Revolutionäre Forschung, die in der angesehenen Fachzeitschrift Science veröffentlicht wurde, gibt uns einen tieferen Einblick, wie Meeresströmungen, bekannt als die globale Umwälzzirkulation, eine entscheidende Rolle bei der Gestaltung der Vielfalt und Funktion des mikrobiellen Lebens im gesamten Südpazifik spielen. Diese Studie, die von Wissenschaftlern renommierter Institutionen wie dem J. Craig Venter Institute (JCVI), dem Scripps Institution of Oceanography an der UC San Diego und der University of California Berkeley geleitet wurde, stellt die bisher detaillierteste genetische Karte dar, die aufzeigt, wie mikrobielle Gemeinschaften durch die physikalische Bewegung des Meerwassers strukturiert sind.

Ozeantiefen und der Einfluss von Strömungen

Winde und Stürme beeinflussen den Ozean nur bis zu einer Tiefe von etwa 500 Metern (1.640 Fuß), was nur einem Achtel der gesamten Ozeantiefe von 4.000 Metern (13.125 Fuß) entspricht, erklärt die Hauptautorin der Studie, Bethany Kolody, die ihr Studium der Ozeanographie am Scripps Institut absolvierte und derzeit als Postdoktorandin in Cal tätig ist. Unterhalb von 500 Metern unter der Oberfläche werden Strömungen durch Unterschiede in der Wassertemperatur und dem Salzgehalt angetrieben, was deren Dichte beeinflusst und die globale Umwälzzirkulation erzeugt. Diese Zirkulation wirkt wie ein Förderband, das Wasser – und die darin enthaltenen Mikroben – über riesige Entfernungen und Tiefen transportiert.

"Bisher war unklar, ob diese Wassermassen auch eigenständige mikrobielle Ökosysteme waren", erklärte Kolody. "Jetzt können wir diese Frage mit einem überzeugten 'Ja' beantworten."

Das Forschungsteam sammelte über 300 Wasserproben entlang eines Transsektes von der Osterinsel im Südpazifik bis zur Antarktis, die die gesamte Ozeantiefe abdeckten. Mithilfe fortschrittlicher metagenomischer und metabarcoding-Techniken rekonstruierten sie Genome für über 300 Mikroben und identifizierten Zehntausende weiterer mikrobieller Arten mithilfe einer molekularen "Fingerabdruck"-Technik, die hochkonservierte Gene untersucht – das 16S rRNA-Gen für Prokaryoten (einschließlich Bakterien und Archaeen) und das 18S rRNA-Gen für Eukaryoten.

Ihre Entdeckungen enthüllten ein auffallendes Muster: Die mikrobielle Vielfalt nimmt in etwa 300 Metern (1.000 Fuß) unter der Meeresoberfläche in einer Zone, die sie als "prokaryotische Phylokline" bezeichnen, rapide zu. Diese Schicht, ähnlich einer Pycnokline (einer Zone schneller Dichteänderung), markiert den Übergang von oberflächennahen Gewässern mit geringer Vielfalt zu reichen Tiefsee-Mikrobengemeinschaften.

---

Sechs mikrobielle Kohorten und funktionelle Zonen

Die am 10. Juli 2025 veröffentlichte Studie identifizierte sechs verschiedene mikrobielle "Kohorten", von denen drei den Tiefen entsprechen und die anderen drei den Hauptwassermassen zugeordnet sind: Antarktisches Bodenwasser (Antarctic Bottom Water), Oberes Zirkumpolares Tiefenwasser (Upper Circumpolar Deep Water) und Altes Pazifisches Tiefenwasser (Ancient Pacific Deep Water). Jede Kohorte enthält einzigartige mikrobielle Arten und funktionelle Gene, die durch Temperatur, Druck, Nährstoffgehalt und Alter des Wassers geformt werden.

Zum Beispiel umfasst die Kohorte des Antarktischen Bodenwassers Mikroben, die an kalte Umgebungen mit hohem Druck angepasst sind, mit Genen, die zur Aufrechterhaltung der Membranfluidität und der Widerstandsfähigkeit gegenüber oxidativem Stress beitragen. Im Gegensatz dazu beherbergt die alte Wasserkohorte – gefunden in langsam zirkulierendem Wasser, das tausend Jahre oder länger die Oberfläche nicht gesehen hat – Mikroben mit Genen, die das Leben in sauerstoffarmen Umgebungen und den Abbau komplexer, energiearmer Kohlenstoffverbindungen ermöglichen.

Neben der Taxonomie kartierten die Forscher auch das funktionelle Potenzial mikrobieller Gemeinschaften. Sie identifizierten zehn "funktionelle Zonen" basierend auf der Anwesenheit wichtiger Stoffwechselgene. Diese Zonen entsprechen ozeanographischen Merkmalen wie Auftriebsgebieten (Upwelling), Nährstoffgradienten und Sauerstoffminimumzonen.

Oberflächenzonen waren reich an Genen für Photosynthese, Eisenassimilation und Photoprotektion – Eigenschaften, die für das Leben im oberen, sonnenbeschienenen Teil des Ozeans unerlässlich sind. Tiefere Zonen enthielten Gene für den Abbau komplexer organischer Moleküle, das Überleben unter sauerstoffarmen Bedingungen und die Toleranz gegenüber Umweltstress.

---

Schlüsselrolle von Mikroben im Kohlenstoffkreislauf der Erde

Mikroben sind die Treiber des ozeanischen Kohlenstoffkreislaufs. Sie wandeln Kohlendioxid in organische Verbindungen um (Kohlenstofffixierung), recyceln Nährstoffe und helfen bei der Sequestrierung von Kohlenstoff in der Tiefsee (Kohlenstoffsequestrierung). Das Verständnis, wie ihre Gemeinschaften durch die Ozeanzirkulation strukturiert sind, ist entscheidend, um vorherzusagen, wie der Klimawandel diese Prozesse verändern könnte.

"Die Studie liefert eine Grundlage dafür, wie mikrobielle Ökosysteme unter den derzeitigen Ozeanbedingungen organisiert sind", sagte Andrew Allen, Hauptautor der Studie und mikrobieller Ozeanograph am JCVI und Scripps Oceanography. "Da der Klimawandel die globale Umwälzzirkulation beeinflusst, könnten sich die Verteilung und Funktion dieser mikrobiellen Gemeinschaften ändern, mit unbekannten Folgen für den globalen Kohlenstoffkreislauf."

Durch die Kombination von Genomdaten mit physikalischen und chemischen Messungen können Wissenschaftler einen globalen, artenaufgelösten Atlas des Ozeanlebens erstellen – was für das Verständnis und den Schutz des größten Ökosystems des Planeten von wesentlicher Bedeutung ist.

"Diese Studie ist eine Erinnerung daran, dass das Leben in Ozeanökosystemen teilweise durch grundlegende Muster und Prozesse bestimmt wird, die uns unbekannt sind", fügte Allen hinzu. "Sie zu sehen und zu verstehen erfordert, dass wir sie sensibler, sorgfältiger und gründlicher untersuchen. Die in dieser Studie berichteten Durchbrüche sind das Ergebnis einer wirklich interdisziplinären Anstrengung, an der physikalische Ozeanographen, biologische Ozeanographen und Genom-Biologen sehr eng zusammengearbeitet haben. Agenturen wie die National Science Foundation, die grundlegende interdisziplinäre ökologische Forschung in den Lebens- und Geowissenschaften unterstützen, sind weiterhin unerlässlich für unsere Fähigkeit, die Faktoren zu verstehen, die die Verteilung, Vielfalt, den Stoffwechsel und die Evolution von Organismen in der Natur steuern."

Die Autoren plädieren für die Aufnahme molekularer Probenahmen in globale Ozeanüberwachungsprogramme wie GO-SHIP.

Neben Andrew Allen nahmen Zoltán Füssy, Sarah Purkey und Eric Allen als Forscher des Scripps Oceanography an der Studie teil.

Die vollständige Studie mit dem Titel "Overturning circulation structures the microbial functional seascape of the South Pacific" wurde in der Fachzeitschrift Science veröffentlicht. Diese Forschung wurde von der National Science Foundation, der Simons Foundation, den National Institutes of Health, Emerson Collective, der Gordon and Betty Moore Foundation und der Chan Zuckerberg Initiative unterstützt.

Quelle: University of California