Хадальные желоба, самые глубокие участки Мирового океана, представляют собой одну из наименее изученных и экстремальных сред обитания на планете. На глубинах, превышающих 6000 метров, давление достигает колоссальных значений, а солнечный свет полностью отсутствует. Несмотря на столь суровые условия, именно здесь ученые обнаружили удивительные живые сообщества, построенные на хемосинтезе – биохимическом процессе, при котором микроорганизмы используют химическую энергию из неорганических соединений, а не энергию солнца, чтобы жить и развиваться. Последние исследования, проведённые в Курильско-Камчатском и западном Алеутском желобах, открыли самые глубокие и масштабные в мире хемосинтетические экосистемы, которые бросают вызов современным представлениям о границах жизни и ее источниках энергии в океанских глубинах. Эти открытия коренным образом меняют понимание динамики углеродного цикла и биогеохимических процессов в глубоких субдукционных зонах.
Экспедиция, проведённая в 2024 году с использованием глубоководного пилотируемого аппарата Fendouzhe, позволила исследовать участки дна на глубинах от 5800 до 9533 метров, где обнаружены колоссальные сообщества хемосинтетических организмов. Основу фауны составляют трубковидные черви из семейства Siboglinidae и моллюски из класса двустворчатых. Эти сообщества простираются на расстоянии около 2500 километров, что свидетельствует о широком распространении подходящих для их обитания газовых выходов – так называемых холодных источников – в этих регионах. Морфология и распределение хемосинтетических сообществ оказались весьма разнообразными. В Курильско-Камчатском желобе преобладают представители frenulate siboglinids – трубковидных червей с длинными нитевидными щупальцами, наполненными гемоглобином, что обеспечивает эффективный транспорт кислорода и других газов.
Эти черви формируют густые колонии, в которых одновременно присутствуют и другие виды беспозвоночных, включая свободноплавающих многощетинковых червей и гастропод. На некоторых участках были зарегистрированы скопления моллюсков семейства Vesicomyidae, обитающих в приповерхностных слоях донных осадков. В западной части Алеутского желоба в сообществах доминируют двустворчатые моллюски и трубочные многощетинковые черви, часто с микробными матами белого цвета, покрывающими грунт. Известно, что такие микробы обеспечивают своими хемосинтетическими процессами основной первичный продукт питания для всей экосистемы. Уникальность данных экосистем вызывает интерес их энергетическим обеспечением и фактором возникновения.
На глубине, где доступ солнечного света полностью исключён, биологические сообщества должны получать энергию изнутри, обычно это происходит за счёт разложения органики, падающей из верхних слоев океана. Однако хемосинтетические сообщества в хадальных желобах питаются химическими веществами, образующимися в глубинных осадочных слоях. Анализ газа, добытого в ходе экспедиции, показывает, что метан, добываемый организмами, имеет микробное происхождение и формируется путем микробного восстановления углекислого газа с использованием органического вещества, скопившегося в донных отложениях. Особенностью гидрогеохимических процессов этих сред является существование системы миграции газов и растворённых веществ по прослойкам осадков и вдоль разломов, связывающих глубинные слои с поверхностью океана. Иллюстрацией этого служат обнаруженные нормальные разломы, возникающие в результате изгиба подступающей литосферной плиты, через которые мигрируют газообразные и жидкие фазы, насыщенные водородным сульфидом и метаном.
Именно на поверхности осадков выход этих химически богатых жидкостей формирует так называемые холодные источники – зоны, где живут хемосинтетические организмы. Обнаруженные метановые концентрации значительно превышают равновесную растворимость метана, что вместе с условиями давления и температуры, характерными для таких глубин, указывает на присутствие метаногидратов – кристаллических соединений метана, стабильно существующих при низкой температуре и высоком давлении. Эти метаногидраты играют важную роль в формировании и поддержании хемосинтетических экосистем, обеспечивая длительный и стабильный источник химической энергии. Понимание механизма формирования холодных источников в хадальных желобах доказывает, что дифференцированные пути миграции и аккумуляции химических веществ у данных систем отличаются от тех, что известны в более мелководных аккреционных призмах и других зонах субдукции. В частности, предположение о том, что жидкости исходят из неутилизированных субдукционных осадков, где поддерживается активный микробный метаногенез, расширяет представления о роли глубокосидящих микроорганизмов как значимого компонента биогеохимического цикла углерода и серы.
Это ставит под вопрос сложившиеся модели углеродного флюса в зонах субдукции, подчеркивая роль гидротермальной миграции и последующего высвобождения газов в глубоких средах. Анализ видов и молекулярных данных подтверждает большую схожесть видов в различных хадальных желобах Северной части Тихого океана – Японском, Курильско-Камчатском и Алеутском. Наблюдаемые общие виды трубочных червей, двустворчатых и других беспозвоночных свидетельствуют о существовании широко распространенной сети редуцированных мест обитания в глубочайших морских зонах, которые соединены путем миграции и расселения организмов по субдегенерированным трекам и своему биологическому ареалу. Такое биогеографическое распределение подтверждает значительный масштаб и устойчивость экосистем хемосинтеза в мировом океане. Значение открытых экосистем трудно переоценить.
Учитывая жизнедеятельность на прикордонных глубинах и их способность поддерживать разнообразные биологические сообщества, хемосинтетические среды единовременно служат источниками пищи, местами обитания и важным компонентом ключевых биогеохимических процессов. Существование таких систем ставит новый акцент на разнообразие и сложность органического вещества, циркулирующего в глубинах океана, а также подчеркивает взаимоотношения между микро- и макроорганизмами, адаптированными к крайним условиям давления и температуры. Геологическая модель, объясняющая образование данных систем, включает накопление органического материала в изгибах и желобах, обусловленное как биопродуктивностью надводных вод, так и процессами оползней и сдвигов подводных масс, вызванных сейсмической активностью. В условиях сверхвысокого давления органика подвергается аноксидному разложению с выделением углекислого газа и метана, который мигрирует к поверхности через тектонические разломы. Эти мигрирующие флюиды обеспечивают питающие вещества для хемосинтетической микробной массы, которая, в свою очередь, обеспечивает пищевые ресурсы для высших форм жизни.
Потенциально эти процессы значительно влияют на глобальный углеродный цикл. Метан, формируемый в глубоких осадках и удерживаемый в форме метаногидратов, способен выступать как долговременный резервуар органического углерода и влияет на динамику парниковых газов в атмосфере при возможных изменениях климатических условий. В связи с этим глубокие морские системы могут представлять важный фактор в регулировании климатической стабильности на геологических временных шкалах. Кроме того, масштабное распространение подобных холодных источников в разных хадальных желобах мира может указывать на глобальное распространение метаногидратов в глубоководных условиях, что имеет экономическую и экологическую значимость по отношению к потенциальным ресурсам ископаемого топлива и вопросам устойчивого развития океанов. Ранее считалось, что такая активность ограничена лишь некоторыми локальными геологическими залеганиями, однако новые данные расширяют эти представления на более широкие регионы.
