Хадальные желоба — это самые глубокие впадины на дне мирового океана, глубина которых достигает 6000 метров и более. Эти экстремальные условия на протяжении многих лет считались практически непригодными для жизни из-за высоких давлений, отсутствия света и крайне низких температур. Однако научные экспедиции последних лет кардинально изменили представления о биосистемах, способных существовать в таких условиях. В недавнем исследовании, посвящённом Курило-Камчатскому и западному Алеутскому желобам, учёные обнаружили широко распространённые сообщества организмов, питающихся за счёт хемосинтеза — процесса, при котором энергия образуется благодаря окислению неорганических веществ, таких как водород серы и метан, выходящих через трещины в морском дне. Данная находка стала крупнейшим подтверждением присутствия хемосинтетической жизни на наибольших глубинах планеты.
Сообщества, преимущественно составленные из трубчатых червей семейства Siboglinidae и моллюсков Bivalvia, охватывают территорию протяжённостью более 2500 километров и располагаются на глубинах от 5800 до 9533 метров. Это открытие существенно расширяет известный диапазон условий, в которых может существовать жизнь, и демонстрирует высокую адаптивность многих морских организмов. Интересным аспектом данного исследования стала природа поддерживающих сообществ химических источников. Воды, богатые водородом серы и метаном, поступают через многочисленные разломы и тектонические трещины, пронизывающие осадочные породы желоба. Метан, изотопный анализ которого указывает на микробное происхождение, формируется в глубоких слоях осадков благодаря микробной деятельности, перерабатывающей органические вещества, осевшие на дне.
Эти газы и сульфиды создают уникальные экологические ниши, где традиционные источники энергии — свет и фотоавтотрофы — отсутствуют или практически не играют роли. Исследования показали, что сообщества в Курило-Камчатском желобе более многочисленны и разнообразны на максимальных глубинах, где доминируют трубчатые черви с разветвленной кровеносной системой, способной эффективно захватывать кислород и питательные вещества из хемических растворов. В то же время в Алеутском желобе, где глубина обычно не превышает 7000 метров, ключевыми представителями являются двустворчатые моллюски-симбионты, образующие плотные скопления. Несомненно, эти зональные различия обусловлены геологическими и гидрологическими условиями, а также характером подводных источников. Важным подтверждением химической природы этих экосистем стали геохимические и изотопные анализы.
Метан в осадках однозначно имеет биогенное происхождение, что указывает на активную деятельность метаногенов — микроорганизмов, восстанавливающих углекислый газ с образованием метана. Стабильные изотопы углерода и водорода в образцах соответствуют процессу микробного восстановления углекислого газа, а не термогенной декомпозиции углеводородов. Это говорит о глубинных биогеохимических циклах на грани живого и неорганического мира, происходящих в пределах морского дна на больших глубинах. Кроме того, в осадках обнаружены кристаллы икита — гидратированной формы кальцита, которая формируется в условиях насыщения карбонатами и сниженной температуры. Наличие этих минералов на месте расположения холодных источников дополнительно подтверждает влияние хемосинтетических процессов на петрохимию донных осадков и последующее формирование уникальных структур.
Формирование таких холодных источников на дне хадальных желобов связано с тектоническими процессами субдукции и специфической геологией регионов. Желоба, как природные депрессивные формы рельефа, собирают большое количество органического материала, который поступает в глубоководные осадки через вертикальные и горизонтальные перенасыщения. Возникает анаэробная среда, в которой органическое вещество начинает разлагаться с участием метаногенных микроорганизмов. Метан, аккумулируясь под непроницаемыми слоями осадков, мигрирует по разломам к поверхности, создавая газовые «выходы» — появляющиеся как холодные источники. Эти открытия не только расширяют знания о пределах жизни, но и имеют большое значение с точки зрения глобального углеродного цикла.
Метан и сопутствующие газы — мощные парниковые агенты, и долгое время считалось, что глубоководные осадки и зоны субдукции выступают в роли своеобразного хранилища углерода. Теперь стало ясно, что процессы микробного метаногенеза и последующего выделения газов в этих пределах играют важную роль в перераспределении этих важных компонентов на мировой арене. Это заставляет учёных пересмотреть оценку запасов углерода и метана в глубоководных зонах и их потенциальное влияние на климатические изменения в долгосрочной перспективе. Помимо экологического и геохимического значения, данные о распределении и структуре этих сообществ позволяют оценить адаптивные стратегии организмов, способных выживать в условиях экстремального давления и отсутствия света. Эти организмы демонстрируют разнообразные формы симбиоза с хемосинтезирующими бактериями, приспособленные к эффективному преобразованию химической энергии в биологическую.
Трубчатые черви с гемоглобином, обладающим высокой аффинностью к кислороду, обеспечивают биохимический обмен, а моллюски-хемоавтотрофы развивают плотные колонии, поддерживая друг друга в сложных экосистемах. Обнаружение таких экосистем на значительных глубинах вызвало значительный интерес по причине возможности существования подобных сообществ в других глубоководных районах планеты. Аналогичные условия, как предполагается, могут иметь место в других хадальных желобах мира, таких как Маршаллов и Японский желоба, что делает проблему изучения хемосинтетической жизни важной и актуальной для понимания биологического разнообразия и функционирования глубинных частей океана. Современные технологии, включая использование пилотируемых глубоководных аппаратов и автономных субмарин, позволяют исследовать ранее недоступные территории, а применение передовых методов изотопного анализа и молекулярной биологии способствуют глубокому пониманию процессов, формирующих эти экосистемы. Это открывает новые перспективы для мультидисциплинарных исследований, объединяющих океанографию, микробиологию, геохимию и экологию.
В свете всего вышесказанного, развитие хемосинтетических экосистем в самых глубоких частях океана является поэтапно развертывающейся историей о жизни в экстремальных условиях, которые ранее считались неприспособленными для существования крупных биологических сообществ. Жизнь, несмотря на давление в десятки мегапаскалей и полное отсутствие солнечного света, находит пути к процветанию через химическую энергию, зарождающуюся в недрах земной коры. Эти открытия не только бросают вызов традиционным моделям об источниках и границах жизни, но и поднимают важные вопросы о влиянии глубоководных процессов на глобальную биосферу и климатическую систему планеты.
