Symbolbild: Manganknollen am Meeresgrund stehen bereits lange im Fokus von Forschung und Industrie. Neue Daten verleihen ihnen jetzt aber eine ganz spezielle Aura, die von Lebensspendern. (Bildquelle: Adobe Firefly, generative KI)

Ohne Licht, kein Sauerstoff. Die Fotosynthese ist der Quell des Lebens auf Erden. Für Jahrzehnte, wenn nicht gar Jahrhunderte stand diese augenscheinlich unverrückbare Wahrheit fest.

Nun haben jedoch Forscher und Forscherinnen in 4.000 Metern Tiefe Objekte entdeckt, die dieses Verständnis über den Haufen werfen könnten: Sie spürten Sauerstoff-Quellen auf.

»Geo-Batterien« könnten unser Bild vom Beginn des Lebens auf unserem Planeten neu zeichnen und ohnehin glimmende Konflikte zum Auflodern bringen könnten – denn es stehen Billionen von Euro und damit die geplante Geburt einer komplett neuen Industrie auf dem Spiel.

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Sauerstoff aus fremdartigen Untiefen

Eine Expedition in die Clarion-Clipperton-Zone im Nordpazifik untersuchte den Meeresboden in 4.000 Metern Meerestiefe. So weit nach unten dringt kein Sonnenlicht. Die unterste Schicht, in der so gerade noch stark gedämpftes Licht ankommt, liegt bei um die 200 Meter Tiefe.

Ab 1.000 Metern Tiefe sprechen wir von der Ozeanschicht »Bathypelagial«. Hier wimmelt es von Meeresbewohnern mit biolumineszenten, also leuchtenden, Lockorganen, wie etwa Anglerfische.

Fotosynthese treibt deutlich weiter unten niemand mehr. Aller Sauerstoff sickert vereinfacht gesagt nach unten durch – soweit der bis dahin geltende wissenschaftliche Konsens.

Wer erzeugt den ganzen Sauerstoff durch Fotosynthese? (via Science)

Bäume: ca. 15 bis 20 Prozent (Wälder, insbesondere tropische und Gewächse kälterer Klimazonen)
Algen: ca. 50 bis 70 Prozent (marines Phytoplankton, einschließlich Algen und Cyanobakterien)
Sonstiges: ca. 10 bis 15 Prozent (Andere Landpflanzen wie Gräser, Sträucher, Moose und Flechten.

Die Forscher entdeckten auf dem Meeresgrund Felder von polymetallischen Knollen. Sie bestehen aus unterschiedlichen Metallen. Wer sich nun metallische Brocken vorstellt, die einfach herumliegen, irrt sich. Sie sind erstaunlich aktiv – für augenscheinlich nur herumliegende Steine.

Die Forschenden entdeckten, dass die, auch »Manganknollen« genannten Gebilde, Sauerstoff produzieren. Der offizielle Name dafür lautet zur Abgrenzung von dem durch Lichteinfall dunkler Sauerstoff.

Je größer die Oberfläche der einzelnen Knollen und, umso mehr davon nah beieinander liegen, desto höher ist die Sauerstoffproduktion. Der Vorgang nennt sich Meerwasserelektrolyse. Hierbei wird durch eine elektrische Spannung das Wasser-Molekül (Wasserstoff und Sauerstoff) in seine Bestandteile aufgespalten. So entstehen Sauerstoff und Wasserstoff, die beide direkt im Wasser aufgehen.

Eine polymetallische Knolle. Unter ihrer unscheinbaren Oberfläche steckt Wertvolles. (Bildquelle: Velizar Gordeev/Adobe Stock)

Bei Messungen fanden die Wissenschaftler Werte von fast einem Volt bei einzelnen Gebilden. Geballt können so die experimentell ermittelten 1,5 Volt Spannung (ungefähr eine AA-Batterie) entstehen, die notwendig sind, um Wasser quasi auseinanderzureißen. Dies erreicht die Spannung, indem sie die das Wasser zusammen haltenden Kräfte überwindet.

Einbringung von außen wurde ausgeschlossen, gleiches gilt für Luftblasen, Materiallecks oder biologische Prozesse.

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Das Forschungsteam vermutet hinter dem elektrischen Potenzial der Knollen sowie der daraus resultierenden elektrochemischen Sauerstoffproduktion den Schichtaufbau der Knollen.

Stellt es euch vor, wie einen Kuchen, der angeschnitten unterschiedliche Lagen an Leckereien offenbart. Nur stecken im Inneren Schichten von verschiedenen Metallen wie Mangan, Nickel und Kobalt.

Die Wanderung von Ionen zwischen diesen abgetrennten Ebenen ermöglicht den Spannungsaufbau und ahmt so die Funktionsweise einer industriellen Batterie unabsichtlich nach.

Deshalb tauften die Entdecker ihren Fund inoffiziell »Geo-Batterien«. Allerdings ist der genaue Mechanismus noch unklar und Gegenstand weiterer Forschung – doch soweit die Theorie.

Die Expedition entpuppte sich somit als Bote eines Paradigmenwechsels in der Tiefsee-Ökologie. Denn eine Sauerstoffproduktion sozusagen aus dem Nichts, ohne den auf Erden eigentlich als zentralen Treiber angenommenen Sonnenschein, kannten wir so bisher nicht.

Wie entstehen polymetallische Knollen?

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Manganknollen (polymetallische Knollen) brauchen etliche Millionen von Jahren, um heranzureifen. Sie bilden sich auf Grundlage zweier, oft gleichzeitig auftretender Prozesse:

Hydrogenetische Abscheidung: Ausfällung von Mangan- und Eisenoxiden aus Meerwasser.
Diagenetische Abscheidung: Mobilisierung von Metallen aus Sediment-Porenwässern.

Wie bei einem Baum legt sich unerkennbar langsam Atom für Atom und schließlich langatmig Schicht auf Lage auf Ebene, um so jede einzelne Knolle heranwachsen zu lassen. Maximal zehn Millimeter kommen pro 1.000.000 Jahre hinzu.

Als Kern und Ausgangspunkt (der Nukleationskeim) des ewig langen Wachsens dienen oft aber im Vergleich lachhaft junge Objekte: Haizähne, Muschelschalen oder Wal-Knochen. Alternativ finden aber auch oft Bruchstücke von ozeanischer Kruste (Vulkangestein) oder Tonklumpen in der Knolle ein Zuhause.

In den letzten 1.000 Jahren kam indes eine komplett neue Gattung an Kernen hinzu: Eine gewisse Spezies von Trockennasenaffen hat eine Freude daran entwickelt, Dinge in den Ozean zu werfen: Metallteile, Plastik oder andere Trümmer.

Quelle: nature

Wo kam der erste Sauerstoff für Leben her?

Die neu entdeckte Fähigkeit der uralten Gebilde rüttelt in der Folge an weiteren Grundpfeilern bisher etablierter Theoriegebilde.

Denn unter der Annahme, dass sie eingebettet in ein augenscheinlich komplexes chemisches System existieren, stellen sie einen wichtigen Konsens der Forschung infrage:

Wo entstand sauerstoffliebendes (aerobes) Leben? Bisher galt als sicher, dass es sich herausbildete, wo Licht, Wasser und Organismen zusammenkamen. Denn nur so könne ja Sauerstoff entstehen, um dem Leben eine atembare Umgebung zu bieten, soweit die Annahme.

Eventuell spielten aber Metalloxide in Form solcher Knollen oder andersartigen Erscheinungsformen eine bisher gänzlich verkannte Hauptrolle bei der Besiedlung der Erde durch Lebewesen. Das ziehe laut Professor Dr. Andrew K. Sweetman, der an der Studie mitgearbeitet hat, weitreichende Folgen nach sich.

Ich denke daher, dass wir Fragen, wie die nach den Anfängen des aeroben Lebens, neu betrachten müssen.

Richten wir den Blick auf andere Planeten, wird rasch die Tragweite der Entdeckung klar. Denn was auf Erden funktioniert, erzeugt wahrscheinlich auch andernorts im Universum unter Abschluss von Sonnenlicht Sauerstoff – Jupitermond Europa, wir schauen zum Beispiel dich an.

Tiefseebergbau: Sollten wir die Knollen ernten?

Die Entdeckung wirft des Weiteren fundamentale Fragen zur zukünftigen Nutzung der Tiefsee als Abbaugebiet mineralischer Rohstoffvorkommen auf. Denn die Schichten der polymetallischen Knollen sind heutzutage im Prinzip aufwiegbar mit Gold.

Sie können eine stetig wachsende Hightech-Massenindustrie befeuern, indem sie den wachsenden Bedarf an Lithium-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge, Mobiltelefone oder großangelegte Speicheranlagen in den weltweiten Netzen decken. So käme solch ein Rohstoffvorkommen sehr gelegen.

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Seit Jahrzehnten wälzen Konzerne Pläne, die sich in jüngster Zeit zunehmend konkretisieren, um den ersehnten Schatz endlich zu heben. Allerdings stellt der technische und logistische Aufwand bis heute zentrale Hürden in den Weg.

Währenddessen erhalten jetzt die bisher geäußerten Bedenken von Umweltverbänden eine ungeahnt elementare wie schwerwiegender Grundlage. Dürfen wir in solch ein System überhaupt derart zerstörerisch eingreifen? Andrew Sweetman gibt zu bedenken:

Durch diese Entdeckung haben wir viele unbeantwortete Fragen aufgeworfen. Ich finde, wir müssen uns viele Gedanken darüber machen, wie wir diese Knollen abbauen, die eigentlich Batterien im Gestein sind.

Nicht nur würde es lokal für Verwüstung sorgen, sondern könnte es potenziell auch weit darüber hinaus Folgen nach sich ziehen, die nach heutigem Stand überhaupt nicht abzuschätzen sind. Die Biodiversität in diesem sogenannten benthischen Lebensraum mag sich als extrem empfindlich erweisen, wenn wir anfangen, in großem Stil polymetallische Knollen an die Oberfläche zu holen.

Fundamentale Erkenntnis wirft Fragen auf

Egal, ob aus Sicht der Wissenschaft allein oder wenn es um das billionenschwere Wirtschaftspotenzial dieser Räume geht, müssen wir weiter forschen. Denn sowohl zum Prozess hinter der Energiegewinnung als auch zur Widerstandsfähigkeit der Region liegen bestenfalls grobe Skizzen vor. Von einem wirklichen Verstehen trennt uns noch einiges.

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Allerdings dürfen wir das als eine weitere Sternstunde der Wissenschaft sehen: Die Aufgabe der Forschung ist es nicht, schnellstmöglich die simpelste Antwort zu liefern, sondern Fragen an die Natur zu stellen. In diesem Fall eröffnete die Erkenntnis ein womöglich komplett neues Feld der bio-, geochemischen und ökologischen Forschung im am wenigsten erkundeten Raum der Erde, der Tiefsee.