Quanta-Magazin

7. Juni 2023

In einer Einrichtung des Woods Hole Oceanographic Institute (WHOI) steht der Forscher Chris German neben einem ferngesteuerten Fahrzeug, das 11.000 Meter bis zum Grund der tiefsten Meeresgräben abtauchen kann.

Ian MacLellan für Quanta Magazine

Mitwirkender Autor

7. Juni 2023

Als Junge, der in Rochester, England, aufwuchs, wusste Chris German um die starke maritime Tradition seiner Familie und hatte nicht die Absicht, sie fortzuführen. Einer seiner Großväter hatte die meiste Zeit seines Lebens in der Royal Navy gedient, während der andere ebenso wie Germans Vater und zwei Onkel in der Chatham Naval Dockyard gearbeitet hatten. Doch obwohl German eine 1708 gegründete Schule besuchte, um künftige Seefahrer auszubilden, gelobte er, niemals zur See zu fahren.

German hatte auch eine starke Meinung über andere Karrieren, die er nie in Betracht ziehen würde. Er mochte Geologie nicht, was aufgrund seiner begrenzten Erfahrung bedeutete, dass er mit seiner Mutter und seinem Bruder durch übelriechende Wattenmeer in der Themsemündung wanderte und den Schlamm nach Fossilien durchsuchte. Biologie war ein weiteres Fach, für das er wenig Begeisterung hegte.

Der junge Deutsche war daher möglicherweise zutiefst enttäuscht, als er erfuhr, dass er als Erwachsener Meeresgeochemiker werden würde. Dennoch war diese Wahl ein Segen für die Weiterentwicklung unseres wissenschaftlichen Verständnisses des Tiefseebereichs. German, jetzt leitender Wissenschaftler am Woods Hole Oceanographic Institution, hat vielleicht mehr als jeder andere zur Erforschung hydrothermaler Quellen beigetragen – Risse in der Meereskruste, die heiße, mineralreiche Flüssigkeiten in die Meere abgeben.

„Er ist ein Genie darin, in Abgrundtiefen zu arbeiten und hydrothermale Quellen und die von ihnen unterstützten biologischen Gemeinschaften zu finden“, sagte Adam Soule, Ozeanograph an der University of Rhode Island.

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Die Werkbank in Germans Labor am WHOI ist mit Proben und Bildern bedeckt, die er während seiner vergangenen Expeditionen zu hydrothermalen Quellen auf der ganzen Welt gesammelt hat. Die Fotos von gefrorenen Monden an der Wand zeugen von den seltsamen Ozeanen, die er zu erkunden hofft.

Ian MacLellan für Quanta Magazine

Die ersten hydrothermalen Quellen wurden 1977 von Wissenschaftlern etwa 250 Meilen von den Galápagos-Inseln entfernt entdeckt, als German noch zur Highschool ging. Jahrelang herrschte die Meinung vor, dass hydrothermale Quellen nur im Pazifischen Ozean existierten. German hat dazu beigetragen, das zu ändern: Er war der erste, der Quellen vor der Antarktis und im Arktischen Ozean entdeckte. Er hat einige dieser Standorte und andere aus erster Hand in Alvin und anderen Tauchbooten untersucht, aber er hat auch Sensoren, Robotersonden und andere Instrumente entwickelt, um Bilder, Messungen und Proben aus weiter entfernten Unterwasserumgebungen aufzunehmen.

Leben und das Potenzial dafür spielten bei diesen Entdeckungen am Meeresboden eine herausragende Rolle. Mehr als 600 neue Arten wurden in blühenden Ökosystemen in der Nähe von Entlüftungsstellen gefunden, die völlig vom Sonnenlicht und den Früchten der Photosynthese abgeschnitten sind. Im Jahr 2012 leitete German eine Expedition zum Mid-Cayman Rise – dem sich ausbreitenden Zentrum eines Unterwassergebirges (oder mittelozeanischen Rückens) am Fuße des Karibischen Meeres, wo sich tektonische Platten auseinanderbewegen. Dort wurden er und seine Kollegen zum ersten Mal Zeuge der abiotischen Unterwassersynthese – der Entstehung organischer Moleküle, der Bausteine ​​des Lebens, durch völlig nichtbiologische Prozesse.

„Das war der Ausgangspunkt für mein Engagement in der Astrobiologie“, sagte German. „Entdeckungen wie diese halfen der NASA zu erkennen, dass es Unterwasserumgebungen gibt, die ihr am Herzen liegen und die bei der zukünftigen Erforschung von Leben außerhalb der Erde wichtig werden könnten.“

Im Jahr 2020 wurde German gebeten, ein fünfjähriges, von der NASA mit 7,6 Millionen US-Dollar finanziertes Projekt namens „Exploring Ocean Worlds“ zu leiten, dessen Aufgabe darin besteht, Strategien für die Suche nach Leben in eisbedeckten Ozeanen auf Europa, Enceladus, Titan, Triton und anderen Himmelskörpern in unserem Land zu entwickeln Sonnensystem. Die technischen Herausforderungen seien gewaltig, räumte er ein, „aber die NASA muss das Rad nicht von Grund auf neu erfinden, denn wir haben viel Erfahrung damit, diese Probleme hier in den Ozeanen der Erde zu lösen.“

Auf dem Eis 4.000 Meter über dem hydrothermalen Quellfeld Aurora in der Arktis steht German 2019 neben dem norwegischen Forschungsschiff Kronprins Haakon mit Eva Ramirez-Llodra von REV Ocean, der Chefwissenschaftlerin der Expedition.

Mit freundlicher Genehmigung von Chris German

German sprach mit Quanta aus Woods Hole, Massachusetts, über seine Tiefseeabenteuer in einer Reihe von Gesprächen zwischen seinen Ausflügen in den Arktischen Ozean und einem aktiven Unterwasservulkan in der Nähe von Hawaii. Das Interview wurde aus Gründen der Klarheit gekürzt und bearbeitet.

Ich kam 1981 als Student an die Universität Cambridge mit der Absicht, Chemieingenieur zu werden, aber das änderte sich ziemlich schnell. Gleich in meiner ersten Woche erzählte uns ein Dozent, der zufällig ein Gigant auf dem Gebiet der Plattentektonik war, über die Entwicklung der Alpen. Ich war zuvor nur einmal außerhalb Großbritanniens gewesen, auf einem Familienausflug in die Schweizer Alpen, wo ich von der Schönheit der Natur überwältigt war. Als ich erfuhr, dass die Theorie, die alles erklärt, Teil der Geologie ist – ein Fachgebiet, das es mir ermöglichen würde, Vulkane und Erdbeben zu studieren –, kam ich zu dem Schluss, dass das viel spannender sein würde, als in einer Ölraffinerie oder einem Chemiewerk zu arbeiten.

In meinem zweiten Jahr wurde ich tiefer in das Thema hineingezogen, als Steve Sparks, ein führender Vulkanologe, einen Vortrag über den Ausbruch des Mount St. Helens hielt, der kürzlich für Schlagzeilen gesorgt hatte. In meinem dritten Jahr lernte ich von Harry Elderfield etwas über die Chemie der Ozeane. Die Idee, meine Interessen an Chemie und Vulkanologie mit den Ozeanen der Erde zu verbinden, klang faszinierend, also machte ich Geologie zu meinem Hauptfach und nicht zu meinem Nebenfach. 1984 begann ich unter der Leitung von Elderfield ein Aufbaustudium in Meeresgeochemie.

Der erste schwarze Raucher, die spektakulärste Art von Hydrothermalquelle, wurde 1979 im Pazifik entdeckt und 1981 in einer Veröffentlichung darüber berichtet. Schwarze Raucher sind spektakuläre Erscheinungen auf dem Meeresboden, die die heißesten und dunkelsten Wolken aus „Schornsteinen“ ausspucken, die aus Mineralablagerungen gebildet werden, die bis zu 200 Fuß hoch sein können. 1985 gehörten Elderfield und andere aus Cambridge zu einem Team, das auf dem Mittelatlantischen Rücken den ersten schwarzen Raucher im Atlantik entdeckte. Sie kamen ganz aufgeregt zurück, und einiges davon hat sich deutlich auf mich ausgewirkt. Ein Jahr später habe ich mich für meine erste Kreuzfahrt angemeldet.

Bevor ich mich auf den Weg machte, sagte ich meinen Kollegen, dass es mir hoffentlich gefallen würde, da ich mit meiner Doktorarbeit schon ziemlich weit fortgeschritten sei. arbeiten.

Wir segelten von den Kanarischen Inseln in den Mittelatlantik, oberhalb der TAG-Entlüftungsstelle (Trans-Atlantic Geotraverse), die in alle Richtungen so weit vom Land entfernt ist, wie es nur geht. Mir war mulmig, aber am dritten Tag bekam ich Seebeine. Vielleicht steckte also doch etwas in meinen Genen.

Unterwegs kamen wir an einem Woods-Hole-Schiff vorbei, der Atlantis II, das das Alvin-U-Boot an Bord hatte. „Da würde ich nie untergehen, oder?“ fragte mich ein Schiffskamerad.

„Ich hoffe, ich bekomme nie die Chance“, antwortete ich, „denn wenn ich gefragt würde, könnte ich nicht nein sagen. Obwohl ich wirklich unter Klaustrophobie leide.“

Ein paar Jahre später wurde ich gebeten, genau das zu tun.

Deutsch im Licht des Alvin-Tauchboots an Bord des Forschungsschiffs Atlantis im Jahr 2014. Er tauchte 1989 mit der Alvin ab, um zum ersten Mal einen schwarzen Raucher zu sehen.

Mit freundlicher Genehmigung von Chris German

Das war 1989, mitten in meiner zweijährigen Postdoc-Zeit am Massachusetts Institute of Technology, wo ich mit John Edmond zusammenarbeitete – einem Mitentdecker der ersten Niedertemperatur-Hydrothermalquellen auf der Galápagos-Kreuzfahrt 1977. Edmond und ich gingen zurück zum TAG, und dieses Mal konnte ich dank Alvin einen schwarzen Raucher aus der Nähe sehen. Alvin war schon einmal in dieser Gegend gewesen, aber der Pilot konnte keinen sicheren Weg finden, nahe genug heranzukommen, um gute Proben zu erhalten. Der Deckel eines Black Smokers ähnelt einem Hydranten, dessen Deckel abgeschlagen ist. Es gibt eine starke Strömung, in der man mitgerissen werden könnte, und das austretende Wasser kann bis zu 400 Grad Celsius heiß sein.

Der Trick, den Edmond und ich uns ausgedacht haben, bestand darin, tief in die Tiefe zu gelangen, beginnend am Fuß des Schornsteins, wo es relativ ruhig ist, und uns dann vorsichtig nach oben zu bewegen. So konnten wir die ersten wirklich guten Proben von diesem Standort erhalten – Wasser, das mit Schwefel, Eisen, Kupfer, Zink und Blei beladen ist und daher schwarz aussieht. Das war die erste erfolgreiche Probenahme aus einer Hydrothermalquelle irgendwo im Atlantik.

Allein der Aufenthalt im Alvin war ein Erlebnis. Es passen nur zwei Wissenschaftler und ein Pilot hinein, und die Ausfallzeit beträgt nur acht Stunden. Die Zeit vergeht schnell, weil alles so überwältigend ist. Die Chancen stehen gut, dass Sie etwas sehen, was noch niemand zuvor gesehen hat. Und einem schwarzen Raucher so nahe zu kommen war unglaublich aufregend. Sie können mit Ihrem Auto nicht direkt an eine heiße Quelle im Yellowstone heranfahren. Und dieser Ausfluss auf dem Grund des Ozeans ist im Gegensatz zu Old Faithful seit Tausenden von Jahren ununterbrochen geplatzt. Das spricht für die Kraft und Energie, die in unserem Planeten steckt.

Während meiner zwei Jahre am MIT entwickelte ich eine Leidenschaft für die Erforschung hydrothermaler Quellen. Die Frage, mit der ich mich auseinandergesetzt habe, war: Wie kann ich eine Rolle spielen, die neu und originell ist, wenn ich das Vereinigte Königreich verlasse und nach Großbritannien zurückkehre?

Denken Sie daran, dass zu Beginn meines Graduiertenstudiums vor ein paar Jahren noch allgemein angenommen wurde, dass es im Atlantik keine hydrothermalen Quellen gebe. Wir wussten, dass das nicht stimmte, aber ich fragte mich, wie viele hydrothermale Felder es auf diesem Planeten gibt und wie man am effizientesten nach ihnen sucht.

Mir wurde klar, dass ein Schlot selbst normalerweise nur etwa die Größe eines Fußballfeldes hat, die aus ihm austretende Wolke jedoch wie ein Pilzwolke ist, der in die Wassersäule aufsteigt und sich ausdehnt. Selbst nach einer Verdünnung um den Faktor 10.000 sind die Konzentrationen von Eisen, Mangan und anderen Metallen immer noch 100-mal höher als in gewöhnlichem Meerwasser. Wir konnten Hinweise auf diese Fahnen finden, ohne chemische Messungen durchzuführen, indem wir einfach optische Sensoren verwendeten, um die Trübung des Wassers zu messen. Und aufgrund der Art und Weise, wie sich die Wolken ausbreiten, konnten diese Merkmale manchmal aus Hunderten von Kilometern Entfernung erkannt werden.

Nach Abschluss meiner Postdoc-Zeit im Jahr 1990 kehrte ich nach Großbritannien zurück und nahm eine Stelle am National Institute of Oceanography im Dorf Wormley an. Ich hatte keinen Zugang mehr zu einem U-Boot wie Alvin, aber eine Gruppe am Institut hatte gerade ein schleppbares Instrument entwickelt, das Sonar zur Kartierung des Meeresbodens nutzte. Ich sagte, wenn wir meine optischen Sensoren an diesem Fahrzeug anbringen würden, könnte ich herausfinden, wo die ganze hydrothermale Aktivität stattfindet.

Als wir diesen Ansatz zum ersten Mal verwendeten, fanden wir sechs neue Entlüftungsstellen im Atlantik, von denen zuvor nur zwei bekannt waren. Es handelte sich nicht mehr darum, zufällig über Dinge zu stolpern; wir könnten es systematisch angehen.

Oben zeigt German anhand eines geborgenen Fragments die Struktur des Meeresbodens am Mid-Cayman Rise. Die Platte steht im Kontrast zu einem dunklen Lavabrocken, den sein Team aus einem Unterwasservulkan in der Nähe von Hawaii geborgen hat (unten links). Auf einem Miniatur-3D-Modell der Entlüftungsstelle (unten rechts) fühlen sich die dünnen Steinkamine, die um die Entlüftungsöffnungen herum entstehen, scharf an.

Ian MacLellan für Quanta Magazine

In den frühen 1990er-Jahren ging man allgemein davon aus, dass es in ozeanischen Rücken, die sich „langsam ausbreiten“ oder „extrem langsam ausbreiten“, keine hydrothermale Aktivität gebe, da sich die tektonischen Platten nur etwa 10 bis 50 Millimeter pro Jahr auseinanderbewegen. (Die Plattenbewegung in sich schnell ausbreitenden Rücken ist zehnmal schneller.) Ich verstand nicht, warum das wahr sein musste, und 1997 brachten wir unsere optischen Sensoren zum ultralangsamen Südwestlichen Indischen Rücken im Indischen Ozean – einem der langsamsten – Spreizkämme bekannt. Wir haben dort sechs hydrothermale Quellen gefunden. Zwei Jahre später entdeckten wir hydrothermale Aktivität in der Nähe der Antarktis in einem noch entlegeneren Teil des unerforschten Ozeans. Zu diesem Zeitpunkt war ich mir sicher, dass diese Entlüftungsöffnungen überall existieren können. Das bedeutete, dass ich etwas Neues und Anderes tun musste.

Genau. Seit 1977 wurden bereits Hunderte neuer Arten an hydrothermalen Quellen entdeckt, und die Entdeckungsrate hat sich nicht verlangsamt – und das ist immer noch der Fall. An jeder neuen Entlüftungsstelle finden wir neue Arten. Den Nahrungsnetzen dieser Gemeinschaften liegen chemosynthetische Mikroben zugrunde, die Energie aus chemischen Reaktionen und nicht aus Sonnenlicht gewinnen. Diese Tatsache hat das Interesse der NASA an eisbedeckten Ozeanen auf anderen Welten geweckt, wo es keine Photosynthese gibt, es aber dennoch Bedingungen gibt, einschließlich der Anwesenheit hydrothermaler Aktivität, die zur Entstehung von Leben führen können.

Meine erste Finanzierung durch die NASA unterstützte von 2009 bis 2013 vier Kreuzfahrten zum Mid-Cayman Rise in der Karibik. Wir fanden heraus, dass aus diesen Entlüftungsöffnungen große Mengen Wasserstoff freigesetzt wurden, was die Synthese organischer Verbindungen ermöglichte. Darüber hinaus wurden diese Verbindungen neu hergestellt – „abiotisch synthetisiert“ – und nicht nur aus Tieren recycelt. Wir schlugen vor, dass man auf diese Weise von einem geologisch aktiven System zu einem biologisch aktiven System gelangen könnte.

Der nächste Schritt bestand darin, in einem eisbedeckten Ozean zu arbeiten, wie er vermutlich auf Europa und Enceladus existiert. Meine Chance bekam ich 2014 bei einer Reise ins Arktische Meer an Bord eines deutschen Eisbrechers, ausgestattet mit einem batteriebetriebenen U-Boot, an dessen Entwicklung ich beteiligt war. Angebundene Roboter-U-Boote, sogenannte ROVs (ferngesteuerte Fahrzeuge), verfügen normalerweise über schwere Elektrokabel, die vertikal hängen und eine seitliche Bewegung von nur 50 Metern ermöglichen, was in einem Ozean, in dem sich das Eis ständig bewegt, nicht gut funktioniert. Unser batteriebetriebenes U-Boot verfügt über ein dünnes Glasfaserkabel für Daten und Kommunikation, das es ihm ermöglicht, viele Kilometer seitwärts zu fahren. Nur zwei Stunden vor Ende der Mission sahen wir einen schwarzen Raucher – den ersten jemals in der Arktis beobachteten hydrothermalen Schlot.

Ich kehrte 2019 mit einem norwegischen Eisbrecher zu diesem Ort, dem Aurora-Schlotfeld, zurück, mit einer besseren Kamera, die es uns ermöglichte, einige Tiere des Schlots zu sehen. Unsere norwegischen Kollegen kehrten 2021 zurück und sammelten die ersten biologischen Proben aus diesem Gebiet. Ich war damals unterwegs, um den abgelegenen Südostpazifik zu erkunden, sonst wäre ich ihnen beigetreten.

„Die Ozeane sind so groß und so wenig erforscht, dass wir ständig an die Grenzen des Wissens stoßen, was man nicht über jedes Gebiet sagen kann“, sagte German.

Ian MacLellan für Quanta Magazine

Zunächst einmal ist die Arktis der einzige eisbedeckte Ozean, den wir haben. Darüber hinaus haben wir gezeigt, dass die Quellen bei Aurora reich an Wasserstoff sind. Alles deutet also darauf hin, dass wir über die geologischen Bedingungen verfügen, dass es sich um einen eisbedeckten Ozean handelt, der zur abiotischen Synthese organischer Verbindungen führen kann. Wir kehren später in diesem Sommer nach Aurora zurück, in der Hoffnung, diese Hypothese zu bestätigen. Wir wollen auch zeigen, dass diese Schlote einige der primitivsten Lebensformen auf der Erde beherbergen.

Ich werde diesen Sommer Zeit in der Arktis mit Ingenieuren des Jet Propulsion Lab verbringen und an Robotern arbeiten, die Eis durchschneiden können, was wir hoffentlich eines Tages auf Europa schaffen können. Was werden wir tun, wenn wir das Eis auf einem anderen Planeten durchquert haben? Nun, wir brauchen elektronische Geräte, die unter hohem Druck in nassen und salzhaltigen Umgebungen arbeiten können, die stark korrosiv sind. Das ist etwas, worüber sich die NASA traditionell keine Sorgen machen musste, aber es ist etwas, worüber Meeresingenieure jeden Tag nachdenken. Im Rahmen des Projekts „Exploring Ocean Worlds“ arbeiten wir derzeit daran, diese beiden Fachgebiete zu vereinen.

Darüber hinaus wird meine nächste Priorität die Rückkehr zu einem hawaiianischen Meeresberg [Unterwasservulkan] sein, den wir schon mehrmals besucht haben, auch weil er die Tiefen- und Wasserdruckbedingungen aufweist, die man auf dem Meeresboden von Enceladus vorfinden könnte.

Ein großer Teil davon ist, dass es nie langweilig wird. Wir hören nie auf zu lernen. Die Ozeane sind so groß und so wenig erforscht, dass wir ständig an die Grenzen des Wissens stoßen, was man nicht von jedem Gebiet behaupten kann. Achtzig Prozent der mittelozeanischen Rücken der Welt wurden nicht zur Entlüftung erforscht. Es erfüllt mich immer wieder mit Demut, dass mehr passiert, als ich jemals für möglich gehalten hätte. Der größte Teil der Oberfläche unseres Planeten ist von Tiefsee bedeckt, daher sollte jemand darauf achten.

Ich habe gelernt, dass es wichtig ist, aufgeschlossen zu bleiben und dem Leben zu folgen, wohin es einen auch führt. Ich denke, das ist im Allgemeinen ein ziemlich guter Rat.

Mitwirkender Autor

7. Juni 2023

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