The data presented here include the metadata (cruise, station number, geographic coordinates, water depth, temperature, salinity and solid-phase extracted dissolved organic carbon concentrations (SPE-DOC)) for multiple oceanographic cruises in the Atlantic, Pacific and Southern oceans (HOTS, BATS, SO254, SO245, SO248, ANT 28-II, ANT 28-IV, and 28-V) between 2009 and 2017. These metadata were used in conjunction with the accompanying dataset to assess the role of deep ocean mixing in the molecular composition of dissolved organic matter was compiled from the CTD bottle data of multiple cruises, some of which are available on PANGAEA at the following links: SO248: https://doi.org/10.1594/PANGAEA.864673, SO245: https://doi.org/10.1594/PANGAEA.890394, SO254: https://doi.org/10.1594/PANGAEA.890453.
Im Rahmen des internationalen Expeditionsvorhabens ANDEEP (Antarctic benthic deep-sea biodiversity) soll die Artenvielfalt der benthischen Harpacticoida (Copepoda) untersucht werden. Dafür sollen auf zwei Fahrtabschnitten je zwei weit auseinanderliegende Stationen mit mehreren Multicorern hintereinander in Tiefen ab 3000 m beprobt werden. Für jede Probe soll die Artenzusammensetzung und die Abundanz der einzelnen Arten vierer ausgewählter übergeordneter Taxa (Argestidae, Pseudotachidiidae, Neobradyidae, Huntemanniidae) als Grundlage für eine Untersuchung der Diversitätsmuster ermittelt werden. Durch Vergleich der vier Stationen untereinander und mit denen der bereits durchgeführten DIVA-Expedition zum Angola-Becken soll überprüft werden, wie groß die Areale sind, die einzelne Arten besiedeln bzw. wie hoch der Anteil weit verbreiteter und lokaler Arten ist. Dies ist wichtig, will man zu einer überschlagmäßigen Abschätzung der Gesamtartenzahl der Harpacticoida in der Tiefsee gelangen. Außerdem wird ein Vergleich der Harpacticoida der antarktischen Tiefsee mit denen des Schelfes angestrebt. Ausgewählte Teiltaxa sollen systematisch bearbeitet werden. Zusätzlich werden von uns die Loricifera untersucht.
The present study aimed at a first characterization of the enigmatic JTB255 marine benthic group in deep-sea sediments, by: i) confirming the abundance and ubiquitous distribution of JTB255 in deep-sea sediments globally, ii) refining the phylogenetic positioning of the JTB255 clade within the \u03b3-Proteobacteria, iii) distinguishing potential ecotypes within the JTB255 clade, iv) providing first insights into the metabolic potential of deep-sea representatives of this clade. Therefore, two single cell genomes from Arctic HAUSGARTEN deep-se surface sediments were obtained and CARD-FISH counts of total cells, y-Proteobacteria and the JTB255 marine benthic group performed.
Exp. 370 diente der Erforschung des oberen Temperaturlimits der Tiefen Biosphäre vor dem Kap Muroto im Nankai Graben vor Japan. Dieser Standort ist charakterisiert durch einen extrem hohen Wärmefluss und sehr hohe Temperaturen, die an der Grenzfläche des Sediments zur Kruste bis zu 120 Grad C erreichen können. Dies entspricht der Maximaltemperatur bei der Leben bisher im Labor nachgewiesen wurde. Dieser Temperaturbereich umfasst ebenfalls den Bereich in dem Katagenese stattfindet, der thermische Zerfall von organischem Material zu flüssigen und flüchtigen Kohlenwasserstoffen. Es wird vermutet, dass dieses durch Katagenese gebildete labile und sauerstoffreiche oxidierte organische Material eine direkte Nahrungsquelle für die Mikrobengemeinschaften in diesen Sedimenten ist und somit eine direkte Kopplung der abiotischen und biotischen Zone darstellt. Die Hauptfragen in diesem Projekt sind: Welche und wieviele Mikroorganismen befinden sich in den Sedimenten nahe des Temperaturmaximums mikrobiellen Lebens? Bis in welche Tiefe, und können diese nachgewiesen werden? Wie ist mikrobielles Leben an diese extremen Bedingungen angepasst? Welche bioverfügbaren Verbindungen werden bei erhöhten Temperaturen aus dem organischen Material freigesetzt und inwieweit stellen diese eine Verknüpfung der tiefen Geo- und Biosphäre im Nankai Graben dar? Hierfür wird ein umfassender geochemischer Ansatz vorgeschlagen, der zum einen das Erstellen von Tiefenprofilen molekularer Lebenssignaturen vorsieht und zum anderen diese mit einer detaillierten Charakterisierung von löslichem und unlöslichem organischen Material (Kerogen) verknüpft. Diagnostische Biomoleküle wie z.B. intakte polare Membranlipide und Chinone werden hierbei mittels ultra-sensitiven massenspektrometrischen Methoden identifiziert und quantifiziert. Qualität und Bioverfügbarkeit des organischen Materials bei erhöhten Temperaturen soll mit einer Kombination aus Elementaranalyse und massenspektrometrischen, spektroskopischen und pyrolytischen Methoden untersucht werden. Zusätzlich wird die Bildung von potentiellen organische Substrate für die Mikrobengemeinschaften mittels wässriger Pyrolyse in Laborversuchen getestet. Diese Arbeiten stehen im direkten Bezug zu fundamentalen Fragen der Erforschung der Tiefen Biosphäre und versprechen wichtige Einblicke in Hinblick auf die Verteilung von tief versenktem Leben und der Faktoren welche dessen Ausbreitung limitiert.
Der Arktische Ozean und umgebende Landmassen sind bzw. waren Gegenstand sehr schneller und drastischer Umweltveränderungen. Dies spiegelt sich besonders deutlich in dem alarmierenden Schrumpfen der Arktischen Meereisdecke während der letzten 3-4 Dekaden wider. Durch komplexe Rückkopplungseffekte ist die Arktis zum einen ein Motor für globale Klimaänderungen, zum anderen wird die Arktis aber auch extrem von der globalen Klimaerwärmung beeinflusst. Trotz der großen Bedeutung der Arktis im globalen Klimasystem ist die langfristige Klimageschichte mit dem Übergang vom Treibhaus zum Eishaus im Verlauf des Känozoikums wenig erforscht. IODP Exp 302/ACEX (2004), die erste wissenschaftliche Arktis-Bohrung, ist ein Meilenstein der Arktis-Forschung, die durchschlagende neue Erkenntnisse zur frühen Klima- und Vereisungsgeschichte der Arktis geliefert hat. Zahlreiche Schlüsselfragen bezüglich der langfristigen Entwicklung der Arktis und deren Bezug zum globalen Klimasystem blieben aber unbeantwortet. Aufbauend auf den einmaligen ACEX-Daten wurde daher eine zweite IODP-Kampagne auf dem Lomonosov-Rücken vorgeschlagen, die jetzt als IODP Exp 377 im Herbst 2021 durchgeführt wird. In Vorbereitung und Durchführung von IODP Exp 377 soll sich das hier beantragte DFG-Projekt fokussieren auf: (1) Untersuchungen in einer Pilotstudie an Sedimentkernen, die auf der Polarstern-Expedition PS115/2 (2018) an Lokationen potentieller IODP Sites genommen wurden; (2) Weiterführung der Planung und Leitung der IODP Exp 377; und (3) Dokumentation & Präsentation der Ergebnisse der Pilotstudie und der IODP Exp 377 auf Arbeitstreffen/Konferenzen sowie in Reports/Publikationen.Die Pilotstudie ist zentraler Teil dieses Projekts und von übergeordneter Bedeutung für die IODP Exp 377 und soll folgende Arbeiten beinhalten:- Die Polarstern-Kerne repräsentieren die obersten ca. 10m in Topqualität, die in den IODP-Kernen häufig nur in gestörter Form enthalten sind. Durch Kombination der Polarstern- und IODP-Sequenzen wird eine einzigartige, komplette und ungestörte Sedimentabfolge vom frühen Känozoikum bis zum Rezenten vorliegen.- Die Polarstern-Kerne werden nach IODP-Standards geloggt (MSCL) und gescannt (XRF), was eine detaillierte und eindeutige Korrelation der Polarstern- und der IODP-Kerne ermöglicht.- Mittels Litho-, Zyklo-, Paleomagneto-, and 230Th-Isotopen-Stratigraphie soll ein absolutes Altersmodell für die Polarstern-Kerne entwickelt werden, das später in das Gesamtaltersmodell der IODP-Bohrung eingearbeitet werden soll.- Für die Rekonstruktion der quartären Geschichte der Arktischen Meereisverbreitung, der Ausdehnung von Eisschilden in Sibirien sowie der Stärke von Bodenwasserströmungen auf dem Lomonosov-Rücken sollen spezielle Biomarker, mineralogische Proxies, Korngrößenverteilungen und Elementverhältnisse bestimmt werden. Diese Datensätze sind von grundlegender Bedeutung für die Interpretation ähnlicher Daten, die aus späteren Untersuchungen der IODP-Kerne gewonnen werden.
Meeressedimente enthalten schätzungsweise größer als 10^29 mikrobielle Zellen, welche bis zu 2.500 Meter unter dem Meeresboden vorkommen. Mikrobielle Zellen katabolisieren unter diesen sehr stabilen und geologisch alten Bedingungen bis zu einer Million mal langsamer als Modellorganismen in nährstoffreichen Kulturen und wachsen in Zeiträumen von Jahrtausenden, anstelle von Stunden bis Tagen. Aufgrund der extrem niedrigen Aktivitätsraten, ist es eine Herausforderung die metabolische Aktivität von Mikroorganismen unterhalb des Meeresbodens zu untersuchen. Die Transkriptionsaktivität von diesen mikroben kann seit Kurzem metatranskriptomisch untersucht werden, z.B. durch den Einsatz von Hochdurchsatzsequenzierung von aktiv transkribierter Boten-RNA (mRNA), die aus Sedimentproben extrahiert wird. Tiefseetone zeigen ein Eindringen von Sauerstoff bis zum Grundgebirge, welches auf eine geringe Sedimentationsrate im ultra-oligotrophen Ozean zurückzuführen ist. Der Sauerstoffverbrauch wird durch langsam respirierende mikrobielle Gemeinschaften geprägt, deren Zellzahlen und Atmungsraten sehr niedrig gehalten werden durch die äußerst geringe Menge organischer Substanz, die aus dem darüber liegendem extrem oligotrophen Ozean abgelagert wird. Die zellulären Mechanismen dieser aeroben mikroben bleiben unbekannt. Im Jahr 2014 hat eine Expedition erfolgreich Sedimentkerne von sauerstoffangereichertem Tiefseeton genommen. Vorläufige metatranskriptomische Analysen dieser Proben zeigen, dass der metatranskriptomische Ansatz erfolgreich auf die aeroben mikrobiellen Gemeinschaften in diesen Tiefseetonen angewendet werden kann. Wir schlagen daher vor diese Methode mit einem hohen Maß an Replikation, in 300 Proben von vier Standorten, anzuwenden. Dieser Einsatz wird es uns ermöglichen, Hypothesen in Bezug auf zelluläre Aktivitäten unterhalb des Meeresbodens, mit einer beispiellosen statistischen Unterstützung, zu testen.Wir warden den aeroben Stoffwechsel, welcher die langfristige Existenz von Organismen in Tiefseetonen unterstützt, bestimmen, Subsistenzstrategien identifizieren in aeroben und anaeroben Gemeinden unterhalb des Meeresbodens, und extrazelluläre Enzyme und ihr Potenzial für den organischen Substanzabbau charakterisieren. Die folgenden Fragen werden damit beantwortet: Wie das Leben im Untergrund über geologische Zeiträume unter aeroben Bedingungen überlebt? Was die allgegenwärtigen und einzigartigen Mechanismen sind, die langfristiges Überleben in Zellen unter aeroben und anaeroben Bedingungen fördert? Was die Auswirkungen von Sedimenttiefe und Verfügbarkeit von organischer Substanz auf die mikrobielle Produktion von extrazellulären Hydrolasen unter aeroben und anaeroben Bedingungen sind? Dies wird sowohl ein besseres Verständnis dafür liefern, wie mikrobielle Aktivitäten unterhalb des Meeresbodens verteilt sind und was ihre Rolle in biogeochemischen Zyklen ist, als auch wie das Leben über geologische Zeiträume unter extremer Energiebegrenzung überlebt.
Das International Ocean Discovery Program (IODP) ist ein zehnjähriges globales Vorhaben zur Erkundung der Bereiche unter den Meeresböden durch Tiefbohrungen. Es hat im Oktober 2013 begonnen und baut auf früheren wissenschaftlichen Ozean-Bohrprogrammen, namentlich dem Deep Sea Drilling Project (DSDP, 1968 - 83), dem Ocean Drilling Program (ODP, 1983 - 2003) und dem Integrated Ocean Drilling Program (IODP, 2003 - 2013), auf. Die wissenschaftlichen Ziele des neuen Bohrprogramms sind im Wissenschaftsplan 'Illuminating Earth's Past Present and Future' zusammengefasst. Darin sind vier Forschungsschwerpunkte festgelegt, die ihrerseits in insgesamt 14 verschiedene wissenschaftliche 'Herausforderungen' unterteilt sind:1) 'Climate and Ocean Change': Eine der wichtigsten wissenschaftlichen Herausforderungen ist es unser Verständnis für Änderungsraten und Ursachen globaler Klimaereignisse sowie deren Folgen zu verbessern. Die Erbohrung und Untersuchung von hochauflösenden Paläoklima-Archiven aus der Tiefsee erlauben Klimaänderungen und deren Rahmenbedingungen besser zu fassen und als Analogmodelle für den aktuellen Klimawandel sowie als Grundlage für numerische Modelle zur Vorhersage zukünftige Kimaänderungen heranzuziehen.2) 'Biosphere Frontiers': Eine weitere Herausforderung ist die Erforschung von Leben tief unterhalb des Meeresbodens, wo Mikroben isoliert von der photosynthetischen Welt an den Grenzbereichen theoretisch möglicher Lebensräume existieren. Die Erforschung dieser extremen Lebensräume erlaubt unter anderem Rückschlüsse auf die Entstehung des Lebens auf der Erde, da zu dieser Zeit ähnlich extreme Bedingungen herrschten. Eine weitere wichtige Herausforderung im Rahmen dieses Schwerpunktes ist die Beziehung zwischen Biodiversität und schnellen Umweltveränderungen. Ihre Erforschung ermöglicht Vorhersagen, wie der derzeitige Umweltwandel die marine Biodiversität und die marinen Ökosysteme beeinflussen könnte.3) 'Earth Connections': In diesem Schwerpunkt wird auf die geochemischen Austauschprozesse zwischen der festen Erde, den Ozeanen und der Atmosphäre fokussiert. Eine wichtige Herausforderung sind Bohrungen in den Erdmantel. Dieses größte geochemische Reservoir der Erde ist immer noch weitgehend unerforscht. Weitere Herausforderungen sind unter anderem ein besseres Verständnis für die Produktion ozeanischer Kruste sowie die involvierten Alterationsprozesse voran zu treiben.4) 'Earth in Motion': Dieser Schwerpunkt fokussiert auf kurzfristige geodynamische Prozesse von unmittelbarer gesellschaftlicher Relevanz. Hierunter fallen z.B. Prozesse im Zusammenhang mit Erdbeben, Erdrutschen und Tsunamis. Ebenfalls unter diesen Schwerpunkt fallen Herausforderungen wie ein Verständnis für die Bildung und Stabilität von Gashydraten und das Potential für die Sequestierung großer Mengen Kohlendioxid in Gesteinen der Tiefsee sowie die Installation von Bohrlochobservatorien.
Es ist unklar, wie lange hydrothermale Systeme aktiv sein können, die in Verbindung mit flachen Sill-Intrusionen stehen. Ein besseres Verständnis dieser Systeme ist jedoch wichtig, um die Rolle von Riftmagmatismus im globalen Kohlenstoffkreislauf, den die potenzielle Bedeutung für die Tiefe Biosphäre eruieren zu können. Von entschiedender Relevanz ist dabei die Vermengung von Magma und nassem Sediment and der Schnittstelle der Intrusion. In den vorgeschlagenen Arbeiten sollen neue petrophysikalische Daten von IODP Expedition 385 herangezogen werden, um die Konsequenzen dieser Wechselwirkungen für den Wärmetransport mit Hilfe von Modellrechnungen erstmals zu quantifizieren. Der Antragsteller hat neuartige Computerprogramme entwickelt, mit denen die hydrothermale Zirkulation in Verbindung mit Sill-Intrusionen unter Berücksichtigung der daran gekoppelten Änderungen von Permeabilität und Porosität in den intrudierten Sedimente simuliert werden önnen. Durch seine Funktion als Leiter der 'physical properties' Gruppe bei IODP Expedition 385 ist er herausragend gut positioniert, die Kerndaten in die vorgeschlagenen Modellierungen einfließen zu lassen. The beantragten Arbeiten werden neuartige Einblicke in die physikalischen und thermischen Auswirkungen von Sill-Intrusionen in die nassen und unverfestigten Sedimente des Guaymas-Beckens liefern. Im Gegensatz zu anderen Sedimentbecken, in denen tiefe Intrusionen von großen Magmenmengen die Freisetzung großer Gasmengen ausgelöst hat, wird erwartet, dass die flachen Intrusionen des Guaymas-Beckens ganz andere Auswirkungen auf die Reaktionen am Intrusionskontakt und der Flußdynamik des Kohlenstoffs haben wird. Geochemische Analysen an den IODP-Kernen werden Basisdaten für die thermische Entwicklung in den Sedimenten liefern, gegen die die Modelle kalibriert werden können. Durch die Kopplung dieser Messwerte mit einem durch die Modellierung gesteigerten Prozessverständnis werden plausible Szenarien für den Ablauf und die Zeitdauer der hydrothermalen Veränderungen entwickelt werden können. Die Untersuchungen sollen sich auf Bohrsites konzentrieren, die auf unterschiedliche Intrusions- und Versenkungsgeschichten hinweisen, und das aktive Hydrothermalfeld an der Ostflanke des nördlichen Trogs des Guaymas-Beckens einschließen. Das eigens entwickelte thermo-mechanische Computerprogramm erlaubt die Berechnung von 2D-Zeitreihen der Temperaturverteilung in den Sedimenten. Diese Ergebnisse sind von entscheidender Wichtigkeit für Untersuchungen der Tiefen Bioshäre - ein wesentliches Ziel der Expedition. Damit kommt dem vorgeschlagenen Projekt eine zentrale Rolle für die erfolgreiche Durchführung einer Vielzahl anderer Postcruise-Arbeiten zu. Die extreme Bandbreite potenzieller Wechselwirkungen zwischen magmatischen Intrusionen, hydrothermaler Zirkulation und biologischen Vorgängen und deren Konsequenzen für das Cycling von Kohlenstoff in diesen Systemen lassen sich nur durch fundierte Modellrechungen eruieren.
Die Tiefsee ist das größte Ökosystem auf der Erde, das uns aufgrund der Unerreichbarkeit und immensen Ausdehnung in weiten Teilen noch fremd ist. Wegen der geringen Verbreitung von Tiefsee-Sedimenten auf dem Festland und dem Mangel einer kontinuierlichen Fossil-Überlieferung ist unsere Kenntnis über Tiefseepaläobiogeographie und Tiefsee-Evolution ebenfalls recht limitiert. Eine Sichtung unterkretazischer bis obermiozäner Sedimente in ODP/DSDP/IODP-Bohrkernen (Paläoablagerungstiefe: tiefes Bathyal über 2000 m) erbrachte überraschende Ergebnisse: Sklerite von Echinodermata (Holothurien, Ophiuren, Asteroideen, Crinoiden), die heute einen wichtigen Anteil der Tiefseefaunafauna stellen, fehlen nahezu völlig. Dafür sind Stacheln von irregulären Echiniden (Holasteroida, Spatangoida: Atelostomata) häufig. Da die Stacheln morphologisch sehr variabel sind, bergen Klassifizierung der morphologischen Bandbreite ('Morphospace'), der Morphospace-Veränderung in der Zeit und die berechnete Stachel-Akkumulationsrate das Potential, Diversitäts- und Abundanz-Veränderungen in Bezug zu globalem Klimawandel zu kartieren. Da die derzeitige globale Erwärmung besonders in offenen Ozeanen zu geringerer Produktivität und verringertem Export von Organik in die Tiefsee führt, eignet sich der östliche tropische Pazifik als Modell-Region um zwei Arbeitshypothesen zu testen. i) Die Stachel-Diversität der Atelostomata korreliert invers mit känozoischen Warmzeiten, was die 'Productivity-Diversity Relation' stützt; und ii) Die Abundanz von Atelostomata-Stacheln als Ausdruck von Biomasse und Export-Productivity ist geringer in warmen Perioden als in kühlen. Für das Projekt wurde exemplarisch känozoisches Material aus einer sich rapide ändernden Welt berücksichtigt (Abkühlung Mittel-Miozän, mittelmiozänes Klimaoptimum, Abkühlung oberstes Oligozän, Warmphase Ober-Oligozän, oligozäne Oi-2 Eiszeiten & Nachspiel). Klassifizierbare Merkmale der Stacheln (z.B. Morphologie des Schaftes, Anwesenheit, Verteilung, Häufigkeit von Stacheln und Dornen, Form/Anzahl von Poren, Form der Stachelspitze u.a.) werden in eine Datenmatrix eingepflegt und statistisch ausgewertet. Variationen der Stachel-Diversität (Shannon-Wiener-Index) sind Ausdruck sich verändernder Biodiversität, und eine Abnahme der Diversität sowie der Stachel-Akkumulationsrate werden in Kontext mit Warmphasen vermutet. Eine 'Principal Component Analysis' von Stachel-Vergesellschaftungen einzelner Zeitintervalle ermöglicht es, die Disparität des Morphospace der berücksichtigten Intervalle zu erarbeiten. Hieraus lassen sich darüber hinaus Aussagen über graduelle (Evolution?) oder abrupte (Aussterben und Speziation/Immigration) Faunenveränderungen in der Tiefsee treffen, die in Beziehung zu schwankender Primärproduktivität durch globale Temperaturschwankungen gesetzt werden können (Hypothese 2).
The data layers provided show current values for seawater temperature, pH, calcite and aragonite saturation (%), oxygen concentration, and particulate organic carbon (POC) flux to the seafloor at different depths (500, 1000, 2000, 3000, and 4000m) at the present day (1951-2000) and changes in these variables expected between 2041-2060 and 2081-2100 under different RCP scenarios. The data layers were generated following the methods described in Levin et al. (2020). In short, in 2019, we obtained the present day and future ocean projections for the different years which were compiled from all available data generated by Earth Systems Models as part of the Coupled Model Inter-comparison Project Phase 5 (CMIP5) to the Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Three Earth System Models, including GFDL‐ESM‐2G, IPSL‐CM5A‐MR, and MPI‐ESM‐MR were collected and multi-model averages of temperature, pH, O2 , export production at 100-m depth (epc100), carbonate ion concentration (co3), and carbonate ion concentration for seawater in equilibrium with aragonite (co3satarg) and calcite (co3satcalc) were calculated. The epc100 was converted to export POC flux at the seafloor using the Martin curve (Martin et al., 1987) following the equation: POC flux = export production*(depth/export depth)0.858. The export depth was set to 100 m, and the water depth using the ETOPO1 Global Relief Model (Amante and Eakins, 2008). Seafloor aragonite and calcite saturation were computed by dividing co3 by co3satarg and co3satcalc. All variableswere reported as the inter-annual mean projections between 1951-2000, 2041-2060, and 2081-2100. The data for calcite and aragonite saturation can be found in Morato et al. (2020).
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|---|---|
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