Процветающая хемосинтетическая жизнь на самых больших глубинах хадальных желобов

Крипто-кошельки

Хадальные зоны, представляющие собой самые глубокие части океанских желобов, сохраняли загадку для ученых на протяжении десятилетий. Их экстремальные глубины, превышающие шесть километров, и высокое давление создавали представление о максимально суровых условиях жизни с минимальным биологическим разнообразием. Однако недавние открытия, полученные благодаря экспедициям на Курильско-Камчатский и западно-Алеутский желоба, полностью изменили наше представление о возможности существования и процветания жизни в таких местах. Спектр находок одной из самых масштабных исследовательских кампаний показал, что на большом протяжении, превышающем 2500 километров и на глубинах от 5800 до 9533 метров, простираются обширные сообщества, основанные на хемосинтезе, где биоэнергия поступает не от солнечного света, а из химических источников, таких как метан и сероводород. Основу этих уникальных экологических систем составляют представители семейства Siboglinidae из класса полихет, а также разнообразные двустворчатые моллюски.

Эти организмы используют микробиальные сообщества, способные проводить хемосинтез — процесс, при котором химическая энергия из продуктов окисления, в частности водорода серы и метана, преобразуется в биомассу, создавая фундаментальную пищевую базу в условиях полного отсутствия солнечного излучения. Благодаря этому, они живут в симбиозе с бактериями, извлекающими энергию из реакций химического восстановления, что позволяет им существовать в глубочайших и самых суровых условиях океана. Геологическая специфика области, в частности наличие нормальных разломов, созданных субдукцией Тихоокеанской плиты под североамериканскую и Охотско-Корейскую плиты, обеспечивает выход гидротермально насыщенных жидкостей с высоким содержанием метана и сероводорода на морское дно. Особенно интересным является обнаружение этих мест выхода газов именно у основания аккреционных призматических формаций, в местах сгиба подвижной литосферной плиты, что способствует миграции глубинных газов из осадков, насыщенных органикой, на поверхность. Микробное разложение осадочной органики в анаэробных условиях приводит к значительной биогенной генерации метана, который выступает в качестве фундаментального источника энергии для хемосинтетических бактерий и последующих уровней трофической цепи.

Характерная геохимия поровых вод и горных пород, включающая чрезвычайно высокие концентрации метана, коррелированные с изотопными исследованиями углерода и водорода, однозначно подтверждает микробное происхождение этих газов. Изотопные показатели углерода углеводородов демонстрируют типичную сигнатуру восстановления углекислого газа метаногенами, а не переход метила как основной путь метаногенеза, что позволяет делать выводы о биогеохимических механизмах, происходящих в глубоких осадках. Дополнительно, наличие минерала икаита — метастабильного гексагидрата кальциевого карбоната, обнаруженного в осадках возле смесей с черным цветом, свидетельствует о сложных процессах аутогенеза в ранней диамагинезе органических отложений при этой глубине и температуре. Фотографии и видеозаписи, сделанные подводным аппаратом с людьми на борту, позволили впервые документировать интенсивность и плотность колоний таких организмов. Удивительно, что на одних только пунктах по дну этих двух желобов сосредоточено до 5 тысяч особей Siboglinidae и несколько сотен двустворчатых моллюсков на квадратный метр.

 

Это беспрецедентный показатель для таких огромных глубин, который ранее считался неприемлемым с точки зрения энергетического баланса и возможных биологических адаптаций к давлению и отсутствию солнечного света. Обитающие виды достаточно разнообразны — представители нескольких родов, таких как Lamellisabella, Polybrachia, Spirobrachia и Zenkevitchiana, формируют колонии, отличающиеся по плотности и составу. Например, в заливе Wintersweet на глубине около 9100 метров наблюдаются протяженные поля с двумя основными видами frenulate, у которых из трубок торчат красные гемоглобиновые щупальца, обитают также множество малых гастропод и свободно передвигающихся полихет. Интересен случай Cotton Field, где плотные группы живых френулатов соседствуют с полихетами и моллюсками, в то время как рядом в Dead Valley были обнаружены мертвые колонии, что, вероятно, свидетельствует о прекращении активности источников флюидов на этом участке. В западном районе Алеутского желоба и в Камчатско-Алеутском переходе обнаружены другие доминирующие группы моллюсков — в частности, крупные моллюски из семейств Vesicomyidae, такие как Abyssogena phaseoliformis и Isorropodon fossajaponicum, покрывающие «клеверные поля» на глубинах около 5800–6900 метров.

 

Эти виды, сидящие в осадке с наполовину открытыми створками, создают сложные сообщества с разнообразными беспозвоночными, образуя экосистему, богатую биологическими взаимоотношениями. Подобные наборы видов были ранее известны только на меньших глубинах, и их обнаружение на столь глубоких участках улучшает понимание зон обитания и адаптаций к экстремальным условиям. Интенсивность и ширина распространения этих сообществ, достигающая нескольких тысяч километров, позволяют предположить, что они не являются исключением, а скорее нормой для подобных геологических зон. Благодаря высокому продуцированию биогенного метана и сероводорода, пресным источникам химической энергии, эти среды делают возможным существование сложных пищевых цепей, базирующихся на хемосинтезе. В то же время, вероятно, что экологические взаимосвязи таких местных сообществ распространяются и на соседние гетеротрофные виды животного мира, что формирует более сложные пищевые сети и способствует биоразнообразию глубочайших морских зон.

 

Кроме экологических открытий, исследования показывают важность этих глубинных сред для глобального круговорота углерода. Обширные зоны с метановыми гидратами и высокими концентрациями метана в осадках указывают, что на больших глубинах накапливается значительный объем органического углерода в виде газа или гидрата, а не только в форме осадочной биомассы. Это открывает новые представления о роли глубоких океанских впадин как потенциалов для хранения и возможного высвобождения метана — мощного парникового газа. Настоящие исследования подчеркивают необходимость интеграции процессов хадальных зон в глобальные модели климата и биогеохимии. Такие данные могут стать важным аргументом для учета глубинных биогеохимических циклов при прогнозировании изменения природной среды на длительных временных масштабах, учитывая, что до сих пор зачастую глубоководные экосистемы и подповерхностные процессы недооценивались.

Кроме того, эти открытия стимулируют новые направления исследований, ориентированные на изучение физиологических адаптаций живых организмов к экстремальным давлениям, холодным температурам и недостатку света, а также механизмы симбиоза между животными-хозяевами и хемосинтетическими бактериями. Они представляют большой интерес как для биологии экстремофилов, так и для поиска новых биомолекул с уникальными свойствами. В заключение, открытие процветающих хемосинтетических сообществ на самых больших глубинах океанских хадальных желобов ломает стереотипы о предельных границах жизни и доказывает, что даже в самых глубинных темных и холодных уголках нашей планеты возможно существование сложных и разнообразных экосистем, основанных на химических источниках энергии. Эти находки расширяют горизонты изучения биосферы, углубляют понимание процесса глобального круговорота углерода и раскрывают новые перспективы для науки и техники, связанные с глубоководным освоением и сохранением природного баланса.