Процветающая хемосинтетическая жизнь на наибольших глубинах хадальных желобов

Новости криптобиржи Институциональное принятие

Хада́льные зоны — это глубочайшие части океана, расположенные на глубинах более 6000 метров, и именно здесь таится множество загадок, связанных с жизнью в условиях полного отсутствия солнечного света, чрезвычайного давления и низких температур. Долгое время считалось, что такие условия практически непригодны для обитания сложных экосистем, однако последние экспедиции опровергают этот устоявшийся взгляд, выявляя процветающие хемосинтетические сообщества, поддерживаемые химической энергией, а не солнечным светом. Одним из крупнейших открытий последних лет стало обнаружение обширных хемосинтетических экосистем на глубинах до 9533 метров в пределах Курильско-Камчатского и западного Алеутинского желобов с помощью пилотируемого глубоководного аппарата «Фендоуже». Эти сообщества, состоящие в основном из трубкообразных многощетинковых червей из семейства Siboglinidae и разнообразных бивалвий, простираются на расстояние около 2500 километров и представлены видами, способными адаптироваться к её экстремальным геохимическим условиям. Принцип их существования строится на хемосинтезе — процессе, при котором микроорганизмы используют химически активные соединения, такие как метан и сероводород, выделяемые из глубинных слоёв осадков, для производства органического вещества.

В отличие от фотосинтеза, здесь источником энергии являются химические реакции окисления восстанавливающихся редукторов, что позволяет сформировать уникальные экосистемы, поддерживаемые внутренними биогеохимическими процессами. Немаловажно, что подобные сообщества были ранее известны в местах гидротермальных источников и холодных выходов, однако их существование и распространение на таких огромных глубинах и протяжённостях осталось недоказанным до недавнего времени. Микробиологические и изотопные анализы показали, что метан, являющийся одним из ключевых субстратов для хемосинтеза, продуцируется в толще осадков на основе переработки отложенного органического вещества микроорганизмами путём восстанавливающего метаногенеза. Это подтверждается характерными значениями углеродных и водородных изотопов, указывающими на микробное происхождение метана. Такой метан скапливается в виде газогидратов и растворённого газа в глубоких слоях, мигрируя по трещинам и разломам осадочных пород к поверхности, где создаётся среда для развития хемосинтетических организмов.

Геологическая структура осадочных слоёв и зона субдукции вдоль Курильско-Камчатского и западного Алеутинского желобов формирует уникальные условия, в которых литосферные плиты погружаются под наклоном, создавая воронкообразные желоба с активной тектоникой, что способствует возникновению многочисленных разломов. Эти разломы служат проводниками для миграции углеводородов, в том числе метана и сульфидов, из глубинных слоёв к морскому дну, что и стало причиной формирования протяжённых холодных выходов с хемосинтетической биотой. Бионты в этих сообществах отличаются высокой плотностью и разнообразием. Среди них доминируют frenulate черви с трубчатыми образованиями, достигающими в длину до 30 сантиметров, различные виды моллюсков — vesicomyid clams и thyasirid clams — которые имеют в своём организме симбиотические микроорганизмы, обеспечивающие их питание за счёт хемосинтеза. Помимо этого, экосистемы включают многочисленных свободно плавающих многощетинковых червей, ракообразных амфипод и других беспозвоночных, формируя сложную сеть биотических взаимодействий.

 

Экспедиция на борту исследовательского судна ТС42 с глубоководным пилотируемым аппаратом «Фендоуже» позволила впервые провести детальный сбор данных, включающих видеофиксацию, отбор образцов осадков и биологических организмов, а также геохимический анализ газов и поровых вод. Такой комплексный подход помог доказать существование обширных чётко очерченных зон с высокоинтенсивной хемосинтетической активностью, расположенных вдоль границ аккреционных призм и тектонических разломов. Феноменальные масштабы обнаруженных сообществ позволяют пересмотреть представления об источниках энергии и питания в глубоководных экосистемах. До сих пор считалось, что в таких пределах жизни преобладает гетеротрофное питание за счёт оседающего с поверхности органического вещества и падения трупов, однако выявленные хемосинтетические системы демонстрируют значительный вклад внутренней продукции органического вещества, что существенно меняет экологическую картину. Геохимические характеристики осадков на местах холодных выходов особенно интересны в аспекте наличия уникальных минералов, таких как икаит — метастабильная форма кальцита, формирующаяся в результате ранней диагенетической минерализации благодаря концентрациям карбонатов и биогенных компонентов.

 

Такой комплексный минералогический состав сохраняет важные сведения о биогеохимических процессах, протекающих в этих глубинах. Модели фазового поведения метана в этих условиях показывают, что при фиксированных температурах и давлениях глубинных гидратов возможно его существование в виде растворённого газа и гидратов без выделения газовой фазы, что согласуется с наблюдениями отсутствия бурления при погружениях. Обнаружение таких активных сообществ на предельных глубинах способствует расширению знаний о физиологических адаптациях живых организмов к экстремальным условиям, включая высокий гидростатический пресс, низкие температуры и ограниченные ресурсы. Эти находки обеспечивают новые направления для биологических и биогеофизических исследований, направленных на понимание механизмов выживания в условиях, близких к пределам, приемлемым для жизни на Земле. Кроме прямого научного интереса, подобные исследования имеют также важное значение для глобального понимания процессов углеродного цикла.

 

Большие объёмы метана, запасённого и выделяющегося в этих областях, а также потенциальные запасы газогидратов могут оказывать влияние на глобальные климатические процессы, включая динамику парниковых газов. В частности, аккумулирование метана в гидратном состоянии может служить важным природным резервуаром углерода, который в случае высвобождения способен повлиять на атмосферный баланс. Понимание механизмов миграции метана и формироания хемосинтетических экосистем также оказывает прикладное значение в области поиска природных ресурсов, таких как газогидраты — потенциально перспективный источник энергоносителей. Исследования природных глубинных систем помогают лучше оценить локализацию и размеры этих запасов, а также риски, связанные с их этими изменениями под давлением экологических факторов. Раскрытие такого богатства биоразнообразия и процессов в хада́льных зонах, ранее считавшихся практически безжизненными, представляет собой прорыв в морской биологии и геохимии, показывая, что жизнь способна развиваться по самым неожиданным моделям, используя источник энергии, отличающийся от привычного солнечного света.

Проведённые исследования открывают путь для глобальных сравнений и поиска аналогов в других глубоководных желобах, где геологические условия родства могут поддерживать схожие экосистемы. Таким образом, обнаружение процветающей хемосинтетической жизни в наибольших глубинах Курильско-Камчатского и западного Алеутинского желобов расширяет границы нашего понимания биосферы Земли, подчёркивая важность интегрирования данных о глубинных процессах в модели глобального углеродного цикла и климата. В будущем ожидаются дополнительные глубоководные экспедиции и исследования, направленные на уточнение масштабов, видов и функций подобных экосистем, а также изучение их адаптивных механизмов и взаимосвязи с геологическими процессами под толщей океана, что без сомнения внесёт значительный вклад в развитие океанологии и биологии экстремофилов.