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Die Tara Oceans Expedition

Nach zweieinhalb Jahren und 115.000 Kilometern auf den Weltmeeren ist die Tara Oceans Expedition beendet. Unter der wissenschaftlichen Leitung von Dr. Eric Karsenti vom Europäischen Molekularbiologischen Laboratorium in Heidelberg hat die Expedition eine einzigartige Menge und Vielfalt an Proben und Messdaten über das Planktonleben im Ozean gewonnen. Ziel dieses internationalen Großprojektes ist es, durch morpho-genomische Analysen die Organismen der marinen Ökosysteme, ihre Interaktion und Evolution besser zu verstehen und dynamische Modelle für die Koevolution dieser Ökosysteme mit dem Hydroklima des Globus zu entwickeln.

Tara unter Segeln im Golf von Aden © EMBL

Am 31. März 2012 endete die internationale Tara Oceans Expedition im bretonischen Hafen Lorient, von wo sie am 5. September 2009 aufgebrochen war. Im Verlauf ihrer 938 Tage dauernden Reise über 64.000 Seemeilen (115.000 km) an Bord des Schoners Tara sammelte die Expedition zur Erforschung der globalen Plankton-Ökosysteme 27.000 Proben an 150 Stellen vom Mittelmeer über die drei Ozeane bis in die Antarktis. Insgesamt beteiligten sich 126 Wissenschaftler aus 35 Ländern an dieser bislang umfassendsten Bestandsaufnahme und Analyse des marinen Planktons, von dem die Nahrungsketten im Meer, das globale Klima und die geochemischen Stoffkreisläufe auf unserem Planeten abhängen. Bis jetzt wurden 500.000 neue Mikroorganismen beschrieben, und die Auswertung der wissenschaftlichen Daten der Expedition, die in Heidelberg zentralisiert sind, hat gerade erst begonnen.

Die Exploration mikroskopischer mariner Ökosysteme

Wissenschaftlicher Leiter und Co-Direktor von Tara Oceans ist Dr. Eric Karsenti, Senior Scientist am Europäischen Molekularbiologischen Laboratorium (EMBL) in Heidelberg. Zusammen mit Etienne Bourgois, dem Schiffseigner und Präsidenten der Tara Expeditions-Stiftung, hat Karsenti ein einzigartiges Wissenschaftlerteam aus Molekular- und Zellbiologen, Bioinformatikern, Ökologen, Taxonomen, Mikrobiologen, Ozeanographen und Physikern aufgebaut und koordiniert, Mittel eingeworben und die Hauptziele der Expedition festgelegt:

  1. Morpho-genomische Analysen mariner Ökosysteme durchzuführen, um die Natur der Organismen und Gene, die in der jeweiligen ozeanischen Umwelt exprimiert sind, besser zu verstehen;
  2. Die Evolution mariner Organismen besser zu verstehen;
  3. Modelle der Ko-Evolution dieser Ökosysteme mit dem Hydroklima zu entwickeln.

Zusätzlich zur Koordination der Expedition kooperiert Karsenti am EMBL mit der Gruppe von Jan Ellenberg, um Hochdurchsatz-Bildgebungsverfahren für Protisten (Einzeller) und kleine Metazoen (Vielzeller) zu entwickeln, mit Detlev Arendt über die Biogeografie und Evolution mariner Anneliden (Borstenwürmer). Peer Bork und seine Arbeitsgruppe sind mit Genomanalysen und der Entwicklung einer Datenbank für die Expedition beteiligt.

Tara Oceans ist nicht das erste Forschungsprojekt, das sich der Erfassung der mikroskopisch kleinen Welt in den Ozeanen widmet. Erwähnt werden müssen die von Craig Venter geführte Sorcerer Expedition und die seit dem Jahr 2000 laufenden internationalen Aktivitäten des „Census of Marine Life.“ Was Tara Oceans einzigartig macht, ist sein holistischer Ansatz: Die Untersuchungen erstrecken sich von Viren mit einer Größe von weniger als 100 Nanometern bis hin zu Fischlarven im Zentimeter-Bereich, ein Unterschied von fünf Zehnerpotenzen – wie der zwischen einer Maus und einem Elefanten.

Viren und Bakterien wurden durch Filtration des Wassers durch Milliporefilter unterschiedlicher Porengröße gewonnen; für die Protisten und das Zooplankton verwendeten die Forscher an Bord der Tara Netze verschiedener Maschenweiten. Die Wasserproben stammten von der Meeresoberfläche bis hinab in 1.000 Meter Tiefe; sie schlossen damit die sogenannte mesopelagische oder Zwielicht-Zone (engl. twilight zone) ein, in der keine Photosynthese mehr möglich ist, die aber von Planktonorganismen in ihren täglichen Vertikalwanderungen aufgesucht wird. Parallel zu den Organismen wurden physikalische und chemische Parameter gemessen: Temperatur, Salzgehalt, pH, Meeresströmungen usw. Einzigartig für ein Projekt dieses Ausmaßes ist auch die Verbindung von Genomanalysen (High Throughput Sequencing) und modernsten bildgebenden Verfahren (High Throughput Imaging). So sollen die äußerst schwierigen Korrelationen zwischen Genomen und Organismen und darüber hinaus zwischen Ökosystemen und Evolution ermöglicht werden, die in die Bildung von öko-morpho-genetischen Modellen des Ozeans einmünden.

Wissenschaft als Abenteuer

Dr. Eric Karsenti an Bord der Tara © EMBL

Das ursprüngliche Arbeitsgebiet von Eric Karsenti am EMBL hat mit Meeresforschung wenig zu tun. Hauptgegenstand seiner Forschungsgruppe ist die Bildung der mitotischen Spindel und die Selbstorganisation der Mikrotubuli bei der Teilung von eukaryotischen Zellen sowie die Biochemie der dafür verantwortlichen Signalwege. Diese Arbeiten werden weitergeführt, aber Karsenti selbst ist mit der Organisation und Koordination der Expedition in den letzten vier Jahren ganz in die Meeresforschung eingetaucht. Er sagt über sich: „Ich war immer von der See fasziniert und als junger Student wollte ich Meeresbiologe werden. Stattdessen begann ich eine Karriere in der Zell- und Molekularbiologie. Tara Oceans ist ein neues Abenteuer für mich. Mit 60 Jahren fühle ich die Notwendigkeit, meinen Gang zu ändern, um aufregende und verstörende Fragen über die Evolution des Planeten und seine Zukunft anzusprechen. Und natürlich betrifft der Ozean uns alle; in ihm ist das Leben entstanden, und das Leben auf der Erde hängt weiterhin von ihm ab...Ich fühlte auch, dass ich auf meine Mitmenschen zugehen muss, um das große Abenteuer des Durchbruchs im wissenschaftlichen Verständnis des Universums mit ihnen zu teilen, denn Wissenschaft ist nicht nur Technologie, sondern auch eine Quelle der Weisheit" (Übersetzung: EJ). Das ist der eigentliche Auftrag der Tara Oceans Expedition.

Ein sehr spezielles Schiff

Der mit modernsten wissenschaftlichen Geräten vollgestopfte 120-Tonnen-Schoner Tara, in dessen drangvoller Enge die Wissenschaftler zweieinhalb Jahre lang ihre Proben sammelten und Untersuchungen durchführten, ist ein höchst ungewöhnliches Schiff. Erbaut 1989 für den französischen Abenteurer und Polarforscher Jean-Louis Etienne wurde es auf mehreren Expeditionen in die Antarktis und nach Spitzbergen eingesetzt. 1999 wurde es von Sir Peter Blake erworben, einem bekannten neuseeländischen Sportsegler, der viele Hochseeregatten gewonnen hatte und mit dem in „Seamaster“ umgetauften Schoner Expeditionen unter dem Schirm des Umweltprogramms der Vereinten Nationen durchführte. Auf einer dieser Expeditionen auf dem Amazonas in Brasilien wurde Blake von Flusspiraten ermordet. 2003 kauften die Pariser Modezarin Agnès Troublé und ihr Sohn Etienne Bourgois, Direktor der Mode- und Kosmetikfirma „agnès b.“ das Schiff.

Die Vielfalt und Schönheit von Plankton © Tara Oceans

Unter dem neuen Namen Tara diente es auf verschiedenen Expeditionen in die arktischen und antarktischen Gewässer zur Untersuchung der Interaktionen von Luft, Meer und Eis; außerdem wurde es für Ausstellungen und Schulungsprogramme eingesetzt, mit denen das Bewusstsein des Umwelt- und Klimaschutzes in der Öffentlichkeit verbreitet werden sollte. Etienne Bourgois beschrieb sein Engagement für die Expeditionen und die Triebfeder seiner Zusammenarbeit mit Eric Karsenti im Tara-Oceans-Programm folgendermaßen:

„Tara Expeditions wurde aus dem großen Verlangen heraus geboren, die Hoffnung zu bewahren. Zu verstehen, was mit dem Klima geschieht, ist für jedermann wichtig, und es muss auf einfache Weise erklärt werden. Als wir 2003 mit Tara Expeditions begannen, war ein vom Chef einer Firma initiierter Umweltschutzansatz noch eine ziemlich marginale Geste. Das hat sich glücklicherweise geändert. Ich fühle mich nicht als radikaler Ökologe. Ich glaube, dass wir mit unseren Widersprüchlichkeiten leben und versuchen müssen, sie aufzulösen. Es geht um eine Revolution in unserer Denkweise. Wenn wir ökologisch handeln wollen, müssen wir unsere individualistische Welt aufgeben. Das ist der Schlüssel. Das ist es, was wir versucht haben, auf der Tara zu erreichen: Teamarbeit im Dienste unseres Planeten. Dieses außergewöhnliche Schiff muss seine Mission als Botschafter der Bürger dieser Welt erfüllen, muss ein Katalysator für die Energie und das Verlangen dafür sein, ohne Prunk die Hauptfrage anzugehen, die sich für jeden von uns stellt: Was für eine Zukunft bereiten wir unseren Kindern?"  

Originalpublikation:
Karsenti E, Acinas SG, Bork P, Bowler C, De Vargas C, et al. (2011) A Holistic Approach to Marine Eco-Systems Biology. PLoS Biol 9(10): e1001177. doi:10.1371/journal.pbio.1001177

Glossar

  • Bakterien sind mikroskopisch kleine, einzellige Lebewesen, die zu den Prokaryoten gehören.
  • Eukaryonten sind Organismen, deren Zellen einen Zellkern und Organellen besitzen. Zu den Eukaryonten gehören Protozoen (Einzeller), Algen, Pilze, Pflanzen und Tiere (einschließlich Mensch).
  • Ein Gen ist ein Teil der Erbinformation, der für die Ausprägung eines Merkmals verantwortlich ist. Es handelt sich hierbei um einen Abschnitt auf der DNA, der die genetische Information zur Synthese eines Proteins oder einer funktionellen RNA (z. B. tRNA) enthält.
  • Das Genom ist die gesamte Erbsubstanz eines Organismus. Jede Zelle eines Organismus verfügt in Ihrem Zellkern über die komplette Erbinformation.
  • Ein Katalysator ist ein Stoff, der selektiv eine bestimmte chemische oder biochemische Reaktion beschleunigt, indem er die Aktivierungsenergie herunter setzt. Der Katalysator selbst wird dabei nicht verbraucht.
  • Mitose ist der Fachbegriff für die Zellteilung, bei der nach vorheriger Verdoppelung der DNA (Replikation) jede Tochterzelle einen vollständigen Chromosomensatz erhält.
  • Für den Begriff Organismus gibt es zwei Definitionen: a) Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren und selbstständig, d. h. ohne fremde Hilfe, zu existieren (Mikroorganismen, Pilze, Pflanzen, Tiere einschließlich Mensch). b) Legaldefinition aus dem Gentechnikgesetz: „Jede biologische Einheit, die fähig ist, sich zu vermehren oder genetisches Material zu übertragen.“ Diese Definition erfasst auch Viren und Viroide. Folglich fallen gentechnische Arbeiten mit diesen Partikeln unter die Bestimmungen des Gentechnikgesetzes.
  • a) DNA-Sequenzierung ist eine Methode zur Entschlüsselung der Erbinformation durch Ermittlung der Basenabfolge. b) Protein-Sequenzierung ist eine Methode zur Ermittlung der Aminosäurenabfolge.
  • Eine Sonde im molecularbiologischen Sinn ist ein Stück markierte RNA oder DNA, die mit einer gesuchten Sequenz binden (hybridisieren) kann.
  • Ein Virus ist ein infektiöses Partikel (keine Zelle!), das aus einer Proteinhülle und aus einem Genom (DNA oder RNA) besteht. Um sich vermehren zu können, ist es vollständig auf die Stoffwechsel der lebenden Zellen des Wirtsorganismus angewiesen (z.B. Bakterien bei Phagen, Leberzellen beim Hepatitis-A-Virus).
  • Bioinformatik ist eine Wissenschaft, die sich mit der Verwaltung und Analyse biologischer Daten mit Hilfe modernster Computertechnik, befasst. Dient derzeit hauptsächlich zur Vorhersage der Bedeutung von DNA-Sequenzen, der Proteinstruktur, des molekularen Wirkmechanismus und der Eigenschaften von Wirkstoffen. (2. Satz: mwg-biotech)
  • Biochemie ist die Lehre von den chemischen Vorgängen in Lebewesen und liegt damit im Grenzbereich zwischen Chemie, Biologie und Physiologie.
  • Die Molekularbiologie beschäftigt sich mit der Struktur, Biosynthese und Funktion von DNA und RNA und und deren Interaktion miteinander und mit Proteinen. Mit Hilfe von molekularbiologischen Daten ist es zum Beispiel möglich, die Ursache von Krankheiten besser zu verstehen und die Wirkungsweise von Medikamenten zu optimieren.
  • Die Expression ist die Biosynthese eines Genprodukts (= Umsetzung der genetischen Information in Proteine). Sie erfolgt in der Regel als Transkription von DNA zu mRNA und anschließender Translation von mRNA zu Protein.
  • Die Zytologie oder auch Zellbiologie ist eine Disziplin der Biowissenschaften, in der mit Hilfe mikroskopischer und molekularbiologischer Methoden die Zelle erforscht wird, um biologische Vorgänge auf zellulärer Ebene zu verstehen und aufzuklären.
  • Molekular bedeutet: auf Ebene der Moleküle.
  • Mit Imaging ist meist eine Methode zur Bildgenerierung und -erfassung gemeint.
  • Unter Photosynthese wird die Erzeugung hochmolekularer energiereicher Verbindungen (Glukose) aus einfachen Molekülen (Kohlendioxid, Wasser) verstanden, wobei beträchtliche Mengen Sauerstoff entstehen. Chlorophyllhaltige Organismen (höhere Pflanzen, Algen, phototrophe Bakterien) nutzen dafür die Sonnenlichtenergie.
  • Als Ökosystem wird das Zusammenleben zwischen den Lebewesen in ihrer Umwelt bezeichnet.
  • am Rand oder auf der Grenze liegend
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