Океаны занимают более 70% поверхности Земли, а их глубоководные области до сих пор остаются одной из величайших загадок планеты. Хадальные желоба — самые глубокие впадины морского дна, достигающие глубины более 6000 метров, и именно здесь ученые недавно сделали поразительное открытие — широкое распространение хемосинтетических сообществ. Это живые экосистемы, которые существуют не за счет солнечного света, а благодаря химической энергии, выделяемой при окислении газов, таких как метан или сероводород, выходящих из морских недр. Открытие таких биологических жилищ в самых глубоких точках океана кардинально меняет представления о границах жизни и ее адаптивности к экстремальным условиям. Первые сведения о хемосинтетических сообществах появились после изучения гидротермальных источников и холодных выходов газа на морском дне.
Там обнаружились уникальные формы жизни — трубчатые черви, моллюски, специализированные полихеты и бактерии, которые образуют взаимосвязанные сообщества. Однако до недавнего времени считалось, что такие сообщества в столь глубоком и экстремальном хадальном поясе представлены крайне редко и ограничены по площади. Новые экспедиции в Курильско-Камчатский и западный Алеутский желоба с использованием современного глубоководного подводного аппарата «Фэндоучжэ» позволили впервые задокументировать протяженные хемосинтетические экосистемы, раскинувшиеся на тысячу с лишним километров и живущие на глубинах от 5800 до 9533 метров. Экосистемы, обнаруженные в этих зонах, в основном доминируют трубчатые черви из семейства Siboglinidae и различные виды двустворчатых моллюсков. Их численность достигает тысяч особей на квадратный метр и образуют густые колонии, буквально покрывающие морское дно.
Эти сообщества питаются химической энергией, поставляемой отгазированной из пластов сероводородом и метаном, происхождение которого связано с микробной деятельностью, перерабатывающей органический материал, накопленный в осадочных слоях желобов. Биогеохимический анализ показал, что метан выделяется вследствие восстановления СО2 микробами под анестезией глубоких слоев осадков. Особенности геологической структуры в районе Курильско-Камчатского и западного Алеутского желобов имеют принципиальное значение для образования таких холодных выходов — хемосинтетические сообщества связаны с активными разломами и впадинами, через которые просачиваются богатые химическими веществами жидкости. Тектоническая активность этой зоны способствует активному движению пластов, создавая условия для стабильного поступления химических соединений, поддерживающих жизнедеятельность этих сообществ. Разнообразие видов в хемосинтетических сообществах хадальных желобов оказалось выше, чем ожидали исследователи.
Помимо трубчатых червей и двустворчатых моллюсков в этих комплексах обнаружены и другие специализированные организмы: свободноживущие полихеты, амфиподы, морские звезды и голотурии, которые используют хемосинтетические биотопы как источник пищи и убежищ. Изучение ДНК позволило выявить отдельные виды, ранее не встречавшиеся или известные лишь из менее глубоких зон, что свидетельствует о своеобразном и уникальном характере этих экосистем. Изучение химического состава флюидов, выходящих на дно, подтверждает доминирующую роль микробной метаногенезы в формировании метановых покрышек. Изотопный анализ углерода и водорода показывает преобладание метана, образованного в результате восстановления СО2 микроорганизмами. Благодаря этим реакциям создаются запасы гидратов метана — ледяных структур, где молекулы газа стабилизированы водой при низкой температуре и высоком давлении.
Моделирование условий гидратной стабильности указывает на возможность существования устойчивых газогидратных слоев в глубинных осадках на глубине до 9,5 километров. Формирование холодных выходов и хемосинтетических биотопов в хадальных желобах отличается от аналогичных процессов на более мелководных шельфах. Здесь, в условиях V-образной топографии желоба, осаждение органического материала происходит с высокой скоростью — за счет падения частиц, созданных планктоном, и оползней, вызванных сейсмическими процессами. Анаксический слой осадков обеспечивает среду с низким содержанием кислорода, благоприятную для анаэробных метаногенных бактерий. Метан из глубинных слоев под давлением сжимается и мигрирует по зонам разломов вверх к морскому дну, где выходит наружу, создавая питающую основу для хемосинтетических организмов.
Влияние таких уникальных экосистем на общий морской биоценоз огромно. Несмотря на экстремальные условия, соседства хемосинтеза и гетеротрофных организмов формируют сложные пищевые сети. Организмы, питающиеся продуктами химического синтеза, становятся пищей для широкого круга хищников и фильтраторов. Таким образом, энергия, производимая хемосинтетическими бактериями, поддерживает не только специализированные сообщества, но и значительно влияет на питание всего глубоководного сообщества, насыщая биоценоз элементами биомассы. Это открытие также имеет важное значение для понимания глобального углеродного цикла.
Из-за роста концентрации парниковых газов в атмосфере внимание к морскому метану возрастает, поскольку этот газ является мощным компонентом глобального потепления. Хадальные слои с метановыми гидратами и активными микробными процессами могут выступать как резервуаром, удерживая углерод в глубинах океана, так и потенциальным источником выбросов при изменениях условий. Понимание масштабов и механизмов таких процессов поможет точнее моделировать процессы обмена углеродом между океаном и атмосферой. Новейшие исследования, основанные на выездных экспериментах к самым глубоким точкам океана, демонстрируют, что жизнь не ограничивается до известного ранее диапазона факторов и может процветать там, где казалось невозможным. Уникальная адаптация организмов к высоким давлениям, низким температурам и отсутствию света раскрывает возможности биологических механизмов выживания.
А глубокое взаимодействие биологических и геохимических процессов в таких экосистемах помогает понять эволюцию жизни на Земле и критерии возможного существования жизни на других планетах. Открытия, сделанные в Курильско-Камчатском и западном Алеутском желобах, шокируют ученых своим масштабом, глубиной и видовым разнообразием. Хемосинтетические сообщества на глубинах до 9533 метров представляют собой самые глубокие океанские биотопы с химической основой питания, зарегистрированные на данный момент. Эти данные свидетельствуют о том, что аналогичные экосистемы могут существовать и в других глубоких океанских желобах мира, пока лишь частично исследованных. В связи с этим требует дальнейшего изучения их пространственное распределение, биологический состав и роли в пищеобразовательных цепочках.
