Хадальные желоба солнечной системы Земля считаются одними из самых малоизученных и загадочных экосистем на нашей планете. Расположенные на глубинах свыше 6000 метров ниже уровня моря, эти узкие и глубокие впадины морского дна создают уникальные условия, сочетающие экстремальное давление, холод и отсутствие солнечного света. Продолжающиеся исследования последних лет свидетельствуют о том, что именно в этих жестких, казалось бы, непригодных для жизни местах обнаруживаются удивительные хемосинтетические сообщества, которые опираются на химическую энергию, а не на солнечное питание. Эти открытия глубоководной жизни становятся ключом к пониманию новых форм адаптации, кругооборота веществ и потенциала хранилища углерода в глубинах океана. Хемосинтез — биологический процесс, при котором микроорганизмы преобразуют неорганические химические соединения в органические с выделением энергии.
В отличие от фотосинтеза, где ключевым источником жизненных ресурсов является солнечный свет, хемосинтетические экосистемы черпают энергию из химических веществ, выделяющихся из земной коры через тектонические трещины и холодные выходы. Эти места, известные как холодные источники или «кольские прорывы», насыщены метаном, водородом серы и другими химическими веществами, которые служат источником питания для особых бактерий и, в свою очередь, для более сложных организмов. Совсем недавно международная экспедиция, проведённая с использованием глубоководного пилотируемого аппарата «Фэндоужэ», совершила прорыв в изучении двух великих хадальных желобов — Курильско-Камчатского и западного Алеутского. Именно там были открыты крупнейшие и глубочайшие за всю историю наблюдений хемосинтетические сообщества, раскинувшиеся на расстоянии около 2500 километров на глубинах от 5800 до почти 9500 метров. Эти экосистемы в значительной степени доминируются трубчатыми червями из семейства Siboglinidae и различными двустворчатыми моллюсками.
Их существование базируется на устойчивом источнике энергии, исходящем из метан- и сульфидосодержащих жидкостей, поступающих по геологическим разломам и трещинам из приосадочных слоев морского дна. Геологический фон этих хадальных желобов создаёт интенсивную сейсмическую и вулканическую активность, что способствует формированию многочисленных трещин и разломов. Именно через эти проводники поднимаются из недр богатые химическими веществами жидкости, создавая локальные условия для возникновения хемосинтетических сообществ. При этом метан в толще осадков, согласно изотопному анализу, преимущественно микробного происхождения — ферментативный продукт разложения органического материала. Механизмы миграции метановых потоков в этих условиях кардинально отличаются от привычных моделей, где основным источником углекислого газа и метана являются осадки, погружённые в зону субдукции.
Здесь же процесс сосредоточен в пределах осадочного слоя самой впадины, что обуславливает новые пути циркуляции углерода в глубоководных экосистемах. Наблюдения и пробные погружения показали, что хемосинтетические сообщества характеризуются высокой плотностью и разнообразием видов, а также присутствием специализированных организмов — трубчатых червей с насыщенной гемоглобином системой для добычи сульфидов, моллюсков-везикомий и других беспозвоночных, тесно связанных с этими уникальными биотопами. Установлено, что отдельные виды распределены на огромных расстояниях, иногда пересекающих разные тракты желобов, что создаёт впечатление единой системы живых островков, связанных через геологические и химические коридоры. На виду находятся также многочисленные представители гетеротрофной фауны — морские звёзды, голотурии, ракообразные и полихеты, которые зависят от выработанной хемосинтетическими бактериями органики. Особое внимание уделяется выходам метана и сульфидов в осадках на нижней поверхности моря.
Проводя анализ стабильных изотопов углерода и водорода, исследователи подтвердили микробное происхождение метана посредством редукции углекислого газа, с последующим его накоплением в виде растворённого газа и метановых гидратов. Геохимические характеристики этих сред свидетельствуют о процессах анаэробного окисления метана, связанном с восстановлением сульфатов, а также диagenetic переработке органического вещества. Открытие уникальных кристаллов икокита — метастабильного шестигидрарного карбоната кальция — служит дополнительным маркером химических взаимодействий в зоне активных холодных источников. Термодинамическое моделирование условий формирования метановых гидратов в гидростатическом давлении и температуре глубоководной среды указывает на широкомасштабное присутствие витамина сохраняемых гидратов в осадках. При этом газовая фаза отсутствует, что объясняет наблюдаемую под водой тишину и отсутствие бурления газа на поверхности.
Накопление метана в таком стабильном виде подразумевает возможность длительного хранения запасов углерода, связанного с органическим материалом, не подвергаясь подземному погружению в глубинную литосферу. Уникальная геоморфология хадальных желобов с их V-образной топографией является естественным ловушкой для скопления органического вещества. Это происходит благодаря как вертикальному осаждению из продуктивных верхних слоев океана, так и боковой транспортировке органики в результате землетрясений, подводных оползней и иных гравитационных процессов. Высокое содержание органики в сочетании с анаэробными условиями приводит к активности микробных сообществ, продуцирующих метан, который затем поднимается к поверхности через разломы и перемежающиеся трещины, создавая основу для хемосинтетических сообществ. Сам факт присутствия жизнеспособных, плотно населённых зон хемосинтеза на глубинах вплоть до 9500 метров бросает вызов традиционному представлению об экосистемах глубокого океана.
Ранее считалось, что питание и жизнедеятельность организмов на таких глубинах полностью зависят от падения биологических остатков из верхних слоев воды. Новые данные чётко указывают, что химическая энергия от подпочвенных процессов играет значительную роль и формирует прочный пищевой базис для многих видов животных, включая смешанные сообщества с участием как хемосинтетических, так и гетеротрофных организмов. В широком масштабе данные о присутствии хемосинтетических сообществ и сопровождающих их метановых резервуаров на глубинах хадальных зон имеют важное значение для глобального понимания биогеохимического кругооборота углерода. Если данные модели и измерения подтвердятся и в других морских желобах планеты, это поднимет статус глубоководных экосистем в качестве серьезных резервуаров углеродных соединений и мотивирует более активное включение этих процессов в климатические модели, прогнозы глобального изменения и планирование природных ресурсов. Кроме того, обнаружение обширных месторождений метана и метановых гидратов на таких больших глубинах открывает новые горизонты для исследований энергетики и ресурсного потенциала морского дна.
Изучение механизмов образования, миграции и храненения газа в условиях уникальных геологических структур позволит лучше понять не только биологические, но и физико-химические аспекты глубоководной среды. Открытия хемосинтетических сообществ на экстремальных глубинах хадальных желобов — это не просто вклад в биологию глубоководных экосистем. Это важный шаг вперед в освоении последней гранью жизни на планете, расширении представлений об адаптациях в экстремальных условиях, а также понимании глобальных процессов углеродного и биогеохимического циклов. Поддержка международных экспедиций, развитие технологий глубоководных исследований и междисциплинарный подход станут ключом к новым открытиям в этой загадочной и малоизученной, но крайне важной области земной науки.
