Scientists from Bremerhaven, Bremen and Kiel discovered a surprisingly rich and densely populated ecosystem on the peaks of extinct underwater volcanoes in the Arctic deep sea. These were dominated by sponges, growing there in large numbers and to impressive size. ((C) AWI)
In der absoluten Dunkelheit des Meeresbodens unter dem arktischen Meereis haben ForscherInnen ein bislang völlig unbekanntes Ökosystem gefunden: Auf erloschenen Kegeln der Unterwasservulkane des Langseth Ridge (87°N, 61°E) wächst ein dichter und ausgedehnter Rasen aus unzähligen Schwämmen. Da die Schwämme nicht hoch aufragen und in dichten Kolonien siedeln, werden solche Vorkommen Schwammrasen genannt. BiologInnen des Alfred Wegener-Instituts für Polar- und Meeresforschung (AWI) und des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie in Bremen haben ihre Entdeckungen jetzt publiziert.
2011 hatten die WissenschaftlerInnen bei einer Probennahme einen ersten Tiefseeschwamm an Bord der RV Polarstern geholt, sie hielten den Fund für einen einzigartigen Glückstreffer. Schließlich sind solche Probennahmen immer nur allerkleinste Stichproben und die Wahrscheinlichkeit, dabei ein größeres Tier zu erwischen, sind gering. Darum nannten sie den weißen Schwamm mit der etwas flauschig anmutenden Oberfläche scherzhaft einen „Eisbären“, da solch eine Begegnung in der Einöde des Meereises ebenso wenig wahrscheinlich wäre.
Als sie 2011 mit dem ROV (Tauchroboter mit Kameras und mehr) zurückkehrten, um den Meeresboden an der Stelle des Schwammfunds genauer zu untersuchen, erlebten sie die nächste Überraschung: Auf den Gipfeln von drei erloschenen Vulkanen am Langseth Ridge auf 87° Nord, 61° Ost lagen in 500 bis 1000 Metern Tiefe große ausgedehnte Schwammkolonien. Nun sind Schwämme sehr genügsame Tiere, aber unter dem Eispanzer der zentralen Arktis, weit nördlich von Spitzbergen, war eigentlich auch für die bescheidenen Schwämme nicht genug Nahrung, wie etwa organische Schwebstoffe. Erwartet hatten sie vielleicht einen Schwamm pro Quadratkilometer.
Wovon konnten hier so viele Geodia– und Stelletta-Schwämme leben? Auch wenn die meisten der Tiere eher klein waren, hatten andere einen Durchmesser bis zu einem halben Meter!
„Das große Resteessen“
„Das große Resteessen“ beschreibt das AWI in seiner Pressemitteilung das Schwamm-Buffet auf den Unterwassergipfeln. Um den Ursprung des Schwammfutters herauszufinden, kartierte und beprobte das Team zunächst den Meeresboden mit all seinen Bewohnern.
Dabei kam wieder das OFOBs zum Einsatz – das Ocean Floor Observation and Bathymetry System. Das OFOBS wird wenige Meter über dem Tiefseemeeresboden geschleppt und kartiert dann in direkter Aufsicht die Landschaft und ihre Faunengesellschaften. Da es in der Aufsicht einen Bildausschnitt von definierter Größe betrachtet, können die Ergebnisse numerisch ausgewertet werden, wie schon am Beispiel der antarktischen Eisfisch-Kolonien beschrieben.
English: The sponge holobiont The sponge holobiont as an example of the concept of nested ecosystems. Key functions carried out by the microbiome (colored arrows) influence holobiont functioning and, through cascading effects, subsequently influence community structure and ecosystem functioning. Environmental factors act at multiple scales to alter microbiome, holobiont, community, and ecosystem scale processes. Thus, factors that alter microbiome functioning can lead to changes at the holobiont, community, or even ecosystem level and vice versa, illustrating the necessity of considering multiple scales when evaluating functioning in nested ecosystems. DOM, dissolved organic matter; POM, particulate organic matter; DIN, dissolved inorganic nitrogen (Wikipedia: Holobiont; CC; aus: L. Pita, L. Rix, B. M. Slaby, A. Franke & U. Hentschel: The sponge holobiont in a changing ocean: from microbes to ecosystems. ; https://microbiomejournal.biomedcentral.com/articles/10.1186/s40168-018-0428-1
Aus dieser Biomasse analysierten die BiologInnen dann die Kohlenstoff- (δ13C und Δ14C) und Stickstoff- (δ15N) Isotope und die Fettsäuren. Außerdem untersuchten sie die Schwämme selbst.
Dabei fanden sie zunächst das ungewöhnliche Mikrobiom dieser arktischen Schwämme. Viele Schwämme (und auch andere Tiere) haben in ihrem Innern und auf der Außenhülle eine große und diverse Community aus Mikroorganismen, deren Gesamtheit das Mikrobiom ist. Diese Mikroorganismen helfen den Schwämmen bei der Verdauung und Ausscheidung, geben ihnen aber auch nützliche Chemikalien-Cocktails wie etwa Antibiotika. Schwämme sind für ihre pharmazeutisch aktiven Substanzen bekannt. Da die Gemeinschaft aus einem Schwamm und seiner symbiontischen Mikroben-Gesellschaft besonders eng und weitgehend ist, bilden sie beide gemeinsam einen sogenannten Schwammholobionten.
Schließlich konnte die Schwammexpertin des Max-Planck-Instituts für Marine Mikrobiologie in Bremen und Erstautorin Teresa Morganti gemeinsam mit Anna de Kluijver von der Universität Utrecht und dem Labor von Gesine Mollenhauer am AWI herausfinden, was diese Schwämme fressen: Sie begnügen sich mit den Resten abgestorbenen Wurmkolonien!
An den Kraterrändern der Unterwasser-Berge waren mehrere Generationen von Röhrenwurm-Kolonien aufeinander gewachsen, die übrig gebliebenen Röhrendickichte der abgestorbenen Kolonien sehen fast fellartig aus. Die Würmer sind vor mehreren Tausend Jahren abgestorben, heute sind nur noch ihre Wurmröhren aus Chitin und Proteinen erhalten.
Am Rand der aktiven Vulkane wuchsen einst Kolonien von hitzeresistenten Röhrenwürmern (sie gehören zu den Seep Biota), die sich mit ihren symbiontischen Mikroben von Methan und vulkanischen Ausgasungen ernährten. Diese Würmer sitzen fest an einem Ort, aus ihren Chitin-Röhren guckt oben ein Büschel Kiemen heraus wie ein Federtuff. Das Chitin für die Röhrenbehausung scheiden die Würmer selbst ab, sie verkleben es mit Proteinen zu einer stabilen Hülle. Die Würmer tragen Bakterien im Innern, die die vulkanischen Substanzen verdauen können und dafür ihren Wurm-Wirten Zucker geben. Nach dem Erlöschen der Vulkane verhungerten und starben die Würmer. Ihre weichen Teile wurden gefressen oder verwesten und zum Schluss blieben nur die leeren Chitin-Hüllen erhalten. Sie enthalten kaum Nährstoffe und sind für die meisten Lebewesen unverdaulich – aber im Mikrobiom der Schwämme sind ein paar Mikroorganismen, die diese harte Substanz eben doch verdauen können. Durch die Aufschließung der normalerweise verschmähten harten Teile ermöglichen die kleinen Endosymbionten ihren schwammigen Wirten das Überleben. Zusätzlich nutzen die Schwämme natürlich auch alle organischen Partikel, die von oben herunterrieseln.
Die Schwämme haben sich dann direkt auf diesen Wurmkolonien abgesiedelt, Wurmröhren und Schwammreste wie Nadeln bilden einen regelrechten Filz.
Schwämme gelten als sessil (festsitzend), können sich aber dennoch langsam bewegen. Diese Schwammwanderung hatten Teresa M. Morganti, Autun Purse et al schon im vergangene Jahr beschrieben: Sie hatten auf den OFOBS-Aufnahmen meterlange Spuren entdeckt, an deren Ende ein lebender Schwamm saß. Zunächst dachten sie, dass möglicherweise starke Wasserströmungen die Schwämme vielleicht mitgeschleift hatten. Allerdings gab es dort keine solchen Strömungen. Und dann führten die Spuren auch noch in alle Richtungen und sogar bergauf. Damit war der einzig plausible Schluss, dass die Schwämme sich selbst aktiv bewegt haben mussten. Sie könnten sich vielleicht durch Körperkontraktionen fortbewegen, solche Bewegungen sind bei lebenden Schwämmen schon beobachtet worden. Gerade das „Laufen“ bergauf könnte die Tiere hier in immer neue Areale der Wurmkolonien bringen, in denen noch kein Schwammholobiont „gegrast“ hatte.
Schwämme auf Tour
Außerdem verlagern Schwammkolonien ihren Standort bei der Reproduktion: Bei der sexuellen Vermehrung stoßen sie Larven aus, die mit den Meeresströmungen zu neuen Jagdgründen gelangen können. Auch wenn die meisten Larven nicht überleben, schaffen einige es, einen guten Platz zu finden, sich dort anzusiedeln und zu wachsen. Bei der asexuellen Vermehrung schnüren erwachsene Schwämme Knospen ab, die dann auch etwas verdriftet werden können. Dadurch können Schwammbestände langfristig ihren Standort ändern und besseren Lebensräume erreichen. Schwamm-Individuen können sich aber offenbar auch aktiv ganz langsam bewegen, wie die Spuren auf der verfilzten Matte des Untergrunds belegen.
Gigantischer Schwamm-Garten auf verfilzter Matte aus Schwammnadeln und Wurmröhren ((C) AWI)
Der Schwammrasen und seine aus Schwammnadeln und anderen Partikeln gebildete Matte ist ein eigenes Ökosystem, in dem andere Tiere wie kleine Garnelen und Weichkorallen leben können. Einige Seesterne fressen sogar abgestorbene Schwämme.
Auch wenn die Schwämme mit ihrem langsamen und niedrigen Stoffwechsel sehr genügsam sind, sind auch die Reste der Wurmkolonien eine endliche Ressource. Damit ist auch die Lebenszeit des Schwammrasens begrenzt. Solange aber bietet das ungewöhnliche Ökosystem vielen Tieren ein kleines Paradies und einen sehr ungewöhnlichen Lebensraum, wo eigentlich kaum Leben existieren kann.
Der Klimawandel dürfte diese Schwammgärten allerdings bedrohen: Durch das abtauende Meereis wird sich immer mehr Planktonproduktivität in immer höheren Breitengraden abspielen, damit erhöht sich der Nährstoffeintrag signifikant. Damit bietet auch die Zentralarktis dann vielen anderen Arten einen immer besseren Lebensraum. Die Erwärmung des arktischen Ozeans führt also zu einer zunehmenden Biodiversität, die die genügsamen Schwämme irgendwann einfach überwuchern wird.
Da gerade Schwamm-Communities als pharmazeutische Schatztruhen gelten, hat das auch unmittelbare Auswirkungen auf uns Menschen. So sind gerade Schwämme die Hoffnung für die Entwicklung neuer Medikamente, etwa der für uns überlebenswichtigen neuen Antibiotika. Seit den 1960-er Jahren sind Medikamente aus Schwämmen auf dem Markt! Mehr dazu gibt es in dieser Folge „Wissenschaft fürs Wohnzimmer“ mit dem treffenden Titel „Sponge World: Eine neue Hoffnung aus dem Meer“.
Quellen
Morganti, T.M., Slaby, B.M., de Kluijver, A. et al. Giant sponge grounds of Central Arctic seamounts are associated with extinct seep life. Nat Commun 13, 638 (2022). https://www.nature.com/articles/s41467-022-28129-7
Tim Vernimmen: “Hungry sea sponges feast on fossils atop an extinct underwater volcano”. National Geographic, 08. February 2022
Teresa M. Morganti, Autun Purser, et al: In situ observation of sponge trails suggests common sponge locomotion in the deep central Arctic. Correspondence| Volume 31, ISSUE 8, PR368-R370, April 26, 2021, DOI:https://doi.org/10.1016/j.cub.2021.03.014
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