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INTERVIEW/249: Gitterrost und Permafrost - Nahrung für die Phantasie ...    Dr. Elizaveta Rivkina im Gespräch (SB)


11. Internationale Permafrostkonferenz (ICOP) vom 20. bis 24. Juni 2016 in Potsdam

Dr. Elizaveta Rivkina über die Bedeutung der mikrobiellen Permafrostforschung für die erdgeschichtliche Vergangenheit, für die astrobiologische Zukunft und für den Kontakt des Menschen mit dem Dauerfrost auf dem Mars ...



Weite Landschaft, auf der Hunderte von Rentieren grasen - Foto: by United States Fish and Wildlife Service [gemeinfrei], via Wikimedia Commons

Rentiere gehören zu den ersten Lebewesen, die von den negativen Folgen und Gefahren aus dem tauenden Permafrost betroffen sind.
Rentierherde im Norden Kanadas
Foto: by United States Fish and Wildlife Service [gemeinfrei], via Wikimedia Commons

Vom 20. bis 24 Juni 2016 wurde in Potsdam die 11. Internationale Permafrostkonferenz (ICOP) abgehalten, die das Alfred-Wegener-Institut Helmholtz Zentrum für Polar- und Meeresforschung (AWI) organisiert hatte und die mit 800 Teilnehmern auf eine Resonanz unter den Wissenschaftlern traf wie noch nie zuvor. Einer von vielen Gründen, warum Permafrostforschung heute an Bedeutung gewonnen hat und in den Mittelpunkt zahlreicher Wissenschaftsdisziplinen rückt, ist sicherlich der vom Weltklimarat als unumkehrbar attestierte Klimawandel, der Permafrostregionen zu den davon besonders gefährdeten Gebieten macht, mit unabsehbaren Problemen und Folgen für die dort lebenden Menschen, für Natur und Umwelt, aber auch für Arbeitsplätze, Infrastruktur, Häuser und Straßen. Daß die hinter dem Polarkreis liegende Stadt Dudinka (Region Krasnojarsk) bereits in wenigen Jahren komplett in Schlamm und Morast versinken könnte, war nur eines von vielen Beispielen, die auf der Konferenz zur Sprache kamen. Denn bei den zu erwartenden, ungewöhnlichen Sommertemperaturen von bis zu 30 Grad tauen die Dauerfrostböden bis zu einer Tiefe von 3,5 Metern auf.

Weltweit sind mehr als 20 Prozent des gesamten Erdbodens dauerhaft gefroren. Im Zuge des Auftauens der entsprechenden Gebiete in der Antarktis, in Ostsibirien (Arktis), Skandinavien, Grönland, Alaska und Kanada erwachen das mikrobielle Leben und mit ihm Stoffwechsel und Zersetzungsprozesse, etwa der Abbau von Pflanzen- bzw. Biomasse zu Kohlenstoffdioxid oder Methan. Eine der immer wieder thematisierten und immer noch unbeantworteten Fragen der Klima- und Permafrostforscher betrifft vor allem die Mengen der auf diese Weise freigesetzten Treibhausgase, die das Erdklima noch zusätzlich aufheizen könnten. Um diese Zusammenhänge genauer abschätzen zu können, braucht man einen tieferen Einblick in die mikrobielle Welt des noch eingefrorenen Bodenlebens, dessen Lebensgemeinschaft sich ebenfalls durch Auftauprozesse stark verändern könnte, weshalb man in vielen Sessions des Kongresses auch auf Mikrobiologen traf.

Weniger auf dem Radar der Klimaforscher, aber nicht weniger gefährlich, könnten gesundheitliche Folgen sein, die das Auftauen von organischen Resten mit sich bringt, die bislang ebenfalls in den vom Tauen betroffenen Bodenbereichen stecken. Eher zufällig zeigte sich bereits wenige Wochen nach der Konferenz, daß der Klimawandel zumindest für den arktischen Permafrost keine Schatten mehr wirft, sondern solche brisanten Folgen durch das Auftauen der Mikrobenwelt längst tödliche Realität geworden sind.

Bereits zum Zeitpunkt der Konferenz war von der US-Klimabehörde NOAA der weltweit heißeste Juni und Sommer seit Beginn ihrer Temperaturaufzeichnungen 1880 angekündigt worden. Temperaturrekorde bis 35 Grad Celsius haben seither mehr nordsibirischen Permafrost aufgetaut, als jemals zuvor und damit die Sporen gefährlicher Krankheitserreger (Anthrax-Bakterien oder Bacillus anthracis) freigesetzt und aktiviert. Anfang August berichteten Medien von einer seit 75 Jahren erstmals wieder aufgetretenen Milzbrand-Infektion in Sibirien, die Paarhufer befällt und der 2.300 Rentiere und ein 12jähriger Nomadenjunge zum Opfer fielen. Weitere 72 Mitglieder der Nomadengruppe wurden vorsorglich untersucht und behandelt. Die bisherige Furcht vor Thermoerosionen, die das Landschaftsbild aufweichen oder daß sich der Norden Rußlands allmählich in einen Sumpf verwandeln könnte und Straßen wie Bahnstrecken vom Boden verschluckt werden, erscheinen dagegen harmlos.


Zellkolonie von Anthrax-Bakterien - Foto: by Photo Credit: Content Providers(s): CDC (Centers for Disease Control and Prevention's Public Health Image Library (PHIL), with identification number #2226.) [gemeinfrei], via Wikimedia Commons

Milzbrandbakterien selbst sind wenig widerstandsfähig, doch bei geringen Temperaturen bleiben sie lange infektiös und ihre Sporen können noch nach Jahrzehnten, möglicherweise auch nach Jahrhunderten wieder aktiv werden.
Foto: by Photo Credit: Content Providers(s): CDC (Centers for Disease Control and Prevention's Public Health Image Library (PHIL), with identification number #2226.) [gemeinfrei], via Wikimedia Commons

Eine der führenden Forschungsgruppen auf diesem Gebiet sind die russischen Mikrobiologen des Labors für Bodenkryologie am Institut für physikalisch-chemische und biologische Probleme in den Bodenwissenschaften, das in Pushchino in der Oblast Moskau beheimatet ist (ISSP - Institute of Soil Science Pushchino der Russian Academy of Science (RAS)). Sie suchen schon seit langem nach extremophilen Bakterien, bakteriengroßen Riesenviren, Einzellern, Hefen und Pilzen, die sie aus Tausende bis Millionen Jahre altem Permafrostmaterial extrahieren. Da viele Probleme, die mit dem Auftauen des Permafrosts einhergehen, mikrobiologische Ursachen haben, sprach der Schattenblick zum Abschluß des Kongresses mit der Leiterin dieses Instituts, Dr. Elizaveta Rivkina. Eher im nebenherein berichtete sie u.a. über noch virulente Funde aus aufgetauten Bodenproben, welche die distopische Phantasie anregen und welche die 70jährigen Anthraxkeime, die kurz danach die Medien erregten, wie die Spitze des Eisbergs, pardon, des Permafrost-Problems erscheinen lassen. Zumal die erwachenden Mikroorganismen neue Überlebensstrategien entwickeln und damit beginnen könnten, das unterirdische Ökosystem zu dominieren.


Dr. Elizaveta Rivkina - Foto: © 2016 by Schattenblick

Permafrostforschung in astrobiologischen Dimensionen: Wie lange können Mikroorganismen in extremer Kälte auf dem Mars überleben?
Foto: © 2016 by Schattenblick

Mikroorganismen, warum sind sie ein Problem?

Schattenblick (SB): Frau Dr. Rivkina, Sie sind Laborleiterin des "Institute of Physiochemical and Biological Problems in Soil Science Pushchino (ISSP) of the Russian Academy of Science (RAS), Russia". Woran forscht Ihr Labor für Bodenkryologie im Augenblick? Und inwiefern können die Ergebnisse Ihrer Untersuchungen zu einem besseren Verständnis der Prozesse und Probleme im tauenden Permafrost und ihren Einfluß auf Umwelt und Klima beitragen?

Dr. Elizaveta Rivkina (ER): Unser Labor beschäftigt sich schon seit Anfang der 1980er Jahre mit Mikroorganismen im Permafrost. Das heißt, die Arbeiten standen damals noch in keinem Zusammenhang mit den Folgen der Klimaerwärmung. Zu dieser Zeit war man sich dieses bevorstehenden Problems noch nicht so bewußt wie heute und daher war es auch kein Thema, das wissenschaftlich untersucht wurde.

Damals wollten wir vor allem eine Antwort auf die Frage haben, ob es Mikroorganismen möglich ist, unter Permafrostbedingungen zu existieren. Im arktischen Permafrost leben, das heißt bei Temperaturen von mindestens zehn oder zwölf Grad Minus. Noch extremere Verhältnisse von minus zwanzig oder sogar dreiundzwanzig Grad Minus finden wir in den sogenannten Trockentälern der Antarktis, ebenfalls typischen Permafrostgebieten. Darüber hinaus interessierte uns aber auch noch der maximale Überlebenszeitraum, also wie lange Mikroorganismen unter derart extremen Verhältnissen im Permafrost überleben können.

Permafrost in der Arktis existiert seit mehreren Millionen Jahren. Die Region, in welcher der bisher älteste gefunden wurde, ist das Tal des nordostsibirischen Flusses Kolyma. In der Antarktis hoffen wir nun in den Trockentälern sogar noch wesentlich älteren zu finden, der möglicherweise sogar 15 bis 30 Millionen Jahre alt ist.

Das ist deshalb so wichtig und interessant, weil wir darin die Antwort auf eine generelle biologische Frage zu finden hoffen, nämlich wie lange biologisches Leben konserviert beziehungsweise präserviert werden kann. Neben diesen Grundlagen könnten aber auch Beispielorganismen und Lebensformen, die bereits eine entsprechende Zeit im Permafrost überdauert haben, für unsere Forschung in der Astrobiologie und etwaige Parallelen für die Bedingungen auf dem Mars eine nicht unwesentliche Relevanz bekommen. [1]

Und schließlich interessiert die angewandte Forschung, ob es im Permafrost vielleicht extreme Mikroorganismen gibt, die in dieser Umgebung nicht nur überleben, sondern auch in der Lage sind, Proteine, Enzyme und dergleichen zu produzieren, die sich technisch nutzen lassen. Ich denke hier an bestimmte Enzyme wie Esterasen oder Lipasen, mit denen sich Ölkontaminationen auch bei niedrigen Temperaturen zersetzen lassen. Denn wenn man Öl fördert - und eine vermehrte Ausbeutung der Ölvorkommen im Nordpolarmeer wird derzeit viel diskutiert -, dann hat man auch die Verpflichtung, die Umwelt damit nicht zu belasten.

Ein weiteres sehr spannendes Forschungsobjekt im Permafrost ist die Biodiversität in den einzigartigen Salzwasserhabitaten, den Cryopegs. Das sind kleine, nicht gefrierende, supersaline Salzwasserlinsen, die aus uralten Meeressedimenten übrig geblieben sind und gewissermaßen bereits vor 100.000 bis 120.000 Jahren im Permafrostboden eingeschlossen wurden. Sie sind ungeheuer salzhaltig und extrem kalt, genauer gesagt hat die darin enthaltene etwa 20 prozentige Salzlake eine Temperatur zwischen minus zehn und minus zwölf Grad Celsius. Dadurch senkt sich der Gefrierpunkt, so daß die Wasserlinse nicht in den festen Aggregatzustand "Eis" übergehen kann.

Dazu kommt, daß es sich um ein Habitat handelt, das sich im Verlauf der Erdgeschichte völlig isoliert von äußeren oder Fremdeinflüssen unter den gegebenen extremen Bedingungen entwickelt hat. Es stellt somit eine ökologische Nische beziehungsweise ein sehr spezifisches und einzigartiges Ökosystem erster Güte dar, hervorragende Ausgangsbedingungen für weltweit beispiellose endemische Mikroorganismen.

SB: Welche Arten von Bakterien oder Mikroorganismen haben Sie auf diese Weise schon aus dem Permafrost extrahiert? Und handelte es sich dabei vor allem um tote oder auch um lebende Exemplare?

ER: Wir haben praktisch alle Arten von Mikroorganismen anaerobe, aerobe, Sporenbildner und Bakterien, die keine Sporen bilden können, Halophile oder halotolerante Bakterien [Bakterien, die in hohen Salzkonzentrationen überleben können, Anm. d. SB-Red.], psychrophile d.h. kälteliebende Bakterien, aber auch psychrotrophe oder auch psychrotolerante, die noch größere Kälte und Frost überstehen. Darüber hinaus konnten wir Hefen und Pilze isolieren, die noch unter dem Gefrierpunkt aktiv sind.

Unsere derzeitige Aufgabe ist es jedoch, ganz besondere Mikroorganismen zu finden, die einen spezifischen Stoffwechsel haben wie etwa die methanbildenden oder methanogenen Archaeen. Sie produzieren mit ihrem Stoffwechsel biologisches Methan, weshalb ihnen im Zusammenhang mit der Klimaerwärmung große Relevanz zugesprochen wird. Solange sie sich eingefroren im Permafrost in einer Art Schlafzustand befinden, haben sie keine weitere Bedeutung für die Umwelt. Doch im Zuge der Degradation, kurz: wenn der Permafrost taut, werden sie aktiv und beginnen damit, Methan freizusetzen, eines der stärksten Treibhausgase überhaupt.

Ein junger Forscher meiner Gruppe, Denis Shmelev, hat in seiner Präsentation gezeigt, daß wir auch in einem der Trockentäler oder eisfreien, antarktischen Oasen, also unter den noch viel kälteren Bedingungen, solche methanbildenden Archaeen gefunden haben. Etwa Methanosarcina im eisfreien King George Island, der größten Insel im Archipel der südlichen Shetlandinseln in der Antarktis und in der Bunger-Oase an der ostantarktischen Küste. Neben Methanosarcina, haben wir noch andere Archaeen wie Methanobrevibacter, Methanogenium, Methanolobus und Methanoculleus gefunden und untersucht. Aber davor hatten wir auch schon im arktischen Permafrost methanbildende Bakterien wie Methanobactericum arctica und Methanobacterium veterum in Permafrostproben gefunden, die ein paar Millionen Jahre alt sind. Darüber haben wir bereits vor sechs Jahren eine Studie herausgebracht.

Eine weitere sehr interessante Entdeckung haben wir 2015 im PNAS Journal gemeinsam mit einigen französischen Virologen veröffentlicht [2]. Eine der Koautorinnen der Studie, eine junge Wissenschaftlerin, hatte dafür in meinem Labor Präzipitate, das heißt die gelartigen oder schleimigen Filme von Acanthamoeba, eine bestimmte Amöbenart, untersucht. Acanth-Amöben sind eukaryotische Mikroorganismen. Und unsere Kollegin fand nun, daß diese Amöben von ungewöhnlich großen, parasitären Viren befallen waren. Diese haben in etwa die Größe von Bakterien. Und erstaunlicherweise sind sie auch im arktischen Permafrost zu finden. Die Entdeckung hat insgesamt sehr viel Aufmerksamkeit erregt und auch die beteiligten Wissenschaftler waren davon überrascht. Denn es handelt sich dabei um eine ganz neuen Gruppe von Organismen, sogenannten DNA-Viren. [3]

Der erste etwa 400 Nanometer große Virus, der 1992 bei Forschungsarbeiten über Legionellen in Bradford, England, gefunden wurde, hielt der Entdecker wegen seiner Größe für ein grampositives Bakterium und nannte es Bradfordcoccus. 2003, als man den Irrtum erkannte, hat man es in Mimivirus, kurz für mimicking Virus (täuschendes Virus) umbenannt. [4]

Wir haben mit den Wissenschaftlern vom Institut in Marseille, der Universität des Mittelmeeres Aix-Marseille II (franz.: Université de la Méditerranée) zusammengearbeitet, die seinerzeit das Mimivirus und dessen Genom identifiziert hatten. Nach dem 1,5 Mikrometer großen Pithovirus sibericum, der 2014 auch schon im sibirischen Permafrost entdeckt worden war, hielt das Team von Matthieu Legendre und Julia Bartoli auch diese vierte Variante, den Mollivirus sibericum, für eine wichtige Entdeckung, da damit bereits eine zweite Virusart aus prähistorischen Permafrostproben wiederbelebt werden konnte, bei der die ursprüngliche Infektiosität erhalten geblieben ist. Auch in den Cryopegs haben wir völlig neue kälteresistente Bakterienarten gefunden.

SB: Brauchen denn Mikroorganismen, die in derart superkalter Umgebung überlebensfähig geblieben sind, auch weiterhin diesen Temperaturbereich zum Überleben? Würden sie bei höheren Temperaturen sterben?

ER: Nein, diese Mikroorganismen sind nicht psychrophil oder psychrotroph. Es handelt sich um sogenannte psychrotolerante, also kältetolerierende Arten. Sie können unter anspruchsvollen Kältebedingungen überleben, aber sie bevorzugen es, wenn die Temperaturen nicht ganz so kalt sind. Ihr optimaler Wohlfühlbereich liegt bei einigen Arten sogar bei plus 18 Grad Celsius. Aber wie wir nachweisen konnten, sind sie eben auch noch bei Minustemperaturen um die minus vier Grad Celsius aktiv.

SB: Erwarten Sie, daß sich die Zusammensetzung der mikrobiellen Gemeinschaft oder das mikrobielle Ökosystem in den derzeitigen Permafrostgebieten durch die höheren Temperaturen im Zuge der globalen Erwärmung deutlich verändern wird?

ER: Nein, das glaube ich ganz und gar nicht. Wenn man bedenkt, daß es in den Tausenden von Jahren, in denen der Permafrost existiert, immer wieder diskontinuierliche Bereiche im Permafrost gegeben hat und auch immer wieder Permafrost zerstört oder degradiert wurde und angesichts der Tatsache, daß einige Permafrostböden jeden Sommer oberflächlich auftauen und im Winter wieder gefrieren, glaube ich nicht, daß sich ökologisch sehr viel ändern wird. Aber natürlich können solche Prozesse durch die globale Erwärmung zusätzlich beschleunigt werden und natürlich wird sich auch der Permafrost stärker zurückziehen.

SB: Auf diesem Kongress kam immer wieder die Sprache darauf, daß die Methanemissionen weltweit zugenommen haben und tauende Permafrostböden hierbei eine große Rolle spielen, beispielsweise, indem Methanbildner, wie Sie gerade erwähnten, aktiviert werden. Doch meines Erachtens sind nicht alle Mikroorganismen automatisch Methanbildner ...

ER: Sie fragen, ob es auch mikrobielle Gegenspieler gibt, die Methan abbauen?

SB: Nein, das wäre aber noch eine ergänzende Frage. Ich frage mich, ob Ihnen persönlich auch Bakterien oder andere Mikroorganismen im Permafrost bekannt sind, die über ihren jeweiligen Metabolismus, vielleicht Lachgas (N2O), CO2 oder andere flüchtige Gase freisetzen, die als Treibhausgase wirksam werden könnten? Oder die in irgendeiner denkbaren Weise zusätzliche Probleme mit sich bringen könnten, wenn sie aufgetaut werden?


Temperaturänderungen im Holozän nach verschiedenen Rekonstruktionen. - Grafik: 2010 by Robert A. Rohde, (CC-BY-SA 3.0), via Wikimedia [https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en]

Die besten Temperaturverhältnisse hatte unsere Welt vor 5.000 Jahren.
Grafik: 2010 by Robert A. Rohde, (CC-BY-SA 3.0), via Wikimedia [https://creativecommons.org/licenses/by-sa/3.0/deed.en]

ER: Dazu muß ich etwas ausholen. Sie wissen vermutlich, daß wir uns derzeit im Holozän befinden, eine bislang 11.000 Jahre andauernde warmzeitliche Epoche seit der letzten Kaltzeit. Man geht wissenschaftlich davon aus, daß das Temperaturoptimum dieser Periode bereits vor 5.000 Jahren erreicht wurde. Davor hatte es zumindest in Ostsibirien eine Phase mit großer Trockenheit und ungewöhnlich niedrigen Temperaturen gegeben. Das Mammut und einige andere kälteliebende Tiere dieser Zeit waren damals in der Tundra zuhause. Dann begannen die Temperaturen zu steigen. Das heißt, seit der Würm- oder Weichselkaltzeit vor 11.300 Jahren stiegen die Temperaturen langsam um ein halbes Grad an, bis sie zwischen 9.500 und 5.500 Jahren längere Zeit ein stabiles Optimum erreicht hatten. Dann fielen die globalen Temperaturen. Und nun sind sie seit etwa hundert Jahren wieder dabei zu steigen. Zum Zeitpunkt des sogenannten Temperaturoptimums im Holozän waren die Temperaturen aber nicht mit der heutigen Erwärmung vergleichbar. Da die Warm- und Kaltperioden in Sibirien und der sibirischen Arktis anderen Einflüssen unterlagen als in Europa, sprechen wir hier auch nicht von einer Warmzeit oder Interglazialzeit, sondern der Begriff dafür ist "Thermochron". Und in dieser warmen Zeitphase war die Konzentration an Methan in der Atmosphäre von 0.3 auf 0.7 ppm [parts per Million] angestiegen. Seither, d.h. im gesamten Verlauf der Erdgeschichte, ist die Konzentration dieses Luftanteils bis ins 19. Jahrhundert vor Beginn der Industrialisierung hinein konstant geblieben. Mit der Industrialisierung begann das Bevölkerungswachstum und ein Eintrag von industriellen Emissionen in die Atmosphäre. In den 1950er bis zu den 70er Jahren gab es einen weiteren Schub in der Methan-Konzentration, die sich dann in den 1990er Jahren mehr als verdoppelt hat. Seither sprechen Wissenschaftler davon, daß man entscheidende Schritte gegen die weitere Zunahme von Treibhausgasen in der Atmosphäre tun sollte, weil sie die globale Erwärmung vorantreiben. Aber vielleicht spielt auch die Sonnenaktivität in diesem Geschehen eine größere Rolle als bisher gedacht oder ein noch ganz anderer, unerforschter Aspekt ist das entscheidende Moment. Wir haben im Verlauf der Erdgeschichte so viele Warm- und Kaltzeiten gehabt. Und auch in den Zwischenzeiten gab es einzelne Phasen, in denen die Temperaturen sehr stark angestiegen sind und dann auch wieder fielen. Vielleicht sind wir einfach gerade in einer dieser Zwischenphasen, in der die Temperaturen steigen ... Wer kann schon so genau sagen, ob das wirklich nur auf anthropogene Einflüsse zurückzuführen ist. Vielleicht ist es gar nicht so oder der menschliche Anteil an den Treibhausgasen ist nur ein zusätzlicher Faktor im zyklischen Gesamtgeschehen.

Nun, was aber heißt das für das Auftauen des Permafrosts. Einige Mikroorganismen werden aktiviert. Das sind aber nicht nur methanbildende Mikroorganismen, es werden ebenfalls Mikroorganismen aufgetaut und aktiviert, die Methan oxidieren. Das sind sogenannte Methanotrophe wie Methylomonas oder Methylococcus, die Methan oder vielleicht auch andere Einkohlenstoffverbindungen wie Methylalkohol oder Formaldehyd zur Energiegewinnung verwenden und dabei zumeist in CO2 umwandeln. Das gibt es auch. Daher können wir noch nicht voraussagen, in welcher Weise sich das ganze ausbalancieren wird, wenn der Permafrost taut. Wenn dabei sehr feuchte und nasse Umweltbedingungen vorherrschen werden, dann werden vermutlich die Methanbildner das Rennen machen. Aber unter trockeneren, sauerstoffreichen Bedingungen kann es genau andersherum ausgehen und die Methanotrophen bekommen die Oberhand. Dann wird wieder die Konzentration an CO2 steigen. Die methanbildenden Bakterien brauchen wiederum CO2 für ihren Metabolismus, um Methan zu produzieren. Also es bleibt nur die Frage, welches der beiden Treibhausgase schließlich in der Endsumme emittiert wird, und das hängt davon ab, welche der beiden Gegenspieler gewinnt.

SB: Sie haben eingangs auch die Forschung an extremophilen Organismen erwähnt. Gibt es hinsichtlich der von ihnen gefundenen kälteresistenten Enzyme und Proteine, die diese Organismen überlebensfähig machen, ein bekundetes Interesse beispielsweise von Seiten der chemischen Industrie, diese Organismen in irgendeiner Weise auszubeuten?

ER: Die Pharmaindustrie hat ein sehr großes Interesse an den kälteresistenten Organismen. Es gibt einige, die Rhodopsin produzieren. Das ist ein roter Farbstoff, der eine wichtige Funktion als Sehpurpur in der Netzhaut hat, aber auch in der pharmazeutischen Industrie viel gebraucht wird. Doch da sind wir ganz am Anfang und ich kann darüber wenig sagen, denn wir machen an meinem Institut nur Grundlagenforschung und sind an der weiteren Verwertung nicht interessiert. Doch persönlich denke ich, daß auch schon die Suche nach kälteresistenten Lipasen und Proteinen ein erster Schritt ist, solche Bakterien oder Mikroorganismen technologisch auszuwerten. So wird etwa gezielt nach Enzymen wie Esterasen und Lipasen gesucht, die in der Lage sind, Kohlenwasserstoffe bei extrem niedrigen Temperaturen aktiv zu zersetzen und dabei sehr stabil bleiben. Es wurden einige spezielle Esterasen, die C6- zu C2 -Einheiten aufspalten und Lipasen, die C16 in C6 umwandeln, gefunden, die in einem großen, sogenannten Hypertemperaturbereich zuverlässig arbeiten. [5] Das wäre mal ein Beispiel dazu.

Darüber hinaus suchen einige Mikrobiologen in Bakterien aus dem Permafrost gezielt nach solchen Genen, mit denen sich Bakterien vor den heute üblichen Antibiotika schützen können. Darüber kann ich allerdings wenig sagen, weil unser Institut daran nicht beteiligt ist. Interessanterweise wurden jedoch tatsächlich in 30.000 Jahre alten Bakterien Resistenzen gegen moderne Antibiotika gefunden wie Penicillin, Tretrazyklin oder sogar Vancomycin. Letzteres gilt in Krankenhäusern als stille Reserve, wenn alle anderen Antibiotika wegen bereits bestehender Resistenzen versagen. Die Idee dahinter ist wohl, mit Hilfe dieser Gene und dieser ganz besonders widerstandsfähigen Mikroorganismen das Prinzip der Resistenzentwicklung zu erforschen, um möglicherweise Wege zu finden, sie zu durchbrechen. Denn antibiotikaresistente Keime sind in Krankenhäusern immer stärker verbreitet und ein sehr großes Problem.

SB: Sie sagten vorhin, Ihr Institut sei eine nicht-universitäre Forschungseinrichtung. Wird Ihre Arbeit unterstützt?

ER: Ja und nein. Wir besitzen einige eigene Patente, beispielsweise über die Esterasen und Lipasen, die wir entdeckt haben. Aber natürlich muß es dafür auch wieder Interessenten geben, die dann die Rechte oder Lizenzen kaufen. Wir können nur die Voraussetzungen und den wissenschaftlichen Hintergrund erarbeiten, der dann von der Industrie genutzt wird. Aber es muß vor allem eben auch ein Interesse dafür bestehen.

SB: Sie finden diese uralten Mikroben im gefrorenen, aber teilweise auch im lebendigen Zustand im Eis. Sind das einfach Überbleibsel aus vergangenen Zeiten oder könnte es sein, daß sie dort in einer spezifischen Weise auch eine Funktion im Ökosystem einnehmen?

ER: Das ist eine Frage, die bereits in die Forschung geht. Wir glauben nämlich daran, daß die Mikroorganismen allein deshalb, weil sie bereits eine so lange Zeit im Permafrost existieren, eine Funktion besitzen. Die Mikroorganismen, die wir finden, sind oft schon sehr lange Zeit im Permafrost und können unter anderem mit dort vorkommenden Mineralien in Wechselwirkung treten. So finden sich an manchen Standorten radioaktive Mineralien, die das Erbgut der Bakterien direkt verändern können. Um also an solchen Standorten zu überleben, brauchen die Mikroorganismen in ihren Zellkernen funktionsfähige Reparaturmechanismen, die etwaige Schäden ausgleichen, um sich funktionsfähig zu erhalten.

Ich habe vor einigen Jahren in den Vereinigten Staaten in einer Forschungsgruppe gearbeitet, die eine Studie über die Lipidproduktion bei Temperaturen unter minus 20 Grad Celsius veröffentlicht hat. Dabei handelte es sich nur um einen Laborversuch. Doch der Mikroorganismus, den wir dabei untersuchten, stammte aus einer Permafrostprobe. Damit hatte man quasi schon den möglichen Beweis erbracht, daß Mikroorganismen, die in der Lage sind, solche Temperaturen zu überleben, tatsächlich auch über einen aktiven Stoffwechsel verfügen können. Allerdings sind das noch sehr elementare Funktionen des Metabolismus. Die Organismen können sich regenerieren, aber nicht vermehren, denn dafür brauchen sie freies Wasser. Einige biochemische Reaktionsabläufe sind aber durchaus möglich. Meines Erachtens gäbe es diese kälteresistenten Enzyme nicht, wenn sie nicht auch von den Mikroorganismen im Permafrost in irgendeiner Weise genutzt würden.

SB: Sie würden aber nicht so weit gehen zu sagen, daß den eingefrorenen Mikroorganismen im Permafrost selbst eine gewisse Funktion zukommt, für die sie ihren Stoffwechsel brauchen? Etwa, indem die tiefgefrorenen Mikroorganismen eine Aufgabe erfüllen, die zur Stabilität der Permafrostlandschaft beiträgt oder etwas ähnliches?

ER: Sie haben mit Sicherheit eine Funktion. Das läßt sich vielleicht nicht in erdgeschichtlichen Größenordnungen erklären, weil der Permafrost hier nicht mehr als einige Millionen Jahre alt ist. Aber wenn wir in astrobiologischen Dimensionen denken, dann haben wir es auf dem Mars mit einem Permafrost zu tun, der seit Milliarden von Jahren existiert. Das sind ganz andere zeitgeschichtliche Dimensionen, weshalb uns auch schon seit langem die Frage beschäftigt, wie viele Jahre Mikroorganismen, das heißt Einzeller oder einzelne Zellen von Pilzen oder Algen, unter solchen Bedingungen überleben und sich dabei immer wieder selbst reparieren und funktionsfähig erhalten oder auch nur überdauern können.

SB: Hat eigentlich die natürliche Umgebung der Organismen, beispielsweise die Beschaffenheit des Bodens, einen Einfluß auf die Menge der Methanproduktion und -emission? Im Vortrag Ihres Doktoranden, Denis Shmelev, konnte man eine Grafik mit verschiedenen Produktionsraten des Methans, die aus unterschiedlichen Bodenproben stammen, dahingehend interpretieren.

ER: Das ist richtig. Wir haben Methan gefunden. Methan ist nichts Ungewöhnliches, sondern ganz einfach Erdgas. Wir haben es in den Ablagerungen von Seen und Meeresbodensedimenten aus der Eiszeit gefunden, aber nicht in Material aus Moränenablagerungen, also lockeren Aufschüttungen.

Das liegt daran, daß Methan ganz strikt nur unter anaeroben Bedingungen, also unter Ausschluß von Sauerstoff, gebildet wird. Ideale Lebensbedingungen für Methanogene sind ausreichend organische Materie und eine anoxische, pH-neutrale bis schwach basische Umgebung, die aber darüber hinaus genügend, das heißt mindestens 50 Prozent, freies Wasser enthalten sollte. Wenn genügend Wasser und organische Materie vorhanden ist, könnten nur noch fehlende mineralische Nährstoffe und Spurenelemente, vor allem aber Stickstoff, die in den verschiedenen Böden sehr unterschiedlich zusammengesetzt sind, die Methanproduktion begrenzen. Auf diese Weise nutzen wir den Methangehalt einer Bodenprobe als Marker, um einen Eindruck über den frühzeitlichen Zustand des Bodens zu gewinnen, ganz gleich, ob es sich um Permafrost aus lakustrinen Ablagerungen, also aus Tonen oder Schlämmen periglazialen oder urzeitlichen Seen handelt oder um Sedimentproben des Meeresbodens, die genaugenommen alle ähnlich aussehen. Kurzum, die vorgefundene Menge an Methan als Marker zu verwenden, gehört gewissermaßen zu den grundlegenden sedimentologischen und geomorphologischen Methoden, mit denen sich die früheren Paläoumweltbedingungen rekonstruieren lassen.

Wir konnten in der Antarktis in einigen Bohrlöchern Methan und Genmaterial von methanogenen Bakterien identifizieren. Die mikrobielle Analyse der methanhaltigen Sedimente, bei der auch 16S-rRNA untersucht wurde, ergab eine hohe Diversität von Achaea-Stämmen in diesen Schichten, die dem Holozän zugerechnet werden müssen und eine eher beschränkte Reichhaltigkeit in den Sedimenten, die dem späten Pleistozän zugeordnet wurden.

Interessanterweise stellten wir dabei fest, daß die Mikroorganismen bei niedrigen Temperaturen besser überleben als in wärmeren Permafrostböden von minus ein Grad. Bei Permafrosttemperaturen von minus 10 bis 12 überlebt eine sehr viel größere Vielfalt.

SB: Könnte dies bereits die befürchteten klimatischen Einflüsse aus dem tauenden Permafrost relativieren?

ER: Wie ich schon sagte, bin ich ehrlich gesagt immer noch nicht vollständig überzeugt, daß Treibhausgase die einzigen und entscheidenden Faktoren in dieser Entwicklung sind.


Aufnahme von der Frühjahrsflut der Lena an der sibirischen Permafrostinsel Samoylov. - Foto: © 2014 by Alfred-Wegener-Institut / Torsten Sachs

So sieht es aus, wenn Permafrost taut ...
Das, was bei den Tauvorgängen eigentlich freigesetzt wird, läßt sich nur unterm Mikroskop erkennen.
Foto: © 2014 by Alfred-Wegener-Institut / Torsten Sachs

SB: Darf ich Ihnen zum Abschluß noch eine persönliche Frage stellen? Wie haben Sie in Ihrer Funktion als Wissenschaftlerin und Leiterin eines Instituts den Zerfall der Sowjetunion und den Wechsel in eine postsowjetische Ära in Rußland erlebt? Wie hat sich dieser Wechsel auf die Forschung und wissenschaftliche Arbeit ausgewirkt?

ER: Ich muß Ihnen sagen, daß wir angesichts der bestehenden Verhältnisse sehr darauf hofften, die Lebens- und Forschungsbedingungen könnten so optimiert werden, daß wir sozusagen immer bessere Voraussetzungen schaffen und damit auch bessere Arbeit leisten könnten, etwa durch eine stärkere Zusammenarbeit und Kooperation mit unseren Kollegen aus aller Welt. Bis dahin fand die russische Forschung doch sehr isoliert von der internationalen Forschungsgemeinschaft statt. Doch das ist noch nicht in dem Maße eingetreten, in dem wir es uns wünschen. Institutsintern versuchen wir allerdings, mit Kollegen aus anderen Ländern zu kooperieren und uns in alle Richtungen zu öffnen. Wir arbeiten sehr gut mit deutschen Kollegen des AWI zusammen, aber auch mit Wissenschaftlern aus den USA und Frankreich. Ich hoffe sehr, daß wir unsere Forschungsarbeit gemeinsam fortsetzen können. Und sicher ist auch eine größere Offenheit gegenüber anderen Ideen seit der Wende insgesamt spürbarer geworden. Doch für die Wissenschaft im Allgemeinen ist genau wie für die russische Forschung der internationale Austausch lebenswichtig. Sie findet nicht abgeschlossen in einer Check-Box oder unter Laborbedingungen statt, sie braucht viele Ideen und die kritische Auseinandersetzung, sonst wird auch die russische Forschung zerfallen wie die Sowjetunion selbst.

SB: Vielen Dank, Frau Dr. Rivkina für das ausführliche Gespräch.


Anmerkungen:

[1] Frau Rivkina arbeitet u.a. an diesem Projekt der Astrobiologie mit, siehe hier:
https://nai.nasa.gov/directory/rivkina-elizaveta/

[2] zum Thema Riesenviren:
https://www.researchgate.net/profile/Matthieu_Legendre/publication/281635229_In-depth_study_of_Mollivirus_sibericum_a_new_30000-y-old_giant_virus_infecting_Acanthamoeba/links/5650d49208ae4988a7abab13.pdf

http://www.tagesanzeiger.ch/wissen/medizin-und-psychologie/Forscher-erwecken-Riesenvirus-zum-Leben/story/30206243

[3] Die größten DNA Viren sind Mimiviren, Pandoraviren und Pithovirus sibericum, der aus 30.000 Jahre altem Permaforst isoliert wurde. Mollivirus sibericum, der vierte Typus in dieser Reihe, wurde aus der gleichen Probe gewonnen.

[4] Die Entdeckung des Mimivirus wurde 2004 in Science veröffentlicht:
http://science.sciencemag.org/content/299/5615/2033.long

[5] Lipasen sind Enzyme, die von Lipiden wie Glyceriden oder Cholesterinestern freie Fettsäuren abspalten (Lipolyse).

Esterasen sind Enzyme, die Ester (d.h. Verbindungen mit einem ...-COOR Rest) in einen Alkohol und eine Säure aufzuspalten (d.h. -COOH und -C-OH).


Bisher im Schattenblick unter INFOPOOL → UMWELT → REPORT zur Permafrostkonferenz in Potsdam erschienen:

BERICHT/120: Gitterrost und Permafrost - Genaues weiß man eben nicht ... (SB)
BERICHT/121: Gitterrost und Permafrost - Küstenerosion ... (SB)

INTERVIEW/227: Gitterrost und Permafrost - Zahlenspiele, Umweltziele ...    Prof. Hans-Wolfgang Hubberten im Gespräch (SB)
INTERVIEW/228: Gitterrost und Permafrost - Schrittmacher Menschenhand ...    Prof. Guido Grosse im Gespräch (SB)
INTERVIEW/229: Gitterrost und Permafrost - bedingt prognosesicher ...    Prof. Antoni Lewkowicz im Gespräch (SB)
INTERVIEW/230: Gitterrost und Permafrost - zivile Katastrophen ...    Dr. Tingjun Zhang im Gespräch (SB)
INTERVIEW/234: Gitterrost und Permafrost - Flirt mit Ideen, Karriere mit konservativen Methoden ...    Dr. Anne Morgenstern im Gespräch (SB)
INTERVIEW/235: Gitterrost und Permafrost - nicht hören, nicht sehen ...    Dr. Torre Jorgenson im Gespräch (SB)
INTERVIEW/238: Gitterrost und Permafrost - maßstabslos ...    Prof. Duane Froese im Gespräch (SB)
INTERVIEW/239: Gitterrost und Permafrost - Pragmatik trifft Unberechenbarkeit ...    Prof. emer. Wilfried Haeberli im Gespräch (SB)
INTERVIEW/241: Gitterrost und Permafrost - terrestrische Wandlungen ...    Dr. Merritt Turetsky im Gespräch (SB)
INTERVIEW/242: Gitterrost und Permafrost - Am Beispiel Mars ...    Dr. Andreas Johnsson im Gespräch (SB)
INTERVIEW/244: Gitterrost und Permafrost - den Elementen Zivilisation abgewinnen ...    Dr. Nikolay Shiklomanov im Gespräch (SB)
INTERVIEW/245: Gitterrost und Permafrost - CO2 und Wiederkehr ...    Dr. Peter Köhler im Gespräch (SB)
INTERVIEW/246: Gitterrost und Permafrost - Emissionsanstieg CO2 absehbar ...    Prof. Kevin Schaefer im Gespräch (SB)
INTERVIEW/247: Gitterrost und Permafrost - normale Werte, Stolpersteine und Geduld ...    Prof. Torsten Sachs im Gespräch (SB)
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1. September 2016


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