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.

3.1

Nenne sechs typische Merkmale des Ökosystems Hydrothermalfeld in der Tiefsee (Material 1).

6 BE

3.2

Analysiere die ökologische Beziehung zwischen schwefeloxidierenden Bakterien und Tiefsee-Miesmuscheln der Gattung Bathymodiolus (Material 1, Material 2).

7 BE

3.3

Vergleiche tabellarisch die Stoffwechselprozesse der schwefeloxidierenden Bakterien mit denen von fotoautotrophen Organismen anhand von fünf Kriterien (Material 3).

10 BE

3.4

Beschreibe allgemein den Energiefluss in einem Ökosystem.

5 BE

Begründe die Abhängigkeit des Ökosystems von schwefeloxidierenden Bakterien (Material 1, Material 2).

4 BE

3.5

Diskutiere die Einordnung von Hydrothermalfeldern als autarke Ökosysteme (Material 1, Material 2).

8 BE

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 von manchen Wissenschaftlern als autarke Ökosysteme, 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 Mineralstoffen, wie z. B. Schwefelverbindungen, angereichert ist. Um diese heißen Schlote herum wurden zahlreiche Bakterienarten entdeckt, die aus dem mineralstoffhaltigen 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 die Bakterien die Energie aus Schwefelwasserstoff nutzen, um Kohlenhydrate aufzubauen. Diese organischen Produkte nutzen auch andere Organismen wie beispielsweise 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 gewinnen Energie durch Chemosynthese. Dabei findet ähnlich wie bei Pflanzen ein Calvin-Zyklus statt. Diese Bakterien wandeln Schwefelwasserstoff () schrittweise zu Sulfat-Ionen () um (Abb. 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:

Abbildung 1 zeigt eine vereinfachte Modellvorstellung über ausgewählte Prozesse in einer Bakteriocyte.

Abbildung 1: Vereinfachte schematische Darstellung ausgewählter Stoffwechselprozesse an der Zellmembran eines Schwefelbakteriums

3.1

Es werden 6 typische Merkmale des Ökosystems Hydrothermalfeld aufgezählt:

• Dunkelheit

• geringer Sauerstoffanteil

• hohe Temperaturen vor allem an den Schloten

• mineralstoffhaltiges Wasser

• hoher Druck

• Energieeintrag durch Chemosynthese

3.2

Die ökologische Beziehung zwischen schwefeloxidierenden Bakterien und Tiefsee-Miesmuscheln der GattungBathymodioluswerden herausgearbeitet:

Schwefeloxidierende Bakterien

• sind durch ihre Lage im Kiemenepithel der Tiefsee-Miesmuscheln geschützt:

  • vor Fressfeinden, Krebsen

  • vor Strömungen

• erhalten:

  • Schwefelverbindungen zur Chemosynthese über den Filtrationsstrom

  • Abbauprodukte aus dem Stoffwechsel der Tiefsee-Miesmuscheln zum Aufbau organischer Substanzen

Tiefsee-Miesmuscheln der Gattung Bathymodiolus

• werden durch die schwefeloxidierenden Bakterien mit Kohlenhydraten versorgt

Zwischen den schwefeloxidierenden Bakterien und den Tiefsee-Miesmuscheln der Gattung Bathymodiolus liegt eine Symbiose vor, da es ein Zusammenleben verschiedener Arten zum gegenseitigen Vorteil ist.

3.3

Gemeinsamkeiten und Unterschiede in den Stoffwechselprozessen der schwefeloxidierenden Bakterien und der fotoautotrophen Organismen werden anhand von fünf Kriterien herausgearbeitet, z. B.:

Kriterium	bei schwefeloxidierenden Bakterien	bei fotoautotrophen Organismen
Energiequelle	Schwefelwasserstoff	Licht
Ausgangsstoffe	Kohlenstoffdioxid, Wasser, Schwefelwasserstoff, Sauerstoff	Kohlenstoffdioxid, Wasser
Ort des Elektronentransports	Zellmembran eines Schwefelbakteriums	Thylakoidmembran der Chloroplasten
Zwischenprodukte für den Calvin-Zyklus	ATP, oder	ATP,
Energiereiches Produkt	Glucose

3.4

Der Energiefluss in einem Ökosystem wird strukturiert und unter Verwendung der Fachsprache formuliert:

• Energie wird zum Aufbau energiereicher organischer Stoffe genutzt.

• Bei der Aufnahme von organischen Substanzen durch Organismen höherer Trophiestufen wird nur ein kleiner Teil der chemisch gespeicherten Energie übertragen, der Großteil der nutzbaren Energie steht dem Ökosystem durch Wärmeabgabe nicht mehr zur Verfügung.

Es werden Gründe für die Abhängigkeit des Ökosystems von schwefeloxidierenden Bakterien nachvollziehbar dargestellt.

• Schwefeloxidierende Bakterien stellen als Produzenten energiereiches organisches Material bereit.

• In der Tiefsee steht ansonsten kaum organisches Material am Anfang der Nahrungskette für Konsumenten 1. Ordnung, wie z. B. Krabben zur Verfügung.

3.5

Es werden Argumente für und gegen die Einordnung von Hydrothermalfeldern als autarke Ökosysteme einander gegenübergestellt und abgewogen:

• für autark spricht:

  • die abgeschiedene Lage ohne nennenswerte Zu-/Abwanderung der zum Ökosystem gehörenden Arten

  • Primärproduzenten stehen für den Aufbau von Biomasse zur Verfügung

  • energieliefernde Stoffe sowie Kohlenstoffdioxid stehen für den Aufbau von Biomasse zur Verfügung

• gegen autark spricht:

  • absinkende Schwebstoffe aus höheren Wasserschichten führen Biomasse zu

  • Konsumenten höherer Ordnung kommen aus höheren Wasserschichten zum Fressen, entnehmen Biomasse aus dem Ökosystem

  • es steht nur Sauerstoff zur Verfügung, der in höheren Wasserschichten durch fotosynthetisch aktive Organismen produziert wird und durch absinkende Meeresströmungen bis in die Tiefsee gelangt