Хадальные желоба — одни из самых загадочных и малоизученных экосистем Земли. Расположенные на глубине более 6000 метров, они представляют собой глубоководные впадины у подножия океанских плит, где давление, температура и освещение создают экстремальные условия, ранее считавшиеся почти непригодными для жизни. Однако недавние экспедиции показали, что в этих условиях процветают сложные сообщества организмов, основой которых является химосинтез — процесс преобразования неорганических химических веществ в органическую материю с помощью энергии, высвобождаемой при окислении этих веществ. Так, исследование, проведённое в 2024 году в Курильско-Камчатском и западном Алеутском желобах при помощи глубоководного пилотируемого аппарата «Фэндоучжэ», выявило глубочайшие известные на планете хемосинтетические сообщества. Эти сообщества занимают протяжённость около 2500 км и сосредоточены на глубинах от 5800 до 9533 метров, тем самым устанавливая новые рекорды среди подобных биогеоценозов.
Основой обнаруженных экосистем стали представители семейства Siboglinidae — трубчатые кольчатые черви, а также разнообразные двустворчатые моллюски. Они приспособлены к жизни в экстремальных условиях с высоким давлением и полным отсутствием света, получая энергию от химических реакций с участием сероводорода и метана, выходящих на поверхность через разломы и трещины морского дна. Источник этих газаообразных химических веществ — микробная деятельность в осадках, где организмами осуществляется микробиологическое восстановление углекислого газа до метана. Изотопный анализ подтверждает микробное происхождение метана, что указывает на активное функционирование подсубстратных микробных популяций даже на столь экстремальных глубинах. Геологическое строение региона, включающее октагональные зоны разломов, способствует выходу этих химически богатых жидкостей на поверхность, создавая уникальные среды обитания для хемосинтетических организмов.
Накопление органического вещества в виде детрита происходит благодаря продуктивным поверхностным океаническим водам и переносу материалов с континентального шельфа с помощью землетрясений и оползней. Органическое вещество, погружённое в аноксичные слои осадков, служит топливом для микробных процессов метаногенеза и последующих биогеохимических процессов, что косвенно способствует поддержанию и развитию сложных сообществ животных. Появление и существование таких сообществ в пределях хадальной зоны стали основой для пересмотра моделей углеродного цикла в глубоководных частях мирового океана. До сих пор углеродное питание на таких глубинах считалось главным образом результатом оседания частиц из верхних слоёв воды и падения падалью. Новый взгляд включает в себя существенный вклад химической энергии, выделяемой в результате микроорганизмов, вырабатывающих метан и сероводород.
Местные экосистемы, в свою очередь, не только используют эти химические источники как основу питания, но и влияют на более широкие сообщества, вступая в сложные пищевые сети, включающие гетеротрофных губок, морских огурцов, актиний и других глубоководных животных. Изучение особенностей расположения и биологического состава таких сообществ показывает значительную пестроту в пространственном распределении и видовом составе. В Курильско-Камчатском желобе доминируют трубчатые черви Siboglinidae различных родов, включая Lamellisabella, Polybrachia, Spirobrachia и Zenkevitchiana. В отдельных локализациях, таких как участок под названием Wintersweet Valley, многотысячные колонии этих червей растягиваются на несколько километров, создавая биогенные структуры, служащие приютом и источником питания для других видов, включая моллюсков, многощетинковых червей и ракообразных. В отличие от этого, в западной части Алеутского желоба доминируют двустворчатые моллюски семейства Vesicomyidae и Thyasiridae, формируя обширные поля вблизи выходов метана, окружённые мутно-чёрными осадками.
Спектроскопический и газовый анализы подтверждают, что химия этих сред крайне богата растворённым метаном и сероводородом, что создаёт благоприятные условия для микроорганизмов, осуществляющих анаэробное окисление метана в смеси с сульфатами. Также обнаружены кристаллы икаита — гидратированного кальцита, что является молекулярным индикатором зон активного преобразования углерода и свидетельствует о ранних диагенетических процессах, связанных с разложением органического вещества в морских осадках. Особый интерес вызывает потенциал формирования метановых гидратов в осадках в пределах этих желобов. Моделирование фазовых переходов метана при высоком давлении и низкой температуре показывает возможное устойчивое сосуществование метанового газа в виде гидратов и растворённого вещества. Такие гидраты способны аккумулировать значительные объёмы углерода, потенциально сдерживая их долгосрочное высвобождение в атмосферу и оказывая влияние на глобальный климат.
Геодинамическая модель формирования таких холодных выходов основана на субдукционном взаимодействии океанических плит. Органическое вещество, осаждаемое в глубокой впадине, превращается под воздействием микроорганизмов в метан, который скапливается и стремится освободиться. Разломы, возникающие из-за напряжений при субдукции, становятся проводниками для этих газов, способствуя их подъёму к морскому дну. В подошве аккреционного клина, где расположены такие источники, создаются благоприятные условия для формирования устойчивых хемосинтетических экосистем. Такое открытие значительно расширяет биогеографические границы известных хемосинтетических сообществ, учитывая, что ранее их обнаруживали в основном на горизонтах менее 7000 метров.
Связь между сообществами разных желобов Тихого океана, включая Японский и Марианский, подтверждает наличие крупномасштабной сети обитаемых зон в пределах глубочайших моря планеты. Важность этих исследований выходит далеко за пределы сарказма узкой морской биологии. Участие метаногенных микробов и их животной фауны в процессах трансформации и накопления углерода на глубине ставит под сомнение существующие модели атмосферного и океанического углеродного баланса. Глубоководные микробные сообщества могут отыгрывать роль значимых биологических насосов, контролируя высвобождение парниковых газов и способствуя стабилизации климата на геологических временных масштабах. В практическом плане обнаружение крупных природных запасов метанового газа в форме гидратов открывает перспективы для перспективного энергетического ресурса, хотя освоение таких месторождений связано с техническими и экологическими сложностями.
Учитывая уникальность и чувствительность хадальных экосистем, важно найти баланс между исследовательскими интересами, охраной природы и потенциалом использования углеводородов глубоководного происхождения. Кроме того, новые данные о приспособлениях организмов к экстремальным условиям глубоководья могут стимулировать развитие биотехнологий и фармакологии. Антибиотики, ферменты и биомолекулы, извлекаемые из глубоководных бактерий и животных, могут обладать уникальными свойствами, полезными для медицины и промышленных применений. Перспективы дальнейших исследований включают углублённое изучение генетической структуры хемосинтетических сообществ, картирование геологических разломов, влияющих на распространение осадочных газов, а также экспериментальные исследования биохимических механизмов адаптации организмов к высоким давлениям. Не менее важно понимание влияния антропогенных факторов, таких как изменение климата и подводные сейсмические мероприятия, на стабильность и функционирование этих экосистем.
Совокупность этих новых знаний значительно расширяет горизонты океанографии, биологии и геохимии, углубляя наше понимание жизни в экстремальных условиях и роли океана в поддержании планетарного баланса. Открытие процветающих хемосинтетических сообществ на глубинах свыше 9000 метров разрушает стереотипы о границах обитаемости Земли и вдохновляет на дальнейшее исследование загадок глубинных океанских желобов.
