Самые глубокие части Мирового океана — хадальные впадины — долго оставались почти неизведанными пространствами, исторически воспринимавшимися как экстремально негостеприимные для жизни из-за сочетания высокого давления, низкой температуры и полного отсутствия солнечного света. Однако современные исследования, проведённые с использованием передовых глубоководных технологий, не только опровергают эти представления, но и открывают целые экосистемы, основанные на хемосинтезе — процессе, при котором микроорганизмы преобразуют химическую энергию в органические вещества. Самые масштабные и глубокие такие сообщества недавно были обнаружены на дне Курило-Камчатского и западного Алеутского желобов, что кардинально меняет наше понимание биологии и геохимии самых глубоких точек планеты. Эти находки свидетельствуют о том, что жизнь в экстремальных условиях океана имеет куда более широкие границы и большую значимость для биогеохимических процессов, чем считалось ранее. Уникальность хемосинтетических экосистем заключается в их энергетической базе: в отличие от фотосинтеза, зависящего от солнечного света, здесь химические реакции с участием таких соединений, как метан и сероводород, обеспечивают энергетический поток.
Находке таких сообществ в глубинах свыше 9,000 метров придаёт особое значение потому, что до недавнего времени существование хемосинтеза на таких глубинах оставалось гипотетическим, а документированные случаи были единичными и локальными. Экспедиция на исследовательском судне RV Тан Суо И Хао с использованием пилотируемой субмарины Фэндоуже, способной погружаться почти на 11,000 метров, стала революционным шагом, открывшим распространённые и динамичные поля хемосинтетических организмов, протянувшиеся на 2,500 километров вдоль дна двух впадин. Основу сообществ на этих глубинах составляют трубчатые черви семейства Siboglinidae и моллюски класса Bivalvia, которые обитают в зонах, насыщенных гидросульфидом и метаном. Геологическая активность региона, обусловленная субдукцией Тихоокеанской плиты под Охотскую и Берингоморскую плиты, создаёт уникальные структуры — разломы и трещины — по которым из глубоких слоёв отлагающихся осадков мигрируют богатые метаном и сероводородом жидкости. Эти жидкости питают бактерии, способные использовать восстановленный углекислый газ для продуцирования метана, что подтверждается изотопными анализами газов и минералов в этих местах.
Таким образом, подводные хемосинтетические сообщества существуют благодаря глубокому микробиальному метаногенезу, протекающему в анаэробных условиях залежей органического вещества, при этом сама впадина служит естественным бассейном для накопления биогенных ресурсов. Важным моментом исследования стало подтверждение того, что метан имеет микробное происхождение, а не формируется термогенными процессами, что подтверждается стабильными изотопными значениями углерода и водорода. Это указывает на активность глубинной биосферы, поддерживающей жизнедеятельность комплексов, в которых трубчатые черви и моллюски сосуществуют с разнообразным набором других видов — от полихет до голотурий и ракообразных. Выполненный геохимический анализ также обнаружил присутствие метаногидратов — твёрдых кристаллических форм метана, стабильно существующих при экстремальном давлении и низких температурах хадальной зоны. Метаногидраты, в свою очередь, указывают на возможность глобально значимых запасов метана, которые могут играть не только экологическую роль, но и влиять на климат через долгосрочные циклы углерода.
Зоны хемосинтеза расположены преимущественно у подошвы аккреционных клиньев и связаны с нормальными разломами плиты, указывая на роль тектонических процессов в обеспечении выброса химических соединений на морское дно. Эти выбросы создают локальные горячие точки устойчивых экосистем на фоне глубочайших и, казалось бы, негостеприимных морских ландшафтов. Наряду с местами активных червей и моллюсков, обнаружены обширные белые микробные маты, представленные колониями хемосинтетиков, которые продолжают расширять понимание о масштабе микробного разнообразия на глубинах. Учитывая геологическую однородность многих океанических впадин, можно предположить широкое распространение сходных хемосинтетических сообществ и в других частях Мирового океана. Биогеографически эти сообщества демонстрируют связность вдоль осей различных впадин Северной части Тихого океана, включая Японский желоб и возможно далее к Марианской впадине.
Совпадающие виды, такие как Tartarothyasira cf. hadalis и представители Siboglinidae, свидетельствуют о существовании единой экосистемной сети, связанной общими процессами миграции и передачи энергии. Такое масштабное распространение выдвигает новые вопросы о путях дисперсии и адаптационных механизмах организмов в экстремальных глубинах и обогащает эволюционные гипотезы об освоении микробиологическими и животными формами жизни глубоководных зон. Обнаружение этих сообществ несет важные экологические и геохимические последствия. Во-первых, химически обусловленная продукция служит значительным источником энергии и материи для всего пищевого веба, включая множество гетеротрофных организмов, ранее считавшихся питающимися исключительно падалью или осадочным материалом, доставленным с поверхности.
Во-вторых, активные процессы метаногенеза и окисления метана служат важным элементом углеродного цикла в морских глубинах, раскрывая, как субдуцированные осадочные углеродные запасы могут трансформироваться и частично сохраняться в виде метана в породах впадин, а не уходить полностью в литосферу. Научный интерес также привлекает возможность эффективного накопления метаногидратов в глубинных слоях осадков, потенциально служащих долгосрочным резервуаром углерода и новыми ресурсами энергии для будущих поколений. Чувствительность этих гидратов к изменениям температуры и давления подчёркивает необходимость дальнейших исследований для оценки влияния климатических изменений на стабильность глубоководных резервуаров метана. В методологическом плане экспедиция подчеркнула, насколько критична была возможность точного отбора проб и визуального наблюдения на больших глубинах с помощью полнофункциональной пилотируемой подводной аппаратуры. Применение передовых методов генного анализа, включая секвенирование коксИ-гена для идентификации видов, позволило глубже понять биологический состав и родственные связи найденных организмов.
Совокупность методов геохимического анализа, включая измерение изотопных отношений, концентраций газов и микроэлементов, раскрыла природные процессы, стоящие за существованием таких уникальных экосистем. Полученные результаты несомненно окажут влияние на экологическую науку, биогеохимию и геологические дисциплины, создавая более комплексное понимание жизни в экстремальных глубинах Земли. Более того, они являются напоминанием о том, как мало мы знаем о глубоководных системах и о том богатстве жизни, которое скрыто под толщей океанических вод. Необходимы дальнейшие всесторонние исследования, чтобы оценить полный потенциал биологических и геохимических процессов в этих уникальных средах, а также определить их роль в глобальных изменениях и сохранении биологического разнообразия планеты. В итоге открытие масштабных и жизнеспособных хемосинтетических сообществ на гигантских глубинах хадальных впадин демонстрирует исключительную способность жизни приспосабливаться и процветать в самых экстремальных и ранее считавшихся безжизненными уголках нашей планеты.
Новые данные подчеркивают важность химического цикла в поддержании биологического разнообразия и углеродного баланса океана, стимулируя пересмотр традиционных моделей глубоководной экологии и биогеохимии.
