Хадальные желоба — одни из самых неизведанных и загадочных уголков Земли. Эти глубоководные структуры, достигающие глубин более 6000 метров, долгое время считались в значительной мере лишёнными сложных экосистем. В последние годы исследования изменили традиционные представления, обнаружив там сообщества, существующие за счёт хемосинтеза — процесса, при котором микроорганизмы производят органическое вещество, используя энергию не от солнечного света, а за счёт химических реакций, характерных для вулканических или газовых извержений. Однако первые документированные сообщества такого типа в хадальных зонах были редкими и локальными.Экспедиция, проведённая в 2024 году в Курильско-Камчатском и западно-Алеутинском желобах на манned субмарине Fendouzhe, значительно расширила границы нашего понимания жизни на больших глубинах.
Учёные обнаружили обширные сообщества хемосинтетических организмов, живущих на глубинах от 5800 до более чем 9500 метров, что является рекордом по глубине для таких экосистем. Эти сообщества, протянувшиеся почти на 2500 километров, состоят в основном из трубчатых червей семейства Siboglinidae и двустворчатых моллюсков. Они питаются речными и метановыми гидратами, которые поднимаются со дна через геологические разломы, происходящие в глубинных слоях осадочных пород. Микробный метаногенез из органического материала, накопленного на дне, обеспечивает химические соединения, на которых базируется вся эта цепочка питания.Геологическое строение этих областей играет ключевую роль.
Хадальные желоба традиционно формируются субдукцией океанических плит — процессом, при котором одна тектоническая плита погружается под другую. В результате таких движений возникают многочисленные разломы, по которым создаются пути для перемещения метана и водорода серы из глубоких слоев осадков к поверхности морского дна. При достижении дна эти соединения создают благоприятные условия для развития хемосинтетических сообществ. Верхние слои осадков содержат органический материал, который под действием анаэробных микробов превращается в метан путём восстановления углекислого газа, а затем этот метан выходит через трещины в виде холодных источников.Уникальные микроэкологические ниши в пределах этих холодных источников формируют среду обитания для большого разнообразия организмов.
Трубчатые черви Siboglinidae, обитающие здесь, развили особые адаптации, позволяющие им не только использовать химическую энергию, но и выживать при крайне высоком давлении и низких температурах с рядом физиологических особенностей, включая уникальные гемоглобиновые структуры для захвата и переноса сероводорода. Двустворчатые моллюски, которые здесь встречаются, обладают хемосимбиотическими бактериями, снабжающими их энергией, что даёт им возможность существовать в полной темноте без фотосинтеза.Отличительная черта этих сообществ — их высокая плотность и биомасса. Средняя численность трубчатых червей достигает тысяч особей на квадратный метр, что невозможно было предусмотреть в таких экстремальных условиях. Разнообразие соседних видов, включая разнообразных кольчатых червей, моллюсков, морских звёзд и других беспозвоночных, создаёт необычайно сложную трофическую сеть, основанную на химической энергии.
Помимо специализированных хемосинтезирующих организмов, здесь присутствуют и типичные гетеротрофы, живущие за счёт продуктов жизнедеятельности хемосинтезирующих бактерий, тем самым доказывая значительное влияние холодных источников на биоразнообразие всего глубоководного сообщества.Геохимические исследования подтверждают, что источником метана в этих трубах служит именно микробный метаногенез, а не термогенные процессы глубокого разогрева пород. Изотопный состав углерода и водорода в метане указывает на происхождение от восстановления диоксида углерода в анаэробных условиях, что свидетельствует о важности микробных сообществ в геохимических циклах этих регионов. Помимо метана, в глубинных осадках обнаружены метановые гидраты и минералы, такие как икит, что подтверждает возможность длительного хранения углерода в форме газовых соединений.Моделирование фаз состояния метана при условиях большим давлении и низкой температуре, характерных для данных глубин, показывает, что метан существует в виде газовых гидратов и растворённой формы, что объясняет отсутствие наблюдаемого выхода газа в виде пузырьков во время погружений и исследований.
Эти газогидратные слои могут играть важную роль в стабилизации выноса углерода и углеродоснабжении экосистем.Открытие обширных и устойчивых сообществ хемосинтетической жизни на самых глубоких морских участках бросает вызов классическим взглядам на животный мир, проживающий на глубоководных глубинах. Ранее считалось, что основным источником органической энергии для таких организмов служат остатки фотосинтетического материала, опускающиеся с поверхности океана. Теперь становится ясно, что химическая энергия метана и сероводорода играет не меньшую, а возможно и более значительную роль в поддержании жизни на больших глубинах.Не менее важным является и влияние хемосинтетических экосистем на глобальные биогеохимические циклы, особенно углеродный цикл.
Долговременное накопление метановых гидратов и метана микробного происхождения в осадках может существенно влиять на глобальные запасы углерода, а также служить потенциальным источником парникового газа в случае изменения климатических и геологических условий. Исследование таких систем востребовано для повышения точности моделей климата и понимания процессов карбоната и углеродного обмена на геологическом временном масштабе.Экспедиции в хадальные зоны, как нынешняя в Курильско-Камчатском и западно-Алеутинском желобах, демонстрируют технический и научный прогресс в глубоководных исследованиях. Многофункциональные подводные аппараты, способные проводить погружения почти до 11 000 метров, позволяют в реальном времени получать видео материалы высочайшего качества, проводить отбор проб и измерение параметров окружающей среды с невиданной ранее точностью. Эти технологии раскрывают тайны самых загадочных и малоизученных экосистем нашей планеты.
Географическое распространение обнаруженных сообществ сибирглинид и моллюсков, схожих с известными из Японского и Марианского желобов, говорит о возможности существования единой биогеографической системы в северной части Тихого океана, охватывающей несколько крупнейших океанских желобов. Не исключено, что подобные хемосинтетические экосистемы встречаются и в других глубоководных впадинах мира, особенно на территориях с активной тектоникой и накоплением органического материала.Исследования находящихся в симбиозе с бактериями организмов и их способности выживать в экстремальных условиях с повышенным давлением, низкой температурой и полным отсутствием солнечного света открывают новые горизонты биологических и биохимических адаптаций. Они позволяют изучать пределы жизни на Земле и, возможно, дают ключи к поиску биосигнатур в экстремальных условиях других планет и лун.Суммируя, открытие обширных хемосинтетических сообществ в самых глубоких районах океанских желобов становится важным научным достижением, который меняет представления о границах жизни, её источниках энергии и роли глубоководных экосистем в глобальных биогеохимических процессах.
Эти результаты стимулируют дальнейшие исследования, способствующие не только углублению знаний о глубоководной биологии, но и пониманию влияния глубоководного углеродного цикла на климат и экологию планеты в целом.
