Ein kalter Wind fegte über das antarktische Flachland und betäubte Nasen und Ohren der Wissenschaftler. Diese standen an einem dunklen Loch im Eis, aus dem gerade mit einer Winde die letzten Meter eines Seils heraufgezogen wurden. Eisstücke prasselten vom Seil herab. Zwei Arbeiter in steriler Schutzkleidung beugten sich vornüber, um die Ladung aus dem Loch entgegenzunehmen: einen Zylinder von der Länge eines Baseballschlägers, der am Ende des Seils baumelte. Mit einem Hammer schlugen sie das Eis ab und tauten das Gefäß mit einem Fön an. "Ist er zu?", rief der Arbeiter an der Seilwinde.

"Ja", schrie John Priscu, der Spezialist für mikrobielle Ökologie von der Montana State University in Bozeman in den USA. Der Probenzylinder lag schwer in seinen Handschuhen – ein Zeichen dafür, dass er mit Wasser gefüllt und dicht verschlossen seine lange Reise an die Eisoberfläche angetreten hatte. Das Wasser stammte von einem der am meisten isolierten Gewässer der Erde: dem Lake Whillans, der unter einer 800 Meter dicken Eisschicht eingeschlossen gerade einmal 640 Kilometer vom Südpol entfernt liegt. Kaum ein Wort wurde gesprochen, als Priscu den Behälter schulterte und zu dem Metallcontainer schleppte, in dem sich das Team ein kleines Behelfslabor eingerichtet hatte.

Das Seewasser, das sie am 28. Januar 2013 geborgen hatten, war die weltweit erste Probe direkt aus einem subglazialen See. Priscu und andere Wissenschaftler wollten schon lange die versteckten Seen und ihre Bewohner erforschen. Doch jedes Anbohren der Eisschicht barg natürlich die Gefahr, das Wasser zu verschmutzen. Jegliche Kontamination hätte nicht nur die Herkunft der aufgefundenen Organismen in Zweifel gezogen, sondern auch von außen fremde Organismen in den See einschleppen können. Priscu und sein Team haben sechs Jahre darauf verwendet, eine sichere Probennahme zu entwickeln. Darüber hinaus mussten sie etliche logistische Herausforderungen meistern, nicht zuletzt, um hunderte Tonnen Equipment zu dem weit entlegenen Ort zu transportieren.

Südpol-Mikrobiologe mit Probenbehälter
© J.T. Thomas
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Die Wasseranalysen zeigten, welche Fülle von Lebewesen unter der antarktischen Eisdecke angesiedelt ist. In ihrer "Nature"-Veröffentlichung [1] berichten Priscu und seine Kollegen von 130 000 Zellen in jedem Milliliter Seewasser – das entspricht einer Dichte, wie man sie in den meisten Tiefseegräben der Welt findet [2]. Mit nahezu 4000 Bakterien- und Archäenarten ist die Lebensgemeinschaft im antarktischen See damit wesentlich komplexer, als man es von diesem völlig abgeschotteten Fleckchen der Erde erwartet hätte. "Ich war wirklich überrascht über die Artenvielfalt in diesem Ökosystem", erinnert sich Priscu. "Das ist unglaublich."

Wie die Proben aus dem See zeigen, hat hier das Leben die letzten 120 000 Jahre, wenn nicht sogar 1 Million Jahre, ohne Sonnenenergie überdauert. Die Forscher haben so einen ersten Einblick in das wahrscheinlich größte noch unerforschte Ökosystem der Welt, das sich immerhin über neun Prozent der Landfläche der Erde erstreckt. "Dort unten gibt es ein blühendes Ökosystem", sagt der Mikrobiologe David Pearce von der Northumbria University in Großbritannien. Er war schon Teil des Teams, das im Jahr 2013 versuchte, in verschiedene subglaziale Schichten des Lake Ellsworth zu bohren, wenn auch ohne Erfolg. "Zum ersten Mal bekommen wir nun Einblick in die Organismenvielfalt unter dem antarktischen Kontinent", betont er.

Leben im Eis

Die Eisschicht über dem Lake Whillans ist dermaßen flach, dass man nichts Interessantes darunter erwartet. Im Jahr 2007 war ich selbst zum ersten Mal dort und begleitete als Journalist eine wissenschaftliche Expedition zu einem kurz zuvor durch Satellitenvermessung entdeckten See. Im Januar 2013 fuhr ich wieder dorthin, zusammen mit einem Team, das Priscu und zwei weitere Wissenschaftler leiteten, um Proben aus dem See zu gewinnen. Das Projekt namens WISSARD (Whillans Ice Stream Subglacial Access Research Drilling) war eine Kooperation zwischen annähernd zwei Dutzend Wissenschaftlern von 15 Universitäten aus fünf Ländern. Die National Science Foundation der USA investierte etwa 20 Millionen Dollar in dieses Vorhaben, wozu unter anderem die Entwicklung eines Heißwasserbohrers gehörte, mit dessen Hilfe man in den See gelangen wollte, ohne ihn zu kontaminieren.

Eisseen in der Antarktis
© Fox, D.: Lakes under the ice: Antarctica’s secret garden. In: Nature 512, S. 244-246, 2014
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Bis dato haben Antarktisgeologen drei Versuche unternommen, einen der tiefen, unsichtbaren Eisseen in Südpolnähe anzubohren. Um sich am Lake Whillans zu probieren, haben die Polforscher Ausrüstung mit Traktoren von der McMurdo-Station übers Eis transportiert.

Noch bis in die 1990er Jahre interessierten sich nur wenige für Seen unter der antarktischen Eisdecke. Dies änderte sich erst dann, als Radarmessungen und seismische Kartierungsarbeiten erste, ernst zu nehmende Hinweise auf subglaziale Seen erbrachten. Inzwischen kennt man etwa 400 davon. Sie werden von dem Wasser gespeist, das mit einer Geschwindigkeit von ein paar Millimetern pro Jahr am unteren Ende der Eisdecke abschmilzt. Der Grund für diesen Schmelzvorgang ist die Umgebungswärme aus dem Erdinneren.

Lake Whillans ist einzigartig auf der Welt. Das Gewicht des Eises drückt das subglaziale Wasser so nach oben, dass der See auf der schrägen Seite eines Berges sitzt. Dabei bildet sich eine dünne Wasserschicht von zwei Meter Tiefe mit einer Ausdehnung von fast 60 km2. Das Wasser wird mit niedrigem Druck in einer Tasche festgehalten, die dadurch entsteht, dass Wasser über den Berg sickert und die Eisschicht ausdünnt.

Bohrcamp über dem Whillans-See
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Von oben erkennt man nichts vom eisigen Lake Whillans in der Tiefe: Er liegt unter einer topfebenen Eisschicht in 800 Meter Tiefe. Um an Proben aus dem See zu kommen – und ihn dabei nicht von außen zu kontaminieren – musste ein enormer Aufwand betrieben werden: Die National Science Foundation der USA investierte etwa 20 Millionen Dollar, um unter anderem einen geeigneten Heißwasserbohrer zu entwickeln.

In diesem abgeschiedenen Grenzgebiet wurde im Januar 2013 das Bohrungslager aufgeschlagen. Traktoren zogen die Container auf gewaltigen Skiern herbei. Während ihrer zweiwöchigen Reise von der Küste zum Lager transportierten sie 500 000 Kilogramm Gerätschaft und Treibstoff, mobile Labore, eine mechanische Werkstatt und einen Heißwasserbohrer, der sechs Frachtcontainer füllte. Zwei Wochen lang glich das Lager einer lauten Fabrik mit etwa drei Dutzend Menschen, einer Ansammlung von Zelten, die im ständigen Wind flatterten, und zwei ratternden 225 000 Watt-Generatoren. Der polare Sommer wirkte wie ein milder Winter in Minneapolis, Minnesota, mit Temperaturen zwischen 5 und 15 Grad Celsius unter null.

Die Bohrung durch die Eisschicht dauerte sieben Tage. Um eine Kontamination des Sees zu vermeiden, setzte die Crew UV-Strahlen, Wasserfilter und Wasserstoffperoxid ein, einerseits zum Sterilisieren der Geräte und andererseits, um das für den Bohrvorgang benötigte Wasser zu entkeimen. Als sie sich dem See näherten, gab es Probleme mit der Steuerung des Bohrers, so dass die Besatzung für 36 Stunden in eine lähmende Agonie versetzt wurde und nur noch im Schneckentempo vorankam.

Am 27. Januar morgens um halb acht rief mich ein Stimmengewirr aus einem tragbaren Radio zum Bohrkontrollraum. Dort starrten sechs Arbeiter in Overalls auf einen Computerbildschirm, der einen starken Linienausschlag nach oben zeigte. Das bedeutete einen Anstieg des Wassers im Bohrloch um 28 Meter – anscheinend wurde es von einem Wasserschwall aus dem darunterliegenden See nach oben gedrückt. Der See hatte eine Temperatur von milden -0,5 Grad Celsius und war somit wärmer als das ganze Bohrcamp an diesem Tag.

Am nächsten Tag zogen die Wissenschaftler die erste Probe herauf. Schon Minuten später füllten sie den Inhalt um: Es war eine honigfarbene Brühe, die reicher an Mineralien war, als man erwartet hatte. Einige Stunden später fanden sie die ersten Zellen unter dem Mikroskop – grüne Punkte, angefärbt von einem DNA-sensitiven Farbstoff, leuchteten hell auf. In den nächsten Tagen zeigte sich auch, dass die Zellen lebten. 20 Wissenschaftler und Assistenten arbeiteten rund um die Uhr, um 30 Liter Flüssigkeit und verschiedene Sedimentkernproben aus dem See zu sammeln. Bevor das Bohrloch wieder zufror, bestimmte das Forscherteam noch die chemische Zusammensetzung des Seewassers und die geothermische Wärmeausbreitung im Sediment. Die Probengefäße sammelten sie in einer Höhle aus Schnee am Rand des Camps.

Im Lauf des vergangenen Jahres konnten die Forscher anhand der Proben ein Gesamtbild des Lebens unter dem Eis entwickeln. Dabei haben sie etwa ein Dutzend Mikroorganismenarten isoliert und kultiviert. Eine DNA-Sequenzanalyse ergab eine Gesamtzahl von 3931 Arten. Viele davon sind verwandt mit bereits bekannten Mikroorganismen, die ihre Energie aus anorganischen Verbindungen gewinnen.

Obwohl theoretisch immer die Gefahr einer Kontamination besteht, fanden auch unbeteiligte Forscher, dass die Vorkehrungen zur Sterilisierung wohl gut funktioniert haben. Ein Zeichen dafür ist, dass die Mikroorganismendichte des Bohrwassers im Loch 200-fach niedriger war als im Probenwasser aus dem See, sagt Peter Doran, Geowissenschaftler an der Universität von Illinois in Chicago. Er arbeitete zehn Jahre lang mit dem US National Research Council zusammen, um Richtlinien für eine saubere Probenentnahme aus antarktischen Seen zu entwickeln. Doran war davon überzeugt, dass vielfältige Mikroorganismen in dem See leben. "So wie sie es gemacht haben, gibt es keine Zweifel mehr. Die Probe war gut eingekapselt."

Lebenszeichen

Alles in allem funktioniert das Leben im Lake Whillans ähnlich wie ein Ökosystem an der Erdoberfläche. Allerdings haben seine Bewohner in der Tiefe keinen Kontakt zum Sonnenlicht und können deshalb zur Energiegewinnung keine Fotosynthese betreiben und im Wasser gelöstes Kohlendioxid binden.

Genetische Analysen zeigen die Verwandtschaft einiger der Mikroorganismen mit marinen Arten, die ihre Energie aus der Oxidation von Eisen- und Schwefelverbindungen im Sediment gewinnen. Die Untersuchungen zeigen aber auch, dass der Großteil der Mikroorganismen Ammonium, wahrscheinlich biologischen Ursprungs, oxidiert.

Bohrloch
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"Das Ammonium ist vermutlich ein Überbleibsel früherer Meeressedimente", sagt Priscu und verweist auf totes, organisches Material, das sich während Millionen von Jahren angesammelt hat, als die Region von einem flachen Gewässer anstatt von Eis überzogen war.

Bislang haben sie in den Proben des Lake Whillans nur einzellige Bakterien und Archaen gefunden – jedoch sind die bisherigen DNA-Tests auch noch nicht dazu geeignet, andere Typen von Organismen zu detektieren. Deswegen kann es gut sein, dass hier auch komplexeres Leben, wie Protozoen, oder mikroskopisch kleine Lebewesen, wie Rädertierchen, Würmer oder achtbeinige Bärtierchen leben, die auch andere Teile der Antarktis besiedeln. Luftblasen in der darüberliegenden Eisschicht versorgen den See mit Sauerstoff, so dass dieser kein limitierender Faktor ist. Allerdings bietet die geringe Kohlenstofffixierung wahrscheinlich zu wenig Nahrung für die Aufrechterhaltung vielzelligen Lebens.

Im Vergleich zu den weltweit nährstoffärmsten Ozeanböden, die schon eine spärliche Fauna beherbergen, nimmt der Lake Whillans pro Quadratmeter und Jahr nur etwa ein Zehntel der Menge an Kohlenstoff auf. Obwohl es unwahrscheinlich ist, dass Priscu und seine Kollegen tierisches Leben in Lake Whillans finden, wollen sie die DNA-Tests darauf optimieren. Vorerst rätseln die Forscher noch über die Anfänge des mikrobiellen Lebens im See. Die große Frage ist, ob die subglaziale Gemeinschaft der Antarktis aus Überlebenden oder Neuankömmlingen besteht.

Überlebende wären Nachkommen einer Zeit, als das Areal vom offenen Ozean bedeckt war. Das war während der letzten 20 Millionen Jahre in regelmäßigen Abständen der Fall. Alternativ könnte der Lake Whillans von zufällig herangetragenen Mikroorganismen besiedelt worden sein. Diese Neuankömmlinge müssten sich dann auf der Eisschicht abgelagert haben und im Lauf von 50 000 Jahren beim Abschmelzen der Gletscherbasis in die Tiefe gelangt sein.

Möglich ist auch, dass einige Organismen erst in neuerer Zeit den See erreichten, über Meerwasser, das unter die Eisschicht eingesickert ist. Lake Whillans befindet sich nur 100 Kilometer von der Geländelinie entfernt, an der auf Grund sitzende Eisberge in schwimmende Eisberge übergehen. Diese Linie verschiebt sich mit Zu- und Abnahme der Eisdicke. Deshalb ist es denkbar, dass Lake Whillans während einiger tausend Jahre Wasser – und damit auch Mikroorganismen – mit dem Meer ausgetauscht hat, meint Christina Hulbe. Die Gletscherforscherin von der University of Otago in Dunedin in Neuseeland hat dieses Gebiet der Antarktis lange untersucht.

Andere Untersuchungsergebnisse der Seeproben haben zu verlockenden Ideen geführt. So weisen Spuren von Fluorid auf mögliche hydrothermale Quellen in diesem Gebiet hin. Diese könnten reichlich chemische Energie zur Verfügung stellen und Inseln exotischer Lebensformen, wie besondere Würmer und Hitze liebende Mikroorganismen, ermöglichen. "Es ist sogar wahrscheinlich, dass es hier hydrothermale Systeme gibt", erläutert der Gletscherforscher Donald Blankenship von der University of Texas in Austin. Der See sitzt auf einem ausgedehnten Grabenbruch mit dünner Erdkruste, und Radaruntersuchungen des Forschers weisen auf Vulkanvorkommen unter dem Eis hin [3,4].

Die Forschungsergebnisse vom Lake Whillans könnten auch darüber Aufschluss geben, welchen Einfluss die Antarktis auf den nahen Ozean und sogar auf das globale Gefüge hat. Neueste Daten implizieren, dass Mikroorganismen unter dem Eismantel eine wichtige Rolle bei der Veränderung der Mineralienzusammensetzung des Sediments spielen. Damit wäre es denkbar, dass Mikroorganismen das subglaziale Wasser mit Eisen versorgen. Dieses Wasser würde letztendlich den Ozean erreichen und könnte, laut Martyn Tranter, einer Meeresbiogeochemikerin von der University of Bristol in England, eine wichtige Nährstoffquelle für die chronisch eisenunterversorgten Ökosysteme des südlichen Ozeans sein [5].

Außerdem konnten kleine Mengen Ameisensäure im Lake Whillans nachgewiesen werden. Das deutet darauf hin, dass Methan, ein wichtiges Treibhausgas, in tieferen, sauerstoffarmen Schichten unter dem See produziert wird. Eine Studie aus dem Jahr 2012 lässt vermuten, dass im Sediment unter dem arktischen Eis Hunderte von Milliarden Tonnen Methan eingeschlossen sind – ein Reservoir, entsprechend der Menge, die im arktischen Permafrostboden gespeichert ist. Beim Abschmelzen der Polkappen könnte das Gas entweichen und die globale Erwärmung anheizen [6].

Lake Whillans bietet nur eine lokale Momentaufnahme vom Leben unter dem Eis. Mehrere Forscherteams untersuchen andere subglaziale Seen und versuchen so das Bild zu komplettieren. Ein russisches Team analysiert Wasser aus dem Wostoksee, einem See in einer tiefen, tektonischen Spalte in der östlichen Antarktis, der von einer 3,7 Kilometer dicken Eisschicht bedeckt wird. Nach Ansicht der Wissenschaftler ist die Analyse dieser Proben schwierig, weil das Wasser bereits ein Jahr gefroren auf dem Boden des Bohrlochs gelegen hatte, ehe es an die Oberfläche gebracht wurde. Außerdem sei es während des Transfers nach oben in Kontakt mit der Kerosinbohrflüssigkeit im Bohrloch gekommen.

Näher an Lake Whillans gelegen, versuchten Pearce und seine Kollegen im Jahr 2013 den Lake Ellsworth anzubohren. Dieser befindet sich unter 3,4 Kilometer dickem Eis in einem Gletscherfjord. Nach Schwierigkeiten mit der Steuerung des Bohrers mussten sie das Projekt jedoch abbrechen.

Mit seiner dünneren Eisdecke war der Lake Whillans einfacher zu erreichen als Lake Ellsworth oder der Wostoksee. Aber auch er gab seine Geheimnisse nicht ohne Widerstand preis. Am Tag nach der ersten Probenentnahme wurde eine Kamera in das Bohrloch hinabgelassen. Als sie sich dem See näherte, bot sich eine faszinierende Szenerie: Irisierende Eisflocken stieben nach oben und bildeten ein umgekehrtes Schneegestöber. Das war ein untrügliches Zeichen dafür, dass dieses Bohrloch bereits dabei war, wieder zuzufrieren. Weil die Messinstrumente bald an den Seitenwänden des enger werdenden Loches hängen blieben, musste heißes Wasser eingepumpt werden, um die Öffnung wieder zu vergrößern. Dieses Tauziehen dauerte vier Tage an. Dann überließen die Forscher das Bohrloch seinem unabwendbaren Schicksal und flogen die in harter Arbeit gewonnenen Proben nach Hause.


Der Artikel ist im Original unter dem Titel "Lakes under the ice: Antarctica’s secret garden" in "Nature" erschienen.