Исследование глубоководных сред океанов всегда вызывало неподдельный интерес учёных, благодаря своей загадочности и условиям, в которых жизнь вынуждена адаптироваться к экстремальным воздействиям. На самом дне океанических желобов, иначе называемых зонами хадала, происходит удивительное явление — там обнаруживаются сообщества организмов, основанные не на фотосинтезе, а на хемосинтезе, что кардинально меняет наши представления о границах жизни на Земле. Хемосинтез, в отличие от фотосинтеза, не зависит от солнечного света, а базируется на использовании химической энергии, выделяемой при окислении соединений, таких как водород и метан. Основываясь на этом процессе, живут микроорганизмы, служащие пищей и энергетической основой для разнообразных видов, включая трубчатых червей, двустворчатых моллюсков и других беспозвоночных. Эти экосистемы сосредоточены в адаптированных глубоководных биотопах, часто ассоциируемых с гидротермальными источниками и холодными источниками, где выходят на поверхность газовые и минеральные растворы.
Последние экспедиции к океаническим желобам Курило-Камчатского и западного Алеутского шельфа с использованием пилотируемого глубоководного аппарата Fendouzhe открыли новейшие данные о масштабных хемосинтетических сообществах, существующих на глубинах от 5800 до более чем 9500 метров. Данная зона представляется крупнейшей и самой глубокой из известных на данный момент, где жизнь базируется на этих химических процессах. Обнаружены сообщества, в которых доминируют трубчатые черви семейства Siboglinidae и двустворчатые моллюски. Эти сообщества протянулись на расстояние около 2500 километров по дну исследуемых желобов. Газовые потоки, насыщенные сероводородом и метаном, проходят по глубоким трещинам и разломам, облегчая миграцию питательных веществ к морскому дну, где они поддерживают хемосинтетическую микробную жизнь.
Метан, как выяснили учёные, образуется посредством микробного синтеза из осевших органических веществ, что подтвердили изотопные анализы. Использование данных о геологии местности позволило предположить, что подобные сообщества могут существовать не только в этих двух океанических зонах, но и быть более распространёнными, чем считалось ранее. Сходные геологические условия наблюдаются в других глубоководных желобах, где до сих пор подобные экосистемы полностью не исследованы. Уникальная активность хемосинтетических сообществ бросает вызов существующим моделям жизни в экстремальных условиях и заставляет пересматривать понимание углеродного цикла океанов. Традиционно считается, что организмам на таких глубинах доступна энергия исключительно из падения органических частиц с поверхности или падения останков.
Однако рост масштабов и разнообразия хемосинтетических сообществ говорит об альтернативных и важных источниках энергии, определяющих жизнь в зонах хадала. Исследования показали значительное различие в составе и структуре сообществ среди разных участков глубинных желобов. В частности, в Курило-Камчатском желобе преобладают трубчатые черви различных видов обороды Lamellisabella, Polybrachia, Spirobrachia и Zenkevitchiana, чьи колонии покрывают многокилометровые площади и создают уникальную среду для других организмов. Эти черви отличаются колоссальной плотностью и размерами трубок, достигающих до 30 сантиметров в длину. Связанные с ними обитатели включают подвижных многощетинковых червей из рода Macellicephaloides, улиток, а также голотурий, амфипод и других морских беспозвоночных, что говорит о сложной пищевой сети эксклюзивно адаптированной под хемосинтетические условия.
В зоне перехода между Курило-Камчатским и Алеутским желобами площади заселены двустворчатыми моллюсками, такими как Abyssogena phaseoliformis и Isorropodon fossajaponicum, образующими целые скопления. Эти виды не только подтверждают существование хемосинтетических биотопов, но и демонстрируют различия адаптаций в зависимости от географических и глубинных условий. Хемосинтетические сообщества характеризуются крайне высокой плотностью организмов. На некоторых участках в одном квадратном метре присутствует несколько тысяч гривастых трубчатых червей и десятки двустворчатых моллюсков. Такая биомасса в экстремальных условиях свидетельствует о крепких связях микро- и макробиоты земных глубин.
Геохимический анализ слоя осадков вокруг холодных источников выявил присутствие метана с содержанием до 100% в газовой смеси, указывая на микробное происхождение газа. Изотопное разнообразие углерода и водорода подтверждает, что метан появляется в результате микробного метода восстановления углекислого газа, а не термогенного процесса. При этом присутствие гидратов метана, замороженных структур газа и воды, подтверждается как теоретическими моделями, так и наблюдениями на протяжении экспедиционных работ. Формирование таких холодных источников связано с геологическими процессами уникальными для зон субдукционного взаимодействия литосферных плит. Трещины и нормальные разломы в коре обеспечивают подъем глубинных газов к морскому дну, где под влиянием давления и низкой температуры создаются условия для скопления газов и их последующего выхода в виде холодных источников.
Топография V-образного профиля желобов способствует накоплению органического материала, падающего с поверхности океана или поступающего со склонов в результате подводных оползней и сдвигов. Органические отложения, накапливаясь, создают богатую среду для анаэробных микробных процессов, кулминирующих в образовании метана. Под высоким давлением плиты движутся, способствуя передаче газа вдоль полос трещин, что стимулирует возникновение и поддержание хемосинтетических экосистем. Обнаружение таких экосистем расширяет горизонты понимания глубокой океанической биосферы и её роли в глобальном углеродном цикле. Ранее глубоководные сообщества считались относительно малопродуктивными, живущими в основном за счёт падения органического материала сверху.
Теперь же ясно, что химическая энергия, выделяемая при распаде метана и других восстановителей в глубинах хадала, служит важным источником питания различных организмов. За счёт тесной связи с микробиологическими процессами в сублитосферных осадках эти сообщества могут влиять на долгосрочное хранение углерода, регулируя, какой объём органического материала вновь возвращается в биосферу, а какой подлежит геологическому захоронению. Также эти данные имеют значение в контексте ресурсов природного газа. Метановые гидраты представляют собой потенциальный энергетический резерв, и обнаружение их распространения на больших глубинах даёт основания для дальнейшего изучения возможностей их использования и влияния на климатические процессы. Важность этих открытий выходит за рамки базовой науки и касается биотехнологий, экологии, геологии, а также глобальных климатических моделей.
Они вызывают необходимость включения процессов и биотопов глубинной жизни в комплексные модели углеродного цикла Земли, что повысит точность прогнозов изменений экосистем под воздействием антропогенного давления. Таким образом, экспедиции в области хадала открывают перед человеком новые экосистемы, где жизнь существует и развивается вне привычных границ, используя химическую энергию не от солнца, а от недр Земли. Эти изыскания позволяют по-новому взглянуть на происхождение жизни, её адаптивные возможности и энергетические стимулы в условиях крайнего давления и полного отсутствия света. В ближайшем будущем глубоководные исследования с применением передовых технологий и аппаратов позволят ещё точнее понять структуру, динамику и роль этих хемосинтетических сообществ. Следует ожидать новых открытий, связанных с биологической спецификой, взаимосвязями микро- и макроорганизмов, а также их влиянием на работу глобальных биогеохимических циклов.
Жизнь в глубинах хадала остаётся одним из наиболее волнующих и перспективных направлений существующей морской науки, причём открываемые сообщества являются ярким примером выносливости природы и многообразия её адаптаций.
