Хадальные желоба океанов являются одними из наиболее загадочных и наименее исследованных областей на нашей планете. Эти глубоководные впадины, достигающие глубин свыше 6000 метров, представляют собой экстремальную среду с высоким давлением, низкими температурами и ограниченным поступлением органических ресурсов. Несмотря на эти суровые условия, недавние исследования продемонстрировали, что жизнь способна процветать и здесь, используя уникальные источники энергии, отличные от солнечного света. Наиболее впечатляющим примером таких экосистем являются хемосинтетические сообщества, основанные на использовании химической энергии, высвобождаемой при окислении соединений серы и метана. Наблюдения, проведённые в последних экспедициях к Куры́льско-Камчатскому и западному Алеутийскому желобам, открыли самые глубокие и обширные сообщества хемосинтетической жизни на Земле.
Эти находки кардинально меняют представления о биологическом разнообразии и биогеохимическом значении глубоководных желобов. В основе этих экосистем лежит способность организмов использовать химические вещества, извергающиеся из океанического дна, в частности метан и сульфиды водорода, которые образуются благодаря микробной деятельности в осадочных слоях. Особенности геологической структуры этих придонных зон, обусловленные движением литосферных плит и связанными с этим разломами и трещинами, способствуют миграции таких химически насыщенных флюидов на поверхность океанического дна, обеспечивая энергией специализированные сообщества организмов. Экспедиция с использованием глубоководного подводного аппарата «Фэндоучже» позволила исследовать эти экосистемы на глубинах от 5800 до 9533 метров, что стало настоящим научным прорывом. Впервые удалось задокументировать распространённые сообщества, доминирующие представители которых — сидоглинидные полихеты и двустворчатые моллюски, собирающиеся в колонии, протяжённостью до 2500 километров по дну сразу двух океанских желобов.
Это далеко превосходит ранее известные области распространения хемосинтетических организмов и подтверждает существование масштабных экосистем, устойчиво функционирующих в наиболее экстремальных глубинах океана. Сидоглиниды, длиннотонкие трубчатые черви, способны создавать вокруг себя уникальные среды обитания, используя хемосинтезирующих бактерий, живущих в их тканях. Эти бактерии окисляют хемические соединения, такие как сульфиды водорода и метан, преобразуя неорганическую энергию в органические вещества, питательные для всего сообщества. Анализ стабильных изотопов метана из этих мест показал, что основным источником газа является микробная метаногенез, происходящий глубоко в осадочных породах, а не термогенный метан, образующийся в результате геологических процессов. Поскольку осадочные слои в седиментах глубинных желобов являются естественным депо органического вещества, они способствуют развитию метановой микробиоты, создающей богатые химические потоки, необходимы для существования сообществ, питающихся хемосинтезом.
Примечательно, что в самой глубокой точке Куры́льско-Камчатского желоба, расположенной на глубине более 9500 метров, были обнаружены плотные колонии сидоглинидных червей, окружённые сложным биоразнообразием, включая свободноплавающих полихет, моллюсков и других беспозвоночных. Такая высокая концентрация специализированных организмов, способных выдерживать экстремальные условия давления, температур и ограниченного кислорода, свидетельствует об уникальной адаптации и развитии биологических систем на границы обитаемости. Помимо сидоглинид, крупные двустворчатые моллюски семейства Vesicomyidae доминируют в сообществах западного Алеутийского желоба, где глубины, хотя и ниже максимальных, также превышают 6000 метров и характеризуются интенсивной химической активностью. Эти моллюски, обладающие симбионтными бактериями, апеллируют к способности хемосинтетических сообществ образовывать сложные биоценозы с высокой плотностью и разнообразием. Метан в этих областях присутствует как в растворённой форме в поровой воде донных осадков, так и образует метаногидраты — кристаллические соединения, содержащие молекулы газа внутри структуры льда.
Моделирование фазового состояния метана показывает, что в данных гидростатических и температурных условиях метаногидраты могут стабильно существовать в осадочных слоях, что создает повышенные концентрации химических веществ для поддержания хемосинтетических процессов. Формирование этих метановых луж и выходов флюидов связано с геологическими разломами, особенно с нормальными разломами, возникающими на границе субдуцирующей литосферной плиты и надвигающейся плиты. Такие трещины служат каналами миграции метана и водородсодержащих веществ вверх — к морскому дну, где они взаимодействуют с водой и создают уникальные химические оазисы. Эти процессы существенно отличаются от более известных холодных источников, расположенных на сравнительно мелководных аккумуляторных призмах, где жидкости проникают через сложные системы надвигов и разломов, поставляя химические субстраты на поверхность. В хадальных желобах источники метана, по-видимому, имеют более локальный и биогенетический характер, формируясь инактивно прямо в осадочных массах, застилающих дно впадин.
Кроме того, геоморфология желобов способствует концентрации органического вещества, поступающего с поверхностных вод и смываемого с прилегающих склонов, создавая богатую базу для микробного метаногенеза. В совокупности эти уникальные геологические и биохимические особенности объясняют появление богатых и разнообразных хемосинтетических мест обитания в условиях, долгое время считавшихся крайне враждебными для жизни. Исследования подобных экосистем имеют важное значение для понимания процессов круговорота углерода в океанских глубинах, длиной влияния метана и связанных с ним биогеохимических потоков. Разрушение метаногидратов и выделение метана в воду потенциально влияет на состав газового баланса Земли и климатические процессы. Кроме того, биосфера в осадках и в прилегающих водах вероятно оказывает существенное влияние на подземные углеродные резервы, их накопление и выветривание.
Одновременно, высокая плотность и устойчивость хемосинтетических сообществ свидетельствуют о том, что химическая энергия играла и продолжает играть важную роль в поддержании жизни на экстремальных глубинах гидросферы, предлагая альтернативный путь развития экосистем, невозможный в условиях полного отсутствия солнечного света. Изучение физиологии организмов, населяющих эти глубоководные сообщества, позволит раскрыть механизмы адаптации к сверхвысокому давлению, экстремальному холоду и дефициту кислорода, а также понять взаимовлияния между макроорганизмами и хемосинтезирующими микробами. Это открывает новые перспективы в расширении знаний о границах жизни на Земле и перспективах существования в аналогичных экстремальных условиях на других планетах и спутниках. Более того, распространённость таких хемосинтетических систем в шелах хадальных желобов открывает вопросы о взаимосвязи экосистем на мягком дне глубоководья и возможных миграциях представителей фауны между разными географическими регионaми через сеть экологически специализированных «островков». Комплементарные данные о ДНК и филогенетический анализ видов подтверждают общее происхождение и связь таких сообществ по всему северному Тихоокеанскому региону, включая Японский и Марианский желоба.
Эти результаты подчёркивают глобальную значимость глубоководных биологических систем и их влияние на древесный углеродный цикл и экосистемные функции. В целом, открытия обширных хемосинтетических сообществ на наибольших глубинах хадальных желобов выходят далеко за пределы океанографических исследований, влияя на понимание биогеохимии, геологии, экологии и даже биоразнообразия. Они демонстрируют, что жизнь способна находить энергетические источники и адаптироваться в самых неожиданных уголках планеты, поддерживая сложные и устойчивые экосистемы в областях, ранее считавшихся безжизненными. Эти открытия задают новые вызовы и направления для дальнейших исследований, которые помогут раскрыть глубокие взаимосвязи между геохимическими процессами и жизнью, а также их роль в глобальных экологических и климатических системах.
