann begannen Mikrobiologen, schwierigere Fragen zu stellen.
Wenn flüssiges Wasser hunderttausende von Jahren – vielleicht sogar länger – stabil unter der Antarktis existiert hatte, könnten dort dann noch mikrobielle Ökosysteme überleben?
Im Laufe der nächsten zwei Jahrzehnte wandelte sich die Antwort von spekulativ zu zunehmend wahrscheinlich.
Forscher begannen, mikrobielle DNA, stoffwechselaktive Zellen und chemische Signaturen zu finden, die auf mikrobielle Ökosysteme hindeuten, die unter dem Eis existieren. Keine großen Organismen. Keine verborgenen antarktischen Dschungel. Meist Bakterien und Mikroorganismen, die an kalte, dunkle und nährstoffarme Umgebungen angepasst sind.
Und fast unmittelbar tauchte neben der wissenschaftlichen Begeisterung ein weiteres Problem auf: Kontamination.
Denn sobald Menschen in ein versiegeltes Ökosystem bohren, endet die Isolation.
Der antarktische Eisschild ist weit dynamischer, als er aussieht
Den Großteil des zwanzigsten Jahrhunderts betrachtete man die Antarktis als einen größtenteils gefrorenen, geologisch statischen Kontinent.
Das stellte sich als unvollständig heraus.
Radarbilder, seismische Kartierungen, luftgestützte Vermessungen und Satellitenbeobachtungen haben ein aktives hydrologisches System unter dem antarktischen Eisschild enthüllt. Laut dem Wissenschaftlichen Ausschuss für Antarktisforschung (Scientific Committee on Antarctic Research, SCAR) haben Wissenschaftler bisher mehr als 400 subglaziale Seen unter der Antarktis identifiziert.
Quelle: https://www.scar.org/science/subglacial-lakes/
Einige dieser Seen scheinen isoliert zu sein. Andere könnten über verborgene Entwässerungssysteme unter dem Eis zeitweise miteinander verbunden sein.
Druck und geothermische Wärme sind es, die diese Seen ermöglichen.
In Tiefen, die sich mehreren Kilometern nähern, senkt der Druck den Gefrierpunkt von Wasser so weit ab, dass flüssige Reservoirs unter extrem kaltem Oberflächeneis bestehen bleiben können. Geothermische Wärme, die aus der Erdkruste nach oben dringt, trägt zur zusätzlichen Erwärmung unter dem Eisschild bei.
In einigen Regionen bewegt sich das Wasser sogar durch vergrabene Kanäle unter dem Kontinent. Satellitenbeobachtungen, die Ende der 2000er Jahre von Forschern der NASA und ESA veröffentlicht wurden, zeigten, dass sich ganze subglaziale Seensysteme über Zeiträume von Monaten bis Jahren füllen und entleeren können, wodurch sich die Höhe des Eises darüber geringfügig um mehrere Meter verändert.
Das war von Bedeutung, da die Antarktis plötzlich weniger statisch erschien, als Wissenschaftler einst angenommen hatten.
Und biologisch gesehen ist die Isolation möglicherweise der wichtigere Faktor.
Ein Artikel im Fachmagazin Nature aus dem Jahr 1998 schätzte, dass der Wostoksee wahrscheinlich seit mindestens 420.000 Jahren unter dem Eis versiegelt geblieben war. Einige spätere Modelle legten nahe, dass Teile des Systems je nach Wasseraustauschraten und Eisdynamik deutlich älter sein könnten.
Quelle: https://www.nature.com/articles/32381
Diese Zeiträume sind lang genug, um Evolutionsbiologen davor zurückschrecken zu lassen, Wörter wie „gewöhnlich“ zu verwenden.
Der Wostoksee wurde zum Mittelpunkt der wissenschaftlichen Debatte
Der Wostoksee entwickelte sich schnell zum Schwerpunkt der antarktischen Mikrobiologie.
Teils aufgrund seiner Größe. Teils, weil er die Forscher vor eine schwierige technische Frage stellte:
Wie erhält man Zugang zu einem isolierten Ökosystem, das unter fast 4 Kilometern Eis begraben liegt, ohne es zu kontaminieren?
Die frühen russischen Bohrkampagnen in der Nähe der Wostok-Station waren primär auf die Gewinnung tiefer Eiskernproben und die Rekonstruktion des Paläoklimas ausgelegt und weniger auf die mikrobielle Exploration. Um das Zufrieren der Bohrlöcher zu verhindern, verwendeten die Teams Bohrflüssigkeiten auf Kerosin- und Freonbasis.
Operationell funktionierte das System.
Wissenschaftlich gesehen wurde es später kontrovers diskutiert.
Das Problem war nicht einfach nur, ob eine Kontamination stattgefunden hatte. Das größere Problem war die Unsicherheit bei der Interpretation. Sobald industrielle Bohrflüssigkeiten in das System gelangen, wird der Nachweis, dass biologisches Material tatsächlich aus dem Inneren des Sees stammte, sehr viel schwieriger.
Im Jahr 2013 berichtete ein in PLoS ONE veröffentlichter Artikel, in dem das mit dem Wostoksee assoziierte Akkretionseis analysiert wurde, von mehr als 3.500 nachgewiesenen DNA-Sequenzen. Einige ähnelten psychrophilen Bakterien, die mit kalten aquatischen Systemen in Verbindung gebracht werden. Andere schienen mit den Stoffwechselwegen von Extremophilen verwandt zu sein. Quelle: https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0067221
Kritiker hinterfragten sofort, wie viele Sequenzen tatsächlich aus dem See selbst stammten und wie viele durch Kontaminationen über Bohrflüssigkeiten, den Umgang mit der Ausrüstung oder die Laborverarbeitung eingeschleppt worden waren.
Diese Debatte taucht bis heute regelmäßig in Diskussionen der antarktischen Mikrobiologie auf.
Martin Siegert, einer der führenden Forscher auf dem Gebiet der Erforschung antarktischer subglazialer Seen, fasste die Spannung Jahre später bei einer SCAR-Diskussion unverblümt zusammen:
„Wir versuchen, eine unberührte Umgebung zu erforschen, ohne sie zu verändern.“
Das klingt einfach, bis man beginnt, sich mit der Mechanik von Tiefenbohrungen zu befassen.
Ein Bohrloch, das mehrere Kilometer antarktisches Eis durchdringt, ist kein sauberer chirurgischer Schnitt. Es umfasst Drucksysteme, Bohrwasser, Wärmeaustausch, Gerätetransporte, mikrobiologische Risiken, Unsicherheiten bei der Sequenzierung und langfristige ökologische Fragen, die von Wissenschaftlern noch immer nicht vollständig verstanden werden.
Und ehrlich gesagt, genau hier wird das Fachgebiet weniger filmreif und eher technisch frustrierend. Die Herausforderung besteht nicht mehr nur darin, in den See zu bohren.
Sie besteht darin, nachzuweisen, was bereits dort war, bevor der Bohrer ankam.
Das WISSARD-Projekt versuchte, sich dem Problem anders zu nähern
Anfang der 2010er Jahre waren die Bedenken hinsichtlich einer Kontamination so ernst geworden, dass neue antarktische Bohrprogramme ihre Protokolle fast vollständig auf Sterilität ausrichteten.
Das WISSARD-Projekt – Whillans Ice Stream Subglacial Access Research Drilling – wurde zu einem der bekanntesten Beispiele hierfür.
Anstatt chemischer Bohrspülungen verwendeten die Forscher ein sauberes Heißwasser-Bohrsystem, das speziell dafür entwickelt wurde, das Risiko einer biologischen Kontamination zu minimieren. Laut der Projektdokumentation der National Science Foundation durchlief das Bohrwasser mehrere Filtrationsstufen, eine ultraviolette Sterilisierung und eine Pasteurisierung, bevor es in das Bohrloch gelangte.
Quelle: https://www.nsf.gov/
Die technischen Details waren enorm.
Das Wasser wurde auf 0,2 Mikrometer gefiltert. UV-Systeme bekämpften kontinuierlich mikrobielle Kontaminationen. Die Instrumente wurden vor ihrem Einsatz unter dem Eis chemisch sterilisiert.
Selbst dann blieben die Forscher bei der Interpretation vorsichtig.
Diese Vorsicht erwies sich als gerechtfertigt, da die biologischen Erkenntnisse bedeutend waren.
Ein 2014 in Nature veröffentlichter Artikel berichtete von metabolisch aktiven mikrobiellen Gemeinschaften unter dem Whillans-Eisstrom, etwa 800 Meter unter dem westantarktischen Eisschild. Die Forscher schätzten die mikrobiellen Konzentrationen in einigen Wasserproben auf etwa 130.000 Zellen pro Milliliter.
Quelle: https://www.nature.com/articles/nature13667
Die Studie identifizierte Mikroben, die mit folgenden Prozessen in Verbindung stehen:
- Schwefelkreislauf,
- Ammoniumoxidation,
- Methan-Stoffwechsel,
- Eisenreduktionspfade.
Das war von Bedeutung, da es zeigte, dass diese Systeme keine ruhenden Relikte waren, die unter dem Eis eingefroren sind.
Es handelte sich um aktive mikrobielle Ökosysteme, die in völliger Dunkelheit funktionierten.
Kein Sonnenlicht. Keine Photosynthese.
Nur Chemie, Wechselwirkungen zwischen Wasser und Gestein, gelöste Nährstoffe und mikrobielle Anpassung, die über lange Zeiträume hinweg ablaufen.
Brent Christner, einer der an dem Projekt beteiligten Mikrobiologen, beschrieb die Herausforderung später in Interviews im Zusammenhang mit den Ergebnissen in einfacheren Worten:
„Die Mikroben sind da, aber zu beweisen, dass sie wirklich indigen sind, ist außerordentlich schwierig.“
Dieser Satz bringt einen Großteil der modernen antarktischen Mikrobiologie auf den Punkt.