Хадальные желоба — глубочайшие впадины на планете, простирающиеся на глубины свыше 6 000 метров, остаются одними из наименее изученных мест на Земле. Узкая и извилистая структура этих узких морских впадин создает уникальные условия, в которых жизнь вынуждена адаптироваться и выживать в условиях крайнего давления, полнейшей темноты и скудного доступа к энергии. Однако, вопреки представлению о том, что эти экосистемы скудны и бедны на биологическое разнообразие, недавние исследовательские экспедиции в Курило-Камчатский и западный Алеутский желоба открыли поистине удивительные хемо-синтетические сообщества, процветающие на экстремальных глубинах, до 9 533 метров, что изменило наше понимание границ жизни и экологической роли этих зон. Хемо-синтез — процесс, при котором микроорганизмы используют химические реакции окисления неорганических веществ для получения энергии и производства органических веществ. В глубоководных условиях Мирового океана, где солнечный свет недоступен, хемо-синтез становится основой жизни в районах гидротермальных источников и холодных выходов газа.
В отличие от фотосинтеза, хемо-синтез обеспечивает энергетический поток в глубоководных системах, поддерживая специализированные сообщества организмов, таких как трубчатые черви, моллюски и ракообразные. Экспедиция 2024 года с использованием пилотируемого глубоководного аппарата «Фендоучже» позволила обнаружить протяжённые сообщества, основанные на хемо-синтезе, которые простираются на расстояние около 2 500 километров вдоль морского дна в Курило-Камчатском и западном Алеутском желобах. Преобладающими организмами в этих экосистемах оказались трубчатые черви из семейства Siboglinidae и различные виды двустворчатых моллюсков. Открытие стало неожиданным, поскольку подобные сообщества раньше фиксировались лишь на меньших глубинах и в ограниченных масштабах. Основным источником энергии этих сообществ служат богатые гидросульфидом и метаном жидкости, которые поднимаются по тектоническим разломам и трещинам через осадочные слои дна.
Метан в этих глубинах образуется преимущественно микробным путем путём восстановления углекислого газа, происходящего из осевшей на дно органики. Изотопный анализ подтверждает микробное происхождение метана и позволяет судить о биогеохимических циклах в этих уникальных условиях. Выходы жидкости, насыщенной газами, создают локальные условия, поддерживающие специализированную биоту. Тектоническая активность региона играет ключевую роль в формировании таких сред. Область Курило-Камчатского и Алеутского желобов характеризуется взаимодействием Тихоокеанской, Североамериканской и Охотской плит, что порождает многочисленные разломы и зоны субдукции.
Эти разломы выступают как каналы для миграции жидкостей из глубоких слоёв осадков вверх к поверхности, создавая места для возникновения холодных источников — холодных газовых выходов, отличающихся от гидротермальных зон повышенной температурой. Накопление органического вещества в желобах происходит благодаря характерной форме долины, способствующей естественному концентрированию взвешенного в воде материала, оседающего с поверхности океана. Биоразнообразие сообществ в пределах этих холодных выходов поражает своей специализацией и адаптациями. Трубчатые черви френулаты, образующие плотные колонии, извлекают энергию из химических веществ, выделяемых из глубинных гидроносных потоков. Их длинные трубки погружаются в донные осадки, где симбиотические бактерии внутри червей окисляют сероводород или метан, обеспечивая таким образом питание хозяина.
Вместе с ними соседствуют различные виды моллюсков, такие как везикомииды и тихасоредовые, у которых также развиты особенности для проживания в условиях хемо-синтеза. Кроме того, обнаружены разнообразные свободноплавающие и придонные виды многоножек, морских звёзд, морских огурцов и других безпозвоночных, адаптированных к жизни в этих суровых условиях. Совместное существование хемо-синтетических организмов с гетеротрофными видами говорит о сложных пищевых цепях, где хемо-синтез служит важным источником энергии для всего сообщества. Геохимические исследования донных осадков и газовых включений подтверждают наличие метановых гидратов — ледоподобных кристаллов, образующихся из замороженного метана и воды при низкой температуре и высоком давлении. Моделирование фазовых состояний метана при глубоководных условиях указывает, что метан существует в растворенном состоянии и в форме гидратов, без образования газовой фазы.
Это объясняет отсутствие видимых пузырьков газа на поверхности выхода и указывает на постоянное поступление метана из глубинных слоев в осадках. Особое внимание уделяется процессам образования этих холодных выходов. В отличие от более мелководных зон, где жидкости поднимаются по рывковым, сдвиговым и седиментационным трещинам, здесь миграция метана происходит вдоль разгибающихся разломов, связанных с изгибом субдуцируемой плиты. Эти процессы способствуют концентрации газовых гидратов и биогенной жидкости непосредственно на дне океана, создавая уникальную среду для жизни. Научные открытия в этой области имеют важное значение для понимания механизма углеродного цикла в глубокой океанской среде.
Микробиологические процессы в глубинных осадках содействуют преобразованию органического углерода в метан, который частично сохраняется в гидратах или выделяется в океан, тем самым влияя на глобальные процессы климатического регулирования и углеродного баланса. Накопление метана в осадках могло представлять собой важный резервуар углерода, предотвращающий вынос организованного углерода в литосферу посредством субдукции. Общая картина указывает на то, что хемо-синтетические сообщества, подобные изученным в Курило-Камчатском и западном Алеутском желобах, могут быть гораздо более распространены в других глубоководных регионах Мирового океана, что ранее оставалось незамеченным. Немаловажно, что такие экосистемы не только расширяют наши знания о границах экстремальной жизни, но и создают новые перспективы для изучения адаптаций живых организмов к высоким давлениям и нехватке энергии, а также для поиска потенциальных биотехнологических приложений микробов из глубинных сред. В конце концов, открытие масштабных, процветающих экосистем хемо-синтетической жизни на самых больших глубинах планеты подтверждает неизведанность и многогранность подводного мира.
Это подчеркивает важность дальнейших исследований и инвестиций в глубоководные технологии, которые смогут погружаться в такие экстремальные среды и раскрывать ещё больше тайн, хранящихся в глубинах океанов. Гармоничное взаимодействие геологических, химических и биологических факторов в этих условиях служит примером невероятной адаптационной мощи жизни на Земле и ставит новые вопросы о возможностях чуждой жизни на других планетах и спутниках Солнечной системы.
