Глубины океанских хадальных желобов, превышающие 6000 метров, долгое время оставались загадкой для ученых и исследователей. Это уникальные экосистемы, где жизнь существует в условиях экстремального давления, низких температур и полного отсутствия солнечного света. Однако недавние экспедиции на Курильско-Камчатский и западный Алеутский желоба открыли новые страницы в понимании биологических процессов на таких глубинах — здесь были обнаружены обширные и разнообразные сообщества, которые питаются хемосинтетическими процессами и процветают за счет химической энергии, а не фотосинтеза. Эти открытия значительно расширяют наши представления о возможностях жизни в экстремальных средах и её роли в глобальных биогеохимических циклах. Хемосинтез, в отличие от фотосинтеза, представляет собой процесс синтеза органических веществ из неорганических благодаря использованию энергии, которая выделяется в результате химических реакций, обычно с участием соединений серы или метана.
В глубоководных условиях океана, где нет возможности получать энергию от солнечного света, хемосинтез служит основой для поддержания жизни. Сообщества организмов, основанные на хемосинтезе, привязаны к областям, где из геологических трещин и разломов выходят насыщенные водородом сульфидом и метаном жидкости. Такие условия создают уникальные локальные биотопы с высокой биологической продуктивностью даже в самых глубоких и темных частях океана. Экспедиция с использованием пилотируемого глубоководного аппарата Fendouzhe позволила впервые задокументировать крупнейшие и глубочайшие известные на данный момент сообщества, основанные на хемосинтетических процессах, на глубинах до 9533 метров в Курильско-Камчатском и западном Алеутском желобах. Эти сообщества встречаются на протяжении 2500 километров и включают в себя виды трубчатых червей из семейства Siboglinidae и разнообразных двустворчатых моллюсков.
Они обитают в специфических районах, связанных с разломами, где на покровные осадки выходят богатые сероводородом и метаном жидкости, образовавшиеся в результате микробной переработки органического вещества, осажденного в осадках. Исследования геохимического состава газов и изотопного анализа подтвердили микробное происхождение метана, особенно процесса восстановления углекислого газа углерода, что отличает эти сообщества от тех, что питаются термогенным метаном. Метан и сероводород, присутствующие в недрах, выходят на поверхность через геологические разломы, создавая естественные холодные источники, на которых основываются богатые биологические сообщества. Черви-сибоглиниды, доминирующие в верхних частях таких сообществ, формируют густые колонии, которые служат площадкой для других организмов, включая различные виды моллюсков, многоножек, амфипод и морских ягод. Структура сообществ отличается в зависимости от глубины и геологического положения.
В Курильско-Камчатском желобе на глубинах примерно от 7000 до 9500 метров доминируют трубчатые черви Siboglinidae, с несколькими видами, такими как Lamellisabella, Polybrachia, Spirobrachia и Zenkevitchiana. В то время как на границе с Алеутским регионом, на меньших глубинах, более распространены колонии двустворчатых моллюсков из семейства Vesicomyidae, таких как Abyssogena phaseoliformis и Isorropodon fossajaponicum, а также трубчатых полихет. Плотность населения этих сообществ поражает: наблюдались колонии с более чем 5800 особями Siboglinidae и почти 300 двустворчатыми моллюсками на квадратный метр. Такая биомасса в глубоководных условиях указывает на особые механизмы адаптации, которые позволяют этим организмам не просто выживать, а процветать в условиях высокого давления и отсутствия солнечного света. Уникальные биологические взаимодействия между микробными сообществами, метано- и сульфидокислительными бактериями, а также макроорганизмами создают сложные экосистемы, устойчивые к экстремальным условиям глубоководья.
Геологическая модель формирования данных холодных источников основана на сдвижениях тектонических плит и субдукции. В частности, метан образуется микробным путем в глубоких слоях донных осадков благодаря разложению органического вещества, которое попадает в желоба за счет высокой продуктивности регионов океана, а также благодаря подвижкам осадков во время землетрясений и оползней. Давление и подвижки породы под действием сдвижных напряжений способствуют миграции газов и жидких сред по разломам к поверхности, создавая условия для появления источников с выходом газа и, как следствие, источников хемосинтетической жизни. Особое место в геохимии занимают метановые гидраты — кристаллические структуры, в которых молекулы метана захвачены в ледяной матрице. Моделирование термодинамических условий показывает, что на глубинах обращения метан существует как в растворенном, так и в форме гидратов, что обеспечивает устойчивое наличие энергии для хемосинтетических микробов и более крупных организмов.
Отсутствие пузырьков и газовой фазы наблюдалось при прямых погружениях, что подтверждает стабильную форму газа. Значение этих открытий выходит за рамки понимания глубоководной жизни. Наличие широко распространенных метановых экосистем в самых глубоких океанских желобах ставит под сомнение традиционное представление об источниках энергии для холодноводных глубоководных экосистем. Ранее считалось, что большая часть энергии поступает из органического вещества, падающего из верхних слоев воды. Сейчас же становится очевидно, что значительную роль играет химическая энергия, что меняет перспективы изучения углеродного цикла и биогеохимии глубоководных экосистем.
Взаимодействие хемосинтетических организмов с остальными жителями глубинного бентоса приводит к формированию разнообразных пищевых сетей. Совместное сосуществование хемосинтезирующих червей и моллюсков с многочисленными хищными и сапрофагическими организмами, такими как морские звезды, морские огурцы и амфиподы, свидетельствует о том, что продукция метановых источников является важным трофическим ресурсом на таких глубинах. В более широком аспекте, накопление микробным сообществом метана в осадках может представлять собой важный механизм секвестрации углерода и влияет на глобальный углеродный баланс. Метан, как мощный парниковый газ, может либо накапливаться в гидратной форме в осадках, либо высвобождаться в воду и атмосферу. Поэтому понимание процессов, происходящих на дне океана в местах выхода метана, имеет прямое значение для изучения изменений климата и углеродных процессов на планете.
Еще одним важным аспектом остается распространенность подобных экосистем. Обнаружение хемосинтетических сообществ в Курильско-Камчатском и западном Алеутском желобах позволяет предположить, что подобные экосистемы могут быть распространены в других глубочайших океанских желобах с аналогичными геологическими условиями. Поддержка этой гипотезы находится в первых находках метановых гидратов и хемосинтетических сообществ в Марианском, Японском и других океанских желобах. В перспективе, дальнейшие исследования глубоководных зон должны сконцентрироваться на детальном изучении биологических, геохимических и геологических процессов, способствующих возникновению и поддержанию жизни в таких экстремальных условиях. Новейшие технологии глубоководных исследований, включая пилотируемые аппараты, дистанционно управляемые субмарины и сенсорные системы, играют ключевую роль в раскрытии этих уникальных миров, скрытых от человеческого глаза.
Открытия, сделанные в последние годы, не только расширяютfrontiers океанографии и глубинной биологии, но и стимулируют пересмотр моделей глобального углеродного цикла и микробной экологии, подчеркивая сложность и взаимосвязанность биосферы на Земле. Необычайные адаптации организмов к высоким давлениям, низким температурам и недостатку энергии формируют уникальную биоту, которая служит источником вдохновения для биотехнологических и экологических исследований. Таким образом, изучение процветающей хемосинтетической жизни на великих глубинах хадальных желобов становится все более важным направлением науки, открывающим новые горизонты в понимании жизни на грани возможного, глобальных экологических процессов и потенциала глубоководных экосистем в сохранении экологического баланса планеты.
