Sowohl das menschliche Gehirn als auch die Tiefsee stellen für die Wissenschaft noch immer große Rätsel dar. Beide sind komplexe und weitgehend unerforschte Gebiete, die uns immer wieder mit neuen Entdeckungen überraschen. Während die Neurowissenschaft versucht, die Funktionsweise unseres Denkorgans zu entschlüsseln, erforschen Meeresbiologen die Tiefsee, um die dort lebenden Organismen und Ökosysteme besser zu verstehen.
Das faszinierende Gehirn des Oktopus
Ein besonders interessantes Beispiel für die Komplexität des Gehirns findet sich bei Oktopoden. Diese intelligenten Meeresbewohner verfügen über ein ungewöhnlich komplexes und weitverzweigtes Gehirn, das sich zum Großteil nicht einmal im Kopf befindet, sondern bis in die äußersten Spitzen ihrer langen Arme reicht. Insgesamt umfasst das neuronale Netz der Tiere circa 500 Millionen Nervenzellen, von denen zwei Drittel in ihren Armen stecken. Jeder Oktopus-Arm hat seine eigene Sensorik und Steuerung, und jeder einzelne Saugnapf ist mit 10.000 Neuronen ausgestattet.
Vorlieben und Intelligenz
Oktopoden haben acht Arme, die alle gleichermaßen geschickt im Greifen und Tasten sind. Wenn sie allerdings etwas Neues erkunden, beispielsweise ein unbekanntes Objekt oder einen neuen Schlupfwinkel, dann benutzen die Tiere immer einen bevorzugten Arm. Meistens ist es ein Arm auf der Vorderseite, die hinteren Arme nutzen Oktopoden dagegen eher zur Fortbewegung. Dass Oktopoden einen bevorzugten Arm haben, entdeckte die Biologin Ruth Byrne im Jahr 2004. Sie vermutete damals, dass die Tiere ähnlich wie wir Menschen auch ein bevorzugtes Auge haben, das sie stärker nutzen.
Wie genau die klugen Tiere ihr großes Gehirn entwickelt haben, ist noch nicht abschließend geklärt. Für viele andere intelligente Tiere, wie beispielsweise Primaten, scheint die soziale Interaktion in der Gruppe für die Entwicklung komplexer Denkmuster maßgeblich gewesen zu sein. Eine mögliche Erklärung für das komplexe Hirn der Tiere ist, dass sie sich ihren Lebensraum oft nicht bewusst aussuchen, sondern als Jungtiere von Meeresströmungen an unbekannte Orte getrieben werden. Dort müssen sie sich dann behaupten, sei es als Bewohner eines Korallenriffs oder auf kargem Sandboden. Durch stetiges Ausprobieren erweitern sie auch ihr Beutespektrum über Muscheln auf Fische und Krabben, möglicherweise erlegen und verspeisen sie sogar Vögel, die über dem Meer fliegen. Ein solcher Spieltrieb, wie ihn einige - aber nicht alle - Oktopoden zeigen, ist für Forschende spannend, weil er ein Indiz für die gesteigerte Intelligenz der Tiere ist. Allgemein dient Spielen im Tierreich oft dazu, Verhaltensweisen einzuüben, die später nützlich sind, beispielsweise bei der Jagd. Welche Funktion der Spieltrieb für den Oktopus hat, ist allerdings noch nicht geklärt.
Anpassung an extreme Bedingungen
Bemerkenswert ist auch die Anpassungsfähigkeit der Oktopoden an unterschiedliche Lebensräume. Wissenschaftler haben herausgefunden, dass Oktopoden sowohl in den eiskalten Gewässern der Antarktis als auch im deutlich wärmeren Mittelmeer überleben können. Dies liegt unter anderem an der höheren Konzentration des Pigments Hämocyanin in ihrem Blut, das für den Sauerstofftransport zuständig ist.
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Insgesamt gehen Forschende davon aus, dass die Oktopus-Population derzeit nicht unbedingt in Gefahr ist - auch wenn sich die Lebensbedingungen in unseren Ozeanen mit dem Klimawandel verändern. Von einigen Kopffüßern sei bekannt, dass sie relativ gut mit wechselnden Umweltbedingungen zurechtkommen, erklärt der Meeresbiologe Henk-Jan Hoving vom Geomar Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung in Kiel. Für einige Regionen gebe es die Hypothese, dass Oktopoden im Nahrungsgeflecht den Platz von Fischen übernommen haben, deren Populationen unter der Überfischung leiden, erklärt Hoving: "Kopffüßer sind Opportunisten und sehr variabel, was die Beute angeht." Es sieht also ganz so aus, als würde es die intelligenten Multitalente noch eine ganze Weile in unseren Weltmeeren geben. Umfassend erforscht sind Oktopoden aber noch lange nicht - womöglich werden sie uns noch das ein oder andere Mal mit ihrem Intellekt überraschen.
Die unergründliche Tiefsee
Die Tiefsee ist eine der letzten unerforschten Regionen unseres Planeten. In den vergangenen Jahrzehnten haben Expeditionen und Tauchboote weniger als 0,001 Prozent der globalen Tiefsee direkt beobachtet, wie Forschende ermittelt haben. Die bisher erkundete Fläche entspricht nur etwa einem Zehntel der Größe Belgiens und umfasst primär die Wirtschafts- und Küstengebiete von nur drei Ländern. Der Rest des Meeresgrunds, vor allem aus tieferen Abschnitten, ist Kameras bisher verborgen geblieben.
Welche Teile der Tiefsee bereits durch Tauchroboter und Kameras erkundet sind und wie viele Bereiche des tiefen Meeresgrunds noch nie besucht wurden, haben nun Forschende um Katherine Bell von der Ocean Discovery League ermittelt. Das Ergebnis: “Unsere Daten zeigen, dass wir weniger als 0,001 Prozent des tiefen Meeresgrunds visuell erkundet haben“, berichtet das Team. Die bisher erforschte Fläche ist zwischen 2.130 und 3.823 Quadratkilometer groß - das entspricht gerade einmal einem Zehntel der Fläche von Belgien. Diese Schätzung berücksichtigt bereits, dass einige Tauchdaten nicht öffentlich und daher nicht in die Studie eingeflossen sind.
Ungleichmäßige Erforschung
Hinzu kommt: “Die Daten, die bei den gut 44.000 Tiefsee-Tauchgängen gesammelt wurden, stellen eine unglaublich einseitige Probe dar“, erklären Bell und ihre Kollegen. Denn die Expeditionen der letzten 67 Jahre erkundeten nur sehr wenige Habitate und geologische Formationen der Tiefsee. Darunter sind hydrothermale Felder, Unterseevulkane und Tiefsee-Canyons und Abhänge. Zudem wurden bisher größtenteils Bereiche innerhalb der nationalen Wirtschaftszonen erkundet. Nur 19,1 Prozent aller Tauchgänge erfolgten auf hoher See- obwohl diese 58 Prozent der Tiefsee ausmacht. „Und von den innerhalb der 200-Meilen-Zone durchgeführten Tauchgängen fanden 71,1 Prozent in den Gewässern von nur drei reichen Ländern statt: den USA, Japan und Neuseeland“, berichten die Forschenden.
Dieses Ungleichgewicht hat sich seit den Anfängen der Meeresforschung sogar noch verstärkt: In den 1960er Jahren fanden noch 51,2 Prozent aller Tauchaktivitäten auf hoher See statt, in den 2010er Jahren sank dieser Anteil auf 14,9 Prozent. „Diese kleine und verzerrte Stichprobe ist problematisch, wenn man versucht, einen globalen Ozean zu charakterisieren, zu verstehen und zu verwalten“, schreiben Bell und ihre Kollegen. „Wir müssen die Ökosysteme und Prozesse der Tiefsee viel besser verstehen, um fundierte Entscheidungen über die Bewirtschaftung und Erhaltung der Ressourcen treffen zu können“, so Bell.
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Notwendigkeit weiterer Forschung
Die Forschenden schlagen vor, zum einen mehr Tauchexpeditionen mit moderner Technik zur Datenerfassung durchzuführen. Auf diese Weise könnte man den gesamten Tiefseeboden erforschen, ohne überall gewesen zu sein. Das würde nicht nur dem Bergbau helfen, sondern auch klären, welche Wirkung die Tiefsee auf die Atmosphäre, das Klima und die Gesundheit unseres Planeten hat. Die strategischen Erkundungen könnten zudem enthüllen, welchen bisher unbekannten Organismen die Tiefsee trotz Dunkelheit und hohem Druck einen Lebensraum bietet. „Es gibt so viele Geheimnisse in unseren Ozeanen“, sagt Ian Miller von der National Geographic Society, die die Studie gefördert hat.
Mikroorganismen in der Tiefsee
Auch Mikroorganismen spielen in der Tiefsee eine wichtige Rolle. Bremer Forschende haben erstmals Enzyme aus Tiefsee-Mikroben beschrieben, die eine entscheidende Rolle beim Ethanabbau spielen. Quellen am Meeresboden setzen von Natur aus Alkane frei - Schadstoffe, die potenziell gefährlich für Lebewesen sind und zur globalen Erwärmung beitragen. Zum Glück leben in den Sedimenten rund um die Quellen Mikroben, die als biologische Filter fungieren: Sie verbrauchen den Großteil der Alkane, bevor sie in die Ozeane und unsere Atmosphäre gelangen.
Forschende des Max-Planck-Instituts für marine Mikrobiologie und des Marum Zentrum für Marine Umweltwissenschaften in Bremen veröffentlichen nun eine Studie über den Abbau von Ethan, dem zweithäufigsten Alkan in Meeresquellen. Sie beschreiben die Enzyme, die an dem Prozess beteiligt sind und zeigen, dass deren Reaktion mit einem gängigen Dogma auf dem Gebiet der anaeroben Biochemie bricht.
Anaerober Abbau von Ethan
Die anaerobe Oxidation von Ethan wurde vor einigen Jahren beschrieben, doch viele ihrer Geheimnisse müssen noch enträtselt werden. „Wir zeichneten die chemischen Reaktionen des Prozesses auf ein Blatt Papier und entdeckten große Lücken in der Biochemie, die noch nicht erforscht waren. Alles deutete darauf hin, dass die beteiligten Organismen ihre Zellenergie auf einem bislang unbekannten Weg gewinnen“, erklärt Erstautor Olivier Lemaire. Die beiden letzten Enzyme des Prozesses erzeugen Kohlendioxid aus Ethan. Andere Mikroben verwenden ein Protein namens Ferredoxin, um die auf diesem Weg entstehenden Elektronen aufzunehmen. „Das hatte man auch bei Ethanoxidierern vermutet. Als wir uns jedoch das Genom der Mikroben ansahen, stellten wir fest, dass sie nicht über die nötigen enzymatischen Werkzeuge verfügen, um Zellenergie mithilfe von Ferredoxin zu gewinnen. Irgendwas anderes musste also im Spiel sein.“
Gelöst werden konnte dieses Rätsel nur dank einer engen Zusammenarbeit innerhalb der Partnerinstitutionen. Gunter Wegener und seinem Team gelang es, Sedimentproben von erdgasreichen hydrothermalen Quellen zu sammeln, und aus diesen die Ethanabbauer im Labor zu kultivieren - eine äußerst anspruchsvolle Aufgabe. Mit Hilfe dieser Kulturen konnte dann die Gruppe von Tristan Wagner die an der Ethanoxidation beteiligten Enzyme isolieren und charakterisieren. Die jetzt veröffentlichten Analysen zeigen, dass beide Enzyme ein zusätzliches Protein enthalten, das mit dem Rest des Enzyms über eine Redoxkette von Eisen- und Schwefelatomen elektronisch verbunden ist. Durch diese Untereinheit wird es möglich, einen alternativen Elektronenakzeptor zu verwenden: Das F420, ein Molekül auf der Basis von Flavin, einer Klasse von Chemikalien, die auch für den Menschen wichtig ist (z.B. als Vitamin B2).
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„Enzymkomplexe aus CO2-bildenden Proteinen und F420-Reduktasen waren bisher unbekannt“, sagt Tristan Wagner. Durch weitere Experimente bestätigten die Forschenden, dass beide Enzyme F420 als Elektronenakzeptor nutzen. „Diese Entdeckung bricht ein Dogma auf dem Forschungsfeld des anaeroben Stoffwechsels, weil sie die Fähigkeiten dieser Enzyme erweitert.“ „Wir vermuten, dass die Kopplung der CO2-Bildung mit F420 als Elektronenakzeptor den gesamten Prozess anregt. Die Elektronen werden dann über die Zellmembran auf eine andere Mikrobe übertragen, die Sulfat reduziert - ein gängiges Verfahren von alkanoxidierenden Konsortien“, erklärt Gunter Wegener.
Mit der Lösung dieses Stoffwechselrätsels lüften Lemaire und seine Kollegen einen zentralen Aspekt der ethanabbauenden Mikroben, die eine wichtige Rolle im Kohlenstoffkreislauf spielen. Sie zeigen zudem, dass sich Erkenntnisse, die an einigen wenigen Modellorganismen gewonnen werden, nicht einfach auf verwandte Arten übertragen lassen. Die beteiligten Enzyme können vielseitiger sein als angenommen.