Physikochemische Steuerung der Assimilation uralten Kohlenstoffs in Biomasse von Ökosystemen in flachwasser-hydrothermalen Systemen

Verborgene Kohlenstofffabriken auf dem Meeresboden

Tief unter der Meeresoberfläche lecken heiße Quellen auf dem Ozeanboden ständig uralten Kohlenstoff ins Meer. Auf den ersten Blick wirken diese Unterwasserquellen wie kleine, lokale Kuriositäten. Doch sie schöpfen aus tiefen Kohlenstoffvorräten, die seit Jahrtausenden gebunden sind. Diese Studie stellt eine auf den ersten Blick einfache, aber weitreichende Frage: Wenn dieser alte Kohlenstoff in ein flaches Küstenfeld mit Quellen vor Taiwan gelangt, nutzen ihn die dortigen Meeresorganismen tatsächlich — oder entweicht der Großteil einfach zurück in Ozean und Atmosphäre?

Wo Hitze, Säure und Leben aufeinandertreffen

Vor der kleinen Insel Kueishantao im Nordosten Taiwans sprudelt Meerwasser mit Gasen und heißen Fluiden aus dem Meeresboden. Zwei nahe beieinanderliegende Quellentypen prägen das Gebiet: eine kochend heiße, hoch saure „gelbe“ Quelle und eine kühlere, weniger saure „weiße“ Quelle. Beide setzen große Mengen an Kohlendioxid frei, das aus dem tiefen Erdmantel stammt und eine chemische „Altersmarke“ trägt, die zeigt, dass es weit älter ist als moderner Oberflächenkohlenstoff. Weil der Ort flach ist und von Sonnenlicht durchflutet wird, beherbergt er sowohl Mikroben, die allein von chemischer Energie leben, als auch normale photosynthetische Organismen, die auf Licht angewiesen sind. Diese Mischung macht ihn zu einem idealen natürlichen Labor, um nachzuverfolgen, wie Quellkohlenstoff von heißen Fluiden in lebende Biomasse übergeht.

Die Fingerabdrücke des Kohlenstoffs lesen

Um diesem uralten Kohlenstoff durch das Ökosystem zu folgen, verwendeten die Forschenden ein Set von Isotopen-„Fingerabdrücken“, gemessen an winzigen Partikeln und Fettsäuren aus Mikroben und Tieren. Durch Proben von schwebenden Partikeln im Wasser, Sedimenten auf dem Meeresboden und Gewebe eines quellenbewohnenden Krabben konnten sie die chemischen Signaturen von Kohlenstoff und Wasserstoff in bestimmten Fettsäuren mit den Erwartungen für verschiedene Lebensweisen vergleichen. Bestimmte Muster in diesen Signaturen zeigen, ob Mikroben chemische Energie aus den Quellen oder Sonnenlicht nutzen und ob der von ihnen verwendete Kohlenstoff modern oder sehr alt ist. Das erlaubte dem Team, zwischen quellendem Kohlenstoff und dem aus normalem Meerwasser oder vom Land stammenden Kohlenstoff zu unterscheiden und nachzuvollziehen, welche Organismen welche Kohlenstoffquelle anzapfen.

Uralter Kohlenstoff in modernen Nahrungsnetzen

Die Messungen zeigen, dass Kohlenstoff aus den Quellen tatsächlich von der lokalen Biosphäre aufgenommen wird, vor allem von schwefeloxidierenden Bakterien in der Nähe der Bodenplumes. Diese Chemoautotrophe wandeln Kohlendioxid ohne Sonnenlicht in organische Substanz um und geben den Kohlenstoff an andere Organismen weiter, einschließlich der endemischen Quellenkrabbe. Gleichzeitig zeigen die isotopischen Daten, dass auch fotosynthetische Mikroben und Algen am Rand der Quellplumes — wo das Wasser weniger rau ist — einen nachweisbaren Anteil dieses uralten Kohlenstoffs aufnehmen. Anders ausgedrückt: Alter Kohlenstoff von unten bleibt nicht auf dunkle, chemisch getriebene Nischen beschränkt; er gelangt auch in sonnenbeschienene, vertrautere Abschnitte des Nahrungsnetzes.

Wenn mildere Bedingungen den Ausschlag geben

Eines der überraschendsten Ergebnisse ist, dass die kühlere, weniger saure weiße Quelle mehr uralten Kohlenstoff in lokalen Partikeln enthält als die heißere, chemisch energiereichere gelbe Quelle, obwohl die gelbe Quelle mehr reaktive Verbindungen emittiert, die Mikroben theoretisch als Energiequelle nutzen könnten. Die isotopenbasierten Berechnungen der Studie legen nahe, dass die Umgebung der gelben Quelle chemiebasierte Stoffwechselwege begünstigt, ihre extreme Temperatur und Säuregehalt jedoch einschränken, wie viel Biomasse sich ansammeln kann. Im Gegensatz dazu scheint die mildere weiße Quelle ein besseres Gleichgewicht zu bieten: Die Bedingungen sind weiterhin energiereich, aber freundlicher für mikrobielles Wachstum, sodass mehr quellstammender Kohlenstoff in nahelebende Biomasse eingebaut werden kann.

Die meisten Quellen-Kohlenstoffe entweichen

Trotz eindeutiger Hinweise darauf, dass sowohl chemisch als auch lichtgetriebene Mikroben Quellkohlenstoff nutzen, ist die Gesamtmenge des uralten Kohlenstoffs, die in lokaler Biomasse gebunden ist, gering im Vergleich zu dem, was die Quellen täglich ausstoßen. Die Autoren schätzen, dass nur wenige Prozent des täglichen Kohlenstoffausstoßes zu einem beliebigen Zeitpunkt in den nahegelegenen Partikeln vorhanden sind, und die Sedimente selbst enthalten wenig organischen Kohlenstoff. Das deutet darauf hin, dass der größte Teil des quellstammenden Kohlenstoffs schnell von Strömungen abtransportiert oder als Gas entweicht, statt im lokalen Meeresbodenökosystem gespeichert zu werden. Für eine/n Laien ist die Schlussfolgerung klar: Flachwasserquellen versorgen zwar ihre unmittelbaren Gemeinschaften mit uraltem Kohlenstoff, doch die raue Chemie und starke Durchmischung sorgen dafür, dass nur ein bescheidener Bruchteil zurückgehalten wird. Die Details von pH und Temperatur — nicht nur die verfügbare chemische Energie — entscheiden letztlich, wie viel dieses tiefen Kohlenstoffs in marine Nahrungsnetze eingebunden wird versus in den weiten Ozean verloren geht.

Zitation: Maak, J.M., Elvert, M., Grotheer, H. et al. Physicochemical controls on ancient carbon assimilation into ecosystem biomass in shallow-water hydrothermal systems. Commun Earth Environ 7, 216 (2026). https://doi.org/10.1038/s43247-026-03254-z

Schlüsselwörter: hydrothermale Quellen, mariner Kohlenstoffkreislauf, chemoautotrophe Mikroben, Radiokohlenstoff-Nachverfolgung, flachsee-Ökosysteme