Хадальные желоба, расположенные на самых больших глубинах Мирового океана, всегда привлекали внимание учёных своим уникальным ландшафтом и экстремальными условиями жизни. Эти глубоководные впадины, уходящие в толщу океана на глубины более 6000 метров, являются малоизученными экосистемами, где давление, низкая температура и отсутствие солнечного света создают исключительные условия для жизни. Раньше считалось, что основным источником энергии для организмов, обитающих в этих глубинах, служат органические вещества, оседающие со световых горизонтов, однако последние открытия кардинально поменяли этот взгляд. Исследования, проведённые в Курило-Камчатском и западном Алеутском жёлобах с помощью глубоководного пилотируемого аппарата «Фэндоуже», выявили обширные и богатые хемосинтетические сообщества, которые протянулись на расстояние около 2500 километров и тянутся от 5800 до 9533 метров в глубину — это самые глубокие подобные сообщества, когда-либо обнаруженные на планете. Хемосинтетические экосистемы основываются не на световом фотосинтезе, а на микробиологическом процессе окисления неорганических соединений, таких как гидросульфиды и метан.
Микроорганизмы, обитающие в грунте и воде вблизи морского дна, способны использовать энергию при реакции окисления этих веществ и поддерживать тем самым целые пищевые цепочки, включая трубчатых червей и разнообразных двустворчатых моллюсков. В случае Курило-Камчатского и Алеутского желобов хемосинтетические сообщества формируются и поддерживаются благодаря выбросам хидрогенсульфида и метана, которые поднимаются по тектоническим разломам из глубоких слоёв осадочных пород. Изотопный анализ свидетельствует, что метан в этих областях имеет микробное происхождение — он образуется в результате преобразования органического вещества на больших глубинах пода океанического дна. Уникальность этих систем в необычайных условиях их обитания. Глубинные условия хадальной зоны подразумевают давление, превышающее десть тысяч атмосфер, а температура воды близка к 2 градусам Цельсия.
Несмотря на это, эти сообщества демонстрируют невероятную плотность и разнообразие организмов, что подтверждает адаптивную силу жизни даже в экстремальных средах. Основными представителями найденных экосистем являются трубчатые черви из семейства Siboglinidae, достигающие в длину до 30 сантиметров, и крупные двустворчатые моллюски, размера которых иногда превышает 20 сантиметров. Эти животные часто образуют плотные скопления, покрывая километры морского дна, и сопровождаются разнообразной мелкой и средней фауной, включая свободно передвигающихся многощетинковых червей, морских лилий, голотурий и амфипод. Геологическая обстановка этих районов играет важную роль в формировании благоприятных условий для этих сообществ. Хадальные желоба являются зонами субдукции — местами, где одна тектоническая плита погружается под другую, образуя ряд разломов и складок.
Именно по этим разломам происходят активные миграции газов и других химических соединений, обогащающих донные осадки и создающих локализованные источники химической энергии. В частности, на местах так называемых «холодных источников» наблюдаются выбросы метана и сульфидов, что создаёт питательную основу для хемосинтетических сообществ. Геологическая структура Курило-Камчатского и Алеутского желобов, характеризующаяся широкими зонами тектонических разломов, способствует распространению таких экосистем на их масштабных территориях. Изучение химического состава газов и водных растворов в пробах донных осадков позволяет учёным точно определить происхождение и динамику процессов биогеохимии в этих глубинах. Метан, выделенный из осадков, демонстрирует стабильные изотопные показатели, соответствующие микробному метаногенезу, а не термогенному.
Это указывает на то, что источником газа служит разложение органического вещества в анаэробных условиях глубоких слоёв осадков, куда поступают частицы детрита с поверхностных вод и склонов желобов. Дополнительными исследованиями выявлены минералы, такие как икаит — редкая форма гидратированного карбоната кальция, образующегося в области холодных источников. Эти минералы служат свидетельствами активных химических процессов и смешивания донных вод с морской водой. Экосистемы хадальных холодных источников предоставляют уникальную возможность исследовать пределы жизни. Многие виды, обитающие здесь, демонстрируют адаптивные механизмы, позволяющие выживать при высоком давлении, низких температурах и ограниченных ресурсах.
Изучение таких организмов помогает лучше понять биохимические пути, устойчивость клеточных структур и эволюционные процессы, возникающие в экстремальных условиях. Кроме того, эти сообщества являются важной частью глобального углеродного цикла, поскольку переработка метана и других соединений влияет на обмен газов между океаном и атмосферой, а также на хранение углерода в глубоководных осадках. Новые данные, полученные в ходе экспедиции 2024 года, расширяют представление о биогеографии хемосинтетических сообществ, указывая на их большую распространённость в глубоководных хадальных зонах, чем предполагалось ранее. Ранее считалось, что подобные экосистемы представлены лишь в ограниченных областях — на более мелких глубинах или в отдельных точках. Обнаружение непрерывных зон колоний протяжённостью в тысячи километров меняет понимание вертикального и горизонтального распределения жизни в океане, а также уточняет роль субдукционных зон и разломов как энергетических узлов биосферы.
Важная особенность таких экосистем — наличие сложных взаимодействий между хемосинтетическими организмами и гетеротрофными видами. Здесь наблюдается высокая плотность как видов, полагающихся на химическую продукцию микробов, так и тех, кто питается ими или их отходами. Такое сосуществование создаёт богатые пищевые сети, способствующие разнообразию и устойчивости сообществ в условиях, которые ранее рассматривались как неблагоприятные для жизни. Современные технологии, такие как глубоководные подводные аппараты и методы молекулярной биологии, позволяют детально изучать структуру и функции этих сред. Сбор образцов, визуальный контроль и генетический анализ дают уникальные данные для реконструкции экосистем и понимания механизмов адаптации на молекулярном уровне.
Кроме того, геохимические исследования и моделирование фаз метана проливают свет на процессы образования и миграции газов, в частности на присутствие гидратных структур, которые могут служить резервуарами углерода и потенциальными энергетическими ресурсами. Обнаружение масштабных резервуаров метана и гидратов в пределах хадальной зоны также влияет на изучение климатических процессов. Метан — мощный парниковый газ, и его выделение в океан в большом объёме может оказывать влияние на глобальный климат. Изучение механизмов накопления и высвобождения метана в глубоководных регионах имеет ключевое значение для построения точных моделей углеродного баланса и оценки рисков изменения климата. Подводя итог, исследования хемосинтетической жизни на больших глубинах хадальных желобов раскрывают новые горизонты в понимании биологических, геохимических и геологических процессов глубокого океана.
Открытие таких обширных и процветающих сообществ в экстремальных условиях существенно расширяет пределы знаний о жизни на Земле и её устойчивости. Эти данные также имеют потенциал трансформировать подходы к изучению углеродного цикла и роли океана в глобальной регуляции климата. Будущие экспедиции и междисциплинарные исследования обещают открыть ещё больше тайн этих удивительных экосистем, углубить представления об эволюции жизни и о функциях глубоководных биосфер в глобальной экологии.
