11.662 neu identifizierte Viren enthüllen verborgenes Leben in einem pazifischen Tiefseebergbaugebiet

Eine riesige Virengemeinschaft unter dem geplanten Abbaugebiet

Wissenschaftler, die Sedimente aus der Clarion-Clipperton-Zone im Pazifik untersuchten, haben 11.742 verschiedene Viren identifiziert, darunter 11.662 zuvor nicht erfasste Varianten. Das Gebiet stößt bei Unternehmen, die Metalle vom Meeresboden gewinnen wollen, auf großes Interesse. Die neu identifizierten Viren machen mehr als 99 % der Gesamtzahl aus und geben Einblick in einen weitgehend unerforschten Teil eines Ökosystems, das durch den Bergbau gestört werden könnte.

An der in Nature Communications veröffentlichten Studie waren Bowen Hou und Lilan Zhang von der Chongqing-Universität sowie Dong Sung vom Zweiten Institut für Ozeanografie Chinas beteiligt. Ihr Team untersuchte mehr als 60 Sedimentproben, die 2023 und 2024 in der Region zwischen Hawaii und Mexiko entnommen worden waren. Dort ist der Ozean rund 6.000 Meter tief.

Die meisten Viren scheinen darauf spezialisiert zu sein, Bakterien und Archaeen zu infizieren. Diese beiden Gruppen mikroskopisch kleiner Organismen tragen dazu bei, Nährstoffe am Meeresboden wiederzuverwerten. Die Ergebnisse betreffen die Abläufe in einem abgelegenen Ökosystem, von dem offenbar keine unmittelbare Gefahr für die menschliche Gesundheit ausgeht.

Die Entdeckung fällt in eine Zeit, in der Forscher zwei zusammenhängende Fragen untersuchen: Wie könnte der Bergbau die mikroskopischen Lebensgemeinschaften am Meeresboden verändern, und könnten Schutzgebiete dazu beitragen, geschädigte Lebensräume wiederherzustellen? Eine separate Computersimulationsstudie deutet darauf hin, dass zwischen den 13 Schutzgebieten der Region nur sehr wenige Tierlarven ausgetauscht werden. Eine europäische Expedition untersucht unterdessen die Schäden, die ein Test mit Bergbaumaschinen im Jahr 2021 hinterlassen hat.

Zusammengenommen machen diese Untersuchungen ein schwieriges Naturschutzproblem konkret messbar. Wissenschaftler bestimmen noch immer, welche Organismen in der Abbauzone leben, während Regierungen und Unternehmen Aktivitäten erwägen, die ihren Lebensraum beseitigen und die umliegenden Sedimente aufwirbeln würden.

Wie die Forscher die verborgenen Viren fanden

Das chinesische Forschungsteam extrahierte DNA und RNA, Moleküle, die genetische Informationen enthalten, aus Sedimentkernen, die in den beiden Untersuchungsjahren entnommen worden waren. Die Forscher nutzten die metagenomische Sequenzierung. Mit dieser Methode wird genetisches Material aus einer gemischten Umweltprobe ausgelesen, ohne jeden Organismus einzeln im Labor kultivieren zu müssen.

So können Wissenschaftler in einer kleinen Menge Schlamm nach genetischen Spuren vieler Viren gleichzeitig suchen. Der Abgleich mit bereits vorhandenen Sequenzen hilft ihnen anschließend, verschiedene Virengruppen zu bestimmen und zu untersuchen, welche Organismen diese Viren möglicherweise infizieren.

Nur etwa 4 % der in der Studie identifizierten Proteincluster stimmten mit Einträgen in bestehenden globalen Datenbanken überein. Proteine übernehmen zahlreiche Aufgaben in Zellen und Viren. Forscher gruppieren ähnliche Proteine, um nach gemeinsamen Funktionen oder evolutionären Verwandtschaften zu suchen. Die geringe Übereinstimmungsrate zeigt, wie wenig von der genetischen Vielfalt in der Tiefsee bisher erfasst ist.

Die beiden zentralen Prozentangaben beziehen sich auf unterschiedliche Messgrößen. Die mehr als 99 % beziehen sich auf Viren, die zuvor nicht erfasst worden waren; die etwa 4 % auf Übereinstimmungen zwischen Proteinclustern und Datenbankeinträgen. Beide Werte weisen auf eine Gemeinschaft hin, die in den vorhandenen wissenschaftlichen Aufzeichnungen nur schwach vertreten ist.

Welche Rolle die Viren am Meeresboden spielen

Bakterien und Archaeen führen chemische Reaktionen aus, durch die Kohlenstoff, Stickstoff, Phosphor, Schwefel und Metalle in Tiefseesedimenten umgewandelt werden. An einem Ort ohne Sonnenlicht tragen diese Reaktionen dazu bei, das lokale Nahrungsnetz aufrechtzuerhalten. Außerdem bestimmen sie, wie Stoffe gespeichert oder freigesetzt werden.

Viren beeinflussen diese Prozesse, indem sie mikrobielle Wirte infizieren. Manche tragen sogenannte akzessorische Stoffwechselgene, also genetische Anweisungen, die verändern können, wie eine infizierte Zelle Nährstoffe verarbeitet oder mit ihrer Umgebung zurechtkommt. Das Team fand genetische Hinweise darauf, dass Viren in den Knollenfeldern den Stoffwechsel von Mikroben beeinflussen könnten, etwa indem sie deren mögliche Reaktionen auf Metallstress verändern.

Diese Funktionen müssen noch genauer untersucht werden. Anhand genetischer Sequenzen können Forscher mögliche Aktivitäten erkennen. Um festzustellen, wie diese Aktivitäten am Meeresboden ablaufen, sind Messungen an lebenden Gemeinschaften nötig.

Die Forscher beschrieben den Zweck ihrer Untersuchung in Nature Communications:

Eine unverzichtbare Grundlage für die Erfassung des mikrobiellen Ökosystems vor Beginn des Bergbaus und für künftige Umweltverträglichkeitsprüfungen.

Eine solche Grundlage dokumentiert die Bedingungen, bevor eine Aktivität beginnt. Künftige Untersuchungen können damit Veränderungen in den Virengemeinschaften, ihren Wirten und den von ihnen unterstützten chemischen Prozessen nachverfolgen.

Warum derselbe Meeresboden Bergbauunternehmen anzieht

Die Clarion-Clipperton-Zone enthält die weltweit größte bekannte Ansammlung polymetallischer Knollen. Diese Klumpen enthalten Mangan, Nickel, Kobalt und weitere Metalle, die für industrielle Anwendungen, etwa in Elektronik und Batterien, gefragt sind.

Nach den Zahlen, die der Virenstudie beigefügt sind, hat die Internationale Meeresbodenbehörde 31 Verträge zur Erforschung von Tiefseevorkommen vergeben. 17 davon gelten für die Clarion-Clipperton-Zone, darunter fünf für China. Explorationsverträge erlauben die Untersuchung von Vorkommen und Umweltbedingungen; für eine kommerzielle Förderung ist ein weiteres Genehmigungsverfahren erforderlich.

Knollen bieten außerdem harte Oberflächen auf einem Meeresboden, der sonst von feinem Schlamm geprägt ist. Tiere siedeln sich an ihnen an, und einige bieten anderen Tieren Unterschlupf. Wird eine Knolle entfernt, gehen daher sowohl mineralisches Material als auch ein Lebensraum verloren.

Dr. Matthias Haeckel, Biogeochemiker am GEOMAR Helmholtz-Zentrum für Ozeanforschung Kiel und wissenschaftlicher Leiter der SONNE-Expedition zur Untersuchung der Auswirkungen des Bergbaus, beschrieb die dort lebenden Tiere:

Typischerweise finden wir zwei bis drei kleine Organismen auf jeder Knolle.

Knollen wachsen extrem langsam. Laut Haeckels Expeditionsbericht beträgt die Wachstumsrate etwa ein bis zwei Millimeter pro Million Jahre. Sie variiert je nach Knollentyp und Standort, doch die Wiederherstellung dieser Lebensräume dauert geologische Zeiträume und damit sehr viel länger als ein Bergbauprojekt.

Störungen können über die Spuren der Sammelfahrzeuge hinausreichen

Bergbaufahrzeuge würden Knollen entfernen und das Oberflächensediment aufwühlen. Feine Partikel können in die Wassersäule aufsteigen, abdriften und sich erneut ablagern. Dabei können sie Organismen außerhalb der unmittelbaren Fahrspur des Sammelfahrzeugs bedecken. Tiere, die fest auf Knollen sitzen, haben kaum eine Möglichkeit zu fliehen.

Haeckel erläuterte, wie sich abgelagertes Material auf verschiedene Tiere auswirken kann:

Manche Organismen können sich reinigen, andere nicht. Auch Tiere, die ihre Nahrung aus dem Wasser filtern, sind sehr wahrscheinlich betroffen.

Die Virenstudie verweist auf eine weitere Ebene der Störung, die unterhalb der sichtbaren Tiere liegt. Aufgewirbeltes Sediment könnte verändern, wo Viren und ihre Wirte leben, wie sie einander begegnen und wie mikrobielle Gemeinschaften Nährstoffe und Metalle verarbeiten. In früheren Störungsexperimenten, auf die sich die Autoren beziehen, wurden Auswirkungen auf Sedimente in Knollenfeldern festgestellt, die Jahrzehnte anhielten.

Das Team identifizierte außerdem einen möglichen Ansatzpunkt für eine teilweise Erholung: Virenpopulationen und genetische Funktionen, die sowohl in tieferen als auch in oberflächennahen Sedimenten vorkommen. Gemeinschaften in tieferen Schichten könnten dazu beitragen, einige oberflächennahe Gemeinschaften nach einer Störung wieder aufzubauen. Wie groß dieser Beitrag wäre und welche Auswirkungen der Bergbau auf diese Viren und ihre Wirte hätte, ist noch unbekannt.

Rückkehr zum Bergbautest von 2021

Die Expedition SO322 des Forschungsschiffs SONNE untersucht einen Ort in der Clarion-Clipperton-Zone, an dem das belgische Unternehmen Global Sea Mineral Resources im Frühjahr 2021 einen ferngesteuerten Sammelroboter getestet hat. Der Test fand in mehr als 4.000 Metern Tiefe statt.

In 74 Stunden legte die Maschine rund 32 Kilometer zurück und sammelte Knollen auf einer Fläche von 54.000 Quadratmetern. Das entspricht 5,4 Hektar und ist groß genug, damit Forscher sowohl die Fahrspuren selbst als auch das umliegende, vom Test beeinträchtigte Sediment untersuchen können.

An der Expedition nehmen 39 Forscher aus 17 Einrichtungen in sieben europäischen Ländern teil. Zu ihrer Ausrüstung gehören das ferngesteuerte Unterwasserfahrzeug KIEL 6000, das autonome Unterwasserfahrzeug ABYSS, auf dem Meeresboden platzierte Messgeräte und Sedimentprobennehmer. Die Arbeiten sind Teil von MiningImpact, einem Forschungsprogramm, das seit 2015 mögliche Auswirkungen des Bergbaus untersucht.

Die Wissenschaftler wollen Lebensräume am Meeresboden und im Wasser untersuchen, ermitteln, wie lange Auswirkungen von Sedimentwolken anhalten, und prüfen, ob künstliche harte Oberflächen die Wiederbesiedlung dort ermöglichen könnten, wo Knollen entfernt wurden.

Haeckel beschrieb das Ausmaß der noch ausstehenden Bestimmungsarbeit:

Viele Arten in der CCZ sind äußerst selten; etwa 90 % der Arten, die wir bisher beprobt haben, sind noch nicht bestimmt und haben keinen Namen. Und niemand weiß, wie viele Arten noch zu entdecken sind.

Diese Schätzung bezieht sich auf Arten, die von den Forschern der Expedition beprobt wurden. Die Angabe von 99 % aus der Virenstudie bezieht sich dagegen auf neu erfasste Viren in deren Sedimentuntersuchung. Beide Werte messen unterschiedliche Bereiche der unzureichend katalogisierten Artenvielfalt der Region.

Zwischen Schutzgebieten gibt es nur wenige Verbindungen

Eine von Molly Kendall James und Kollegen geleitete und in Nature Ecology & Evolution veröffentlichte Studie untersuchte, ob die 13 Gebiete von besonderem Umweltinteresse in der Clarion-Clipperton-Zone ein zusammenhängendes Schutzgebietsnetz bilden.

Viele Tiere am Meeresboden beginnen ihr Leben als Larven, die von Strömungen getragen werden. Können Larven zwischen Schutzgebieten wandern, können Populationen Gene austauschen und andere Gebiete mit neuen Tieren besiedeln. Die Forscher modellierten diese Bewegungen mithilfe von Daten zu Meeresströmungen und mehr als 68 Millionen simulierten Partikeln pro Durchlauf.

Die Partikel standen für Larven, die 19, 35 oder 69 Tage lang nahe am Meeresboden trieben. Die Simulationen umfassten den Januar und Juli der Jahre 2019 und 2023. Selbst bei der längsten Dauer blieben die mittleren Ausbreitungsdistanzen unter 100 Kilometern. Die Abstände zwischen den Schutzgebieten liegen dagegen bei rund 200 bis 800 Kilometern.

Von 156 möglichen direkten Verbindungen zwischen den Schutzgebieten fand ein Austausch nur auf fünf Routen statt. Weniger als 0,02 % der simulierten Larven, die in einem Schutzgebiet freigesetzt wurden, erreichten ein anderes. Drei Routen machten mehr als 99 % des Austauschs zwischen den Schutzgebieten aus.

Im Modell hielten sich die Larven in einer Höhe von etwa zehn Metern über dem Meeresboden oder darunter auf. Die tatsächliche Lebensdauer der Larven in der Region ist kaum bekannt. Schwimmen sie höher und geraten in andere Strömungen, könnten sich ihre Wege ändern. Die Ergebnisse beschreiben die unter diesen konkreten Bedingungen zu erwartenden Verbindungen und bieten Planern damit eine überprüfbare Ausgangsbasis.

Woher die Erholung kommen könnte

Im Modell stammten 76 % der Larven, die sich in Abbaugebieten niederließen, aus den Abbaugebieten selbst, 19 % aus ungeschützten Gebieten außerhalb der Abbauzonen und nur 5 % aus dem Schutzgebietsnetz. Vor einer Störung hätten lokale Populationen demnach den größten Teil der simulierten Wiederbesiedlung ermöglicht.

Anschließend untersuchten die Forscher ein Szenario, in dem Abbaugebiete keine Larven mehr lieferten. Ungeschützte Gebiete außerhalb der Abbauzonen lieferten 81 % der verbleibenden Larven, während 19 % aus Schutzgebieten stammten. Diese Verschiebung zeigt, wie wichtig Lebensräume außerhalb ausgewiesener Schutzgebiete für die Erholung sein können.

Das Team identifizierte 53 vorgeschlagene Korridorzellen, jeweils 100 mal 100 Kilometer groß, über die bestehende Schutzgebiete durch dazwischenliegende Lebensräume verbunden werden könnten. Zusammengenommen würden sie eine Fläche von 530.000 Quadratkilometern umfassen.

Der Schutz dieser Zellen ermöglichte im Modell 151 indirekte Verbindungen und erhöhte den Austausch zwischen Schutzgebieten um den Faktor 406. Der Anteil der aus Schutzgebieten freigesetzten Partikel, die ein anderes Schutzgebiet erreichten, stieg von etwa einem von 5.556 auf einen von 14.

Nur 11 % der vorgeschlagenen Korridorfläche überschnitten sich mit bestehenden Vertragsgebieten. Im Störungsszenario lieferte das erweiterte Schutzgebietsnetz 36 % der verbleibenden Ansiedlungen in Abbaugebieten, verglichen mit 19 % im bestehenden Netz.

Das Modell untersuchte den Ausfall von Larvenquellen. Sedimentwolken, Lärm und andere Auswirkungen, die über die Grenzen der Abbaugebiete hinausreichen, müssten gesondert bewertet werden. Der praktische Beitrag der Studie besteht darin, Gebiete zu identifizieren, in denen zusätzlicher Lebensraumschutz die Verbindungen zwischen Populationen verbessern könnte.

Entscheidungen rücken näher, während die Untersuchungen weitergehen

Die vorliegenden Erkenntnisse umfassen genetische Untersuchungen, Modelle der Meeresströmungen und die direkte Untersuchung eines Testgebiets für den Bergbau. Jede davon beleuchtet einen anderen Teil derselben Entscheidung: Was könnte verloren gehen, wie breiten sich Störungen aus und wo könnte die Erholung beginnen?

Zu den wichtigsten Ereignissen und angekündigten nächsten Schritten gehören:

• 2015: MiningImpact begann mit der Untersuchung möglicher Umweltauswirkungen des Tiefseebergbaus.
• Frühjahr 2021: Global Sea Mineral Resources testete seinen Sammelroboter in der Clarion-Clipperton-Zone.
• 2023 und 2024: Forscher entnahmen Sedimentproben für die Virenstudie.
• Expedition SO322: Wissenschaftler untersuchen die Folgen des Tests von 2021 und mögliche Wege zur Wiederbesiedlung.
• 19. November 2026: Nach dem angekündigten Plan sollen zwei Versteigerungen von Nutzungsrechten am Meeresboden vor Amerikanisch-Samoa stattfinden.

Der Vorschlag für Amerikanisch-Samoa betrifft einen anderen Ort im Pazifik als die Clarion-Clipperton-Zone. Die beiden vorgeschlagenen Gebiete umfassen zusammen mehr als 31 Millionen Acres und grenzen an das Rose Atoll Marine National Monument. Gouverneur Pulaali'i Nikolao Pula hat sich gegen die kommerzielle Förderung von Bodenschätzen in den Gewässern des Territoriums ausgesprochen.

Der Vorschlag der Vereinigten Staaten veranschaulicht den allgemeinen Druck, Lagerstätten am Pazifikboden für den Abbau zu erschließen, während die ökologischen Untersuchungen weiterlaufen. Für die Clarion-Clipperton-Zone bietet der neue Virenkatalog ein konkretes Instrument für Umweltbewertungen: Forscher können nun neben Veränderungen bei Tieren, der Sedimentchemie und den Verbindungen zwischen Lebensräumen auch nach Veränderungen in Tausenden zuvor nicht erfassten Virengruppen suchen.

Für die Naturschutzplanung weisen die Studien auf zwei Aufgaben hin, die gemeinsam angegangen werden müssen. Wissenschaftler müssen die Organismen und Prozesse in einem Abschnitt des Meeresbodens verstehen. Zugleich müssen die Behörden berücksichtigen, wie dieser Abschnitt mit den umliegenden Gebieten verbunden ist. Das Entfernen der Knollen beeinträchtigt den ersten Aspekt; die Störung von Wegen für die Wiederbesiedlung den zweiten.

Die wichtigsten Punkte

• Forscher identifizierten 11.742 Viren in Sedimenten der Clarion-Clipperton-Zone, darunter 11.662 zuvor nicht erfasste Varianten.
• Die meisten scheinen mit Bakterien und Archaeen in Verbindung zu stehen und könnten den Nährstoffkreislauf sowie Reaktionen auf Metalle beeinflussen.
• Aufgewirbeltes Sediment könnte neben den auf Knollen lebenden Tieren auch Virengemeinschaften beeinträchtigen.
• Ein Strömungsmodell ergab nur fünf direkte Verbindungen von 156 möglichen Routen zwischen 13 Schutzgebieten.
• 53 vorgeschlagene Lebensraumkorridore erhöhten im Modell die Zahl der Verbindungen deutlich.
• Die SONNE-Expedition untersucht die Auswirkungen eines Bergbautests von 2021, um Umweltbewertungen und Regelungen zu unterstützen.