Mariner Hydrothermalismus
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Mariner Hydrothermalismus Dieses Kapitel stellt eine Ergänzung zu dem Submodule Gashydrate - Submarine Quellen und Leben in der Tiefsee dar und ist eng mit dem Submodule Dynamik der Erde verknüpft. Inhalt 1.Allgemeine Zielsetzung und Begründung Forschungsergebnisse der vergangenen zwanzig Jahren haben gezeigt, dass extreme Lebensräume auf unserem Planeten sehr viel häufiger anzutreffen sind als angenommen. Hydrothermalquellen wurden erstmals 1977 entdeckt und überraschten die Wissenschaft als einzigartiges Ökosystem, welches vollkommen ohne Licht auskommt. Bis zu diesem Zeitpunkt bestand die gültige Lehrmeinung, dass Tiefseegemeinschaften abhängig von den Produktionsprozessen der oberen Wasserschichten sind. Forscher wollten seltsamen Temperaturanomalien entlang von Rändern auseinander driftender tektonischer Platten nachgehen. Was sie entdeckten, übertraf ihre Vorstellungen: Entlang von Spalten, aus denen warmes, mineralreiches und schwefelwasserstoffhaltiges "Wasser" austrat, waren dichte Organismenbestände zu erkennen. In diesem hoch toxischen Milieu offenbarten sich den Wissenschaftlern üppige Faunenassoziationen, basierend auf bakterieller Chemosynthese. Die systematische Suche nach TiefseeHydrothermalquellen begann zuerst in Regionen schnell auseinanderdriftender Platten entlang der Spreizungszonen und erst seit wenigen Jahren an konvergierenden Plattengrenzen. Baustein 1 - Was sind Hydrothermale Quellen? Information für Lehrkräfte Hydrothermale Quellen werden von Wärme aus vulkanischen Prozessen oder magmatischen Quellen gespeist. Hydrothermalsysteme finden sich vor allem an den Nahtstellen der 60000 km langen Spreizungen der mittelozeanischen Rücken sowie der Meeresbecken hinter vulkanischen Inselbögen, von den Tropen bis hinein in die Polargebiete (siehe Folien 1 - 2). In diesen tektonisch und vulkanisch aktiven Zonen findet Bewegung in der Erdkruste statt, und Magma steigt aus der Tiefe auf. Kaltes Meerwasser dringt durch Klüfte und und Spalten in den Meeresboden ein, wird in tieferen Bereichen durch Magmawärme Abkühlungsprozesse aufgeheizt und reagiert dann mit dem umgebenden Gestein. Hierdurch wird die Chemie der Fluide entscheidend verändert. Die Permeabilität der ozeanischen Kruste und die Position der MagmaKammern bestimmen das Zirkulationsmuster der Hydrothermalen Fluide. Dieser Vorgang kann in drei Phasen eingeteilt werden. In der Auflade-Zone dringt kaltes Meerwasser in die ozeanische Kruste ein und wird dabei aufgeheizt. Dabei verarmen die Fluide an Magnesium, und Säure wird produziert; durch diesen Prozess kommt es zum sogenannten Leaching anderer Stoffe aus dem Gestein in die hydrothermale Fluid. Sulfat aus dem Meerwasser wird ent- fernt, wobei Anhydrit gebildet wird. Die Fluide erreichen ihre maximale Temperatur in der sogenannten Hochtemperatur-Reaktionszone nahe der Hitzequelle. Die Zusammensetzung der Fluide wird dabei entscheidend von Druck, Temperatur, Gesteinsart und Reaktionszeit bestimmt. Unter hohen Temperaturen laufen die Reaktionen sehr schnell ab. Die heißen Fluide steigen in der Aufstiegszone auf. Die Aufenthaltszeit in dieser Zone ist sehr kurz, aber dabei kommt es zu weiteren Reaktionen der Fluide mit dem Gestein. Die Fluide kühlen sich ein wenig durch die Druckabnahme (adiabatisches Abkühlen) und besonders durch die Wärmeabgabe an das umgebende Gestein (konduktives Abkühlen) ab. Das Abkühlen verursacht eine Übersättigung und anschließende Praezipitation von Metallsulfiden, Quarz und weiteren Mineralien aus den Fluiden. Die Hydrothermalquellen treten an der Übergangszone zwischen der heißen, anoxischen Aufstiegszone und dem kalten, sauerstoffreichen Meerwasser auf. Sobald dort die heißen Fluide mit dem kalten Meerwasser reagieren, fallen viele Mineralien innerhalb von Sekunden aus und formen die dichten Partikelwolken, die für heiße Quellen so charakteristisch sind. Die Partikel bestehen in erster Linie aus Sulfiden (FeS, ZnS, CuFeS2) und Sulfaten (CaSO4, BaSO4). Einige dieser Mineralien werden als Teil der Schlotstrukturen gebildet, während andere innerhalb der Austrittswolke entstehen und im Meerwasser verteilt werden. Eine weitere Form hydrothermaler Ventings stellt das diffuse Venting dar, bei dem Fluide geringerer Temperatur (<100°C) durch Risse im Meeresboden austreten, die um die heißen Quellen auftreten; oder direkt am heißen Basalt. Die kälteren Vents enthalten generell zu wenig Metallverbindungen und Sulfide um die charakteristische dunkle Partikelwolke zu bilden. Es gibt Hinweise darauf, dass diese Quellen durch die Vermischung von Meerwasser mit aufsteigenden Fluiden der heissen Quellen entstehen, wobei die Ausfällung von Mineralienbereitsim Meeresboden stattfindet. Abbildung 1A/B (auch Folie 3 und 4): Black Smoker: Meerwasser dringt in den zerklüfteten Meeresboden ein (1), Sauerstoff wird entfernt (2). In der Aufladezone wird das Meerwasser zunehmend aufgeheizt (3). Magnesium und Sulfat werden durch Ausfällung verschiedener Mineralien aus der Lösung entfernt. Eisen, Kupfe, Zink und andere Metalle werden werden aus dem Gestein herausgelaugt (4) In der Hochtemperaturzone oberhalb der Magmakammer erreicht die Fluidtemperatur maximal 407°C (5). In der Aufstiegszone wird das Meerwasser wieder nach oben gedrückt, wobei es ggf. siedet (Phasenseparation) (6), Bei Austrittstemperaturen um 350° C entstehen Schwarze Raucher (Black Smoker). Die Farbe entsteht durch Eisen- und Kupfersulfidpartikel. Bei niedrigeren Temperaturen bilden sich Weiße Raucher (7) Woods Hole Oceanographic Institution. 1986 wurde am Juan de Fuca Ridge eine ca 1 Millionen Kubikmeter große heisse, partikelangereicherte Wolke entdeckt, die eine kreisförmige Ausdehnung von etwa 100 km3 (Megaplume) bei einer vertikalen Ausdehnung von 1 km hatte. Größe und Zusammensetzung der darin befindlichen Partikel ließen auf eine große und schnelle Freisetzung des Plumes schließen, die innerhalb von ein paar Tagen freigesetzt worden sein musste. Detaillierte Vermessungen des Meeresbodens bestätigten, dass durch die Vulkaneruption am Meeresboden ca. 0.05 km3 Lava freigesetzt worden war (Cahdwick et al., 1991). Die Studie lieferte die Voraussetzung für den Start eines umfangreichen Monitoring Programms zur verbesserten Aufzeichung von Hydrothermalismus. Schülerinformation Im Jahre 1990 wurde die Juan de Fuca Spreizungszone nach Hydrothermalquellen abgesucht. Diese treten nicht überall entlang der Spreizungszonen auf und können mittels Detektion von Temperatur –und Partikelanomalien geortet werden. An 25 % der o. g. Spreizungszonenfläche konnten hydrothermale Wolken (Plumes) nachgewiesen werden (0.25 Plume incidence). Mit Hilfe weiterer Untersuchungen in anderen Meeresgebieten konnte eine eindeutige Korrelation zwischen der Spreizungsrate am Meeresboden (km/Myr =km pro Million Jahre) und dem Auftreten von Hydrothermalen Plumes festgestellt werden. (Baker and Hammond, 1992). Zur Lokalisation hydrothermaler Quellen werden von Wissenschaftlern erst mal Hinweise in der Wassersäule an potentiellen Vent Positionen gesucht. Die charakteristischen Partikelwolken verteilen sich über große Flächen und sind daher eher zu lokalisieren als die direkte Austrittsstelle. Hierfür werden hauptsächlich CTD Instrumente eingesetzt. Das Gerät wird über ein Kabel vom Forschungsschiff aus operiert. Die Sensoren erfassen Leitfähigkeit (Conductivity), Temperatur und Tiefe (Depth) über die Tiefe der Wassersäule. Diese Daten werden direkt elektronisch, d.h. in Real-Time an das Schiff weitergegeben. Gleichzeitig kann in gewünschten Tiefen eine Wasserprobe mit den in einer Rosette angeordneten Behältern entnommen werden. Auf diesem Wege können Temperatur und Partikel Anomalien an der Station festgehalten und Plumes entdeckt werden. Gruppenarbeit: Interpretation von CTD – Daten Materialien pro Arbeitsgruppe: Kopien der CTD-Daten Juan de Fuca Ridge und Millimeterpapier (Anhang 1). Aufgabe: Die Schüler erstellen einen Plot mit Temperatur gegen Tiefe (y-Achse) und Entfernung (x-Achse). Entsprechende Tempertur-Anomalie Werte sollten nun verbunden werden und die Werte zu den einzelnen Konzentrationswolken eingetragen werden. Lösung: Die erstellte Graphik sollte ovale Kreise mit Konzentrationsgradienten ergeben. Die niedrigsten Werte liegen im ovalen äußeren Kreis (vergleiche Helium Graphik). Das Profil entspricht einem Mega Plume (13 km3) deren Ursprung eine enorme hydrothermale Quelle sein muss. Erweiterung: Diskussion einer Daten-Angabe, dass die Wasserproben große Mengen an Anhydrit enthielten. Dieses Mineral ist häufiger Bestandteil von hydrothermalen Quellen. Die Sinkgeschwindigkeit der Plume-Partikel von 70 -200 m pro Tag lässt schließen, dass dieser nur einige Tage alt sein kann. Die Partikel wären sonst bereits auf den Meeresboden absedimentiert. Zusätzlich konnten Messungen 8 Wochen später keine Anomalien aufzeigen. Die hydrothermale Quelle hatte demzufolge nur ein kurze Lebensdauer. Experiment Vent: Bau einer Hydrothermalen Quelle Zur Einleitung ist ein kurzes Auffrischen des Themas "Anomalie von Wasser" eine hilfreiche Unterstützung. Materialien pro Arbeitgruppe: 1 Aquarium, 1 kleinen Erlenmeyerkolben, Lebensmittelfarbe, kaltes und warmes Wasser. Durchführung: Das Aquarium wird mit kaltem Wasser gefüllt. Der Erlenmeyer Kolben mit warmen bis heißem Wasser gefüllt, die Flüssigleit mit Lebensmittelfarbe gefärbt und langsam senkrecht in das Aquarium gestellt. Aufgabe: Die Schüler beobachten das Austreten der warmen Flüssigkeit und erklären die Entwicklung eines Ventsystems. Lösung: Ausbreitung der Wolke und zeitliche Veränderung sind wichtige Parameter. Die Schüler sollten erkennen, dass ohne neue Wärmezufuhr die Quelle langsam erlischt. Erweiterung: Nutzung des Helium Plot (Anhang 2). Aufgabe: Interpretation von Helium Isotopen Messungen Lösung: Die Schüler sollten nach der ersten Beobachtung in der Lage sein, die Helium Daten mit den abnehmenden Konzentrations-Wolken zu Interpretieren. Baustein 2: Phasen-Separation und zeitliche Veränderungen der Vent Fluide Information für Lehrkräfte Bis zum Jahre 1990 konnten keine starken zeitliche Veränderungen in der chemischen Zusammensetzung hydrothermaler Fluide nachgewiesen werden Es wurden daraufhin erstmalig Hydrothermalquellen untersucht, die von untermeerischen Vulkanen beeinflußt wurden. Es wurden rapide und eindeutige Veränderungen beim Fluidfluss und in der Fluidzusammensetzung festgestellt (Haymon et al., 1993). Meerwasser sickert durch Spalten und Risse in die ozeanische Kruste. Mit zunehmender Tiefe wird das Wasser steigenden Temperaturen und erhöhtem Druck ausgesetzt (Folie 3 und 4). Meerwasser kocht je nach Druck bei Temperaturen bis zu 407° C. Der kritische Punkt ist bei etwa 3000 m Wassertiefe erreicht. Beim unterkritischen Sieden (Kochen) trennt sich Meerwasser in eine gasreiche Dampfphase und eine residuale salz- und metallhaltige Laugenphase. Oberhalb des kritischen Punktes von 407° C und etwa 300 bar findet eine überkritische Phasenseparation statt. Hier scheiden sich kleine Mengen von hochsalinarer Lauge von der hydrothermalen Fluid ab. Die beiden Typen der Phasenseparation führen damit zu ganz unterschiedlichen chemischen Reaktionen, wobei insbesondere die unterkritische Phasenseperation eine große Rolle für die Ausbildung hydrothermaler Ökosystem spielt (Halbach und Koschinsky, 2002). Bei der Trennung von Dampf und Lauge findet eine Fraktionierung statt. Die in den Fluiden enthaltenen Gase wie Methan, Wasserstoff, Schwefelstoff und Kohlendioxid reichern sich in der Dampfphase an, und die Salzkomponenten und die gelösten Metallionen verbleiben in der Rückstandsphase. Diese leichtere Dampfphase steigt zuerst nach oben und kondensiert rapide durch konduktives Abkühlen und bei der Vermischung mit kaltem Meerwasser. Diese Phase ist reich an reduzierten Gasen und Nährstoffen, auch der Anteil toxischer Metalle ist verringert und bildet somit eine optimale Vorraussetzung für die Entwicklung eines Ökosystemes mir speziell angepassten Organismen. Die schwere hochsalinare Phase verbleibt zeitweise noch im Untergrund und kann sich als salzhaltige und mit Metallionen angereicherte Laugenphase anreichern. Durch die Abkühlung und weiteren chemischen Reaktionen kann es zur Bildung von metallreichen Erzen in Form von den charakteristischen Schornsteinen und hydrothermalen Hügeln kommen (Halbach und Koschinsky, 2002). Vulkaneruptionen am Meeresboden führen u.a. zur Bildung von Megaplumes, zur Freisetzung großer Mengen Bakterien sowie zu schnellen Temperaturschwankungen (Butterfield und Massoth, 1994) und können Siedeprozesse in Hydrothermalquellen in Gang setzen. Weitere Ergebnisse von anderen Seegebieten ermöglichten es, die Vörgänge nach einer plötzlichen Vulkaneruption am Meeresboden detailliert zu beschreiben und deren Bedeutung für den Hydrothermalfluß einzuschätzen und bessere Vorstellung dieser Prozesse zu bekommen. Abbildung 2. Zeitliche Variation der Stoff- und Wärmeflüsse in einem siedenden Hydrothermalsystem als Reaktion auf eine untermeerische Vulkaneruption; relative Intensität des Wärmeflusses (rot), der Chloridkonzentration im Fluid (blau), Eisen(gelb), und Schwefelwasserstoff (grün). nach Butterfield et al., 1997 Derartige Hydrothermalsysteme existierten nachweislich bereits vor Jahrmillionen und sind für die Bildung von Massivsulfidlagerstätten verantwortlich, die sich aufgrund tektonischer Vorgänge heute an Land befinden und hier eine wichtige Rohstoffquelle darstellen. Das wissenschaftliche Hauptinteresse liegt seit einigen Jahren auf der detaillierten Untersuchung von hydrothermalen Erzvorkommen, die im Bereich der vulkanisch aktiven ozeanischen Riftzonen (mittelozeanische Rücken und Back-Arc-Rücken) auftreten. In diesen submarinen Gebirgen kommt es durch den Austritt von bis zu 400°C heißen Erzlösungen aus schlotartigen, bis zu 20 m hohen kaminähnlichen Strukturen ("black smoker chinmeys", Abb.3) am Meeresboden zur Bildung von Metallsulfidvorkommen (Kupfer-, Zink-, und Bleivererzungen) mit z.T. erheblichen Goldanreicherungen. Schülerinformation Abhängig von dem Einfluss der Beimischung von Meerwasser, dem Abkühlungsweg und der Phasen Separation bilden sich an der Meeresbodenoberfläche verschiedenen Austrittsformen von hydrothermalen Fluiden aus. Bei Austrittstemperaturen am Meeresboden um 350° C entstehen die Black Smoker (Schwarze Raucher). Die grau-schwarze farbe der Fluide ensteht durch suspendierte Eisen- und Kupfersulfid-Partikel. Bei niedrigeren Temperaturen bilden sich White Smoker (Weiße Raucher) welche durch hohe Anteile an Kieselsäure, Schwerspat und Zinksulfied auszeichnen. Diffuse Smoker entstehen durch Austritt von stark mit Meerwasser gemischten Fluiden welche diffuse Abkühlungswege genutzt haben. Es können auch kondensierende Dampfphasen, welche aus der Phasenseperation stammen, für diese diffusen Austritte verantwortlich sein. Gruppenarbeit: Materialien: Internet Recherche Aufgabe: Beschreibung von Abbildungen von Black Smoker, White Smoker und Diffuse Smoker. Schwerpunkt sind die unterschiedlichen Ablagerungen und Schornsteinbildungen. Abbildung3: Beispiele QuickTime™ and a TIFF (Uncompressed) decompressor are needed to see this picture. QuickTime™ and a TIFF (Uncompressed) decompressor are needed to see this picture. QuickTime™ and a TIFF (Uncompressed) decompressor are needed to see this picture. Gruppenarbeit: Aufgabe: Planung einer Expedition zur Bergung eines Schwarzen Rauchers aus der Tiefe von 2250 m. Zur Verfügung stehen ein Remotely Operated Vehicle (ROV) und ein Tauchboot. Welche Voraussetzungen müssen gegeben sein? Welche Faktoren und Parameter müssen beachtet werden? Folgende Fragen sollten berücksichtigt werden: 1. Welche Anforderungen werden an das technische Team gestellt? 2. Hat das Wetter einen Einfluss auf die Expedition? 3. Welche Rolle spielt der Druck? Welchen Effekt hätte der Druck auf z.B. Styropohr in der Bergungungstiefe? 4. Welche Rolle spielt die Temperatur? Wie verhält sich z.B. der Siedepunkt von Wasser in der Bergungstiefe. 5. Mache eine Vorhersage zu dem Aussehen des Rauchers. 6. Welche Bedeutung hat das Gewicht auf die Bergung? A. Erweiterung: Diskussionsrunde: Welchen Hintergrung haben diese Forschungen. Ein Beweggrund ist eine Bestandsaufnahme von potentiellen Rohstoffquellen am Meeresboden, andererseits muss aber auch eine Risikoabschätzung im Hinblick auf einen eventuellen Meeresbergbau und dessen Auswirkungen auf das marine Ökosystem in Betracht gezogen werden. B. Erweiterung: Aufgabe: Simulation einer Black Smoker Bergung. Mannschaften im Vergleich! Materialien pro Gruppe: Gefäß mit Wasser (Aquarium) Salz zur Simulation von Meereswasser (Schüler sollen Salzgehalt ermitteln!) Kleber Zuckerstücke (ca. 20 Stück) Spaghetti Stückchen Jede Gruppe baut eine Black Smoker mit den Zuckerstückchen. Die Spagehetti Bruchstücke repräsentieren die Röhrenwürmer. Jede Gruppe kann nun abwechselnd eine Bergung im Aquarium durchführen. Zur Beurteilungskriterien sind der Lösungsgrad der Zuckerstücke (Zeit) und der Anteil heil geborgener Röhrenwürmer. Baustein 3: Mikrobielles Habitat Information für Lehrkräfte: Die Entdeckung von Hydrothermalquellen vor 25 Jahren eröffnete völlig neue Einblicke in ein bis dahin unbekanntes Ökosystem, dessen Energie größtenteils durch Prozesse in der Erdkruste gedeckt wird. Die Primärproduzenten dieses Ökosystemes sind in erster Linie Bakterien und eine neu entdeckte Lebensform die Archea, welche aufsteigenden Wasserstoff, Schwefel und Methan als Energiequelle entlang des ca. 60 000 km langen Mittelozeanischen Rückensystems nutzen. Archea haben Ähnlichkeit mit Bakterien, es sind einfache Zellen ohne Nukleius (Prokaryonten). Jedoch sind Archaea genetisch unterschiedlich von Bakterien, sie besitzen zusätzlich Merkmale von Eukaryonten und völlig neue Signaturen. In den letzten Jahren wurde dieser Gruppe ein völlig eigene Entwicklungsdomäne zugeordnet (Abbildung 4). Viele Wissenschaftler vermuten, dass Archea und Bakterien sich vor 4 Milliarden Jahren parallel aus eine der ältesten Lebensform unseres Planeten entwickelt haben. Viele Archae zeichnen sich durch eine Vorliebe für extreme Lebensräume aus. Sie gehören zu den thermophilen und hyperthermophilen Lebensformen, welche bisweilen bei Temperaturen über 100° C ihre optimalen Wachstumsbedingungen vorfinden. Dazu verfügen die Archea über ein Set spezieller Enzyme, die unter diesen extremen Hitze und Druckbedingungen optimal arbeiten. Diese Extremo-Enzyme sind besonders für Biotechnologiefirmen von großem Interesse. Abbildung 4: Universal Phylogenetic Tree auf der Grundlage der Sequenzierung von 16S oder 18S ribosomaler RNA (www.evsc.virginia.edu) Da die mikrobiellen Lebensgemeinschaften ihre Energie aus den chemischen Reaktionen im Meeresboden beziehen, bedarft es keines zusätzlichen Beweises, dass die chemisch-phsikalischen Bedingungen an Hydrothermalquellen einen direkten Einfluß auf den dort existierenden Organismus-Typus haben. Der Temperaturbereich, in dem diese Ökosysteme auftreten erstreckt sich über mindestens 110° C. Einige der von den Mikroben beeinflussten Reaktionen sind in Abbildung 5 dargestellt. Dabei wird ebenfalls deutlich, dass die unterschiedlichen Fluide ganz unterschiedliche Lebensgemeinschaften unterstützen. Dazu gibt es aber bisher wenige Untersuchungen. QuickTime™ and a TIFF (Uncompressed) decompressor Abbildung 5: Die Abbildung (Butterfield et al. 1997) veranschaulicht die chemischen und mikrobiellen Prozesse innerhalb eines diffus austretenden Vent–Systems, bei dem reduzierte Volatile Komponenten und Metalle aufsteigen. Bakterien aus tiefen Sedimentschichten werden hierbei bisweilen als größere Bakterienaggregate in die Wassersäule ausgespült. Grund genug für die Nasa, diesen Mechanismus zukünftig genauer zu untersuchen, um dadurch Aufschluß über die Entstehung des Lebens und Leben auf anderen Planeten zu erhalten. Die physiko-chemischen Bedingungen im Bereich der Hydrothermalquellen beeinflussen somit das Ökosystem; andererseits ist mittlerweile bekannt, dass Lösungs –und Fällungsreaktionen von Metallen durch Bakterien kinetisch gesteuert sein können. Benthische Organismen an den Austrittstellen modifizieren ebenfalls den Stoffaustrag in das Meerwasser. Auch in dieser Hinsicht ist allerdings bisher noch sehr wenig bekannt. Der Vostoksee, ein von 4000 Metern Eis bedecktes Gewässer in der Antarktis, enthält womöglich hydrothermale Quellen. Russische Forscher haben einen 3500 Meter langen Bohrkerns der von der Oberfläche bis kurz über die Seeoberfläche gezogen wurde untersucht. Am Ende des Bohrkerns befindet sich vermutlich wieder gefrorenes Seewasser. In diesem Eis entdeckten die Forscher drei Mikrobenarten, die sie für echte Bewohner des Vostoksees halten. Alle drei Mikroorganismen gehören zu den thermophilen Bakterien. Eine der Mikrobenarten ist aus heißen Quellen bekannt und lebt davon, Wasserstoff mit Hilfe von Kohlendioxid zu oxidieren. Sonnenlicht braucht die Mikrobe nicht, sie bezieht ihre Energie aus dem Wasserstoff. Die beiden anderen Mikroben wurden noch nicht identifiziert. Ihr Erbmaterial ähnelte dem bekannter Bewohner hydrothermaler Quellen, wie sie etwa im Yellowstone-Park oder in der Tiefsee vorkommen. Falls es im Wostoksee tatsächlich hydrothermale Quellen gibt, wäre es sehr wahrscheinlich, dass es dort Lebewesen gibt, da die Quellen eine vom Licht unabhängige Energiequelle darstellen. Die merkwürdige Form des Sees - seine Oberfläche verläuft schräg - könnte durch eine Wärmequelle im Süden des Sees erklärt werden könnte. Zudem wurde in dem gefrorenen Seewasser des Bohrkernes auffallend viel Helium-4 festgestellt, wesentlich mehr, als im darüberliegenden Gletschereis vorkommt. Daraus schließen die Forscher, dass das Wasser im See, wahrscheinlich von einer Wärmequelle angetrieben, zirkulieren muss. Schülerinformation. Seit der Entdeckung der Hydrothermalen Quellen wird in Wissenschaftskreisen diskutiert, ob Habitate wie diese Quellen den Ursprung des Lebens auf unseren Planeten darstellen. Auf der einen Seite ist dies ein extremer Lebensraum, jedoch wurde dieses Ökosystem von Katastrophen, die für die Oberfläche vermutet werden, nicht berührt. Diese Lebensgemeinschaften können große Aussterbewellen ohne große Veränderungen überleben. Die Tatsache, dass Leben in extremen Lebensräumen möglich ist, hat der Suche nach Leben auf anderen Planeten neue Möglichkeiten eröffnet. Chemosynthese Definition :(Quelle www.biokurs.de/skripten/ 12/bs12-19.htm) Photosynthese ist die autotrophe C-Assimilation mit Hilfe von Licht. Unter Chemosynthese versteht man die autotrophe C-Assimilation mit Hilfe von Energie aus Oxidation anorganischer Substanz wie H2S, NH3, Methan, H2 oder Eisen. Man findet sie nur bei Bakterien im Boden, in Gewässern, Bergwerken oder z. B. in der Tiefsee, an aktiven Vulkanen. Diese Bakterien nennt man Chemoautolithotrophe; es sind meist Schwefelbakterien, Nitrifizierer, Knallgasbakterien und Methanobakterien. Sie verwenden die anorganischenSubstanzen als Elektronendonatoren und transportieren sie durch die Membran wie bei der Lichtreaktion. Dadurch entsteht ein Protonengradient der wie bei der Photophosphorylierung zur ATPProduktion führt. Ein Teil des Substrats wird aber auch zur NADPH+H+Produktion verwendet, sodaß wie bei der Photosynthese die zur CO 2Fixierung notwendigen Stoffe bereitstehen. Dieses geschieht in einem dem Calvinzyklus ähnlichen Prozess, wobei ebenfalls Kohlenhydrate entstehen. Die chemolithoautotrophen Bakterien spielen eine wichtige Rolle im C-, S-und N-Kreislauf der Natur. Beispiele: Schwefelbakterien Beggiatoa/Thiothrix: H2S + 0,5 O2 ----> S +H2O; S + H2O +1,5 O2 ----> SO42- +2 H+ KJ/Mol Methanobakterien Pseudomonas methanica CH4 +2O2 ----> CO2 + 2H2O G= -710 Knallgasbakterien Hydrogenomonas H2 + 1/2 O2 ----->H2O G = -240 KJ/Mol Aufgabe: Vergleiche Photosynthese und Chemosynthese Bestimme die Keywords jeweils für die Prozesse 1 - 4 Lösung: 1. Energie 2. Kohlendioxid 3. Produktion von Biomasse 4. Abgabe von Sauerstoff (Land) und Schwefel (Meere) Experiment: Temperatur Toleranzbereich Einige Organismen sind auch unter extremen Bedingungen lebensfähig. Sie passen ihren Energiebedarf den Gegebenheiten an, und auch der Metabolismus hat einen Toleranzbereich im Extremen. Dieser Bereich zwischen lebensfähigen und optimale Bedingungen soll am Beispiel von Trockenhefe (Saccharomyces cerevisidae) simuliert werden. Materialien: Pro Gruppe werden folgende Dinge benötigt 4 x 0,5 l klare Probengefäße (Größe und Form müssen gleich sein!) 4 x 20-25 cm Ballons 2 x Pakete Trockenhefe warmes Wasser Aquarium (größer als die Probengefäße) mit Eiswasser gefüllt. Aquarium mit warmem Wasser (etwa 40° C) gefüllt 3 Thermometer 40 ml Zucker 2 Meßzylinder 2-4 Vergrößerungsgläser Lineal Aufgabe: Zusammenhang zwischen Temperatur und Metabolismus für optimale Wachstumsbedingungen. Durchführung: 1.Schritt: Anleitung lesen und Durchführung in der Gruppe besprechen. 2.Schritt: Alle Materialien bereitstellen. 3.Schritt: Einige Körner der Trockenhefe mit dem Vergrößerungsglas betrachten und beschreiben. Erscheint diese Substanz lebendig? 4.Schritt: Ballons leicht aufblasen, kontrollieren dass keine l Löcher sind, Luft wieder völlig rausdrücken. 5.Schritt: Anhand der Versuchstabelle 1 die einzelnen Gefäße füllen. 6.Schritt: Anhand der Versuchstabelle 2 Beobachtung durchführen und protokollieren. Tabelle1: Zutaten Gefäß Hefe 5 ml in A,B, C, D Zucker 10 ml in A, B, C, D Wasser (warm) 118 ml in B, C, D, nicht A! Ballons sofort auf A, B, C, D stülpen Gefäß A und B bei Raumtemperatur, Gefäß C in das warme Wasser und Gefäß D in das Eiswasser stellen. Mit dem Thermometer die Temperatur der jeweiligen Umgebungstemperatur alle 5 Minuten festhalten. Tabelle2: Für jede Probe folgende Tabelle erstellen: Zeit Gefäß Temperatur C Ballondurchmesser cm Anfangspunkt 5 Minuten 10 Minuten 15 Minuten 20 Minuten 25 Minuten 30 Minuten Folgende Fragen sind zu klären: 1. Haben sich die Ballons verändert und wenn ja warum? 2. Wie ist der Verlauf im Gefäß A zu erklären? 3. Wie stellt sich das Erscheinungsbild der Hefe nach 20 Minuten dar? 4. Gibt es einen Toleranzbereich für das Wachstum der Hefe? Definiere einen Temperaturbereich. 5. Stelle die Ergebnisse in einem Diagramm dar. 6. Diskussion der Ergebnisse im Klassenverband. Baustein 4: Lebensgemeinschaften Lehrerinformation: Die Nahrungskette beginnt mit dem Wachstum von Bakterien. Diese bilden zum Einen die charakteristischen Bakterienmatten oder leben in Symbiose. Die Bakterien sind in der Lage, die in den Fluiden enthaltenen Verbindungen (meist Methan und Schwefelwasserstoff) zu oxidieren. Mit der entstandenen Energie werden organische Verbindungen aufgebaut und dem Partnerorganismus zur Verfügung gestellt. Die beidseitige Abhängigkeit der symbiotischen Partner ist unterschiedlich ausgeprägt (Halbach und Koschinsky, 1992). Die Vents und Smoker geben ebenfalls Schwermetall-Partikel ab. Diese sind giftig und können die Mundöffnungen und Kiemen der Tiere verstopfen. Wie die Vent-Organismen unter diesen widrigen Umweltbedingungen überleben ist nur teilweise geklärt. Einige Tiere besitzen Metal-bindende Proteine, während wiederum Polychaeten in der Lage sind, Giftpartikel mit Mukus auszuscheiden. Das Vent-Wasser kann auch sehr säurehaltig sein und einen pH von 2.8 haben. Biologen fielen bei Untersuchungen Nacktschnecken auf, die kein Kalziumkarbonat-Gehäuse unter diesen Bedingungen aufbauen konnten. Lebensgemeinschaften an hydrothermalen Quellen. Seit der ersten Erkundung von Hydrothermalfeldern in östlichen Pazifik im Jahre 1977 wurden weltweit viele weitere Lokalitäten entdeckt und erforscht. Die Wassertemperatur in der Nähe der Quellen liegt immer 6 bis 10 °C über der mittleren Bodenwassertempertur in diesen Tiefen. Lokalitäten bekannter Tiefsee-Hydrothermalfelder (Quelle Senckenberg) Eine der erstaunlichsten Entdeckungen waren die ungewöhnlich großen Organismen der Vent-Lebensgemeinschaften und deren Symbiose mit Bakterien. Diese Symbiose ist seit jeher von hohem wissenschaftlichem Interesse und wird als Ergebnis eines langfristigen evolutiven Prozesses angesehen. Die Mikroorganismen assimilieren organische Materie und entgiften gleichzeitig das Mileu für ihren Partner. Am bekanntesten sind die bis zu mehreren Metern langen Röhrenwürmer der Gattung Riftia, bis zu 25 cm lange Muscheln, weiße Krabben, riesigen Garnelenschwärme und die ausgedehnten Bakterienmatten. Dabei treten die Vent-Gemeinschaften mit einer bis zu 1000 mal größeren Biomasse als die umgebenden Tiefseegemeinschaften auf und stellen somit Oasen in der Tiefsee dar, die auch die umliegenden Regionen mit einem Export organischer Materials versorgen. Die Basis des Nahrungsnetzes stellen Archaea und Bakterien dar. Sie sind chemoautotroph und beziehen ihre Energie aus den Vents-Fluiden, meistens über die Oxidation von Schwefelwasserstoff. Dadurch wird organisches Material aus Wasser und CO2 produziert. Diese mikrobiellen Lebensgemeinschaften dienen entweder direct als Nahrungsquelle oder leben in Symbiose mit der übrigen Vent-Fauna. East Pacific Rise; 21°N latitude Typische Vent im Pazifik mit Riftia, Calyptogena, Galatheida (Quelle: University of New Hampshire, http://divediscover.sr.unh.edu) • Der Röhrenwurm Riftia kann bis mehrere Meter lang werden und einen Durchmesser von 10 cm erreichen. Die Röhren aus Chitin dienen zum Schutz gegen Fressfeinde (Krabben, Fische) und toxische Substanzen. Riftia nimmt keine Nahrung auf sondern lebt von den Stoffwechselprodukten der endosymbiotischen Bakterien. Im Gegenzug versorgt Riftia die Bakterien mit Sauerstoff und Schwefelwasserstoff aus dem Meerwasser, wobei der Sauerstoff aus dem Umgebungswasser und der Schwefelwasserstoff aus dem erwärmten Vent-Wasser kommt. Daher sitzen die Tiere im Übergangsbereich, wo die Ventflüssigkeit sich mit dem Meerwasser vermischt. • Muscheln kolonisieren die Vents und ernähren sich von den endosymbiontischen Bakterien in ihren Kiemen. Man kann die großen weissen Muscheln der Gattung Calypthogena von den ebenfalls bis zu mehreren Dezimetern langen Muscheln der Gattung Bathymodiolus unterscheiden. Beide siedeln sich in den Spalten an den Hydrothermalquellen an. Calypthogena bewegt sich mithilfe ihres muskulösen Fußes fort während Bathymodiolus wie die Miesmuschel klebrige Bissus-Fäden in das Meerwasser abgibt und damit ihre Lage verändern kann. Bathymodiolus ist ebenfalls in der Lage mithilfe ihres Filtrationsapparates Nahrungs-Partikel aus dem Meerwasser zu gewinnen. Rimicaris Garnelen im Indischen Ozean (Quelle: MBARI) • 15 verschiedene Vent-Garnelen leben in der Umgebung von Hydrothermalquellen. Im Pazifik versorgt jeder Vent eine ganz bestimmte Garnelenart, die sich meist in der Nähe der Röhrenwürem und Muschel aufhalten. Im Atlantik trifft man die Garnelen in großen Schwärmen von bis zu 30 000 Individuen pro Quadratmeter in erster Linie direkt bei den Schwarzen Rauchern an. • Verschieden Krabben sind an den Vents anzutreffen. Die weissen Krabben der Gattung Galatheide kommen überall im Ozean vor, sind jedoch an den Vents aufgrund der hohen Biomasse (Nahrung) anderer Tiere besonders häufig anzutreffen. Galatheide Krabben sind Aasfresser während die andere häufige Gattung Brachyura auf Jagd nach Garnelen, Muscheln, Rührenwürmern und anderen Krebsen geht. (Quelle: WHOI) • Fische der Familie Zoarcidae sind ca. 60 cm lang und stellen die TopPredatoren der Ventgemeinschaften dar. Sie ernähren sich von all den anderen Tieren, sind sehr träge und halten sich meistens in der Nähe der Röhrenwürmer auf. • Verschiedene Oktupus-Arten halten sich im Bereich hydrothermaler Quellen auf. Die Tiere sind gewöhnlich 1 m lang und ernähren sich von Muscheln und Krabben. • Im weiteren Umfeld der Vents trifft man auf Suspensions-fressende Lebensformen, die sich von dem exportierten organischen Material (meistens Bakterien-Flocken) ernähren, welches durch die Bodenströmung in die umliegenden Tiefseegebiete verfrachtet wird. Freisetzung großer Mengen Schwefelbakterien an einer Hydrothermalquelle (Quelle: WHOI) Schülerinformation: Die Nahrungskette beginnt mit dem Wachstum von Bakterien. Diese bilden zum einen charakteristische Bakterienmatten oder leben in Symbiose. Die Bakterien sind in der Lage die in den Fluiden enthaltenen Verbindungen, meist Methan und Schwefelwasserstoff, zu oxidieren. Mit der entstandenen Energie werden organische Verbindungen aufgebaut und dem Wirt zur Verfügung gestellt. Die beidseitige Abhängigkeit der symbiontischen Partner ist unterschiedlich ausgeprägt (Halbach und Koschinsky, 1992). Die Vents und Smoker geben ebenfalls Schwermetall-Partikel ab. Diese sind giftig und können die Mundöffnungen und Kiemen der Tiere verstopfen. Wie die Vent-Organismen unter diesen widrigen Umweltbedingungen überleben ist noch unklar. Einige Tiere besitzen Metal-bindende Proteine, während wiederum Polychaeten in der Lage sind, Giftpartikel mit Mukus auszuscheiden. Das Vent-Wasser kann auch sehr säurehaltig sein und einen pH von 2.8 haben. Biologen fielen bei Untersuchungen Naktschnecken auf, die kein Kalziumkarbonat-Gehäuse unter diesen Bedingungen aufbauen konnten. Aufgabe / Gruppenarbeit: Die Schüler haben durch die Einführung Informationen zu den Lebensgemeinschaften erhalten. Dies kann durch Internetrecherche noch erweitert werden. Link: Materialien: Karte der Bestandsaufnahme der Lebensgemeinschaften am Galapagos Rift (1985). Aufgabe: Interpretation der Kartierung. Welche Organismengemeinschaften sind entlang des Galpagos Rift Systems gefunden worden. Wie erklären sich die Standorte? Beantwortung folgender Fragen: 1. Welche Organismen wurden unter den Koordinaten C,8 gefunden? Wie sehen die Tiere aus (Internetrecherche)? 2. Welche Artengemeinschaft haben die höchste Abundanz im nördlichsten Bereich der Heißen Quelle? 3. Welche Artengemeinschaft haben die höchste Abundanz im südlichsten Bereich der Heißen Quelle? 4. Welche beiden Organismen werden an ähnlichen Positionen gefunden? 5. Wo kann ein hungriger Octupus mit großer Sicherheit Muscheln zu fressen finden? 6. Wieviel Meter im Durchmesser hat die größte Ansammlung von Röhrenwürmen von Süd nach Nord betrachtet? 7. Erkläre nach der Lage der verschiedenen Artengemeinschaften, wie der Austritt der Fluide verläuft? Literatur Chadwick, W.W., Embley, R.W. and Fox, C.G. (1991):Evidence for volcanic eruption on the southern Juan de Fuca ridge between 1981 and 1987. Nature, 350, 416-418. Baker, E.T. and Hammond, S.R. (1992): Hydrothermal venting and the apparent magmatic budget of the Juan de Fuca Ridge. Journal of Geophysical Research, 97(B3), 3443-3456. Butterfield, D.A. and Massoth, G.J. (1994): Geochemistry of north Cleft segment vent fluids: Temporal changes in chlorinity and their possible relation to recent volcanism. J. Geophys. Res., 99(B3), 4951–4968 Butterfield, D. A., Jonasson, I. R., Massoth, G. J. , Feely, R. A., Roe, K.K., Embley, R. E., Holden, J. F., McDuff, R. E., Lilley, M. D. and Delaney, J. R. (1997): Seafloor eruptions and evolution of hydrothermal fluid chemistry. Phil. Trans. R. Soc. Lond. A., 355, 369-386. Haymon, R.M., Fornari, D.J., Von Damm, K.L., Lilley, M.D., Perfit, M.R., Edmond, J.M., Shanks. W.C., Lutz, R.A., Grebmeier, J.M, Carbotte, S., Wright, D., McLaughlin, E., Smith, M, Beedle, N. and Olson, E. (1993): Volcanic eruption of the mid-ocean ridge along the East Pacific Rise crest at 945-52N: Direct submersible observations of seafloor phenomena associated with an eruption event in April, 1991, Earth Planet. Sci. Lett., 119, 85-102. Halbach, P. und Koschinsky,A. (2002): Mariner Hydrothermalismus: Grundlage für exotische Ökosysteme in der Tiefsee. Der belebte Planet, Sonderheft der Berliner Geowissenschaftlichen Abhandlungen zum Jahr der Geowissenschaften 2002, 52-59. Ich danke Dr.A.Koschinsky für die Überprüfung der Fakten. Materialien Link: http://www.pbs.org/wgbh/nova/abyss/frontier/vents.html Folie 1: Positionen Vent Pazifik Folie2: Positionen Vent Atlantik Map: World Ocean Floor by Bruce C. Heezen and Marie Tharp ©1977 Marie Tharp. Reproduced by permission of Marie Tharp, 1 Washington Ave, South Nyack, NY 10960 Folie 3: Link:www.pmel.noaa.gov/vents/chemistry/fluid.html Folie 4: Link:www.pmel.noaa.gov/vents/chemistry/fluid.html Baustein (Quelle: Baustein4:Lebensgemeinschaften – Aufgabe (Quelle: NOAA-Education) Material für Baustein Interpretation Schüler Link: Baustein1 – Was sind Hydrothermale Quellen? - Aufgabe (Quelle: NOAA-Education)
