Bilder der Vielfalt – die Erforschung mikroskopischer mariner Ökosysteme

Leben im Meer

von Dr. Emmanuel G. Reynaud, Eric Röttinger

Unser Planet ist der berühmte Blaue Planet, der am Horizont des Mondes aufgeht. Der Ozean bedeckt 71 % der Planetenoberfläche und hat das Leben, so wie wir es kennen, erst möglich gemacht. Das Land, auf dem wir gehen, ist teilweise aus Abermilliarden winziger Planktonskelette aufgebaut, die das Kohlendioxid in der Atmosphäre in ihren kalkhaltigen Schalen abgelagert haben. So entstanden die Klippen von Dover und der Kalkstein, aus dem ­Statuen und Kathedralen gebaut wurden.

Die Luft, die wir atmen, und der darin enthaltene Sauerstoff stiegen von der Meeres­oberfläche auf. Erzeugt wurde er in der fleißigen Algenwelt und von der riesigen Kieselalgenarmee. Heute fischen wir, pumpen Öl in die Meere, nutzen Sie zum Transport von Waren, schicken unsere Daten hindurch, schwimmen, segeln, tauchen und ignorieren vor allem, wie wichtig die winzigen, unsichtbaren Bewohner dieser riesigen und lebenswichtigen Meereswelt sind. In Anbetracht des globalen Klimawandels ist es von wesentlicher Bedeutung, dass wir uns bewusst machen, wie unser Planet funktioniert und seit Tausenden von Jahren die Lebensgrundlagen für unsere Zivilisa­tion bereitstellt. Dazu gehören auch unsere Ozeane mit ihrer unsichtbaren Lebensvielfalt. So war es das Ziel der „Tara Oceans“-Expedition (2009–2012), einer Forschungsreise durch die Weltmeere, die Diversität und Funktion der Planktonorganismen zu unter­suchen sowie die Reaktionen des Ökosys­tems auf Umweltänderungen zu verstehen. Dies war die erste weltweite Studie der unsichtbaren Ozeanwelten seit der H.M.S Challenger-Expedition (1872–1876) vor 130 Jahren! Während der Tara-Expedition entstanden erstmals Millionen von Bildern dieser winzigen Wesen. Dies wurde möglich durch die Arbeit von Optikingenieuren, technischen Partner und allen Mitglieder der Tara Oceans Expedition, der Crew und den Wissenschaftlern.

Von Steinzeitreliefen zum modernen Imaging

Die Geschichte der Darstellung vom Leben im Meer

Vor 4,6 Mrd. Jahren tauchte Wasser auf der Erde auf und schuf die Meereswelt, oder zumindest einen ozeanähnlichen Ort. Viele Theorien bezüglich der Entstehung des ­Lebens wurden aufgestellt, diskutiert und verworfen. Oft wird der Ozean als Teil der magischen Mischung erachtet, die das ­Leben auf unserem Planeten ermöglichte. Zellen entstanden in der Nähe von Tief­seevulkanen, vielleicht geschah dies auch in Tümpeln an Land. In seichten Buchten nutzten Stromatolithen die Sonne als ­Energiequelle und schufen Nahrungsmittel­quellen und Ablagerungen, die ihre Herkunft aufzeigen. Das Leben breitete sich in diesen frühen Meeren aus und gedieh, aber niemand konnte festhalten, welche Wesen hier lebten. Es bleiben nur Knochen und Steine, um einen Hinweis auf diese Lebewesen zu erhalten. Über Jahrmillionen blieb diese riesige Welt mit einer Tiefe bis zu 12 km, die 70% der Erde bedeckt, unbeachtet. Die Welt der Meere war langezeit nicht nur eine Nahrungsquelle (Fische, Wale, Krustentiere), sondern diente hauptsächlich der Fortbewegung – ein flüssiger Weg zu neuen Gebieten. Es war jedoch eine gefährliche Welt – tief und dunkel, als Heimat von Göttern und Ungeheuern angesehen, die Schiffe und Seefahrer in einem Stück verschlucken konnten. Die ersten Bilder von Meereslebewesen wurden während des oberen Paläolithikums (vor fast 30.000 Jahren) in Stein gezeichnet oder gemeißelt. Dazu gehören die großartigen Lachse an der Decke der L‘Abri Poisson-Höhle in der Nähe von Les ­Eyzies-de-Tayac in Frankreich. Vor 3.000 Jahren kamen nach den Phöni­ziern griechische Seeleute über das Mittelmeer, das sie als „okean“ (griechisch: Fluss) bezeichneten – woher das heutige Wort Ozean stammt. Mit den Griechen kam die Akademie, eine Welt des Wissens, Lehrens und Austauschs. Aristoteles verfasste die ersten detaillierten Kommentare über das Leben im Meer. Er sammelte und beschrieb unzählige Spezies, darunter auch Stachelhäuter, Weichtiere und Fische, und schrieb das Buch, mit dem die Wissenschaft der Biologie begründet wurde: „Tierkunde“. Er beschrieb viele Formen des Meereslebens und schloss auf die Funktion der Kiemen. Er war der erste Zoologe und der Erste, der versuchte, Lebensformen zu klassifizieren. Er nannte fast 400 Spezies. Unter den von Aristoteles beschriebenen Meerestieren finden sich Fische und Wale sowie Krustentiere, Austern und Tintenfische. Die noch existierenden Texte deuten darauf hin, dass Aristoteles Tiere sezierte und vermutlich auch zeichnete. Erst im 16. Jahrhundert jedoch wurde die Zoologie ein wichtiges Forschungsthema. Einer der ersten Forscher in diesem Bereich, Guillaume Rondelet in Montpellier, sezierte und erforschte nicht nur Fische, sondern auch Seeigel und Krabben. 1556 veröffentlichte er die „Naturgeschichte der Fische“. Das 17. und 18. Jahrhundert waren nicht nur eine Zeit der Expeditionen, sondern markierte auch einen wichtigen Durchbruch für die zukünftige Abbildung von Meereslebewesen. 1673 baute Antonie van Leeuwenhoek in Holland eines der ersten Mikroskope und untersuchte damit schlammiges Wasser. Er beschrieb bewegliche „mikro­skopische Tierchen“, darunter Rädertierchen, Euglena und Spyrogira. Seitdem haben Wissenschaftler Planktonnetze und Mikroskope verwendet, um Tausende von Kieselalgen und andere im Ozean treibenden Lebewesen zu sammeln und zu benennen. Meeresexpeditionen überquerten die Ozeane schnell auf der ­Suche nach neuen Territorien und Ländern. Wissenschaftler und Soldaten stellten die genaue Beschreibung der Länder, Menschen und der dazwischen liegenden Meere zusammen. Francois Peron, ein französischer Naturforscher, begleitete 1800–1804 die „Baudin-Expedition“. Er konnte nur einige unsichere Temperaturmessungen in der Tiefe vornehmen, war aber beeindruckt von der Bedeutung der Meeresforschung und sich sicher, dass ihr zu wenig Beachtung geschenkt wurde. Mit ihm unterwegs war der Künstler Charles Alexandre Lesueur, der hervorragende Zeichnungen von Quallen und Fischen anfertigte. Dies öffnete das 19. Jahrhundert für die Erforschung der Meere und die Darstellung der Meerestiere. Dieses Jahrhundert wird Zeuge des ersten Kapitels der Ozeanografie und der bislang umfassendsten Beschreibung und Aufzeichnung des Meereslebens: Gemeint sind die H.M.S. Challenger Ex­pedition (1873–1876) sowie ihr Bericht aus 50 Bänden mit den erstaunlichen Zeichnungen von Ernst Haeckel. Sein Buch „Kunstformen der Natur“ beeinflusste die Kunst, Architektur und das ­Design des 20. Jahrhunderts und schlug eine Brücke zwischen Wissenschaft und Kunst. Diese Expedition etablierte nicht nur die Ozeanografie, sondern auch die Bildgebung als wesentliches Werkzeug zur Bewertung des Lebens im Meer. Die nächsten Jahre brachten die Fotografie, Mikrokinematografie und Videoauf­nahmen von Künstlern und Wissenschaftlern wie Jean Painlevé, Jacques-Yves Cousteau und David Attenborough.

Tara Oceans: eine zweite Weltpremiere

Die Challenger-Expedition – bezahlt von der Royal Society und der Royal Navy – war die erste moderne globale Expedition zur Entnahme von Proben aus den Tiefen des Ozeans. Es war eine der wichtigsten Seereisen des 19. Jahrhunderts. Sie besuchte alle Meere der Welt – abgesehen vom Arktischen Meer – und legte 127.000 km zurück. Die Wissenschaftler an Bord studierten die physikalischen Bedingungen der tiefen Ozeane, die chemische Zusammensetzung des Meereswassers, die physikalischen und chemischen Eigenschaften der Ablagerungen am Meeresgrund und die Verteilung allen organischen Lebens in den Tiefen. Etwa 4.717 neue Meerestierarten wurden eingefangen und klassifiziert. Hierfür wurde ein kleines Kriegsschiff zum ersten spezialisierten Ozeanografie-Schiff mit eigenen Labors, Mikroskopen und anderen wissenschaftlichen Geräten an Bord umgebaut. Die Expedition wurde von dem britischen Naturforscher John Murray und seinem schottischen Kollegen Charles Wyville Thompson angeführt. Anfang 2008 hatten wir das Glück, als Teilnehmer der Tara Oceans-Expedition eingeladen zu werden. Die Tara ist ein 35m langer Wissenschafts-Schoner. Sie wurde von dem französischen Forscher Jean-Louis Etienne entworfen und wird heute vom Tara Expeditions Fund betrieben, der von Etienne Bourgois und der ­Modedesignerin Agnes B. geleitet wird. Wissenschaftler erhalten das Schiff als Wissenschaftsplattform. Der private Fonds unterhält das Boot und die Mannschaft. Die Wissenschaftler können sich auf ihr Projekt konzentrieren, was sonst selten genug der Fall ist. Eine der berühmtesten Expedi­tionen in letzter Zeit war die „Tara Arctic“-Expedition (2007–2008): „The Great Arctic Drift“. Die Tara Oceans-Expedition entstand aus einem Treffen von Dr. Eric Karsenti – leitender Wissenschaftler am European Molecular Biology Laboratory (EMBL) – und Etienne Bourgois – Schiffseigner und Präsident der Tara-Stiftung, die die Expedition gemeinsam leiteten. Eric Karsenti hat ein einzig­artiges Forscherteam aus Molekular- und Zellbiologen, Bioinformatikern, Ökologen, Taxonomen, Mikrobiologen, Ozeanografen und Physikern aufgebaut und koordiniert, die Mittel beschafft und die Hauptziele der Expedition festgelegt: Durchführung morphogenomischer Analysen der Meeresökosysteme (von Organismen bis zu Genomen) Besseres Verständnis der Evolution der Meeresorganismen Entwicklung von Modellen der Koevolution dieser Ökosysteme und des Hydroklimas Was diese Expedition einzigartig macht, ist ihr holistischer Ansatz: Die Untersuchungen erstrecken sich von Organismen, die weniger als 100nm groß sind, bis hin zu Fischlarven mit 1cm Länge oder mehr. Das Spektrum umfasst also fünf Größenordnungen. Vergleichbar wäre das mit dem Größenunterschied zwischen einer Maus und einem Elefanten. Seit der H.M.S. ­Challenger-Expedition herrschen nun aber andere Zeiten, so ist mittlerweile Hightech-Ausrüstung an Bord im Einsatz.

Die Herausforderung: Bildgebung im Schiffslabor

Für die Bildgebung und das Mikroskopielabor auf der Tara waren wir zweieinhalb Jahre verantwortlich und haben und die Bildaufnahmen während der gesamten Expedition übernommen. Unsere Rolle begann am EMBL, als uns Eric Karsenti von seinem Projekt erzählte und uns einlud, an Bord mit den Mikroskopen zu arbeiten. Wir nahmen unsere Arbeit Ende 2008 auf. Üblicherweise ist es nicht möglich, auf einem Schiff ein Labor einzurichten. Auf traditionellen Forschungsschiffen gibt es nicht genug Zeit und Platz dafür. Vorort-Aufnahmen von Plankton waren auch nie eine Hauptpriorität für Ozeanografen, die auf See lieber Proben nehmen und sie ­später zuhause im Labor analysieren. Tara Oceans war ein einzigartiges Phänomen – ein mit Spezialgeräten ausgestattetes Schiff, auf dem Tests durchgeführt werden konnten, die zuvor unmöglich waren. Es bestand natürlich auch ein großes Risiko für die Geräte an Bord. Wir hatten kommerzielle Partner wie die Carl Zeiss Microscopy GmbH und unseren Berater Dr. Olaf Selchow und Partnerlabors. Kurz vor der Abreise im ­September 2009 wurde die grundsätzliche Auslegung abgeschlossen und die ­ersten Geräte wurden installiert. Wir stellten die TA.O.M.I. (TAra Oceans Marine Biology Imaging Platform) während der ersten ­Monate im Mittelmeer fertig. Im Dezember 2009 war sie bereit. Diese Plattform war einzigartig in der Welt. Es war wirklich „Learning by Doing“. Normalerweise benötigt man für Bildaufnahmen eine gewisse Stabilität. Außerdem mussten Temperatur- und Stromverbrauchsprobleme geklärt werden. Am Ende wurde uns aber klar, dass bei Bildaufnahmen wirklich alles möglich ist. Wir schulten fast alle Optikingenieure per Fernschulung mit Videos und Onlineschulungen. Die größte Schwierigkeit dabei war die Leitung einer einzigartigen Aufnahmeplattform, während gleichzeitig an Deck in den Beprobungs-/Experimentalstationen Proben entnommen wurden! Mehrere Fehlschläge hingen mit der Elektronik zusammen. Wir lösten diese Probleme mit einer sehr eingeschränkten und langsamen Internetverbindung. Obwohl wir während der Expedition zwei Geräte ersetzen mussten, konnten wir mehr als 9 Mio. Bilder machen! Wir erlernten auch eine neue Auf­nahmetechnik: die Seegangaufnahme. Das Schiff bewegte sich ständig und die Proben, die im Meerwasser aufbewahrt werden, um sie am Leben zu behalten, bewegten sich ebenfalls – eine Herausforderung, bei der man Okulare vergessen kann. Der richtige Moment für die Aufnahme muss regelrecht erraten werden. Normalerweise ist das ­immer die halbe Sekunde, wenn sich das Schiff ganz oben auf der Welle befindet. Es gab viele verwackelte Bilder.

Korallen und Copepoden

Im Meer gibt es unzählige winzige Plankton­organismen. Es beherbergt aber auch eine erstaunliche Vielfalt größerer Planktontiere sowie eine Vielzahl von kleinen Lebewesen, die man in einem Korallenriff findet. Die Aufnahmen all dieser lebenden Kreaturen während der Expedition war eine weitere Herausforderung. Vor einigen Jahren, als Eric Röttinger noch Forschungsassistent im Kewalo Marine Laboratory in Hawaii (USA) war, gründete er mit einigen Kollegen die gemeinnützige Organisation Kahi Kai („einzigartiger Ozean“ auf Hawaiianisch). Sie wollen das Bewusstsein für das Erbe unserer Ozeane stärken und an unsere gemeinsame Verantwortung appellieren, um die faszinierende, mysteriöse und stark ­bedrohte Meereswelt zu erhalten (www.­kahikai.org). Eines der von dieser Orga­nisation eingeleiteten Projekte war die Portraitierung von Meereslebewesen, um einen Teil der erstaunlichen Biodiversität des Meeres darzustellen und die Schönheit, Eleganz und Zerbrechlichkeit dieser kleinen Wesen herauszustellen. Dafür entwickelten wir ein kompaktes und leicht transpor­tables Fotostudiosystem, das die Aufnahme der Bewohner von Korallenriffen an abgelegenen Orten der Welt ebenso gestattete wie unter den engen Bedingungen an Bord der Tara. Diesen Fotoaufbau kann man sich wie eine Miniaturfassung eines Fotostudios mit einem einheitlich weißen oder schwarzen Hintergrund vorstellen. Der Hauptunterschied ist, dass die Bühne in ein kleines Aquarium mit gefiltertem Meereswasser gestellt wird. Hierfür wurde das Pumpen­system an Bord der Tara genutzt, um die Tiere mit dem fließenden Meereswasser zu versorgen. Alle Tiere wurden so schnell wie möglich wieder frei gelassen, wenn sie nicht für weitere wissenschaftliche Analysen gebraucht wurden. Mit diesem Aufbau bildeten wir während der Korallenabschnitte der Tara-Expedition eine Vielzahl von Meereswesen ab, um sie der Öffentlichkeit vorzustellen. Unser Hauptfokus lag jedoch auf der Abbildung lebender Korallen und insbesondere der einzelnen Polypen, welche die Koralliten des Tiers bewohnen. Sie sind charakteris­tisch für die einzelnen Spezies. Dies war eine große Herausforderung, denn die Korallen ziehen unter Stress ihre Polypen ein, und es erforderte viel Geduld die winzigen Poly­pen zu fotografieren. Je nach Größe der abgebildeten Tiere verwendeten wir Glastanks in entsprechender Größe und eine DSLR-Kamera mit Standard- oder 5x-Vergrößerungs-Makroobjektiv. Dieses stark vergrößernde Makroobjektiv war besonders hilfreich bei Proben von 2–5mm wie etwa Copepoden oder anderen Organismen, die während der Planktonbeprobung aufgenommen wurden. Diejenigen von Ihnen, die bereits Planktonproben betrachtet haben, wissen, wie schwer es ist, einen der sich extrem schnell bewegenden (oder sogar springenden) Copepoden von einem fahrenden Boot aus aufzunehmen. Nach Abschluss der Expedition bleibt uns noch immer eine große Aufgabe: Wir müssen all die Bilder auswerten und be­arbeiten und sie den Benutzern und den ­Medien zur Verfügung stellen.