im Rahmen des Forschungsprojektes „AquaDiv@Jena“, gefördert durch die ProExzellenzinitiative des Freistaats Thüringen, und des Sonderforschungsbereiches 1076 „AquaDiva“, gefördert durch die DFG
Welche BiodiversitätBiodiversitätVielfalt biologischen Lebens ("Artenreichtum"). finden wir in unterirdischen Lebensräumen wie z. B. Höhlen? Welche Rolle spielen Bakterien in den biogeochemischen Kreisläufen der Erde? Welche Bakterien sind an der Bildung von Gesteinen beteiligt?
Karstgebiete sind besonders interessante unterirdische Lebensräume, da sie eines der wichtigsten natürlichen unterirdischen Kohlenstoffreservoirs der Erde darstellen. Höhlen sind wie ein Fenster in diese unterirdischen Lebensräume und ermöglichen die Erforschung unterirdischen mikrobiellenmikrobiellDurch kleinste Lebewesen (Mikroben) hervorgerufen oder beeinflußt. Lebens. Es kann jedoch schwierig sein, zwischen den mikrobiellen Lebensgemeinschaften zu unterscheiden, die unberührt bzw. einheimisch sind und denen, die von Tieren und Menschen in Höhlen eingebracht wurden. Die Bleßberghöhle bietet einen einzigartigen unberührten Standort für die Erforschung von aktiven Bakteriengemeinschaften in einem Karstsystem.
Anhand von Stalaktitenmaterial und fluvialenfluvialDurch fließendes Wasser verursacht; zum Beispiel: "Fluviale Sedimente" = durch fließendes Wasser abgelagertes Material. Sedimenten aus der Bleßberghöhle wird die Vielfalt und Aktivität der enthaltenen Bakterien und deren Bildung von Karbonatmineralen erforscht. Dazu werden verschiedenste Techniken wie phylogenetische Analysenphylogenetische AnalyseMolekularbiologische Untersuchung evolutionärer Verwandtschaftsverhältnisse von Organismen (z. B. durch Abgleich von Erbinformationen)., BakterienkultivierungBakterienkultivierungFür weitergehende Untersuchungen werden Bakterien im Labor auf geeigneten Nährlösungen vermehrt., ElektronenmikroskopieElektronenmikroskopieSpezielle Art der Mikroskopie, die Elektronen statt Licht verwendet, um eine deutlich höhere Auflösung zu erzielen., RöntgenspektroskopieRöntgenspektroskopieEin spezielles Analyseverfahren, bei dem mittels Röntgenstrahlen die interne Struktur von Objekten untersucht werden kann., konfokale Laser-Scanning-Mikroskopiekonfokale Laser-Scanning-MikroskopieEine spezielle Art der Mikroskopie, bei der ein stark fokussierter Laserstrahl das Objekt abtastet, um eine höhere Auflösung als bei herkömmlichen Lichtmikroskopen zu erreichen. und RamanspektroskopieRamanspektroskopieEin spezielles Verfahren zur Untersuchung von Materialeigenschaften, bei dem die unterschiedlichen Frequenzen des am Objekt gestreuten Lichtes zur Interpreation genutzt werden. angewendet.
Karbonat-Präzipitate des Bakterienisolates Rhodococcus globerulus SCM4 aus der Bleßberghöhle. EDX-Kartierung unterlegt mit Graustufen-Rasterelektronenmikroskopie; die Falschfarben Rot, Grün und Blau zeigen das lokale Vorkommen der Elemente Kohlenstoff, Sauerstoff und Kalzium (Bild: Elektronenmikroskopisches Zentrum Jena, Sándor Nietzsche und Anna Rusznyak).
In der Bleßberghöhle finden sich Bereiche mit gekippten und verbogenen Makaroni. Die Orientierung der Kippung geht dabei in verschiedene Richtungen, so daß gerichtete Wasserbewegung nahezu mit Sicherheit ausgeschlossen werden kann. Alternative Hypothesen, z. B. Auftriebseffekte, werden untersucht.
Entwicklung und Anwendung von Datierungsmethoden auf der Basis von LumineszenzThermolumineszenz-DatierungIn manchen Mineralen (wie z. B. Kalzit) wird Energie in Form von Strahlenschäden (z. B. durch kosmische Strahlung) im Kristallgitter gespeichert. Durch Erhitzen kann diese gespeicherte Energie in Form von Licht freigesetzt und für die Datierung genutzt werden.- und Elektronenspinresonanz (ESR)-MethodenElektronenspinresonanz-DatierungEine physikalische Datierungsmethode, die darauf beruht, daß die Menge magnetischer Anomalien im Probenmaterial proportional zur Lagerungszeit im Sediment ist.. Anhand von Proben aus der Blessberghöhle wird die Thermolumineszenz (TL)-DatierungThermolumineszenz-DatierungIn manchen Mineralen (wie z. B. Kalzit) wird Energie in Form von Strahlenschäden (z. B. durch kosmische Strahlung) im Kristallgitter gespeichert. Durch Erhitzen kann diese gespeicherte Energie in Form von Licht freigesetzt und für die Datierung genutzt werden. von Speläothemen getestet, die das Potenzial hat, Kalzit auf bis zu ~2 Millionen Jahre zu datieren.
Geplant ist weiterhin die DatierungDatierungUm einem Stalagmiten oder gar einer einzelnen Wachstumslage im Stalagmiten ein Alter zuordnen zu können, muß eine Datierung durchgeführt werden. Dies erfolgt in der Regel radiometrisch, d. h. über die Messung von Zerfallsprodukten (siehe auch U/Th-Datierung). von Höhlensedimenten.
Wie verteilen sich U/ThU/Th-DatierungDie U/Th-Datierung ist eine sehr präzise radiometrische Altersbestimmung auf Basis der Uran-Thorium-Zerfallsreihe. Das Uran zerfällt mit bekannten Halbwertszeiten (245.500 Jahre) zum Tochterelement Thorium. Stalagmiten bauen bei ihrem Wachstum (fast) nur das wasserlösliche Uran ein, während das schlecht bewegliche Thorium zum größten Teil im Boden und Epikarst über der Höhle verbleibt. Das kann man nutzen, um die Zeit zu berechnen, die seit der Ausfällung der untersuchten Karbonatprobe vergangen ist. Moderne massenspektrometrische Verfahren erlauben Altersbestimmungen mit der U/Th-Methode bis zu 700.000 Jahren vor Heute.-DatierungenDatierungUm einem Stalagmiten oder gar einer einzelnen Wachstumslage im Stalagmiten ein Alter zuordnen zu können, muß eine Datierung durchgeführt werden. Dies erfolgt in der Regel radiometrisch, d. h. über die Messung von Zerfallsprodukten (siehe auch U/Th-Datierung). an Höhlenkarbonaten in Europa über Zeit und Raum? Können diese zur raumzeitlichen Eingrenzung des PermafrostesPermafrostUnter Permafrost versteht man dauerhaft gefrorenen Boden, der auch im Sommer nicht auftaut. In Mitteleuropa gab es während den Eiszeiten Permafrost. in Europa genutzt werden?
Entwicklung eines KarstmodellsModellEin Computermodell ist in der Regel eine Sammlung von vielen mathematischen Gleichungen, die verschiedene natürliche (physikalische, chemische, biologische) Vorgänge sehr gut mathematisch darstellen. Im Computer kann man das Modell mit verschiedenen Parameterwerten (z. B. verschiedene Häufigkeit von Klüften, verschiedene Temperatur) laufen lassen, wodurch man ein sehr gutes Verständnis der Zusammenhänge und Einflußfaktoren auf die zu untersuchenden Phänomene erhält. für den Bereich der Schalkauer Platte sowie den Tunnelbereich des Bleßbergtunnels. Tunnelbauten sind potentiell durch Wasserbewegung durch den Fels gefährdet. Besonders im stark durchlässigen Karst ist die Modellierung der Wasserwegsamkeiten zur Gefahrenbeurteilung von großer Bedeutung. Wie ändert sich das Verkarstungsverhalten durch große Bauwerke unter Tage? Wie ändert sich die Wasserbewegung durch Betoneinbau? Leidet möglicherweise die Grundwasserqualität? Welche Auswirkungen hat eine veränderte Wasserführung in der Bleßberghöhle (und in anderen Höhlen)? Diese und viele weitere Fragen sollen mit der Modellierung des Karstes angegangen werden.
Lehmbäumchen in der Bleßberghöhle (Foto: K. Peterknecht).
Quantifizierung und Qualifizierung klastischer Höhlensedimenteklastische SedimenteKlastische Sedimente sind (i. d. R. lockere) Ablagerungen aus winzig kleinen bis größeren Gesteinsbruchstückchen (im Gegensatz zu chemischen Ablagerungen, wie eingedampftes Salz, oder Ablagerungen abgestorbener Organismen, wie Korallen und Muscheln). "Klastisch" bedeutet hier feste Gesteinsbruchstücke, die aus mechanischer Zerstörung anderer Gesteine entstehen. "Sedimente" sind durch Ablagerungen entstandene Gesteine. aus dem Karstgebiet der Schalkauer Platte. Ziel ist es, auf Basis mineralogischer und physikalischer Zusammensetzung die ProvenienzProvenienzHerkunft der Sedimente. der Sedimentkomponenten zu klären und verwitterungsbedingte makro- und mikro-morphischemakro- und mikro-morphischeMakro- und mikro-morphische Veränderungen sind Oberflächenveränderungen an Gesteinsbruchstücken oder an Mineralpartikeln, die durch chemische und physikalische Verwitterung entstanden sind. Diese können durch optische Untersuchungsmethoden erkannt und interpretiert werden. Makro-morphologische Merkmale liegen im Zentimeter- bis Millimeter-Bereich, dabei kann es sich um Bruchstellen oder lösungsbedingte Rundung an Steinen oder Kies handeln. Mikro-morphologische Merkmale liegen im Millimeter- bis Mikrometer-Bereich und können bevorzugt durch Rasterelektronenmikroskope beobachtet werden. Sie können Auskunft über klimainduzierte chemische Lösung bzw. Ausfällungsbedingungen im Sediment geben. Veränderungen klimabedingten Umwelteinflüssen zuzuordnen. Weiterhin werden Bildungsbedingungen von Sedimentstrukturen wie zum Beispiel Lehmbäumchen und Sediment-Aggregate aus dem Höhlendeckenbereich („Schwalbennester“) auf Basis der Substrat-Zusammensetzung untersucht.
Für die quantitative Rekonstruktion vergangener Feuchtigkeitsregime werden detaillierte Messungen der Umweltbedingungen in der Höhle, im Boden und an der Oberfläche durchgeführt. Dieses Programm wird von der Northumbria Uni geleitet und bekommt Unterstützung von allen Seiten, besonders auch von den Höhlenforschern vor Ort. In der Höhle werden vor allem Wasserproben für die Analyse stabiler IsotopeIsotopChemische Elemente können aus verschieden aufgebauten Atomen gebildet sein. Die Anzahl Protonen im Atomkern ist zwar dabei gleich, aber die Anzahl der Neutronen kann variieren. Man spricht dann von Isotopen, deren Massen kleine, aber messbare Unterschiede aufweisen. Der Atomkern des Sauerstoffs besteht z. B. aus 8 Protonen und in der Regel aus 8 Neutronen. Es gibt aber auch Sauerstoff, dessen Kerne aus 8 Protonen und 9 oder 10 Neutronen bestehen (neben selteneren, instabilen Sauerstoffisotopen). Um das zu kennzeichnen, gibt man zusätzlich zum chemischen Symbol noch die Massenzahl (Summe aus Protonen und Neutronen) an, also 16O, 17O oder 18O. Die unterschiedlichen Isotope verhalten sich zwar chemisch identisch, physikalisch aber - aufgrund ihres unterschiedlichen Gewichtes - leicht unterschiedlich. Damit stellen sie äusserst wertvolle Marker dar, die uns wichtige Hinweise zur Änderung des Klimas, der Umgebungsvegetation, Bodenaktivität und vielem mehr geben. (δD und δ18O) gesammelt und eine Reihe von Parametern gemessen, wie z. B. Luft- und Wassertemperatur in der Höhle, Wasserdruck, pCO2 und Tropfraten. An der Oberfläche werden Lufttemperatur und Bodentemperaturen in verschiedenen Tiefen gemessen. Ausserdem wird in der Höhle Karbonat auf Uhrgläsern gesammelt, um Kalibrationsstudien zu unterstützen und die Wachstumsdynamik der Stalagmiten besser zu verstehen.
Die ersten drei Stalagmiten aus der Bleßberghöhle (BB-1, BB-2, BB-3) sind während der letzten etwa 10.000 Jahre, dem HolozänHolozänDer jüngste Abschnitt der geologischen Zeitgeschichte, etwa die letzten 11.700 Jahre., gewachsen. Anhand der Analyse stabiler IsotopeIsotopChemische Elemente können aus verschieden aufgebauten Atomen gebildet sein. Die Anzahl Protonen im Atomkern ist zwar dabei gleich, aber die Anzahl der Neutronen kann variieren. Man spricht dann von Isotopen, deren Massen kleine, aber messbare Unterschiede aufweisen. Der Atomkern des Sauerstoffs besteht z. B. aus 8 Protonen und in der Regel aus 8 Neutronen. Es gibt aber auch Sauerstoff, dessen Kerne aus 8 Protonen und 9 oder 10 Neutronen bestehen (neben selteneren, instabilen Sauerstoffisotopen). Um das zu kennzeichnen, gibt man zusätzlich zum chemischen Symbol noch die Massenzahl (Summe aus Protonen und Neutronen) an, also 16O, 17O oder 18O. Die unterschiedlichen Isotope verhalten sich zwar chemisch identisch, physikalisch aber - aufgrund ihres unterschiedlichen Gewichtes - leicht unterschiedlich. Damit stellen sie äusserst wertvolle Marker dar, die uns wichtige Hinweise zur Änderung des Klimas, der Umgebungsvegetation, Bodenaktivität und vielem mehr geben. und von Spurenelementen wird versucht, verschiedene Aspekte der damals herrschenden Umwelt- und Klimabedingungen zu rekonstruieren. Obwohl es bereits erste interessante publizierte Ergebnisse gibt, geht die Untersuchung dieser Proben weiter.
DFG-Projekt: Quantitative Rekonstruktion des Klimas in Mitteleuropa während des MIS 3MIS 3"MIS" ist die Abkürzung für "marine isotope stage", übersetzt also "Isotopenstadium mariner Sedimente". Da sich beim Wechsel von Warm- zu Kaltzeiten (und umgekehrt) die Isotopenverhältnisse in den Kalkschalen kleiner Einzeller (Foraminiferen) auf dem Meeresboden ändern, werden diese zur Datierung herangezogen und lassen sich zur Eingruppierung verschiedener Klimazustände in der Vergangenheit nutzen. "MIS 3" bedeutet dabei eine kurzzeitige Warmphase (beginnend vor 57 Tausend Jahren) während der letzten Eiszeit. basierend auf Multi-ProxyProxyUmwelt- und Klimainformationen aus der Vergangenheit sind nicht direkt verfügbar, weil niemand da war, der diese messen und aufzeichnen konnte. Daher ist man darauf angewiesen, diese Informationen indirekt aus anderen Informationen abzuleiten, wie z. B. Baumringe, das Verhältnis von Sauerstoffisotopen, Spurenelementen, Mächtigkeit von Sedimentschichten usw. Diese Art von Daten nennt man Proxies, was aus dem englischen stammt und „Stellvertreter“ bedeutet. Daten präzise datierter Spaläotheme (Flowstones) aus der Bleßberg Höhle, Deutschland
Verglichen mit unserer aktuellen Warmzeit, dem HolozänHolozänDer jüngste Abschnitt der geologischen Zeitgeschichte, etwa die letzten 11.700 Jahre., ist das letzte Glazial und besonders das Marine Isotopenstadium 3MIS 3"MIS" ist die Abkürzung für "marine isotope stage", übersetzt also "Isotopenstadium mariner Sedimente". Da sich beim Wechsel von Warm- zu Kaltzeiten (und umgekehrt) die Isotopenverhältnisse in den Kalkschalen kleiner Einzeller (Foraminiferen) auf dem Meeresboden ändern, werden diese zur Datierung herangezogen und lassen sich zur Eingruppierung verschiedener Klimazustände in der Vergangenheit nutzen. "MIS 3" bedeutet dabei eine kurzzeitige Warmphase (beginnend vor 57 Tausend Jahren) während der letzten Eiszeit. (MIS 3, ca. 57 bis 27 kaka BPMit "ka BP" sind "Tausend Jahre vor 1950" gemeint. Das "BP" steht für "before present", was in der Paläoklima-Wissenschaft als 1950 festgelegt wurde. "11.000 ka BP" bedeuted also 11 Tausend Jahre vor 1950, oder unter Verwendung unseres gewohnten Kalenders: 9050 v. Chr.) durch starke Klimaoszillationen geprägt. Dies wird beispielsweise durch Daten von Sauerstoffisotopenδ18ODer Atomkern des Sauerstoffs besteht aus 8 Protonen und in der Regel aus 8 Neutronen. Es gibt aber auch Sauerstoff, dessen Kerne aus 8 Protonen und 9 oder 10 Neutronen bestehen (neben selteneren, instabilen Sauerstoffisotopen). Um das zu kennzeichnen, gibt man zusätzlich zum chemischen Symbol noch die Massenzahl (Summe aus Protonen und Neutronen) an, also 16O, 17O oder 18O. Das zahlenmäßige Verhältnis zwischen dem häufigsten Isotop 16O und dem schwereren, aber viel seltener auftretenden 18O wird durch vielfältige Mechanismen bestimmt. Verdunstet z. B. das Wasser in einem Wassertropfen, so geht zuerst das Wasser mit dem leichteren Sauerstoff, also 16O, in den gasförmigen Zustand über, da hierfür weniger Energie aufgewandt werden muss. Schwerere Sauerstoffisotope verbleiben in dem Wassertropfen dagegen viel länger. Das hat zur Folge, dass sich das Verhältnis zwischen 16O und 18O zugunsten von 18O verschiebt. Diese Abweichung kann gegen Standards verglichen werden; die Abweichung dieses Verhältnisses vom Standard wird als δ18O beschrieben. Da diese Abweichung des Isotopenverhältnisses vom Normalwert von verschiedenen Umweltparametern, wie Temperatur, Wind oder Luftfeuchtigkeit abhängt, bietet sie sich als Maß für Veränderungen im hydrologischen Kreislauf und damit als Klimaindikator an. (δ18O) Daten grönländischer Eisbohrkerne oder auch europäischen Klimaarchiven wie Pollen- oder Baumring-Datensätzen belegt. Leider gibt es jedoch wenige direkte ProxyProxyUmwelt- und Klimainformationen aus der Vergangenheit sind nicht direkt verfügbar, weil niemand da war, der diese messen und aufzeichnen konnte. Daher ist man darauf angewiesen, diese Informationen indirekt aus anderen Informationen abzuleiten, wie z. B. Baumringe, das Verhältnis von Sauerstoffisotopen, Spurenelementen, Mächtigkeit von Sedimentschichten usw. Diese Art von Daten nennt man Proxies, was aus dem englischen stammt und „Stellvertreter“ bedeutet.-basierte Nachweise aus der Region Zentraleuropas, weshalb die Klima- und Umweltbedingungen während des MIS 3 noch immer größtenteils unbekannt sind. Zentraleuropäische SpeläothemeSpeläothemSekundäre Mineralablagerungen in Höhlen, wie Sinter, Stalagmiten, Stalaktiten, usw. mit Wachstumsphasen während des MIS 3 sind durch vermutlich kalte Klimabedingungen limitiert und treten primär in wärmeren südlicheren, sowie alpinen Regionen, in denen das Wachstum durch Schmelzwässer ermöglicht wurde, auf.
Die DatierungDatierungUm einem Stalagmiten oder gar einer einzelnen Wachstumslage im Stalagmiten ein Alter zuordnen zu können, muß eine Datierung durchgeführt werden. Dies erfolgt in der Regel radiometrisch, d. h. über die Messung von Zerfallsprodukten (siehe auch U/Th-Datierung). mehrere Proben aus der Bleßberg-Höhle (Deutschland) mit Hilfe der 230Th/U-MethodeU/Th-DatierungDie U/Th-Datierung ist eine sehr präzise radiometrische Altersbestimmung auf Basis der Uran-Thorium-Zerfallsreihe. Das Uran zerfällt mit bekannten Halbwertszeiten (245.500 Jahre) zum Tochterelement Thorium. Stalagmiten bauen bei ihrem Wachstum (fast) nur das wasserlösliche Uran ein, während das schlecht bewegliche Thorium zum größten Teil im Boden und Epikarst über der Höhle verbleibt. Das kann man nutzen, um die Zeit zu berechnen, die seit der Ausfällung der untersuchten Karbonatprobe vergangen ist. Moderne massenspektrometrische Verfahren erlauben Altersbestimmungen mit der U/Th-Methode bis zu 700.000 Jahren vor Heute. präsentierte allerdings zwei Flowstones, welche während des MIS 3 und des Spätglazials gewachsen sind. Diese beiden Flowstones repräsentieren damit den nördlichsten (kontinentalen) Wachstum von Speläothemen in Mitteleuropa.
Das Hauptziel dieses Projekts ist die Erstellung eines präzise datierten Multi-Proxy Datensatzes für das MIS 3, sowie das Spätglazial, basierend auf den zwei Flowstones aus der Bleßberg Höhle. Dies gibt uns die einzigartige Möglichkeit in ausgewählten Phasen des letzten Glazials präzise datierte Informationen zur Variabilität des terrestrischen Klimas zu erhalten, die derzeit für Mitteleuropa basierend auf Speläothemen nicht verfügbar sind. Mit der Kombination verschiedener Proxys wie stabile IsotopeIsotopChemische Elemente können aus verschieden aufgebauten Atomen gebildet sein. Die Anzahl Protonen im Atomkern ist zwar dabei gleich, aber die Anzahl der Neutronen kann variieren. Man spricht dann von Isotopen, deren Massen kleine, aber messbare Unterschiede aufweisen. Der Atomkern des Sauerstoffs besteht z. B. aus 8 Protonen und in der Regel aus 8 Neutronen. Es gibt aber auch Sauerstoff, dessen Kerne aus 8 Protonen und 9 oder 10 Neutronen bestehen (neben selteneren, instabilen Sauerstoffisotopen). Um das zu kennzeichnen, gibt man zusätzlich zum chemischen Symbol noch die Massenzahl (Summe aus Protonen und Neutronen) an, also 16O, 17O oder 18O. Die unterschiedlichen Isotope verhalten sich zwar chemisch identisch, physikalisch aber - aufgrund ihres unterschiedlichen Gewichtes - leicht unterschiedlich. Damit stellen sie äusserst wertvolle Marker dar, die uns wichtige Hinweise zur Änderung des Klimas, der Umgebungsvegetation, Bodenaktivität und vielem mehr geben. oder SpurenelementeSpurenelementEin Spurenelement ist ein chemisches Element genannt, das nur in geringer Konzentration in einer Probe vorhanden ist. Tropfsteine bestehen fast ausschließlich aus Kalziumkarbonat, also aus den Elementen Kalzium, Kohlenstoff und Sauerstoff. Andere Elemente kommen nur in sehr geringen Konzentrationen vor, sind aber vorhanden. Deren Konzentration hängt oft von den während der Entstehung des Tropfsteins herrschenden Umweltbedingungen ab., der Ergebnisse eines Höhlenmonitoring-Programms, der Analayse von δD und δ18O Daten von fluid inclusions und einer isotopeIsotopChemische Elemente können aus verschieden aufgebauten Atomen gebildet sein. Die Anzahl Protonen im Atomkern ist zwar dabei gleich, aber die Anzahl der Neutronen kann variieren. Man spricht dann von Isotopen, deren Massen kleine, aber messbare Unterschiede aufweisen. Der Atomkern des Sauerstoffs besteht z. B. aus 8 Protonen und in der Regel aus 8 Neutronen. Es gibt aber auch Sauerstoff, dessen Kerne aus 8 Protonen und 9 oder 10 Neutronen bestehen (neben selteneren, instabilen Sauerstoffisotopen). Um das zu kennzeichnen, gibt man zusätzlich zum chemischen Symbol noch die Massenzahl (Summe aus Protonen und Neutronen) an, also 16O, 17O oder 18O. Die unterschiedlichen Isotope verhalten sich zwar chemisch identisch, physikalisch aber - aufgrund ihres unterschiedlichen Gewichtes - leicht unterschiedlich. Damit stellen sie äusserst wertvolle Marker dar, die uns wichtige Hinweise zur Änderung des Klimas, der Umgebungsvegetation, Bodenaktivität und vielem mehr geben.-enabled Klimamodellierung, bekommen wir die Möglichkeit detaillierte Einblicke in die Umweltbedingungen Zentraleuropas während des MIS 3 und des Spätglazials zu erhalten.
