In den Kurilen-Kamtschatka- und westlichen Aleuten-Gräben lebt ein Ökosystem, das ohne Sonnenlicht auskommt. Die dokumentierten Lebensgemeinschaften reichen laut Zusammenfassung der Studie von 5.800 bis 9.533 Metern Tiefe und verteilen sich über rund 2.500 Kilometer. Mikroorganismen gewinnen Energie aus Methan und Schwefelwasserstoff, die durch geologische Störungen aus dem Sediment aufsteigen. Untersucht wurden bislang nur zwei Gräben; eine weltweite Verbreitung bleibt eine begründete Vermutung.
Entdeckt hat dieses Ökosystem ein chinesisch geführtes internationales Team um Xiaotong Peng und Mengran Du vom Institute of Deep-sea Science and Engineering der Chinesischen Akademie der Wissenschaften in Sanya. Mit dem bemannten Tauchboot Fendouzhe untersuchten die Wissenschaftler den Kurilen-Kamtschatka-Graben und den westlichen Aleuten-Graben im Nordpazifik. An der Arbeit beteiligten sich unter anderem der russische Tiefseeforscher Andrey Gebruk sowie Wissenschaftler aus Dänemark und Neuseeland. Die Ergebnisse erschienen in der Fachzeitschrift Nature; die Chinesische Akademie der Wissenschaften stellte die Entdeckung in einer eigenen Mitteilung vor.
Die wissenschaftliche Originalarbeit in Nature beschreibt die Expedition im Sommer 2024. Bei 23 Tauchgängen dokumentierte das Team in 19 dieser Tauchgänge Lebensgemeinschaften, nahm Proben und untersuchte Sedimente. Die Fundorte lagen nicht als geschlossener Teppich über dem Meeresboden. Vielmehr wechselten sich einzelne Quellfelder mit unterschiedlich zusammengesetzten Tiergemeinschaften und Bereichen ohne entsprechenden Nachweis ab. Gerade diese räumliche Vielfalt hilft zu verstehen, wie geologische Strukturen und biologische Besiedlung in den tiefsten Meeresgräben zusammenwirken.
In den lichtdurchfluteten oberen Meeresschichten beginnt der Aufbau vieler Nahrungsketten mit der Photosynthese. Algen und andere Mikroorganismen nutzen Sonnenlicht, um aus Wasser und Kohlendioxid energiereiche organische Stoffe herzustellen. In mehreren Kilometern Wassertiefe erreicht dieses Licht den Meeresboden nicht mehr. Die dort entdeckten Lebensgemeinschaften beziehen ihre Energie deshalb aus chemischen Reaktionen und nicht aus einer örtlichen Photosynthese.
Dieses Verfahren heißt Chemosynthese. Mikroorganismen setzen dabei chemische Verbindungen um und nutzen die frei werdende Energie, um aus anorganischem Kohlenstoff organische Substanz aufzubauen. In den untersuchten Gräben liefern vor allem Methan und Schwefelwasserstoff die Grundlage für diese Prozesse. Bakterien und Archaeen können die Stoffe nutzen; ein Teil lebt frei im Sediment, ein anderer Teil in enger Gemeinschaft mit Tieren. Die Mikroben bilden damit die Basis einer Nahrungskette, die auch ohne direktes Sonnenlicht funktioniert.
Für Bartwürmer und Muscheln ist diese mikrobielle Leistung besonders wichtig. Bei chemosymbiotischen Arten leben die Bakterien in enger Verbindung mit dem tierischen Wirt und versorgen ihn mit organischen Nährstoffen. Diese Partnerschaft macht die Tiere weniger abhängig von herabsinkenden Nahrungspartikeln und anderen organischen Resten. Andere Bewohner des Lebensraums ernähren sich dagegen von organischem Material oder von kleineren Tieren. So treffen an den Kaltquellen verschiedene Ernährungsweisen aufeinander.
Ähnliche Abhängigkeiten von chemischer Energie sind aus anderen Tiefseegebieten bekannt. An heißen Hydrothermalquellen nutzen Mikroorganismen ebenfalls chemische Stoffe, um organische Substanz aufzubauen. Ein früherer Fund von Tiergemeinschaften in Höhlen unter hydrothermalen Quellen zeigt, wie vielfältig solche Lebensräume sein können. Die neuen Fundorte unterscheiden sich jedoch durch ihre Lage in Tiefseegräben und die dort austretenden methan- und schwefelwasserstoffreichen Fluide.
Die chemische Energie kommt nicht aus dem Nichts. In den V-förmigen Tiefseegräben sammelt sich organisches Material, das aus dem oberen Ozean absinkt oder von den steilen Hängen in tiefere Bereiche gelangt. Dazu gehören abgestorbene Algen, kleine Organismen und andere Reste, die aus den lichtdurchfluteten oberen Wasserschichten absinken. Erdbeben und Hangrutschungen können zusätzlich Sediment und organisches Material von den steilen Grabenhängen in die Tiefe transportieren. Unter sauerstoffarmen Bedingungen bauen Mikroorganismen dieses Material weiter ab und verändern dabei die enthaltenen Kohlenstoffverbindungen.
Isotopenanalysen der Sedimentgase weisen darauf hin, dass das Methan überwiegend mikrobiell entsteht. Mikroorganismen reduzieren dabei Kohlendioxid, das aus dem Abbau organischer Substanz stammt. Der Prozess läuft tief im Sediment ab. Die chemischen Messungen ergänzen die Beobachtungen am Meeresboden: In den Proben fanden die Forscher Methan und Schwefelwasserstoff, also genau jene Stoffe, die den Mikroorganismen als Energiequelle dienen.
Nach dem geologischen Modell der Autoren sammelt sich das Methan zunächst in tieferen Sedimentschichten. Der Druck der aufeinander zu bewegten Erdplatten kann methanreiche Fluide seitlich durch das Sediment drücken. An großen Verwerfungen und Brüchen finden sie anschließend Wege nach oben. Dort treten die Fluide am Meeresboden aus und bilden sogenannte Kaltquellen, im Englischen Cold Seeps. Anders als an heißen Hydrothermalquellen stehen hier keine extrem heißen Wasserfontänen im Mittelpunkt, sondern das Austreten chemisch veränderter Flüssigkeiten.
Die hohen Drücke beeinflussen auch den Zustand des Methans. Nach den Berechnungen der Forscher liegt es an den untersuchten Stellen im Porenwasser gelöst oder als Gashydrat vor. Eine freie Gasphase mit aufsteigenden Blasen beobachteten die Tauchbootkameras nicht. Die Modellierung deutet auf mögliche Methanhydrate im Sediment hin; eine gezielte Bohr- und Beprobungskampagne müsste diese Annahme noch überprüfen. Damit verbindet die Arbeit biologische Beobachtungen mit einem geologischen Prozess, der sich unter dem Meeresboden abspielt.
Besonders auffällig sind die Bartwürmer aus der Familie der Siboglinidae. Ihre langen, schmalen Röhren ragen aus dunklem Sediment und bilden stellenweise dichte Bestände. An den Spitzen sitzen rote, hämoglobinhaltige Tentakel, mit denen die Tiere Stoffe aus ihrer Umgebung aufnehmen. Zwischen den Röhren bewegen sich weitere Borstenwürmer; kleine Schnecken besiedeln teilweise sogar die Röhren selbst. In manchen Bereichen liegen helle, fast schneeartig wirkende Mikrobenmatten neben den dunklen Sedimentflächen.
Auch Muscheln bilden große Ansammlungen. Ihre Schalen stecken teilweise im Schlamm, während die oberen Schalenhälften sichtbar bleiben. In einzelnen Feldern dominieren Muscheln, an anderen Stellen überwiegen die Bartwürmer oder weitere Röhrenwürmer. Die Untersuchung erfasste außerdem Schnecken, frei lebende und röhrenbewohnende Borstenwürmer, Flohkrebse, Seegurken und Seeanemonen. Das Ökosystem besteht damit aus mehr als den beiden auffälligsten Tiergruppen.
Die höchsten ermittelten Dichten lagen bei 5.813 ± 1.335 Bartwürmern und 293 ± 69 Muscheln pro Quadratmeter. Die Werte geben jeweils Mittelwert und Standardabweichung an und beschreiben besonders dicht besiedelte Bereiche, keine gleichmäßige Verteilung über den gesamten Grabenboden. Zwischen einzelnen Quellfeldern unterschieden sich Artenzusammensetzung und Häufigkeit deutlich. Die Forscher fanden außerdem Bereiche, in denen Röhrenwürmer offenbar abgestorben waren, während nahe gelegene Felder noch von lebenden Tieren besiedelt wurden. Solche Unterschiede passen zu einem Lebensraum, dessen Versorgung von örtlich begrenzten Fluidströmen abhängt.
Als Hadalzone gilt die Tiefsee ungefähr ab 6.000 Metern Tiefe. Einige der untersuchten Kaltquellen lagen knapp oberhalb dieser Grenze, andere reichten weit in die tiefste Meereszone hinein. Schon vor der Expedition waren kleinere chemosynthetische Gemeinschaften in Tiefseegräben bekannt, darunter Muschelbestände im Japan-Graben. Die neuen Beobachtungen erweitern das bekannte Vorkommen solcher Tiergemeinschaften erheblich und zeigen, dass die Grabenböden biologisch komplexer sind als frühere Proben vermuten ließen.
Eine lückenlose Lebenszone beschreibt die Studie allerdings nicht. Ihre Karten und Tauchprotokolle zeigen einzelne Fundstellen, die sich in ihrer Zusammensetzung unterscheiden. Auch innerhalb eines Quellfeldes liegen verschiedene Tiergruppen nicht überall gleich verteilt. Bartwürmer können die Ränder eines Feldes besiedeln, während Muscheln oder andere Röhrenwürmer in benachbarten Bereichen dominieren. Die Autoren sprechen deshalb von einer ausgeprägten räumlichen Fleckenhaftigkeit, die sowohl zwischen den Gräben als auch innerhalb einzelner Regionen auftritt.
Weitere Tiefseeuntersuchungen zeigen, dass auch andere Lebensgemeinschaften in solchen Tiefen existieren. An Felswänden im Marianen- und Kermadecgraben wurden beispielsweise zahlreiche kleine Organismen auf blankem Gestein dokumentiert. Dort beruht die Ernährung der dominierenden Einzeller auf organischem Material, das aus höheren Wasserschichten absinkt. Die Kaltquellen aus der neuen Untersuchung ergänzen dieses Bild um Lebensgemeinschaften, deren Energieversorgung wesentlich auf chemischen Reaktionen beruht.
Ob ähnliche Kaltquellen in vielen weiteren Tiefseegräben vorkommen, bleibt offen. Die Autoren halten eine größere Verbreitung wegen vergleichbarer geologischer Strukturen für plausibel. Hinweise auf verwandte Muschelarten in anderen Gräben stützen diese Vermutung, ersetzen aber keine systematische Untersuchung. Erst weitere Tauchgänge und Sedimentproben können zeigen, wie weit sich solche Lebensräume tatsächlich erstrecken und welche Arten dort miteinander verbunden sind.
Die Entdeckung betrifft auch den Kohlenstoffkreislauf der Tiefsee. Ein Teil des organischen Materials aus dem Oberflächenozean gelangt in die Gräben und wird dort im Sediment mikrobiell umgewandelt. Dabei entsteht Methan, das später an Kaltquellen austreten und weitere mikrobielle Produktion ermöglichen kann. Auf diese Weise wird Kohlenstoff innerhalb des Sediments gespeichert, chemisch verändert und teilweise wieder in die Nahrungskette am Meeresboden eingespeist.
Bislang wurde die Ernährung vieler Tiere in Tiefseegräben vor allem mit organischen Partikeln und Kadavern erklärt, die von oben herabsinken. Die neuen Beobachtungen zeigen, dass chemische Energie in solchen Lebensräumen eine zusätzliche Rolle spielen kann. Sie kann spezialisierte Bartwürmer und Muscheln tragen und möglicherweise auch andere Tiere indirekt versorgen, die sich von diesen Organismen oder von Mikroben ernähren. Wie groß dieser Beitrag für das gesamte Nahrungsnetz ist, muss weitere Forschung quantifizieren.
Für die Biologie extremer Lebensräume ist außerdem interessant, wie Tiere und Mikroorganismen unter hohem Druck zusammenarbeiten. Die Lebensgemeinschaften liefern natürliche Beispiele dafür, wie Organismen chemische Energiequellen nutzen und mit wechselnden Bedingungen am Meeresboden umgehen. Die Studie eröffnet damit neue Fragen zur Anpassung an extreme Druckverhältnisse, zur Verteilung chemosynthetischer Arten und zur Speicherung von Kohlenstoff in Sedimenten. Die Autoren betonen, dass sich die Ergebnisse noch nicht auf sämtliche Tiefseegräben übertragen lassen.
Als nächster Schritt sind gezielte Untersuchungen weiterer Gräben und eine genauere Analyse der Sedimente nötig. Besonders wichtig ist, die vermuteten Methanhydrate direkt zu prüfen und die Wechselwirkungen zwischen Mikroben, Bartwürmern, Muscheln und den übrigen Bodenbewohnern zu vermessen. Auch die Frage, wie stabil einzelne Kaltquellen über längere Zeiträume bleiben, ist bislang offen. Erst solche Daten zeigen, ob die beobachteten Gemeinschaften lokale Besonderheiten bleiben oder zu einem weit verbreiteten Bestandteil der tiefsten Meeresböden gehören.
Titelbild: das chinesische Tauchboot Fendouzhe an Bord seines Mutterschiffs Tan Suo Yi Hao von Kareen Schnabel, Wikimedia Commons, Lizenz CC BY 4.0, zugeschnitten.
Peng, X., Du, M., Gebruk, A. et al., „Flourishing chemosynthetic life at the greatest depths of hadal trenches“, Nature 645, 679–685 (2025); doi:10.1038/s41586-025-09317-z
Chinese Academy of Sciences, „Chinese-led Team Discover 'vibrant oasis' of Chemical-eating Creatures 10,000 m Undersea“
Reuters, „A 'vibrant oasis' of chemical-eating creatures found in the deep Pacific“
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