Kurilen-Graben: Fendouzhe entdeckt Hadalsone-Ökosysteme mit Chemosynthese

Die Mission hatte eigentlich zum Ziel, einen trostlosen Grabenboden zu kartieren. Stattdessen stiess das Team tief im Kurilen-Graben zwischen Russland und Japan auf lebendige Gemeinschaften seltsamer Tiere, die von chemischer Energie leben, die aus dem Meeresboden austritt.

Eine verborgene Grenze, wo das Licht verschwindet

Unterhalb von 6\,000 Metern geht das Meer in die sogenannte Hadalsone über – eine stockdunkle Welt, benannt nach Hades. Der Druck steigt dort auf mehr als das Tausendfache des Drucks an der Oberfläche. Die Temperaturen liegen nur knapp über dem Gefrierpunkt. Über Jahrzehnte gingen viele Forschende davon aus, dass unter solchen Bedingungen höchstens wenige Mikroben und allenfalls ein vorbeiziehender Aasfresser überleben.

Diese Vorstellung ist überholt. 2024 tauchte das bemannte chinesische Tauchboot Fendouzhe im Kurilen-Graben auf Tiefen von über 9\,500 Metern ab. Was die Scheinwerfer freilegten, wirkte irritierend – fast wie ein Wald.

«Auf einer Ebene aus dunklem Sediment ragten dichte Dickichte aus Röhrenwürmern wie geisterhafte Schilffelder empor, umgeben von geschäftigen Schwärmen aus Krebstieren und Muscheln.»

Diese Tiere bilden eines der tiefsten bekannten Ökosysteme der Erde. Erste Kartierungen deuten darauf hin, dass sich solche Lebensräume über ungefähr 2\,500 Kilometer entlang des Grabensystems erstrecken könnten – als mosaikartiges Netz von Leben in der abyssalen Landschaft.

Leben, das auf Chemie statt Sonnenlicht basiert

Die Gemeinschaften sammeln sich um sogenannte Sickerstellen (Seep Sites), an denen Flüssigkeiten austreten, die reich an Methan und Schwefelwasserstoff sind. Tageslicht gibt es dort keines, Photosynthese fällt also weg. Das Fundament des Nahrungsnetzes entsteht stattdessen aus Chemie.

Mikroben im Sediment und in den Geweben der Tiere nutzen die Energie, die frei wird, wenn Methan- und Schwefelverbindungen mit Meerwasser reagieren. Dieser Vorgang heisst Chemosynthese: Aus anorganischen Molekülen entsteht organische Substanz, von der sich andere Lebewesen ernähren können.

«In diesen Tiefen wirken Bakterien wie unterirdische Pflanzen: Sie stellen Nahrung aus Gasen und Mineralien her – nicht aus Sonnenschein.»

Die Röhrenwürmer, die zu einer Gruppe namens Sibogliniden gehören, haben das übliche Verdauungssystem praktisch aufgegeben. Stattdessen beherbergen sie in einem speziellen Organ dichte Kolonien chemosynthetischer Bakterien. Die Mikroben liefern Nahrung; die Würmer bieten Schutz und den Zugang zur chemischen Energiequelle. Riesenmuscheln und andere Zweischaler nutzen ein ähnliches Prinzip, indem sie ihre Kiemen mit nützlichen Mikroben besiedeln.

Der Kurilen-Graben: eine Narbe am Meeresboden, voller Energie

Der Kurilen-Graben ist geologisch spektakulär und an manchen Stellen über 10\,000 Meter tief. Er markiert die Zone, in der die pazifische tektonische Platte unter die kleinere Ochotsk-Platte abtaucht. Dieser Vorgang – Subduktion – zerbricht Gestein und erwärmt Fluide, die in der Erdkruste eingeschlossen sind.

An Bord des Forschungsschiffs Tan Suo Yi Hao untersuchten Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler Wasser und Sediment, die von den Sickerstellen heraufgeholt wurden. Dabei fanden sie hohe Methankonzentrationen mit einer chemischen Signatur, die auf einen mikrobiellen Ursprung hinweist. Vereinfacht gesagt: Im Schlamm vergrabene Mikroben wandeln Kohlendioxid in Methan um, das anschliessend wieder entweicht.

Dieses Entweichen ist mehr als eine Kuriosität. Es liefert den Energiefluss, der die Lebensgemeinschaften im Graben antreibt. Garnelenartige Amphipoden, Seegurken (Holothurien) und andere Aas- und Detritusfresser weiden Bakterienmatten ab oder filtern organische Partikel, die aus der Wassersäule herabsinken. So verbinden sie den chemischen Motor des Meeresbodens mit dem weiteren Tiefsee-Ökosystem.

• Tiefe: mehr als 9\,500–10\,000 Meter unter der Oberfläche
• Bedingungen: völlige Dunkelheit, nahezu gefrierendes Wasser, erdrückender Druck
• Zentrale Energiequelle: methan- und sulfidgetriebene Chemosynthese
• Dominierende Tiere: Röhrenwürmer, Muscheln, Krebstiere, Seegurken
• Geologischer Rahmen: aktive Subduktionszone mit Fluid-Austritten

Ein Umdenken darüber, wo Leben funktionieren kann

Der Nachweis komplexer Gemeinschaften in solchen Tiefen zwingt dazu, neu zu bewerten, in welchen Bereichen Leben überhaupt dauerhaft möglich ist. Die Systeme des Kurilen-Grabens zeigen, dass scheinbar lebensfeindliche Räume stabile, langlebige Ökosysteme tragen können – vorausgesetzt, es gibt eine verlässliche Quelle chemischer Energie.

«Hadale Gräben wirken damit weniger wie tote Löcher, sondern eher wie verborgene Korridore der Aktivität entlang tektonischer Grenzen.»

Für die Biologie hat das zwei grosse Folgen. Erstens verschiebt es die bekannten Grenzen tierischen Lebens auf der Erde – sowohl bezüglich Tiefe als auch hinsichtlich der Toleranz gegenüber extremem Druck. Zweitens stützt es die Idee, dass Leben weit weg vom Sternenlicht entstehen oder bestehen könnte: an Grenzflächen zwischen Gestein und Wasser, angetrieben durch Geochemie.

Lehren für Mars, Europa und darüber hinaus

Astrobiologinnen und Astrobiologen verfolgen diese Ergebnisse aufmerksam. Mehrere Welten in unserem Sonnensystem könnten unterirdische oder unter Eis verborgene Ozeane besitzen: der Mars mit salzhaltigen Taschen im Untergrund, Jupiters Mond Europa sowie Saturns Mond Enceladus mit inneren Meeren, die durch Gezeitenkräfte aufgeheizt werden.

Alle drei bieten kaum einfachen Zugang zu Sonnenlicht. Gleichzeitig könnten dort Gestein, Wasser und chemische Gradienten vorhanden sein – also genau jene Zutaten, die auch die Mikroben im Kurilen-Graben versorgen. Die Funde aus der Hadalsone liefern damit ein Modell dafür, wie ausserirdisches Leben aussehen könnte: langsam wachsende, mikrobengetriebene Systeme, die sich dort ballen, wo Fluide durch aufgebrochenes Gestein zirkulieren.

Künftige Missionen, die Fontänen von Enceladus beproben oder sich durch Europas Eis bohren, werden nach ähnlichen chemischen Signaturen suchen, wie sie heute über den Sickerstellen im Kurilen-Graben gemessen werden: auffällige Methanmuster, Schwefelverbindungen ausserhalb des chemischen Gleichgewichts oder komplexe organische Moleküle, die auf laufenden Stoffwechsel hindeuten.

Eine fragile Bastion unter wachsendem Druck

Obwohl die hadalen Gemeinschaften weit weg von alltäglichen menschlichen Aktivitäten liegen, sind sie nicht losgelöst von menschlichen Entscheidungen. Das Interesse am Tiefseebergbau nimmt zu, angetrieben durch die Nachfrage nach Metallen für Batterien und Elektronik. Die meisten heutigen Pläne richten sich zwar auf flachere abyssale Ebenen, doch unser Wissen über den tiefen Ozean ist bestenfalls lückenhaft.

«Die Ökosysteme des Kurilen-Grabens wurden sichtbar, genau als die Industrie den Meeresboden ins Visier nimmt – und damit wird klar, wie viel im grössten Lebensraum des Planeten noch unbekannt ist.»

Eingriffe in einem Teil des tiefen Ozeans können Sedimente mobilisieren, chemische Strömungen verändern und Nahrungsketten stören, die sich über Tausende Kilometer erstrecken. Sickerstellen-basierte Gemeinschaften könnten dabei besonders empfindlich sein, weil ihr Überleben von einem feinen Gleichgewicht zwischen Geologie, Fluidfluss und mikrobieller Aktivität abhängt.

Wie Chemosynthese tatsächlich funktioniert

Chemosynthese klingt oft abstrakt; anschaulicher wird sie, wenn man sie als eine Art unterseeischen Industrieprozess versteht, der von Redoxreaktionen angetrieben wird. Mikroben nutzen Stoffe wie Methan, Schwefelwasserstoff oder Wasserstoff als Elektronendonatoren und Sauerstoff, Nitrat oder Sulfat als Elektronenakzeptoren.

Im Kurilen-Graben umfassen typische Reaktionen etwa, dass Bakterien Methan mit Sulfat oxidieren, oder dass sie Schwefelwasserstoff nutzen, wenn Sauerstoff aus höheren Wasserschichten nach unten diffundiert. Die dabei frei werdende Energie treibt die Bildung von Zuckern und anderen organischen Molekülen aus Kohlendioxid an – grob vergleichbar mit dem, was grüne Pflanzen mithilfe von Licht und Chlorophyll leisten.

Prozess	Wichtigste Energiequelle	Wo er dominiert
Photosynthese	Sonnenlicht	Oberflächenozeane, Landpflanzen
Chemosynthese	Chemische Gradienten (z. B. Methan, Sulfid)	Hydrothermale Quellen, kalte Sickerstellen, hadale Gräben

Was das für Klima und künftige Forschung bedeutet

Das im Kurilen-Graben gemessene Methan verbindet die Tiefsee auch mit Klimafragen. Ein Teil des Gases bleibt in Sedimenten als Methanhydrate gebunden – eisartige Kristalle, die Treibhausgase einschliessen. Ein anderer Teil tritt aus und wird von Mikroben verbraucht, bevor er die Oberfläche erreicht. Diese Wege zu kartieren hilft, Abschätzungen zu verfeinern, wie viel Tiefsee-Methan tatsächlich in die Atmosphäre entweicht.

Forschungsteams planen nun wiederholte Expeditionen in den Graben, um zu beobachten, wie stabil diese Sickerstellen-Ökosysteme über die Zeit sind. Flammen sie mit Veränderungen der tektonischen Aktivität auf und verschwinden wieder? Ordnet ein starkes Erdbeben die Fluidwege neu, sodass ein «Wald» aus Röhrenwürmern ausgehungert wird, während einige Kilometer weiter ein anderer neu auflebt?

Für Nicht-Spezialistinnen und Nicht-Spezialisten lässt sich die Dimension über Druckvergleiche fassen. In 10\,000 Metern Tiefe lastet auf jedem Quadratzentimeter eines Tierkörpers ungefähr eine Tonne Gewicht. Proteine und Zellmembranen würden unter dieser Belastung normalerweise nachgeben. Hadale Arten überstehen das, indem sie ihre Chemie anpassen: Sie reichern ihre Zellen mit druckstabilisierenden Molekülen an und verändern zentrale Enzyme in feinen Nuancen.

Diese Anpassungen wecken bereits Interesse in Biotechnologie und Medizin. Enzyme, die unter extremem Druck zuverlässig funktionieren, könnten industrielle Prozesse unterstützen – von der Lebensmittelsterilisation bis zur Arzneimittelherstellung, wo Hochdruckbehandlungen eingesetzt werden. Die Gemeinschaften des Kurilen-Grabens könnten damit Technologien an Land beeinflussen, während sie in der Dunkelheit weiter nahezu unbemerkt existieren.

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