Schwefelhöhle in Colorado, Heimat des Blutes

Von

Aaron Scott

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Emily Kwong

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Gabriel Spitzer

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Thomas Lu

Darshan Chudasama, ein Doktorand im Bhamla Lab an der Georgia Tech, kommt mit einem Fläschchen mit giftigem Quellwasser und den darin lebenden Würmern aus der Sulphur Cave in Steamboat Springs, Colorado. Stadt Steamboat Springs Bildunterschrift ausblenden

Darshan Chudasama, ein Doktorand im Bhamla Lab an der Georgia Tech, kommt mit einem Fläschchen mit giftigem Quellwasser und den darin lebenden Würmern aus der Sulphur Cave in Steamboat Springs, Colorado.

Die drei Naturwissenschaftsstudenten der Georgia Tech kommen in brandneuen Dickies-Overalls an und sind bereit, in die Eingeweide der Erde vorzudringen.

„Sulphur Cave ist ein wirklich gefährlicher Ort“, sagt David Steinmann, ein erfahrener Höhlenforscher und wissenschaftlicher Mitarbeiter des Denver Museum of Nature and Science, der alle Forscher am Eingang der Höhle versammelt. „Wenn Sie die Vorsichtsmaßnahmen treffen, die wir treffen, und die Ausrüstung und die Handschuhe haben, dann sind Sie in Sicherheit. Das hoffe ich.“

Von der Oberfläche aus sieht die Schwefelhöhle nicht besonders gefährlich aus. Es ist ein Loch im Boden am Rande einer Skipiste auf dem Howelson Hill in Steamboat Springs, Colorado, umgeben von einem Holzzaun. Aus einer nahegelegenen Quelle sprudelt ein Bach, der nach Schwefel stinkt, in das Loch abfällt und einen anhaltenden Hauch fauler Eier in die Luft bringt.

Aber unter der Erde ist die Höhle einzigartig. Als eine von nur einer Handvoll Schwefelhöhlen auf der Welt wurde sie 2021 vom National Parks Service zum National Natural Landmark erklärt. Ein wichtiger Grund dafür ist, dass sie ein Lebewesen beherbergt, das das Interesse von Wissenschaftlern auf der ganzen Welt geweckt hat: ein kleines , blutroter Wurm, der in den giftigen Gewässern in windenden Wurmklumpen lebt.

„Die Schwefelhöhlenwürmer sind am interessantesten, weil sie dort leben können, wo normalerweise nichts auf der Welt leben könnte“, sagt Steinmann, ein Feuchtgebietsbiologe, der 2007 als einer der ersten die Würmer dokumentierte.

Die Würmer gehören zur Kategorie der Organismen, die als Extremophile bekannt sind – Lebewesen, die in extremen Umgebungen leben können. Für Wissenschaftler sind sie wie Katzenminze, denn viele haben neuartige Verbindungen und biologische Prozesse entwickelt, mit denen Forscher neue Antibiotika und Medikamente entwickeln können, oder, wie im Fall des Georgia-Teams, Modelle für Roboter, die gefährliche, unebene Orte erkunden könnten.

Tausende Wurmklumpen, die jeweils aus Dutzenden einzelner Limnodrilus sulphurensis-Würmer bestehen, ernähren sich von schwefelfressenden Bakterien im giftigen Quellwasser der Sulphur Cave. Norman R. Thompson Bildunterschrift ausblenden

Tausende Wurmklumpen, die jeweils aus Dutzenden einzelner Limnodrilus sulphurensis-Würmer bestehen, ernähren sich von schwefelfressenden Bakterien im giftigen Quellwasser der Sulphur Cave.

Erste Priorität: Atmung

Bevor sie sich auf die Suche nach den Würmern machen können, müssen die Höhlenforschungsforscher in sich geschlossene Atemgeräte tragen, die aus einem Sauerstofftank und einer Gesichtsmaske bestehen, da die Luft in der Höhle tödliche Mengen an Schwefelwasserstoff und Kohlendioxid enthält .

„Ich habe schon früher in U-Booten gearbeitet, daher ist das für mich keine große Sache“, sagt Harry Tuazon und bemerkt, dass sie bei Bränden im U-Boot Atemschutzgeräte verwendeten – meist aufgrund ungereinigter Trockner-Flusenfänger –, bevor sie den Atemschutzschlauch daran anbrachten seine Gesichtsmaske mit einem Klicken und lautem Luftausstoß.

Tuazon ist ein Navy-Offizier, der zum Doktoranden an der Georgia Tech wurde und am Bhamla Lab Bioingenieurwesen studiert. Er ist der Erste, der mit Steinmann in die Höhle geht.

Während ihre SBCAs Atemgeräusche erzeugen, die an Darth Vader erinnern, steigen die beiden vorsichtig das steile Bachbett hinunter bis zu einem vertikalen Spalt am Boden und zwängen sich dann in die Höhle.

„Jetzt sind wir hier ein bisschen unten, genau in der Zone, in der die Luft wirklich giftig wird“, sagt Steinmann und seine gedämpfte Stimme ertönt aus dem Lautsprecher des Atemschutzgeräts.

Die Decke der Schwefelhöhle ist mit zarten Kristallen und Rotzsteinen bedeckt – winzigen Stalaktiten, die aussehen, als würden sie Schleim abtropfen lassen, in Wirklichkeit aber Bakterienkolonien sind, die Schwefelsäure abtropfen lassen, die sie ausscheiden, wenn sie Schwefelwasserstoff im Quellwasser verdauen. Norman R. Thompson Bildunterschrift ausblenden

Die Decke der Schwefelhöhle ist mit zarten Kristallen und Rotzsteinen bedeckt – winzigen Stalaktiten, die aussehen, als würden sie Schleim abtropfen lassen, in Wirklichkeit aber Bakterienkolonien sind, die Schwefelsäure abtropfen lassen, die sie ausscheiden, wenn sie Schwefelwasserstoff im Quellwasser verdauen.

Im Inneren ist die Höhle eine kleine Schönheit. Der Hauptraum ist etwa 75 Fuß lang und 5 Fuß hoch. Die Decke ist mit zarten Kristallformationen bedeckt, die im Licht der Scheinwerfer glitzern.

"Man würde es natürlich nicht merken, aber wenn man sich die Decken und die Wände ansieht, sind sie tatsächlich mit Tausenden verschiedener Bakterienarten bedeckt“, sagt Steinmann.

Auf den meisten Oberflächen bilden die Bakterien eine gelb-weiße Schicht, die sich bei Berührung wie eine Paste ablöst. Einige der Bakterienkolonien bilden jedoch dunkle, gewundene, seilartige Gebilde, sogenannte Biovermikulationen, die nach Ansicht von Steinmann wie Hirnkorallen aussehen.

Andere Kolonien bilden strohähnliche Strukturen, die von der Decke hängen und die Höhlenforscher Rotztitten genannt haben, weil sie wie Stalaktiten aus Schleim aussehen. Es mag ein süßer Name sein, aber die Rotztiere tropfen Schwefelsäure ab, die die Bakterien aus dem Schwefelwasserstoff verstoffwechselt haben, der durch das Gestein sickert. Der pH-Wert der Säure ist niedrig genug, um bei längerem Kontakt Haut und Kleidung zu verbrennen.

Wissenschaftler untersuchten 2007 die Höhle. Eine kränklich weiße Paste aus Schwefelwasserstoff und Hunderten von Bakterienarten bedeckt die meisten Oberflächen der Höhle. Norman R. Thompson Bildunterschrift ausblenden

Wissenschaftler untersuchten 2007 die Höhle. Eine kränklich weiße Paste aus Schwefelwasserstoff und Hunderten von Bakterienarten bedeckt die meisten Oberflächen der Höhle.

„Wie etwas auf einem anderen Planeten“

Am Boden weitet sich der Bach über den Höhlenboden und verschwindet in der Dunkelheit. Das Bachbett und die Felsen sind außerdem mit einer gelb-weißen Bakterienmatte überzogen, die der gesamten Höhle ein gespenstisches, jenseitiges Gefühl verleiht.

Und dort findet Steinmann sie.

„Wenn man hinschaut, sieht man überall Wurmbüschel“, sagt er und zeigt auf den Boden. „Es gibt Tausende und Abertausende.“

Die Wurmklumpen sehen aus wie dunkelrote Seeanemonen, die sich im Bachbett winden. Die einzelnen Würmer sind etwa einen Zentimeter lang, dünn wie Bleistiftminen und ernähren sich von den Bakterien in der Höhle, die wiederum vom Schwefel leben.

„Als ich die Höhle zum ersten Mal betrat, kam es mir wie eine sehr unberührte und ungestörte Umgebung vor, fast wie etwas auf einem anderen Planeten“, sagt Steinmann. „Es erinnert uns daran, wo wir eines Tages Leben in unterirdischen Höhlen auf anderen Planeten unseres Sonnensystems finden könnten.“

Steinman war der erste Mensch auf diesem Planeten, der berichtete, die Würmer gesehen zu haben.

David Steinmann sammelt Würmer. „Die Schwefelhöhlenwürmer sind am interessantesten, weil sie dort leben können, wo normalerweise nichts auf der Welt leben könnte“, sagt er. Norman R. Thompson Bildunterschrift ausblenden

David Steinmann sammelt Würmer. „Die Schwefelhöhlenwürmer sind am interessantesten, weil sie dort leben können, wo normalerweise nichts auf der Welt leben könnte“, sagt er.

Im Jahr 2007 wurde er eingeladen, sich einer Gruppe von Wissenschaftlern anzuschließen, um die Schwefelhöhle zu untersuchen und zu dokumentieren. Sie bliesen mit Ventilatoren Sauerstoff in die Höhle, damit sie ohne Pressluftatmer hineingehen konnten, und Steinmann ging zuerst hinein, damit er Proben des Höhlenlebens sammeln konnte, bevor die anderen Forscher es störten. Er hat den Ruf, in Höhlen neue Arten zu entdecken.

„In den letzten 20 Jahren habe ich etwa hundert neue Arten entdeckt“, sagt er. „Bisher wurden vielleicht ein paar Dutzend benannt, und es gibt noch viel mehr da draußen. Ich scherze gerne mit meinen Freunden, wenn ich eine neue Art in einer Höhle finden möchte, muss ich nur zu einer gehen.“ Höhle, in der ich noch nie war, und fast garantiert, wenn es ein bisschen Feuchtigkeit gibt, werde ich etwas finden.

Das liegt daran, dass Höhlen wie kleine Inseln der Evolution sind – oder was Steinmann Mikrohabitate nennt.Da sie von den meisten anderen Lebensräumen abgeschnitten sind und in der Regel das ganze Jahr über eine konstante Temperatur herrscht, neigen die Lebewesen dazu, sich so zu entwickeln, dass sie in jede spezifische Höhle passen.

„Viele der Höhlenbewohner haben sich so entwickelt, dass sie keine Pigmente haben – sie sind Albinos“, sagt Steinmann. „Sie haben wirklich lange Beine und viele Sinneshaare am Körper, mit denen sie im Dunkeln herumtasten können, und ihre Augen werden immer kleiner, manchmal bis auf nichts.“

Biovermiculationen sind eine unterirdische Formation mit der Konsistenz von feuchtem Ton, die durch eine Mischung aus Mikroben und Sedimenten entsteht. Wissenschaftler beginnen gerade erst zu verstehen, wie und warum sie entstehen. Norman R. Thompson Bildunterschrift ausblenden

Biovermiculationen sind eine unterirdische Formation mit der Konsistenz von feuchtem Ton, die durch eine Mischung aus Mikroben und Sedimenten entsteht. Wissenschaftler beginnen gerade erst zu verstehen, wie und warum sie entstehen.

Winzige Würmer, extremes Potenzial

Nach der Analyse der Würmer konnten Steinmann und mehrere andere Forscher bekannt geben, dass es sich um eine für die Wissenschaft neue Art handelte, die nur hier und in einem nahegelegenen Bach lebte. Sie nannten sie Limnodrilus sulphurensis. Und die Nachricht verbreitete sich in extremophilen Kreisen.

„Im Laufe der Jahre habe ich festgestellt, dass immer mehr Forscher mich kontaktiert haben, um zu fragen, ob ich Würmer für sie sammeln könnte, damit sie sie auf neue Weise untersuchen können, etwa mit Antibiotika, den Roboterwürmern, der Physiologie, dem Blut usw. die entgiftenden Substanzen“, sagt Steinmann.

Wissenschaftler neigen dazu, sich aus zwei Gründen für Extremophile zu interessieren: Erstens, weil sie sich so entwickelt haben, dass sie in Umgebungen leben, die für die meisten Lebewesen auf der Erde tödlich sind – sei es zu kalt, zu heiß, zu sauer, zu radioaktiv, zu schwefelhaltig –, als die sie dienen können Modelle dafür, wie sich Leben auf anderen Planeten entwickeln könnte, auf denen sich die chemische Zusammensetzung der Atmosphären und Flüssigkeiten von der auf der Erde unterscheidet.

Zweitens beruht die Biologie, die sie für das Leben in diesen Umgebungen entwickelt haben, oft auf unbekannten Verbindungen und chemischen Prozessen, die sich für Wissenschaftler als nützlich erwiesen haben, die alles von Biokraftstoff über laktosefreie Milch bis hin zu Methoden zur Beseitigung giftiger verschütteter Flüssigkeiten untersuchen.

Die Schwefelwürmer ihrerseits bieten einige verlockende Rätsel.

Die Georgia Tech-Studenten werden Würmer zurück ins Labor bringen, um zu untersuchen, wie sie sich als verschlungene Gruppe bewegen, um ihnen bei der Entwicklung von Modellen für die Schaffung eines Wurmschwarmroboters zu helfen, der unebenes Gelände erkunden kann. Stadt Steamboat Springs Bildunterschrift ausblenden

Die Georgia Tech-Studenten werden Würmer zurück ins Labor bringen, um zu untersuchen, wie sie sich als verschlungene Gruppe bewegen, um ihnen bei der Entwicklung von Modellen für die Schaffung eines Wurmschwarmroboters zu helfen, der unebenes Gelände erkunden kann.

Steinmann sagte, ein Forscher habe ihm gesagt, dass das mit Sulfid gefüllte Quellwasser zehnmal giftiger sei als Vulkanquellen am Meeresgrund. Deshalb untersuchen Wissenschaftler, wie die Würmer das Sulfid entgiften können. Steinmann sagt, sie hätten bisher zwei Substanzen mithilfe der Gaschromatographie nachgewiesen: eine, die ihnen bekannt ist, und eine, die ein Rätsel ist.

Außerdem enthält das Quellwasser hier einen so niedrigen Sauerstoffgehalt, dass nur wenige Organismen überleben könnten, sodass die Würmer ein leistungsfähiges Kreislaufsystem angepasst haben. „Sie haben Blut, das Sauerstoff erstaunlich gut bindet“, sagt Steinmann. Er scherzt gern darüber, dass Sportler sich wünschten, sie hätten Wurmblut, und weist damit auf eine weitere mögliche medizinische Anwendung hin.

Forscher in Frankreich haben die Würmer gebeten, nach neuen antibiotischen Verbindungen zu suchen, die den Würmern helfen könnten, neben Hunderten von Bakterienarten in der Höhle zu leben – Verbindungen, die sich als wirksam gegen die antibiotikaresistenten Bakterienstämme erweisen könnten, die zu einem wachsenden Problem werden.

Wurm-Bots und mehr

Und dann sind da noch Tuazon und sein Team von Georgia Tech. Sie sind besonders daran interessiert, wie sich die Wurmkleckse als zusammenhängende Gruppe bewegen, obwohl sie keine Führung haben.

„Ich beschäftige mich mit Biologie, Physik bis hin zur Robotik“, sagt Tuazon. „Für diese Würmer versuchen wir, Regeln zu entwickeln, um zu sagen, wie sie sich in einer verwickelten Gruppe zusammen fortbewegen können. Wir versuchen, sie beispielsweise auf den Bereich der Unterwassererkundung, der Höhlenerkundung und vielleicht des Weltraums anzuwenden.“ . Deshalb möchten wir diesen Aspekt aufgreifen, Regeln und Modelle danach erstellen und es auf die Schwarmrobotik anwenden.“

Das Bhamla-Labor, in dem Tuazon forscht, hat bereits einen solchen Roboter nach dem Vorbild von Schwarzwürmern hergestellt.

Roboter, die andere Planeten erkunden können? Neuartige Antibiotika? Verbindungen, die unser Blut mit Sauerstoff anreichern könnten? Von einigen zappelnden Wurmklumpen, die nur in dieser kleinen Höhle in Colorado leben, kann man viel erwarten, aber für Steinmann trägt das alles zum Wunder der Würmer bei.

„Wir haben die Würmer erstmals 2008 gefunden“, sagt er. „Wir befinden uns im Jahr 2022, 14 Jahre später, und wir entdecken immer noch neue Eigenschaften und Merkmale dieser ungewöhnlichen Würmer. Und ich denke, es gibt wirklich noch viel mehr zu beobachten.“

Diese Episode wurde von Thomas Lu produziert, von Gabriel Spitzer bearbeitet und von Rachel Carlson überprüft. Der Toningenieur waren Gilly Moon und Josh Newell.