A4 – Lebewesen der Tiefsee
Bis in die siebziger Jahre des letzten Jahrhunderts wurde angenommen, dass in der Tiefsee aufgrund der vorherrschenden extremen Umweltbedingungen keine oder kaum Lebewesen existieren. Inzwischen werden mit moderner Technik viele interessante Lebensformen aus diesen Bereichen der Meere erforscht, darunter auch hoch spezialisierte Miesmuschel- und Bakterienarten mit ihren Stoffwechselwegen.
Beschreibe die Besonderheiten des Ökosystems Hydrothermalfeld in der Tiefsee anhand von sechs Umweltfaktoren (Material 1).
Analysiere die ökologische Beziehung zwischen schwefeloxidierenden Bakterien und Tiefsee-Miesmuscheln der Gattung Bathymodiolus (Material 1, Material 2).
Vergleiche tabellarisch die aufbauenden Stoffwechselprozesse der schwefeloxidierenden Bakterien mit denen von fotoautotrophen Organismen anhand von fünf Kriterien (Material 3).
Beschreibe den Energiefluss in einem Ökosystem allgemein.
Erläutere die Bedeutung der schwefeloxidierenden Bakterien für das Ökosystem Hydrothermalfeld der Tiefsee (Material 1, Material 2).
Beurteile die Einordnung von Hydrothermalfeldern als autarke Ökosysteme (Material 1, Material 2).
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monatlich kündbarSchulLV Plus-Vorteile im ÜberblickDu hast bereits einen Account?Material 1: Leben in der Tiefsee
Die Tiefsee beginnt ab ca. 
Wassertiefe und zählt zu den wenig erforschten Gebieten der Welt. Das Sonnenlicht dringt nicht bis in diese Bereiche vor, wodurch keine fotosynthetisch aktiven Organismen überleben können und somit diese Nahrungsgrundlage für viele Organismen fehlt. Sauerstoff gelangt nur in geringen Mengen über Meeresströmungen bis in tiefe Wasserschichten. Nur ungefähr ein Prozent der schwebenden Biomasse aus den höher liegenden lichtdurchfluteten Wasserschichten kommt in der Tiefsee an, da der Rest bereits in dem darüber liegenden Freiwasser gefressen wird.
Bei einer Expedition wurde in rund 
Wassertiefe ein sogenanntes Hydrothermalfeld entdeckt. Hydrothermalfelder bilden in der Tiefsee einen einzigartigen Lebensraum. Aufgrund ihrer Abgeschiedenheit werden diese Bereiche gelegentlich als autarkes Ökosystem, also als unabhängig von äußeren Einflüssen, angesehen.
In das Ökosystem Hydrothermalfeld ragen vulkanische Schlote aus dem Meeresboden. Aus diesen Schloten strömt bis zu 
heißes Wasser, welches mit Mineralsalzen, wie z. B. Schwefelverbindungen, angereichert ist. Um diese heißen Schlote herum wurden zahlreiche Bakterienarten entdeckt, die aus dem mineralsalzhaltigen Wasser Schwefelverbindungen aufnehmen und umwandeln. Die dabei freiwerdende Energie wird für den Aufbau von Kohlenhydraten, wie z. B. Glucose, genutzt. Diese Bakterien bilden die Nahrungsgrundlage für viele Tierarten. Dazu zählen unter anderem Tiefsee-Miesmuscheln, große Röhrenwürmer und Krabben. Diese Tiere ernähren sich auch von den wenigen organischen Schwebstoffen im Wasser.
Es wurde ebenfalls beobachtet, dass sich verschiedene räuberisch lebende Fische und Tintenfische aus höher liegenden Wasserschichten trotz des hohen Drucks, der in diesen Tiefen herrscht, von den Tiefsee-Miesmuscheln, Röhrenwürmern und Krabben ernähren. Die größeren Tiere halten sich allerdings nur kurzzeitig für die Nahrungssuche in der Tiefsee auf.
Material 2: Tiefsee-Miesmuscheln der Gattung Bathymodiolus
Im Ökosystem Hydrothermalfeld im Bereich der heißen Schlote sind umfangreiche Ansammlungen von Tiefsee-Miesmuscheln der Gattung Bathymodiolus zu finden. Bei Untersuchungen konnte nachgewiesen werden, dass in der oberen Hautschicht ihrer Kiemen, dem sogenannten Kiemenepithel, schwefeloxidierende Bakterien leben. Sie kommen dort in besonderen Zellen, den Bakteriocyten, vor. Dadurch werden diese Bakterien nicht durch das Wasser weggespült oder von Krebsen gefressen. Des Weiteren gelangen die Bakterien durch den Filtrationsstrom an den Kiemen leichter an Schwefelverbindungen und Sauerstoff. Durch Chemosynthese können Bakterien die Energie nutzen, die beim Abbau von Schwefelwasserstoff frei wird und Kohlenhydrate aufbauen. Diese organischen Produkte nutzen neben den Bakterien auch die Tiefsee-Miesmuscheln als Nahrung. Die Bakterien wiederum verwenden Abbauprodukte aus dem Stoffwechsel der Tiefsee-Miesmuscheln zum Aufbau organischer Substanzen.
Material 3: Schwefeloxidierende Bakterien
Schwefeloxidierende Bakterien in den Bakteriocyten der Tiefsee-Miesmuscheln nutzen Energie aus der Chemosynthese. Dabei findet ähnlich wie bei Pflanzen ein Calvin-Zyklus statt. Diese Bakterien wandeln Schwefelwasserstoff (
) schrittweise zu Sulfat-Ionen (
) um (Abbildung 1). Die dabei freiwerdende Energie wird für die Bildung von ATP genutzt. Außerdem wird 
oder 
gebildet. Diese Zwischenprodukte werden anschließend im Calvin-Zyklus der Bakterien zur Produktion von Kohlenhydraten, z. B. Glucose, unter Nutzung von 
verwendet.
Die Gesamtgleichung der Chemosynthese lautet:
Die folgende Abbildung 1 zeigt eine vereinfachte Modellvorstellung über ausgewählte Prozesse in einer Bakteriocyte.
Abbildung 1: Vereinfachte schematische Darstellung ausgewählter Stoffwechselprozesse an der Zellmembran eines Schwefelbakteriums
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Im Ökosystem der Hydrothermalfelder herrscht vollkommene Dunkelheit, da das Sonnenlicht diese Meerestiefen nicht erreicht. Der Sauerstoffgehalt ist äußerst niedrig, da mangels Licht keine fotosynthetisch aktiven Lebewesen existieren können und Tiefenströmungen nur geringe Sauerstoffmengen herantransportieren. Der hydrostatische Druck in der Tiefsee ist enorm hoch. Durch den kontinuierlichen Fluidaustritt aus hydrothermalen Quellen (Schloten) sind die Wassertemperatur sowie der Mineralstoffgehalt (z. B. an Schwefelverbindungen) im Bereich des Hydrothermalfelds sehr hoch.
Weil fotosynthetisch aktive Organismen in dieser Tiefe fehlen und absinkende organische Substanz in den darüberliegenden Schichten größtenteils bereits konsumiert wurde, fällt der gesamte Biomasseanteil im Ökosystem Hydrothermalfeld gering aus.
Als Produzenten und fundamentale Nahrungsgrundlage für zahlreiche andere Arten fungieren Bakterien, welche Schwefelverbindungen zum Aufbau von Glucose nutzen können. Tiefseemuscheln, Röhrenwürmer sowie Krabben treten als Fressfeinde dieser chemoautotrophen Bakterien auf.
Vereinzelt jagen räuberische Fische oder Tintenfische, die für begrenzte Zeiträume in die Tiefsee hinabtauchen, Krabben und Muscheln und stellen somit deren Fressfeinde dar.
Analyse
Bei der ökologischen Interaktion zwischen den schwefeloxidierenden Bakterien und den Tiefsee-Miesmuscheln der Gattung Bathymodiolus handelt es sich um eine Symbiose, da beide Partner wechselseitig von dem Zusammenleben profitieren.
Die schwefeloxidierenden Bakterien stehen in direktem Kontakt mit den Tiefsee-Miesmuscheln, indem sie im Kiemengewebe innerhalb spezialisierter Zellen (Bakteriozyten) siedeln. Die Bakterien ziehen hieraus deutliche Vorteile: Sie sind vor Fressfeinden sowie starker Strömung geschützt und werden über den Filtrationsstrom an den Kiemen verlässlich mit Schwefelverbindungen und Sauerstoff versorgt. Zudem können sie Stoffwechselprodukte der Muscheln als Ausgangsstoffe für den Aufbau eigener organischer Substanzen verwerten.
Die Tiefsee-Miesmuscheln werden durch die symbiontischen Bakterien in ihren Kiemen unmittelbar mit Nährstoffen (in Form von Kohlenhydraten) beliefert. Da in der Tiefsee ansonsten kaum organische Partikel als Nahrung zur Verfügung stehen, ist diese Energiequelle für das Überleben der Muscheln von zentraler Bedeutung.
Vergleich
|
Kriterium |
Schwefeloxidierende Bakterien |
Fotoautotrophe Organismen |
|
|---|---|---|---|
|
Energiequelle |
Schwefelwasserstoff |
Licht |
|
|
Edukte |
Gemeinsamkeit |
Kohlenstoffdioxid, Wasser |
|
|
Unterschied |
Schwefelwasserstoff, Sauerstoff |
||
|
Produkte |
Gemeinsamkeit |
Glucose |
|
|
Unterschied |
Protonen, Sulfat-Ionen |
Sauerstoff |
|
|
Stoffwechselweg zur Fixierung des |
CALVIN-Zyklus |
||
|
Zwischenprodukte für den CALVIN-Zyklus |
ATP, |
ATP, |
|
|
Ort des Elektronentransports |
Zellmembran des schwefeloxidieren Bakteriums |
Thylakoidmembran des Chloroplasten |
|
|
Protonentransport |
vom Zytoplasma des Schwefelbakteriums ins Zytoplasma der Bakteriocyte |
vom Lumen ins Stroma |
|
|
Elektronentransport |
vom Redoxkomplex zur Oxidase, wo sie zur Bildung von Wasser benötigt werden |
vom Fotosystem II über die Elektronentransportkette zum Fotosystem I auf |
|
|
Enzym zur ATP-Bildung |
ATP-Synthase |
||
Beschreibung des Energieflusses
Die von außen zugeführte Energie, in der Regel das Sonnenlicht, dient den Produzenten zur Synthese energiereicher organischer Verbindungen (Biomasse). Von der eingestrahlten Sonnenenergie kann jedoch lediglich ein Bruchteil aufgenommen und für die Biomasseproduktion verwendet werden (Bruttoprimärproduktion). Da die Produzenten (beispielsweise grüne Pflanzen) einen beträchtlichen Teil dieser Energie für den eigenen Stoffwechsel verbrauchen, wird nur der Restbetrag als Biomasse festgelegt (Nettoprimärproduktion) und an Lebewesen übergeordneter Trophieebenen weitergegeben. Entsprechend dienen die Produzenten den Konsumenten 1. Ordnung als Nahrung, welche wiederum von den Konsumenten 2. Ordnung gefressen werden und so fort. Im Rahmen dieses Energieflusses ist festzuhalten, dass bei jedem Übergang auf die nächste Trophieebene nur etwa 
der in der Biomasse gebundenen Energie weitergereicht werden. Auf dem Weg von den Produzenten über sämtliche Konsumenten bis hin zu den Destruenten nimmt die verfügbare Energiemenge folglich kontinuierlich ab, sodass am Ende kaum noch nutzbare Energie übrig bleibt. Ursächlich hierfür sind unter anderem die Abgabe von Wärmeenergie sowie Energieverluste durch unverdautes Material in Form von Ausscheidungen (Energieentwertung). Diese entwertete Energie geht dem Ökosystem somit weitgehend oder sogar vollständig verloren.
Erläuterung der Bedeutung
Im Ökosystem der Hydrothermalfelder nehmen schwefeloxidierende Bakterien die essenzielle Rolle der Produzenten ein. Sie verwenden die in Schwefelverbindungen chemisch fixierte Energie, um daraus energiereiche organische Moleküle zu synthetisieren. Da es in der lichtlosen Tiefsee keine fotosynthetisch aktiven Lebewesen gibt und auch kaum organische Partikel aus höheren Schichten herabsinken, fehlt es an alternativem organischem Material. Folglich bilden diese Bakterien das absolute Fundament der Nahrungsketten beziehungsweise der Nahrungsnetze in diesem Lebensraum. Primärkonsumenten (Konsumenten 1. Ordnung) wie Krabben, Röhrenwürmer und Tiefsee-Miesmuscheln sind vollständig auf diese Bakterien als Nahrungsquelle angewiesen. Das gesamte Ökosystem am Hydrothermalfeld ist somit existenziell von der Stoffwechselleistung der schwefeloxidierenden Bakterien abhängig.
Argumente
-
Für die Einordnung als autarke Ökosysteme spricht: Hydrothermalfelder zeichnen sich durch eine stark isolierte Lage aus, in der eine verhältnismäßig überschaubare Zahl an Arten dauerhaft siedelt, ohne dass wesentliche Migrationsbewegungen stattfinden. Mit den schwefeloxidierenden Bakterien verfügt das Ökosystem über eigene Produzenten, welche praktisch die gesamte verfügbare Biomasse aufbauen. Als Energiequelle dienen ihnen die direkt im Biotop ausströmenden Schwefelverbindungen.
-
Gegen die Einordnung als autarke Ökosysteme spricht: Ungeachtet der extremen Abgeschiedenheit gelangen Stoffe in das Hydrothermalfeld, die für dessen Aufrechterhaltung unerlässlich sind. Sowohl herabsinkende organische Partikel als auch der über Tiefenströmungen eingetragene Sauerstoff sind hierbei von Bedeutung. So benötigen die Schwefelbakterien Sauerstoff, um den membrangebundenen Elektronentransport zur ATP-Synthese aufrechtzuerhalten. Darüber hinaus wandern zeitweise Konsumenten höherer Trophieebenen ein, erbeuten Primärkonsumenten und führen dem System auf diese Weise Biomasse ab.
Mögliches Sachurteil:
Hydrothermalquellen lassen sich nicht als autarke Ökosysteme klassifizieren, da sie ohne externe Stoffeinträge – insbesondere von gelöstem Sauerstoff – nicht lebensfähig wären. Diese Zufuhr von außen spielt für das Gesamtsystem eine unverzichtbare Rolle.
Hinweis: Wertet man die Einträge von außen hingegen als vernachlässigbar gering, ließe sich alternativ folgendes Sachurteil begründen: Hydrothermalquellen können als autarke Ökosysteme verstanden werden, da ihre wesentlichen Funktionsabläufe auch ohne maßgebliche äußere Einflüsse Bestand haben. Die geringfügigen Stoffzufuhren sowie sporadische Wechselbeziehungen zu Organismen außerhalb des Biotops fallen demnach nicht entscheidend ins Gewicht.