Mikroorganismen als Schlüssel zur Erdgeschichte

31.01.2018

Wieviel Leben im Gestein steckt, vermittelt Patrick Meister in seinem Geobiologie-Kurs. Denn Mikroorganismen spielen eine oft unterschätzte, aber entscheidende Rolle bei der Mineralbildung. Wer den winzigen Lebewesen auf die Spur kommt, verschafft sich Zugang zur Geschichte der Erde ab ihrer Entstehung.

In jedem Mikroorganismus steckt ein kleines Labor und so manches Mineral könnte ohne Kleinstlebewesen gar nicht gebildet werden: „Bakterien und Archaeen beherrschen eine riesige Vielfalt von Stoffwechselprozessen und führen fast jede chemische Reaktion durch, wenn diese ihnen Energie liefert“, schwärmt Patrick Meister. Der Professor am Department für Geodynamik und Sedimentologie hält seit 2016 eine interdisziplinäre Geobiologie-Lehrveranstaltung im Masterstudiengang Erdwissenschaften. Sie schlägt eine Brücke zwischen Gestein und Leben, zwischen Geologie und Mikrobiologie, zwischen Geosphäre und Biosphäre – zum Nutzen und gegenseitigen Verständnis der Disziplinen.

Die Begeisterung für Geobiologie packte den Schweizer Geologen auf einem Bohrschiff des prestigeträchtigen International Ocean Discovery Program: „Lange hat man angenommen, der Meeresboden sei zu dunkel und kalt für Leben, mit zu wenig Nährstoffen und zu viel Druck. Es zeigt sich aber, dass die Biosphäre bis 1000 Meter ins Sediment hineinreicht. Mikroorganismen am Meeresboden wachsen oft sehr langsam und dennoch treiben sie durch ihre vielfältigen Stoffwechselreaktionen Stoffkreisläufe an, die sich auf das gesamte Erdsystem auswirken“.

Mikroorganismen bauen Gebirge auf

Bakterien und Archaeen können sich auch an der Bildung von Gestein beteiligen. Sie reichern ihre Umgebung mit Stoffwechselprodukten an und – je nach Art des Stoffwechsels – werden bei Übersättigung der wässrigen Lösung unterschiedliche Mineralien ausgefällt. Nur mit Hilfe von Bakterien ist es bisher gelungen, Dolomit unter Laborbedingungen herzustellen. Wie dieser Vorgang genau funktioniert, ist noch ein Rätsel. Aber Patrick Meister ist zuversichtlich, dass wissenschaftliche Neugier die fehlenden prozessualen Puzzlesteine finden wird. Der Professor verfolgt mit seiner Gruppe die aktuelle Dolomitbildung in Sedimenten des Neusiedlersees quasi live. Als Geologe will er aber auch wissen, was in den vergangenen Jahrmillionen passiert ist: Wann und wie wurden die mächtigen Dolomitabfolgen der Kalkalpen gebildet? Wie lange hat das gedauert? Sind die Prozesse der heutigen Dolomitbildung, wie sie im Neusiedlersee zu beobachten ist, vergleichbar mit der Zeit, als die Kalkalpen entstanden sind? Dafür versucht der Geologe verwertbare Spuren in Form von chemischen Signaturen im Gestein finden: „Wir benutzen stabile Kohlenstoff-Isotope, um mikrobielle Prozesse zu rekonstruieren. So finden wir heraus, welche Gruppe von Mikroorganismen aktiv war und wie ihr Stoffwechsel zur Gesteinsbildung beigetragen hat“.

Erste Spuren von Mikroben vor 3,8 Mrd. Jahren

Im Kurs Geobiologie (für Studierende der Erdwissenschaft und Biologie!) vermittelt Meister jedes Wintersemester, wie die Lebewelt den Planeten Erde mitgeformt und spätestens vor 3,8 Mrd. Jahren ihre ersten Spuren hinterlassen hat. Fossilien schalenbildender Organismen erhellen nämlich gerade einmal die letzten 550 Millionen Jahre. „Vorher war die Erde weitgehend eine Mikrobenwelt. Die Mikroorganismen sind zwar morphologisch unspektakulär, aber bedeutsam für die chemischen Bedingungen auf der Erde“, betont Meister. Er möchte seinen Studierenden erstes Rüstzeug für die Erforschung der übrigen 80% der Erdgeschichte vermitteln, die sträflich vernachlässigt werden.

Geobiologie: ein interdisziplinäres Lehrprogramm für Geologen und Biologen

Im Kurs werden grundlegende Kenntnisse in Mikrobiologie (Aufbau-, Stoffwechsel und Diversität der Prokaryoten) für Geologen vermittelt. In praktischen Übungen entnehmen Studierende Sediment aus den Lacken des Seewinkels, welches sie anschließend mikrobiologisch untersuchen und daraus verschiedene Bakterienkulturen ansetzen. Im zweiten Teil geht es um fossile Mikrobiologie: „Wir sehen uns Stromatolithen und geochemische Signaturen in bis zu 3,5 Milliarden Jahre alten Gesteinen an und diskutieren mögliche Hinweise auf frühes Leben auf der Erde“. Patrick Meister zeigt auch Spuren der vermutlich dramatischsten Veränderung der Lebensbedingungen in der Erdgeschichte: dem Great Oxidation Event vor rund 2,5 Milliarden Jahren. Von Mikroorganismen verursacht, ist die Anreicherung der Atmosphäre mit Sauerstoff Voraussetzung für die Entstehung höheren Lebens. Ab hier übernehmen die Paläontologen: Petra Heinz vom Institut für Paläontologie zeigt wie sich im späten Proterozoikum (ab ca. 665 Millionen Jahren) erste eigentümliche Vielzeller bildeten. Diese Beispiele zeigen: nur durch die Kombination von biologischen und geologischen Kenntnissen lässt sich das Zusammenspiel der Erde und des Lebens über Milliarden von Jahren entschlüsseln.

Mit Gram-Methode angefärbte Bakterien aus dem Sediment einer Salzlacke (Seewinkel, Burgenland) unter dem Mikroskop. Foto: Universität Wien.
Bohrschiff des International Ocean Discovery Programs, JOIDES Resolution. Foto: IODP
800 m hohe Südwand der Tofana di Rozes (Dolomiten, Südalpen) besteht aus Dolomit, welcher möglicherweise unter dem Einfluss von Bakterien gebildet wurde. Foto: Universität Wien.
Mit einem Kernrohr werden Sedimentkerne aus der Ochsenbrunnlacke (Seewinkel, Burgenland) gezogen. Die Kerne werden im Labor geöffnet und ermöglichen, die Abfolge der Sedimentschichten zu untersuchen. Foto: Universität Wien / B. Bethke.
Stromatolith aus dem Mesoproterozoikum (ca. 1.4 Milliarden Jahre alt). Foto: Universität Wien.