Океанические глубины продолжают оставаться одной из самых загадочных и малоизученных территорий планеты. Особенно интересуют ученых так называемые гадальные желоба — глубоководные впадины, простирающиеся на глубины свыше 6000 метров, где давление и температура создают экстремальные условия для жизни. В течение многих десятилетий считалось, что в таких местах органический мир существует за счет падения органических частиц с верхних слоев воды — крошечных частиц, известных как морской снег, и остатков погибших организмов. Однако новые исследования показывают, что на дне этих глубоководных впадин процветают сообщества, опирающиеся на хемосинтез — процесс, при котором микроорганизмы получают энергию за счет окисления неорганических соединений, таких как метан и сероводород, без участия солнечного света. Международная экспедиция 2024 года в Курило-Камчатском и западном Алеутском желобах, проведенная с использованием глубоководного пилотируемого аппарата Фэндоужэ, открыла самое глубокое и протяженное в мире хемосинтетическое сообщество на глубинах от 5800 до 9533 метров.
Сообщества этих районов доминируют сиьбоглиниды — группа длинных трубчатых червей, а также моллюски семейства двустворчатых, которые формируют развитые экосистемы на черных или темных иллистых осадках, насыщенных сероводородом и метаном. Микробиологическое происхождение метана, утесняющегося из глубоких осадков, подтверждается изотопными анализами, демонстрирующими микробный процесс восстановления углекислого газа, а не тепловое разложение органических веществ. Такой метан образуется на глубинах нескольких сотен метров ниже поверхности морского дна благодаря жизнедеятельности метаногенных архей, которые перерабатывают органический материал, попадающий в глубины за счет биопродукции поверхностных вод и осадочных потоков, порождаемых подводными оползнями и землетрясениями. Формирование этих “холодных” рассолов приурочено к тектонической активности региона, где субдукция Тихоокеанской плиты под североамериканскую создает многочисленные разломы и трещины, по которым метаноносные жидкости поднимаются к дну желоба. Особенность этих процессов — глубоководная локализация, где давление достигает почти 100 мегапаскалей, а температура не превышает нескольких градусов Цельсия.
В таких условиях возможно существование газогидратов метана — твердых структур, содержащих молекулы газа, стабилизированные ледяной решеткой. Одним из важнейших открытий экспедиции стало установление, что хемосинтетические сообщества присутствуют не в изолированных очагах, а образуют протяженные полосы протяженностью до 2500 километров, с ярко выраженными разнородностями в составе и структуре населения. В Курило-Камчатском желобе доминируют длинные трубчатые черви-френулаты, в то время как в западной части Алеутского желоба наряду с ними широко распространены группы моллюсков, таких как везикомииды и тиазириды, а также различные виды многощетинковых червей. Такое разнообразие указывает на сложные адаптационные механизмы, позволяющие обитателям выдерживать экстремальные давление и низкие температуры, используя энергию отходящих от земных недр химических веществ. Особое значение для науки представляет возможность подобных экосистем влиять на глобальный углеродный цикл.
Чрезвычайно высокие концентрации метана в осадках указывают на наличие активной микробной биосферы, способной аккумулировать и трансформировать органический углерод, не позволяя ему уйти в глубины литосферы вместе с субдукционным процессом. Таким образом, часть углерода, ранее считавшаяся потерянной для биосферы, оказывается вовлеченной в биогеохимические круговороты, расширяя наши знания о том, как работают глубоководные экосистемы и какие процессы формируют современный газообразный и углеродный баланс планеты. Обнаружение этих экосистем также ставит под сомнение прежние представления об источниках энергии и жизненной поддержке флоры и фауны глубоководных желобов. Помимо традиционно рассматриваемого органического “питания” с поверхности, теперь становится очевидным немаловажное значение хемосинтеза и связанных с ним взаимодействий между микроорганизмами и крупными животными. Трубчатые черви и двустворчатые моллюски имеют эндосимбиотические бактерии, фиксирующие химическую энергию и обеспечивающие питание хозяина, благодаря чему в темных безжизненных местах образуются целые экологические сообщества с высоким разнообразием и плотностью обитателей.
Научные методы, использованные для этих исследований, включают в себя глубоководное видеофиксацию, отбор проб донных осадков и организмов, детальный генетический анализ (например, секвенирование гена coxI), а также комплексный химический и изотопный анализ газов и растворов в поровых водах. Такой многоуровневый подход позволяет получать комплексную картину существования и функционирования этих уникальных экосистем. Геологическая модель формирования этих хемосинтетических очагов связана с динамикой субдукционных процессов. Осадки активно накапливаются в желобах благодаря природным течениям и катастрофическим событиям, таким как подводные оползни и землетрясения, которые способствуют перемещению органического материала в глубокие слои. Там происходят процессы разложения, анаэробного окисления и микробного метаногенеза.
Давление и температурные условия создают подходящий режим для формирования газогидратов и накопления метана. Тектонические разломы образуют пути миграции химически обогащенных жидкостей вверх к морскому дну, создавая локальные участки с высокой биопродуктивностью, где обитают специализированные представители фауны. Важным выводом стала гипотеза, что такие сообщества довольно широко распространены в различных частях мирового океана, особенно на активных субдукционных зонах, и могут оказывать значительное влияние на глобальные процессы углеродного цикла и биогеохимии. Их вклад в метановый баланс особенно важен, учитывая потенциал мембранных потоков газа в виде газогидрата, который в случае изменения условий может стать источником парниковых выбросов. Дальнейшие исследования и мониторинг данных экосистем позволят глубже понять адаптационные механизмы организмов к экстремальным условиям, роли микроорганизмов в биогеохимических циклах и возможные компромиссы между биологическими и геохимическими процессами в самых глубоких частях Мирового океана.
Результаты экспедиции открывают новые перспективы не только в морской биологии и экологии, но и в изучении климата и глобальной динамики углеродных запасов. Таким образом, найденные хемосинтетические сообщества в гадальных желобах Курило-Камчатского и Алеутского регионов представляют собой уникальную экосистему, где жизнь нашла пути для существования в условиях полного отсутствия света и при экстремальном давлении. Их изучение открывает окно в малоизученный мир, где химия Земли и биология переплетаются, формируя жизненные формы, ранее считавшиеся невозможными. Эти открытия не только расширяют знания о границах жизни на Земле, но и способствуют разработке моделей глобального углеродного цикла и, возможно, помогут в прогнозировании изменений климата в будущем.
