Mikrobielle Wachstumsraten mittels Raman‑SIP erfasst zeigen ein hochaktives unterirdisches Biosphärensystem, angetrieben durch Serpentinisierung

Im Gestein verstecktes Leben

Tief unter unseren Füßen, in dunklen Klüften uralter ozeanischer Kruste, die inzwischen an Land gehoben wurde, sind Mikroben leise aktiv. Diese winzigen Organismen leben in Grundwasser, das durch eisenreiche Gesteine sickert und reagiert, wodurch Wasserstoff und andere energiereiche Moleküle entstehen. Bislang gingen Wissenschaftler davon aus, dass Leben in diesen rauen, alkalischen Gewässern nur sehr langsam voranschreitet. Diese Studie zeigt hingegen, dass viele dieser unterirdischen Mikroben auf Zeitmaßstäben von Tagen bis Monaten wachsen können, was unsere Vorstellung von der verborgenen Biosphäre der Erde und ihrer Rolle für künftige Wasserstoff‑Energie‑ und Kohlenstoffspeicherprojekte neu prägt.

Seltsame Wässer in einer steinernen Welt

In der Samail‑Ophiolithen in Oman liegen Stücke ehemals ozeanischer Mantelkruste offen an Land. Regen und Grundwasser dringen in Risse ein und reagieren mit den ultramafischen Gesteinen in einem Prozess, der Serpentinisierung genannt wird. Wenn das Wasser tiefer gelangt, wird es stärker alkalisch, reicher an Wasserstoff und Methan und ärmer an gelöstem Kohlenstoff und anderen Nährstoffen. Die Forschenden entnahmen Proben von drei Grundwasserarten in 250–270 Metern Tiefe: ein leicht alkalisches Fluid mit reichlich gelöstem Kohlenstoff und Oxidationsmitteln; ein intermediäres Fluid mit moderater Alkalität und reichlich Sulfat; sowie ein hyperalkalisches Fluid, das extrem reich an Wasserstoff und Methan, aber arm an gelöstem Kohlenstoff ist. Diese natürlichen Gradienten schaffen eine Reihe kontrastierender „Welten“, die unterirdische Mikroben bewohnen können.

Mikrobielles Wachstum Zelle für Zelle wiegen

Die Messung der Wachstumsraten von Mikroben unter Tage ist notorisch schwierig. Anstatt einer bestimmten Nahrungsquelle zu folgen, verwendete das Team „schweres Wasser“, das Deuterium enthält, eine schwerere Form des Wasserstoffs. Da alle wachsenden Zellen Wasser benötigen, um neue Biomasse aufzubauen, ersetzt jede aktiv synthhetisierende Zelle stillschweigend einen Teil ihres normalen Wasserstoffs durch Deuterium. Mithilfe der Raman‑Mikrospektroskopie — einer laserbasierten Technik, die die chemischen Schwingungen in einzelnen Zellen ausliest — konnten die Forschenden erkennen, wie viel Deuterium jede einzelne Zelle eingebaut hatte. Daraus schlossen sie auf Wachstumsraten und Generationszeiten von mehr als zweitausend einzelnen Mikroben, ohne deren Identität oder Nahrung im Voraus kennen zu müssen.

Schnellwachsende in einem unerwarteten Umfeld

Die Einzelzellmessungen enthüllten eine überraschend aktive unterirdische Biosphäre. In den leicht und mäßig alkalischen Gewässern waren die meisten Zellen aktiv, und ein großer Anteil waren Schnellwacher mit Generationszeiten im Bereich von Tagen bis Wochen. Selbst ohne zusätzliche Nährstoffzugabe verdoppelten sich viele Zellen in weniger als zwei Wochen. Im krassen Gegensatz dazu beherbergte das hyperalkalische Fluid — dessen pH‑Wert dem von handelsüblichem Rohrreinigungsmittel nahekommt und in dem gelöster anorganischer Kohlenstoff extrem knapp ist — langsamere Populationen, mit typischen Generationszeiten, die sich über Monate oder sogar Jahre erstrecken. Dennoch war selbst in diesen extremen Gewässern eine nennenswerte Minderheit der Zellen eindeutig aktiv und wachstumsfähig.

Mikroben, die Gesteinschemie in Methan verwandeln

DNA‑Sequenzierung zeigte, dass methanproduzierende Archaeen (Methanogene) und sulfatreduzierende Mikroben nach der Inkubation die Gemeinschaften dominierten. Die Verfolgung von Methan‑ und Sulfidproduktion über die Zeit bestätigte, dass diese Gruppen nicht nur vorhanden, sondern auch metabolisch rege waren. Methan akkumulierte am schnellsten in den weniger alkalischen Fluiden und verlangsamte sich deutlich mit steigendem pH, was auf Einschränkungen durch den Mangel an gelöstem Kohlendioxid hinweist. Als die Forschenden Bikarbonat — eine Form von anorganischem Kohlenstoff — zusetzten, reagierten viele Gemeinschaften mit einigen ihrer schnellsten Wachstums‑ und Methanproduktionsraten. Diese Reaktion deutet darauf hin, dass Mikroben in diesen gesteinsgebundenen Ökosystemen fein abgestimmt sind, gelösten anorganischen Kohlenstoff zu nutzen, selbst in stark alkalischen Grundwässern, in denen der größte Teil des Kohlenstoffs in weniger zugänglichen Formen gebunden ist.

Folgen für saubere Energie und andere Welten

Durch die Kombination von Einzelzell‑Wachstumsmessungen mit Schätzungen der Zellzahlen und Methanausbeute berechneten die Autoren, wie viel Wasserstoff unterirdische Mikroben auf der Skala eines ganzen Gesteinsreservoirs verbrauchen könnten. Ihre Ergebnisse legen nahe, dass mikrobielle Gemeinschaften in serpentinisierenden Gesteinen Wasserstoff potenziell schneller verbrauchen können, als er an die Oberfläche entweicht, und einen bedeutenden Teil von Wasserstoff und eingebrachtem Kohlendioxid in Methan und Sulfid umwandeln können. Für Pläne, „geologischen Wasserstoff“ zu nutzen oder Kohlendioxid in solchen Gesteinen zu speichern, bedeutet dies, dass einheimische Mikroben die Chemie stark umgestalten könnten — mit Risiken und Chancen. Allgemeiner gesagt stärkt die Erkenntnis, dass Leben in diesen tiefen, alkalischen Gesteinen sowohl aktiv als auch anpassungsfähig sein kann, die Annahme, dass ähnliche Gestein‑Wasser‑Systeme auf Welten wie dem Mars oder eisigen Monden selbst nachweisbare Biosphären beherbergen könnten.

Zitation: Kashyap, S., Caro, T.A. & Templeton, A.S. Microbial growth rates captured using Raman-SIP reveal a highly active subsurface biosphere fueled by serpentinization. Nat Commun 17, 4128 (2026). https://doi.org/10.1038/s41467-026-70622-w

Schlüsselwörter: Untergrundmikrobiologie, Serpentinisierung, geologischer Wasserstoff, Methanogenese, Biosphärenbewohnbarkeit