Хадальные зоны океана, расположенные на глубинах свыше шести тысяч метров, долгое время оставались наименее исследованными и загадочными природными экосистемами на Земле. Их уникальные геологические особенности и экстремальные физические условия создавали представление о минимальном наличии жизни, во многом ограниченной выживанием и медленными биохимическими процессами. Однако недавние экспедиции в Курильско-Камчатский и западный Алеутский желоба, проведённые при помощи пилотируемого глубоководного аппарата «Фэндоуже», кардинально изменили наше понимание об этих районах — здесь обнаружены крупнейшие и глубочайшие известные науке хемосинтетические экосистемы. Эти сообщества отличаются высокой плотностью обитателей и уникальным составом видов, среди которых доминируют трубчатые полихеты семейства Siboglinidae и двустворчатые моллюски Bivalvia. Их жизнедеятельность поддерживается химическими источниками энергии, связанными с выходом метана и сероводорода из глубинных слоёв осадков, что обеспечивает альтернативный путь питания вместо фотосинтеза в полной темноте глубин.
Обнаруженные сообщества вытянулись по дну желобов на расстояние около 2500 километров и простираются от 5800 до 9533 метров глубины, что значительно расширяет ранее известные границы обитания хемосинтетических форм жизни. Изотопный анализ газов, сопровождающих эти гидротермальные системи, подтверждает микробное происхождение метана, образующегося в результате восстановления углекислого газа под действием микробных метаногенов, используя органические остатки, оседающие в седиментах. Геологическая структура зон выхода жидкостей связана с тектоническими разломами, представляющими собой пути миграции этих газов к поверхности морского дна. Это новая модель формирования холодных источников в глубинах океана, отличающаяся от уже известных процедур, связанных с активностью взаджнень и миграцией флюидов в более мелководных субдукционных зонах. Хемосинтетические сообщества, открытые в Курильско-Камчатском и Алеутском желобах, демонстрируют значительную вариативность в составе и структуре общин.
В центральной части Курильско-Камчатского желоба преобладают трубчатые черви frenulate siboglinids, среди которых выделяются представители родов Lamellisabella, Polybrachia, Spirobrachia и Zenkevitchiana. Эти организмы образуют обширные колонии с длинными и тонкими трубками, через которые осуществляют всасывание химических веществ, необходимых для симбионтных бактерий, живущих внутри них. Вместе с ними встречается разнообразное беспозвоночное, включая подвижных полихетов, брюхоногих моллюсков и ряд других групп, образующих сложные и взаимосвязанные сообщества в условиях глубочайшей темноты и высокого давления. В отличие от Курильско-Камчатского желоба, в западном Алеутском желобе и переходной зоне между двумя желобами более заметна роль двустворчатых моллюсков — представителей семейства Vesicomyidae и Thyasiridae. Здесь развиваются крупные колонии моллюсков, таких как Abyssogena phaseoliformis и Isorropodon fossajaponicum, которые образуют плотные скопления у выходов газов и сероводородных источников.
Моллюски, являясь хемосимбионтами, содержат внутри себя бактерии, способные окислять химические соединения серы и метана, способствуя тем самым производству органического вещества в условиях отсутствия света. Эти сообщества замечательны тем, что соседствуют в непосредственной близости с трубчатыми полихетами, образуя разнообразные и продуктивные биоценозы. Особенностью этих экосистем является чрезвычайно высокая плотность обитателей. Средняя численность фрагментов Siboglinidae достигает нескольких тысяч особей на квадратный метр, а плотность двустворчатых моллюсков исчисляется сотнями индивидуумов на той же площади. Явление наблюдаемой пространства-временной зональности, когда в одних локациях доминируют трубчатые черви, а в других — моллюски, свидетельствует о тонкой адаптации к определённым геохимическим и геооптическим условиям, определяемым динамиками выхода сероводорода и метана.
Геохимический анализ проб грунта и газов, взятых в местах холодных источников, выявил исключительно микробное происхождение метана, образующегося за счёт восстановления углекислого газа с применением органической материи. Данные δ13C и δD изотопов чётко указывают на доминирование пути микробного метаногенеза с использованием углекислого газа. Это значит, что залежи метана в нижних слоях седиментов не связаны с термогенным разложением углеводородов, что важно для понимания биогеохимического цикла углерода на таких глубинах. Кроме того, обнаружены минералы икаита — гидрат кальция с высокой степенью увлажненности, характерный продукт химических реакций при низких температурах седиментных слоев и свидетельствующий о сложной седиментогеохимической динамике. Термодинамические модели и наблюдения подтверждают, что в данных условиях метан находится в растворённом состоянии или в форме гидратов — твёрдой клатратной структуры, образованной молекулами метана и воды.
При этом отсутствует газовая фаза, что объясняет отсутствие привычного для более мелководных источников газового «бульканья». Гидраты метана играют важную роль в накоплении и хранении углеводородов в глубоководных осадках и могут выступать в качестве важных резервуаров углеродных соединений. Процессы формирования хадальных источников существенно отличаются от более мелководных. Факторы, складывающиеся в глубоких седиментах под действием субдукции и тектонических движений, создают систему нормальных разломов, по которым мигрируют насыщенные метаном и сероводородом жидкости из глубинных слоёв. Особая форма V-образных желобов способствует концентрированию и накоплению органического вещества, подпитываемого как ежегодными мощными весенними фитопланктонными цветениями, так и массами органики, перемещающимися по склонам в результате морских оползней и землетрясений.
Таким образом, формируется уникальная экосистема, поддерживаемая не только входящим биологическим материалом, но и геологическими и микробными процессами в подседиментных стратах. Хемосинтез становится основным актом энергетического обмена, поддерживающим жизнь в самых глубоких глубинах Мирового океана. Совместное существование хемосинтетиков с разнообразной гетеротрофной фауной указывает на сложные пищевые сети, которые могут перераспределять энергию, получаемую от химических реакций, по всему сообществу. Это имеет важные последствия для оценки биогеохимического значения подобных систем в глобальных масштабах. Раскрытие масштабов существования и продуктивности хемосинтетических сообществ в хадальных зонах также ставит новые вопросы о максимальных пределах жизни и адаптивных механизмах существующих организмов в условиях экстремального давления, низких температур и полнейшей темноты.
Детальные исследования физиологии, геномики и метаболизма обитателей холодных источников обещают открыть новые биологические явления и механизмы, включая взаимодействие с микробиотой и уникальные биохимические пути. Усилия по интеграции данных о распространении и функционировании таких систем в глобальные модели углеродного цикла крайне важны для прогнозирования изменения климата и оценки роли глубоководных метановых резервуаров. Обнаружение обширных метановых гидратов в области хадальных желобов также имеет потенциальное значение для энергетических ресурсов будущего и понимания резервов парниковых газов в недрах океана. Современные данные показывают, что разнообразие и распространение хемосинтетических сообществ на больших глубинах Земли гораздо шире и значимее, чем считалось ранее. Это делает хадальные желоба не только местом удивительной жизни, но и ключевым элементом планетарных биогеохимических процессов, требующим дальнейших междисциплинарных исследований и международного сотрудничества.
Итоговые открытия в регионах Курильско-Камчатского и западного Алеутского желобов ознаменовали новый этап в изучении глубоководных экосистем и горизонтов поиска жизни в экстремальных условиях. Они подчеркивают необходимость пересмотра существующих представлений о структурировании жизни и возможностях биосферы на Земле, а также аккумулируют ценную информацию для разработки эффективных стратегий охраны и управления глубоководными ресурсами.
