Uralte Mikroben in der Arktis werden wieder aktiv und könnten die Erwärmung beschleunigen

Warum uralte Mikroben heute wichtig sind

Im gefrorenen Boden der Arktis werden Mikroben wieder aktiv, die sich zuletzt vor Zehntausenden von Jahren von uralten Pflanzen und Tieren ernährten. Laborexperimente mit Permafrostproben aus dem Landesinneren Alaskas zeigen, dass ruhende Gemeinschaften, von denen manche bis zu 40.000 Jahre alt sind, innerhalb weniger Monate wieder erwachen können, wenn es warm und feucht bleibt. Sobald sie aktiv sind, zersetzen sie seit Langem gefrorenes organisches Material und setzen Kohlendioxid und Methan frei, zwei Treibhausgase, die Wärme speichern. Dieser Prozess verstärkt die Erderwärmung und erhöht das Risiko, dass das Auftauen des Permafrosts sich in einem sich selbst verstärkenden Kreislauf beschleunigt.

Permafrost ist Boden, der mindestens zwei Jahre in Folge gefroren bleibt. Er kann nur einen Meter tief oder mehrere Hundert Meter mächtig sein und uralten Kohlenstoff aus längst verschwundenen Tundren und borealen Ökosystemen einschließen. Die oberste Schicht taut im Sommer häufig auf, doch tiefere Schichten sind seit der letzten Eiszeit versiegelt geblieben. Die neue Forschung deutet darauf hin, dass selbst tief im Permafrost lebende Mikroben zeitweise Teil des modernen Kohlenstoffkreislaufs werden können, wenn die Sommer länger werden und sich die Auftauperiode auf Frühling und Herbst ausdehnt.

Der Zeitpunkt ist entscheidend. Die Arktis erwärmt sich etwa doppelt so schnell wie der globale Durchschnitt, und die Auftauperiode wird länger. Forschende haben im Herbst, Winter und Frühling steigende Treibhausgasemissionen aus nördlichen Landschaften gemessen, also in einer Zeit, in der Pflanzen weitgehend ruhen. Werden diese Emissionen außerhalb der Vegetationsperiode berücksichtigt, erscheint die Region in vielen jüngeren Jahren als Netto-Kohlenstoffquelle für die Atmosphäre. Das Erwachen uralter Mikroben würde diese Belastung verstärken.

Was der Permafroststollen in Alaska offenbart

Um die Geschwindigkeit des Wiedererwachens von Mikroben zu untersuchen, entnahmen Forschende gefrorene Bohrkerne aus dem Permafrost Research Tunnel nahe Fairbanks in Alaska. Der Stollen liegt etwa 50 Fuß unter der Oberfläche und reicht mehr als 350 Fuß weit in den gefrorenen Boden hinein. Dieser bewahrt eine detaillierte Aufzeichnung von Landschaften aus dem späten Pleistozän. Es ist ein seltener Ort, an dem Forschende intakte, uralte Böden und Eisschichten untersuchen können, die seit Jahrtausenden gefroren sind.

Alaska eignet sich besonders gut als Untersuchungsgebiet, weil ein großer Teil des Bundesstaats von Permafrost unterlagert ist. Die gefrorenen Wände des Stollens zeigen Schichten aus Schluff und Sand sowie organikreiche Horizonte und Bodeneis, das beim Gefrieren des Bodens entstanden ist. Viele dieser Horizonte enthalten begrabenes Pflanzen- und Tiermaterial, das von Mikroben noch weitgehend nicht zersetzt wurde. Sobald das Auftauen flüssiges Wasser und Temperaturen über dem Gefrierpunkt schafft, finden die lange inaktiven Gemeinschaften die nötigen Voraussetzungen, um ihren Stoffwechsel wieder aufzunehmen.

Wie Forschende Mikroben aus der Eiszeit wiederbelebten

Im Labor wurden kleine Stücke des uralten Permafrosts befeuchtet und bei Temperaturen inkubiert, die die heutigen und künftigen Sommer in Alaska abbilden sollten. Die Forschenden verwendeten mit Deuterium angereichertes Wasser, einer schweren Form von Wasserstoff, damit sich jedes neue mikrobielle Wachstum anhand einer nachweisbaren atomaren Signatur erkennen ließ. Nach einem Monat zeigten nur wenige Zellen Anzeichen von Aktivität, was auf einen langsamen Neustart hindeutete. Nach sechs Monaten bei wärmeren Temperaturen änderte sich das Bild deutlich. Die mikrobiellen Gemeinschaften veränderten sich, sichtbare Biofilme bildeten sich, und die wiederbelebten Mikroben verhielten sich ähnlich wie heutige Artgenossen.

Ein langsamer Neustart, Atom für Atom verfolgt

Mit der Deuterium-Markierung können Forschende das Wachstum verfolgen, ohne raten zu müssen. Wenn Mikroben neue Zellmembranen oder andere Moleküle bilden, bauen sie Wasserstoffatome ein. Handelt es sich dabei um Deuterium, können Messgeräte die schwerere Signatur erkennen und bestätigen, dass das Wachstum auf das Experiment und nicht auf eine Verunreinigung zurückgeht. Die Daten aus Alaska zeigen, dass das Wiedererwachen nicht sofort erfolgt. Viele Mikroben scheinen sich zunächst wochenlang anzupassen und ordnen sich dann neu, bevor sie sich nach längerer Wärme ausbreiten. Diese Verzögerung unterstreicht, warum eine längere Auftauperiode wichtiger sein kann als eine einzelne Hitzeperiode.

Was nach Monaten der Wärme geschieht

Die entscheidende Erkenntnis betrifft den Zeitraum bis zum Erwachen. Die Experimente deuten darauf hin, dass zwischen dem Auftauen und voller Aktivität bei manchen uralten Gemeinschaften etwa ein bis sechs Monate liegen. In Teilen der Arktis herrschen bereits heute jedes Jahr so lange Temperaturen über dem Gefrierpunkt. Klimaprojektionen lassen künftig längere Auftauperioden erwarten. Eine längere Wärmephase gibt den Mikroben genügend Zeit, Membranen neu aufzubauen, Frostschäden zu reparieren und Enzyme zu aktivieren, die komplexen Kohlenstoff aufspalten. Ist dieser Apparat einmal einsatzbereit, können die Mikroben gefrorenes organisches Material rasch in Kohlenstoffgase umwandeln.

Dieser zeitliche Ablauf hilft auch, ein breiteres Muster zu erklären, das bei Feldmessungen beobachtet wird. Viele Tundragebiete nehmen während der kurzen sommerlichen Wachstumsperiode, wenn die Pflanzen aktiv sind, Kohlendioxid auf. Diese Zunahme wird zunehmend durch Verluste in der restlichen Jahreszeit ausgeglichen, weil Mikroben weiter Kohlendioxid ausatmen. Werden neu erwachte Mikroben einbezogen, die uralten Kohlenstoff zersetzen, nehmen die Verluste außerhalb der Vegetationsperiode weiter zu und können dazu führen, dass Landschaften netto Treibhausgase ausstoßen.

Vom gefrorenen Kohlenstoffspeicher zu Treibhausgasemissionen

Permafrost wird oft als riesiger Kohlenstoffspeicher beschrieben. Er entstand, weil unter kalten Bedingungen Pflanzen- und Tierreste nicht vollständig zersetzt wurden und sich ansammelten und gefroren. Durch das Auftauen wird dieser Speicher geöffnet. In sauerstoffreichen Böden setzen Mikroben vor allem Kohlendioxid (CO2) frei. In wassergesättigten oder sauerstoffarmen Gebieten wie Mooren, Feuchtgebieten und den Böden auftauender Seen produzieren spezialisierte Mikroben, sogenannte Methanogene, Methan (CH4).

CO2 oder Methan

Methan speichert über einige Jahrzehnte deutlich mehr Wärme als Kohlendioxid, wird in der Atmosphäre jedoch schneller abgebaut. Kohlendioxid ist pro Molekül weniger wirksam, bleibt aber über Jahrhunderte bestehen. Welches Verhältnis von CO2 und Methan aus auftauendem Boden stammt, hängt von den örtlichen Bedingungen ab. Trockene, besser entwässerte Böden begünstigen CO2-Emissionen. Gesättigte Böden und auftauende Seen begünstigen Methanemissionen. Jüngere Forschungsergebnisse aus Alaska und Westkanada zeigen, dass Wälder in produktiven Phasen etwas mehr CO2 aufnehmen können, als sie ausstoßen. Diese Gewinne werden jedoch durch Methan aus Feuchtgebieten und Seen, Waldbrände und die Atmung von Mikroben in der kalten Jahreszeit aufgewogen. Die gemeinsame Treibhausgasbilanz der Region deutet weiterhin auf eine zusätzliche Erwärmung in den kommenden Jahrzehnten hin.

Wie groß könnte die Freisetzung von Kohlenstoff sein?

Die Böden der nördlichen Permafrostregion speichern eine enorme Menge organischen Kohlenstoffs: etwa 1.460 bis 1.600 Milliarden Tonnen. Das ist ungefähr doppelt so viel Kohlenstoff, wie sich derzeit in der Atmosphäre befindet. Der größte Teil dieses Vorrats liegt in den oberen drei Metern, doch ein erheblicher Anteil ist tiefer in eisreichen Sedimenten und uralten Lössablagerungen eingeschlossen, die als Yedoma bezeichnet werden. Schätzungen zufolge enthalten diese tief liegenden Yedoma-Ablagerungen 327 bis 466 Milliarden Tonnen Kohlenstoff. Auf die Deltas arktischer Flüsse entfallen weitere rund 96 Milliarden Tonnen. Allmähliches Auftauen von der Oberfläche nach unten wird im Laufe der Zeit einen großen Teil des oberflächennahen Vorrats freilegen. Bei abruptem Auftauen, wenn eisreicher Boden einbricht und Thermokarstgruben und -seen entstehen, können tiefere Schichten innerhalb einer einzigen Jahreszeit mobilisiert werden.

Messungen der Kohlenstoffflüsse deuten darauf hin, dass dieser riesige Vorrat bereits zur Belastung der Atmosphäre beiträgt. Neue regionale Messungen und Beobachtungen aus dem Winter zeigen, dass Ökosysteme der Permafrostregion netto jährlich 0,3 bis 0,6 Milliarden Tonnen Kohlenstoff in Form von Kohlendioxid freisetzen, wenn die Verluste in der kalten Jahreszeit berücksichtigt werden. Messkampagnen mit Flugzeugen in Alaska haben ergeben, dass die Tundra eine stetige Kohlenstoffquelle ist, während boreale Wälder je nach Waldbränden und Wetter zwischen einer nahezu ausgeglichenen Bilanz und einer mäßigen Kohlenstoffaufnahme schwanken. In einigen Analysen wurden die Winteremissionen um das Zwei- bis Dreifache nach oben korrigiert, weil mehr Messgeräte die lange kalte Jahreszeit erfassen, in der Pflanzen ruhen, Mikroben aber aktiv sind. Diese Ergebnisse passen zu der Annahme, dass die Rückkopplung durch auftauenden Permafrost bereits eingesetzt hat.

Können Pflanzen und kalte Jahreszeiten diese Emissionen ausgleichen?

Jeden Sommer nehmen Pflanzen in Tundren und borealen Wäldern durch Photosynthese Kohlendioxid auf und speichern einen Teil davon als Biomasse und neue organische Bodensubstanz. In intakten Waldbeständen und Feuchtgebieten kann diese Aufnahme beträchtlich sein. Das Problem ist die sehr lange kalte Jahreszeit in der Arktis. Die mikrobielle Atmung setzt sich einen großen Teil des Jahres mit geringer Intensität fort, auch unter einer Schneedecke. Über 250 oder mehr Tage können sich diese kleinen täglichen Verluste zu einer Menge summieren, die den Großteil oder die gesamten sommerlichen Gewinne aufzehrt.

Die Anpassungsfähigkeit der Mikroben erschwert die Lage zusätzlich. Studien auf Spitzbergen und an anderen arktischen Standorten zeigen, dass Mikroben in der obersten, saisonal auftauenden Schicht gut an kalte Bedingungen angepasst sind. Sie produzieren Enzyme, die bei niedrigen Temperaturen effizient arbeiten, und können eine breite Palette von Kohlenstoffverbindungen nutzen. Manche können unter bestimmten Bedingungen sogar direkt CO2 aufnehmen, doch dieser Prozess ist im Vergleich zur Kohlenstofffreisetzung durch Zersetzung von geringer Bedeutung. Feuchtgebiete und Moore können über Jahrhunderte Torf anreichern und in der Kohlenstoffbilanz netto Senken bleiben. Trotzdem stoßen sie Methan aus, das stark zur Erwärmung beiträgt. Insgesamt deuten die jüngsten Daten darauf hin, dass die Kohlenstoffaufnahme durch Pflanzen in der Region die wachsenden Verluste durch Atmung und die Methanemissionen aus auftauendem Boden nicht vollständig ausgleicht.

Warum der Zeitpunkt und nicht nur die Temperatur das Risiko verändert

Die neuen Laborergebnisse rücken die Länge der Jahreszeit in den Fokus. Mikroben, die jahrtausendelang geruht haben, benötigen womöglich Wochen bis Monate, um sich zu reparieren und neu zu organisieren, bevor sie wachsen. Eine längere Auftauperiode gibt ihnen diese Zeit. Einzelne heiße Tage sind weniger entscheidend als ein früherer Tauwetterbeginn im Frühjahr und ein späterer Frostbeginn im Herbst. Klimadaten zeigen bereits, dass sich dieser Wandel an vielen Orten der Arktis vollzieht.

Sonnenlicht trägt ebenfalls dazu bei, die Kohlenstofffreisetzung zu beschleunigen, sobald Permafrost gestört wird. Durch das Auftauen kann Kohlenstoff aus dem Boden in Bäche und Seen gelangen, wo er dem Sonnenlicht ausgesetzt ist. Photochemische Reaktionen schwächen komplexe organische Moleküle und machen sie für Mikroben leichter verwertbar. Experimente zeigen, dass mikrobielle Gemeinschaften ihren Stoffwechsel so umstellen, dass sie von der durch Sonnenlicht geschwächten organischen Substanz profitieren und mehr davon in CO2 umwandeln. Wasserhaushalt, Licht und biologische Prozesse wirken zusammen und setzen uralten Kohlenstoff im System in Bewegung, sobald das Auftauen beginnt.

Auch andere Faktoren spielen eine Rolle. Wärmere Böden gehen häufig mit Veränderungen der Feuchtigkeit und mitunter mit zusätzlichem Stickstoff aus atmosphärischen Einträgen oder lokalen Quellen einher. Experimente mit Permafrost-Moorböden haben gezeigt, dass Erwärmung die CO2-Emissionen erhöht und die Aktivität von Methanogenen und anderen mikrobiellen Gruppen steigern kann. Zusätzlicher Stickstoff kann mikrobielle Gemeinschaften und Gasflüsse weiter verändern, darunter auch die Emissionen von Lachgas, einem weiteren starken Treibhausgas. Diese Wechselwirkungen zeigen, dass das Auftauen des Bodens kein einzelner Prozess ist, sondern eine Reihe miteinander verbundener Prozesse, die sich je nach Landschaft unterscheiden.

Was Forschende noch nicht wissen

Mikroben sind die Motoren, die Permafrost-Kohlenstoff in Gase umwandeln, doch ihr künftiges Verhalten lässt sich für große Gebiete nur schwer vorhersagen. Permafrost bedeckt riesige und vielfältige Landschaften: von trockenen Hochlagen bis zu wassergesättigten Mooren, von Mineralböden bis zu mächtigen organischen Schichten. Die Bedingungen können sich schon innerhalb weniger Meter unterscheiden. Molekularbiologische Studien aus einem Jahrzehnt haben eine erstaunliche Vielfalt aufgedeckt, doch Genkataloge in zuverlässige Prognosen der Gasemissionen zu übersetzen, bleibt eine große Herausforderung. Forschende entwickeln Modelle, die Wärmefluss, Bodenfeuchtigkeit, Wasserhaushalt und mikrobiellen Stoffwechsel zusammenführen, um die gesamte Kette vom Auftauen bis zur Emission abzubilden. Viele Modelle haben noch Schwierigkeiten, abruptes Auftauen, die seitliche Verlagerung von Wasser und Kohlenstoff sowie die in den neuen Experimenten zum Wiedererwachen beobachteten Zeitverzögerungen zu simulieren.

Auch aus schwer zugänglichen Jahreszeiten und Gebieten gibt es nur wenige Messdaten. Bei Verfahren, die lokale Messungen an Flusstürmen auf ganze Regionen hochrechnen, können andere Ergebnisse herauskommen als bei Schätzungen aus Satelliten- und Flugzeugdaten. Die Unterschiede gehen häufig auf fehlende Winterdaten, Unsicherheiten bei Feuchtgebieten und Seen sowie die sich verändernden Auswirkungen von Waldbränden zurück. Bessere Verknüpfungen der verschiedenen Methoden verbessern das Gesamtbild, doch die prognostizierten Emissionen weisen weiterhin eine große Bandbreite auf.

Ein weiteres Anliegen betrifft nicht die Klimabilanz. Die Vorstellung, uralte Mikroben wiederzubeleben, wirft naturgemäß Sicherheitsfragen auf. Für die Forschung werden kleine, kontrollierte Proben verwendet und die üblichen Vorsichtsmaßnahmen im Labor eingehalten. Der Umfang der Laborarbeit ist winzig im Vergleich zu den riesigen Permafrostgebieten, die jeden Sommer von selbst auftauen. Das Klimarisiko entsteht durch die Treibhausgase, die diese Mikroben in der Natur produzieren, nicht durch die im Labor untersuchten Stämme. Im Mittelpunkt stehen daher die Beobachtung und die Verringerung der Erwärmung, damit weniger gefrorener Boden die Schwelle zum saisonalen Auftauen überschreitet.

Das Wichtigste in Kürze

• Uralte arktische Mikroben können nach ein bis sechs Monaten Wärme und Feuchtigkeit wieder erwachen und dann bei der Zersetzung von lange gefrorenem organischem Material CO2 und Methan freisetzen.
• Die Böden der Permafrostregion speichern etwa 1.460 bis 1.600 Milliarden Tonnen organischen Kohlenstoffs, ungefähr doppelt so viel wie die Atmosphäre enthält.
• Der Permafrost Research Tunnel nahe Fairbanks in Alaska lieferte uralte Proben, die nach sechs Monaten warmer Inkubation ein starkes Wiedererwachen der Mikroben zeigten.
• Die Erwärmung der Arktis verlängert die Auftauperiode, die für das Wiedererwachen der Mikroben wichtiger ist als kurze Hitzeperioden.
• Jüngste Beobachtungen deuten darauf hin, dass die nördliche Permafrostregion netto bereits Kohlenstoff an die Atmosphäre abgibt, wenn die Verluste in der kalten Jahreszeit berücksichtigt werden.
• Seen und Feuchtgebiete begünstigen Methanemissionen, während trockenere Böden eher CO2 ausstoßen. Beide Gase verstärken die Erwärmung, allerdings über unterschiedliche Zeiträume.
• Neuere Studien veranschlagen die Kohlenstoffverluste im Winter höher. Sie gleichen damit einen großen Teil der sommerlichen Kohlenstoffaufnahme durch Pflanzen aus.
• Sonnenlicht macht den Kohlenstoff aus aufgetautem Permafrost für Mikroben leichter verwertbar und beschleunigt so die CO2-Freisetzung in Bächen und Seen.
• Es bestehen weiterhin große Unsicherheiten, weil sich mikrobielle Gemeinschaften und Bodenbedingungen stark unterscheiden und Modelle abruptes Auftauen sowie saisonale Dynamiken noch nicht gut abbilden.
• Das größte Risiko für die Bevölkerung ist die Erwärmung des Klimas durch zusätzliche Treibhausgase, nicht der Umgang mit uralten Mikroben im Labor, der streng kontrolliert ist und nur in kleinem Umfang stattfindet.