Глубокие океанские хадальные желоба представляют собой одни из самых малоизученных и экстремальных экосистем на Земле. На глубинах свыше 6000 метров, где давление достигает невероятных значений, а солнечный свет полностью отсутствует, жизнь, казалось бы, должна была бы быть невозможной. Однако недавно проведённые исследования Курильско-Камчатского и Алеутского желобов обследованием с использованием глубоководного пилотируемого аппарата "Фэндоучже" показали поразительное и долговременное существование сложных хемосинтетических сообществ на глубинах до 9533 метров — лучших представителей самой глубокой жизни на планете. Эти открытия кардинально меняют наши взгляды на экосистемные границы и адаптивные механизмы жизни в экстремальных условиях. Хемосинтез — биохимический процесс преобразования неорганических веществ в органические с помощью энергии, выделяемой при окислении химических соединений.
В отличие от фотосинтеза, который опирается на солнечный свет, хемосинтетические организмы живут за счет энергии, высвобождаемой в ходе окисления соединений, таких как водород сульфид и метан. Эти соединения в океане появляются в местах выхода химически насыщенных жидкостей, так называемых холодных источников или холодных гидротермальных выходов. Именно вокруг таких участков были обнаружены густонаселённые колонии трубчатых червей, двустворчатых моллюсков и других беспозвоночных, формирующих уникальные сообщества, живущие в полной изоляции от солнечной энергии. Курильско-Камчатский и западный Алеутский желоба, протянувшиеся на тысячи километров в Тихом океане, сформированы в результате субдукционных процессов — погружения одной тектонической плиты под другую. Этот процесс создаёт сложные геологические структуры, включая многочисленные разломы и складки, которые способствуют циркуляции химически богатых жидкостей из глубинных слоев осадков до поверхности океанского дна.
В так называемой зоне аккрецонной призмы, характеризующейся интенсивной сейсмической активностью и подъёмом глубоких слоёв осадка, и были найдены новые холодные выходы с богатой хемосинтетической жизнью. Наблюдения и отбор проб с помощью аппарата "Фэндоучже" позволили задокументировать распространение этих сообществ на протяжении 2500 километров по дну двух желобов на глубинах от 5800 до 9533 метров. Главными обитателями этих экосистем являются трубчатые черви семейства Siboglinidae и моллюски двустворчатых классов, которые формируют плотные колонии. Трубчатые черви характеризуются длинными тонкими трубками, из которых выступают красные насыщающиеся гемоглобином щупальца, обеспечивающие эффективный захват и транспорт химических веществ. Они служат домом для многочисленных других организмов, таких как мелкие брюхоногие моллюски и различные виды малоподвижных и подвижных червей.
Моллюски-долгожители, которые встречаются на большем количестве участков, достигают внушительных размеров, не менее 20 сантиметров, и нередко обладают симбионтными бактериями, которые помогают им усваивать химические вещества из среды. Хемосинтетические сообщества в этих объектах уникальны и разнообразны. В основном они зависят от метана и сульфидов водорода, исходящих из глубинных слоёв, где происходит микробный метаногенез — процесс образования метана анаэробными микроорганизмами за счёт разложения органического материала. Анализ стабильных изотопов углерода и водорода подтвердил микробное происхождение метана, а также указывал на механизмы связывания углерода, которые происходят в этих средах. Исследования поровой воды и газовых фаз подтвердили присутствие метана в растворённой форме, а также в виде гидратов метана — кристаллических структур, где молекулы метана захвачены в ледообразной матрице.
Поскольку температура на этих глубинах чрезвычайно низкая, а давление очень высокое, оборудование для проведения таких измерений требовало особой точности и инноваций. Геологическая модель формирования этих холодных источников основывается на взаимодействии нескольких факторов. Во-первых, воронкообразное строение дна желоба способствует сбору и накоплению органической материи, которая осыпается в глубокие слои со временем. Это осадочное вещество служит пищей и субстратом для метаногенных микробных сообществ. Во-вторых, напряжение, вызванное субдукцией и тектонической деформацией океанической коры, создает разломы и трещины, по которым химические жидкости поднимаются к поверхности дна, образуя холодные выходы.
Замедленная миграция метана и продуктов его окисления создаёт благоприятные условия для процветания симбиотических хемосинтетических организмов. Не менее интересной является биогеографическая взаимосвязь этих экосистем с другими глубоководными сообществами Тихого океана. Целый ряд видов трубчатых червей и моллюсков обнаружены в Курильско-Камчатском, Алеутском и Японском желобах, свидетельствуя о неразрывной цепочке приспособленных организмов в пределах обширной геологической зоны. Такая взаимосвязь подчеркивает масштабность и важность изучения система холодных источников как потенциала для понимания физиологических границ, адаптивных стратегий и экологической стабильности жизни в экстремальных условиях. Новые открытия бросают вызов устоявшимся представлениям о питании и источниках энергии на больших глубинах океана.
Ранее считалось, что основными энергоресурсами для життя в глубоких слоях являются фототрофные материалы, обрушивающиеся с поверхности в виде падения органики, а также падение туш мертвых животных. Однако сейчас становится очевидно, что химическая энергия холодных источников играет ключевую роль в поддержании сложных пищевых сетей и биогеохимических циклов в самых глубоких и темных уголках океана. Присутствие большого количества смешанной фауны, включая хищников и падальщиков возле хемосинтетических сообществ, свидетельствует о существенном влиянии этого энергетического субсидия на широкий ряд морских организмов. Кроме экологического значения, обнаружение метановых гидратов и их распространение в глубоководных осадках имеют важное значение для глобального углеродного цикла и климатических моделей. Метан, будучи мощным парниковым газом, потенциально может влиять на глобальное потепление, если выделится в атмосферу в больших масштабах.
Объемы метана, накопленные в гидратах, а также механизмы образования и стабилизации этих структур в холодных осадках, требуют дальнейшего изучения, чтобы понять роль древних глубоководных экосистем в долгосрочном хранении углерода или его возможном высвобождении. Для исследования этих глубоководных экосистем были разработаны и использованы инновационные технологии и оборудование. Многолучевой эхо-зонд, глубоководный пилотируемый аппарат с гидравлическими захватами и высококачественной видеосъемкой позволили не только визуализировать сообщество организмов, но и отбирать образцы живых организмов и осадков для детального лабораторного анализа. Применение метагеномных методов секвенирования позволило идентифицировать виды и изучить их генетические адаптации к обитанию на экстремальных глубинах. Результаты этих исследований открывают новые перспективы в понимании пределов жизни на Земле и могут иметь значение для поиска жизни на других планетах с экстремальными условиями, таких как подледные океаны Европы или Энцелада.
Биохимические системы хемосинтетических организмов служат примерами возможных форм жизни, зависящих не от солнечного света, а от химической энергии, что расширяет рамки астрофизических и биологических исследований. Таким образом, обширные и процветающие хемосинтетические сообщества в самых глубоких частях океана демонстрируют уникальную способность жизни адаптироваться, выживать и развиваться в условиях, ранее считавшихся непригодными. Эти открытия не только расширяют знания о биологическом разнообразии и процессах в гидросфере, но и подчеркивают необходимость интеграции таких данных в глобальные климатические модели и углеродный учет для лучшего понимания функционирования планетарной системы в целом.
