In den Weltmeeren sind Millionen verschiedener organischer Verbindungen gelöst. Diese Stoffe binden große Mengen an Kohlenstoff - manche über Jahrtausende. Welche Rolle spielen sie im globalen Kohlenstoffkreislauf und damit für unser Klima? 

In der Welt der offenen Ozeane gibt es scheinbar wenig von Bestand. In der sonnendurchfluteten obersten Wasserschicht wandeln mikroskopisch kleine Algen Kohlendioxid und Wasser mithilfe von Licht in Biomasse um. Einzelne Zellen verschwinden schon nach wenigen Stunden oder Tagen wieder. Andere Kleinstlebewesen ernähren sich von ihnen, Mikroorganismen wie Bakterien zersetzen sie. Während die mächtigen Stämme von Bäumen an Land Jahrhunderte bis Jahrtausende überdauern können, bleibt von den winzigen Bewohnern des freien Wassers kaum etwas übrig. Für Seereisende zu sehen ist meist nur das unendliche Blau.

Doch in Wirklichkeit hinterlässt auch das Leben im Meer langlebige Spuren. Von der Oberfläche bis in die Tiefsee, von den Polarregionen bis zu den Tropen, vom Wattenmeer bis zum Meeresboden sammelt sich eine unsichtbare Mischung von Molekülen an: das gelöste organische Material. Ein Milligramm der wasserlöslichen kohlenstoffhaltigen Verbindungen findet sich im Durchschnitt in jedem Liter Meerwasser. Hochgerechnet auf das Gesamtvolumen der Ozeane binden diese rund 700 Milliarden Tonnen Kohlenstoff – mehr als alle Lebewesen im Meer und an Land zusammen und etwa ebenso viel wie das Kohlendioxid (CO2) der Atmosphäre. 

Ein Teil dieses gigantischen Kohlenstoffreservoirs ist erstaunlich beständig: „Die ältesten Moleküle sind über 10.000 Jahre alt“, sagt Prof. Dr. Thorsten Dittmar. Damit tragen die Verbindungen dazu bei, dass ein Teil des organischen Kohlenstoffs aus dem Meer nicht unmittelbar als CO2 wieder in die Atmosphäre entweicht. Forschende vermuten, dass dieser Puffer eine wichtige Rolle dabei spielen könnte, den natürlichen CO2-Anteil in der Luft und damit das Klima auf der Erde zu regulieren. 

Vermutlich spielen im Meeresboden ähnliche Prozesse wie in der Wassersäule eine Rolle

All die Daten liefern einen Einblick in die vielfältige Welt der langlebigen organischen Moleküle. In dieser Welt spielen Mikroorganismen nicht nur eine entscheidende Rolle als Quelle von CO2, sondern auch beim Speichern: Sie nehmen organisches Material auf und brechen mithilfe ihrer Werkzeuge, hochspezifischer Enzyme, bestimmte Molekülbindungen auf und setzen neue Substanzen frei. Welche Mikroorganismen daran beteiligt sind und über welche Enzyme sie verfügen, daran forschen auch die mikrobiologischen Arbeitsgruppen in Oldenburg und Bremen, mit denen Dittmar eng zusammenarbeitet. 

Bereits ein vergleichsweise einfaches Experiment, das die Forschenden im kürzlich beendeten Oldenburger Sonderforschungsbereich Roseobacter durchführten, zeigt, wie komplex die Wechselwirkungen zwischen den Mikroorganismen und Molekülen sind: Demnach scheidet eine einzige Bakterienart, die sich in einer Kultur nur von einem bestimmten Zucker ernährt, bereits zehntausende, größtenteils unbekannte Substanzen aus. 

Aus solchen Experimenten und Beobachtungen schließen die Forschenden, dass die langlebigen Substanzen eine Art molekularer Abfall sind, die bei enzymatischen Abbauprozessen anfallen. „Die Zellen scheiden diese aktiv aus, weil sie sie nicht nutzen können“, erläutert Dittmar. Einer Hypothese zufolge sammeln sich manche der Substanzen an, weil sie aufgrund ihrer Struktur schlicht nicht weiter abgebaut werden können. Gegen diese These spricht allerdings, dass es kaum Substanzen auf dem Globus gibt, die Mikroorganismen nicht verarbeiten können.

Die Forschenden vermuten daher, dass es einen weiteren Grund gibt, warum vor allem Mikroorganismen in der Tiefsee paradoxerweise das reichhaltige Nahrungsangebot nicht nutzen. Demnach entstehen durch Aufnehmen, Verarbeiten und Ausscheiden immer mehr neue Verbindungen in immer geringeren Konzentrationen. Für die Mikroorganismen wird es schlicht immer unwahrscheinlicher, trotz der Fülle der Moleküle diejenigen aufzuspüren, die sie verarbeiten können. 

Die Prozesse, die im Kleinen stattfinden, lassen sich nicht einfach hochrechnen

Bei allen Vorhaben bleibt jedoch die Herausforderung: Die Prozesse, die im Kleinen stattfinden, lassen sich nicht einfach auf regionale oder sogar globale Skalen, etwa den Weltozean, hochrechnen. Zu komplex sind die Wechselwirkungen im mikrobiellen Netzwerk. Um aber letztlich die Frage nach der Rolle des gelösten organischen Materials im Kohlenstoffkreislauf und damit für unser Klima zu beantworten, ist genau dies nötig. Modelliererin Lennartz beispielsweise vereinfacht daher die Erkenntnisse aus den Detailstudien schrittweise, indem sie die wichtigsten Prozesse identifiziert und nur diese in größere Modelle integriert. 

Mit diesem Ansatz gelingt es, großräumige Muster der Verteilung des gelösten organischen Materials im Ozean nachzuvollziehen. Die Forschenden wissen beispielsweise, dass sich gelöstes organisches Material in den nährstoffarmen Regionen der subtropischen Ozeane ansammelt. Vermutlich können Mikroorganismen die Substanzen nicht abbauen, da es ihnen für ihr Wachstum an anderen Nährstoffen wie Stickstoff oder Phosphor mangelt. „Berücksichtigen wir dies im Modell, können wir die beobachteten Muster reproduzieren und so große Kohlenstoff-Reservoirs in den Weltmeeren ausfindig machen“, erläutert Lennartz. 

Im Zusammenspiel zwischen Messungen, Experimenten und Modellierungen nähern sich die Forschenden so Stück für Stück ihrem großen Ziel, das gelöste organische Material und die dazugehörigen Prozesse besser zu verstehen und in globale Klimamodelle zu integrieren. Denn angesichts der Größe des Reservoirs könnten sich selbst kleine Veränderungen stark auf die Fähigkeit des Meeres auswirken, das Treibhausgas CO2 zu speichern. Ob dies wirklich so ist, bleibt abzuwarten. Für Dittmar bleibt in jedem Falle eines: im Blau des Meeres die unsichtbaren Spuren des Lebens weiter zu ergründen.

Der Artikel ist zuerst im Forschungsmagazin EINBLICKE erschienen.