Сообщества мирового океана гидротермальные

Сообщества мирового океана гидротермальные

Гидротермальные системы океана и жизнь

А.Ю.Леин, Л.И.Москалев, Ю.А.Богданов, А.М.Сагалевич

Институт океанологии им. П.П. Ширшова РАН, Москва

Прошло более ста лет со времени открытия процесса бактериального хемосинтеза [1] и почти четверть века со дня первого визуального наблюдения горячих гидротермальных проявлений с уникальными биологическими сообществами на дне океана [2]. Выяснилось, что рифтовые экосистемы целиком зависят от геотермальной, а не солнечной энергии [3].

Эти два открытия, разделенные во времени ровно на 90 лет, свидетельствовали об огромной геохимической роли хемоавтолитотрофных (и метанотрофных) микроорганизмов, способных синтезировать органическое вещество, используя углекислоту (и/или метан) в качестве единственного источника углерода, а восстановленные минеральные соединения (H 2 , H 2 S, S, S 2 O 3 2– , SO 2 , NH 3 , Fe 2+ , Mn 2+ и др.) — в качестве источника энергии. В 1984 г. внимание исследователей океана привлекли сходные с рифтовыми биологические сообщества, развивающиеся у выходов метановых (и сероводородных) газовыделений и флюидов на активных и пассивных континентальных окраинах океана и даже во внутренних морях, например в Черном. Поля подобных образований получили название “сипы” (от англ. seep — просачиваться). Позднее было предложено фауну, обитающую вокруг выходов низкотемпературных гидротермальных источников на активных и пассивных континентальных окраинах, называть фауной холодных высачиваний, или сиповой, в отличие от гидротермальной рифтовой фауны, обитающей возле высокотемпературных источников.

В основе пищевых цепей рифтовых и сиповых животных лежит главным образом органическое вещество, синтезированное в процессе бактериального хемосинтеза и метанотрофии. При этом микроорганизмы могут быть свободно живущими, прикрепленными (в виде бактериальных обрастаний и матов), а также эндо- и экзосимбионтами.

Практически одновременно российскими и западными исследователями был открыт третий после фото- и хемосинтеза метанотрофный синтез органического вещества за счет использования углерода метана [4]. Это было неожиданно для большинства геохимиков, морских геологов и биоокеанологов.

Международным сообществом ученых при поддержке правительств ведущих стран мира были начаты беспрецедентные по своим масштабам исследования гидротермальных систем океана. С 1977 по 1999 г. в океане обнаружено чуть менее 100 активных и множество реликтовых гидротермальных полей.

Сейчас наступает пора осмысления накопленных фактов и их типизации. Предлагаемая читателям “Природы” статья — одна из таких попыток.

Начнем с того, что рассмотрим гидротермальные системы открытого океана и континентальных окраин в составе общей гидротермальной системы Мирового океана.

Открытый океан. Гидротермальная циркуляция морской воды через изверженные породы океанической коры в “горячих точках”, рифтовых зонах срединно-океанических хребтов и в задуговых спрединговых центрах приводит к физической, химической и биологической эволюции коры и океанов. В этом процессе преобладает адвективный перенос [5] масс вещества, растворов и тепла между глубинными слоями земной коры (а в некоторых случаях даже верхней мантии) и гидросферой.

В предлагаемой классификации в рифтовых зонах срединно-океанических хребтов выделяются две циркуляционные системы — над внутрикоровыми магматическими камерами и глубинная. Последняя открыта лишь после исследований на глубоководных аппаратах “Мир” в Атлантике, на гидротермальном поле Логачев (1995 и 1998 гг.). Флюиды глубинной циркуляционной системы отличаются от обычных относительно высоким содержанием СН 4 , его гомологов и нефтяных углеводородов.

Континентальные окраины. Глобальный процесс разгрузки термальных вод происходит также на активных и пассивных континентальных окраинах океана. В одних случаях флюиды активных окраин формируются в задуговых спрединговых центрах и в мелководных вулканах, где этот процесс связан с различными изверженными породами или с вулканокластическими отложениями. Состав такого флюида несколько отличается от состава гидротермальных растворов открытого океана, но и в тех и других преобладают соединения серы (H 2 S, S 2 O 3 2– и др.).

Вторая группа флюидов активных окраин океана рождается в осадочных толщах зон субдукции и на внутренних склонах глубоководных желобов под действием различных геологических факторов. В составе флюидов из аккреционных призм зон субдукции присутствует значительно больше СН 4 , чем во флюидах других гидротермальных систем активных континентальных окраин.

Преимущественно метановые флюиды формируются также в гидротермальных системах пассивных континентальных окраин, связанных с грязевым вулканизмом и расположенных в районах лавинной седиментации в океане. Флюиды в этом случае образуются при смешении морской воды и метаморфизованных вод погребенных осадков, содержащих восстановленные соединения, и в первую очередь СН 4 и различные углеводороды, которые, как правило, возникают в результате высокотемпературного синтеза из захороненного в осадках органического вещества планктонного происхождения. Заканчивая описание нашей классификации, важно подчеркнуть еще раз, что в открытом океане и в задуговых спрединговых центрах флюиды обогащены H 2 S, H 2 и металлами. Температура этих растворов превышает 360°С.

На дне континентальных окраин, в гидротермальных системах, связанных с осадочными отложениями, температура флюидов на выходе колеблется в пределах 0.01—50°С, редко достигая 100°С. В составе этих растворов преобладает СН 4 и его гомологи, присутствуют H 2 S, H 2 , NH 4 . Содержание металлов незначительно.

Рассмотренная классификация гидротермальных систем и закономерное распределение связанных с ними главных компонентов газового состава флюидов важны для оценки роли “первичной” и “вторичной” бактериальной продукции в океане.

Процессы хемосинтеза и метанотрофии с образованием первичной бактериальной продукции происходят у выходов флюидов в “горячих точках”, рифтовых зонах и в задуговых спрединговых центрах за счет энергии окисления восстановленных эндогенных соединений. В процессах вторичного бактериального синтеза органического вещества участвуют восстановленные соединения, поступающие из осадочных пород и возникающие в процессе преобразования захороненного в этих породах органического вещества планктонного генезиса. В течение 1986—1999 гг. (с перерывами) определялись величины первичной бактериальной продукции на активных гидротермальных полях рифтовых зон Тихого океана (гора Осевая, хребет Хуан-де-Фука); во впадине Гуаймас (Калифорнийский залив), бассейнах Манус и Лау (задуговой спрединговый центр Юго-Западной Пацифики) и на четырех полях в рифтовых зонах Атлантического океана (районы 14°45’с.ш., 26°с.ш., 29°с.ш., 36°с.ш.).

Пробы для исследования отбирали с помощью подводных обитаемых аппаратов “Пайсис-4 и -11”, глубоководных обитаемых аппаратов “Мир-1 и -2” и комплекса “Rozett”.

На различных индивидуальных полях величина первичной бактериальной продукции варьировала [6] от 20 до 300 (мг С)(м –2 )(сут –1 ), составляя в среднем около 150 (мг С)(м –2 )(сут –1 ).

Величина вторичной бактериальной продукции реально измерена в районе метанового сипа грязевого вулкана Хаакон Мосби в Норвежском море и составила более 10 (мг С)(м –2 )(сут –1 ). В среднем примерно 23% от количества окисленного СН 4 приходится на вторичную бактериальную продукцию. С учетом площади активного сипа было рассчитано7, что вне поверхности дна кальдеры грязевого вулкана окисляется более 100 тыс. м 3 СН 4 в год.

Бактериальная продукция на дне океана представляет собой дополнительное органическое вещество, количество которого сопоставимо или даже превышает количество планктонного органического вещества, достигшего дна. Добавим, что весь этот материал “свежий”, не прошедший деструкционных преобразований в водной толще.

Рассуждения о малых площадях, занимаемых гидротермальными полями, и о “несущественном” вкладе первичной бактериальной продукции в общий баланс органического вещества в океане верны только в общих чертах. Не следует забывать, что протяженность срединно-океанических хребтов составляет 60—65 тыс. км, а их площадь соизмерима с общей площадью всех материков. Непрерывно осуществляемая, по крайней мере последние 200 млн лет, разгрузка эндогенных флюидов на такой территории и развитие вокруг этих источников биологических сообществ дают весьма существенный вклад в накопление автохтонного органического вещества в открытом океане. Другая зона развития гидротерм — континентальные окраины — имеет протяженность около 350 тыс. км. Иными словами, области, где сконцентрированы гидротермальные системы, охватывают примерно 1/3 площади дна Мирового океана8.

Масштабность процессов бактериального синтеза органического вещества в океане можно проиллюстрировать картой-схемой, на которую нанесены практически все известные на сегодняшний день активные гидротермальные поля в Мировом океане. Читатели “Природы” первыми увидят эту сводку глобального распространения современных оазисов жизни на дне океанов.

Схема распределения рифтовой и сиповой фауны в таком объеме с привязкой к гидротермальным системам океана составлена впервые. Каждому значку на карте соответствует географическое название района. Советские, а затем российские научные экспедиции проводили исследования на 20 активных полях.

Размещение биологических сообществ на активных гидротермальных полях в Мировом океане. Числами обозначены районы гидротермальных проявлений: в открытом океане — рифтовые зоны (1—29), горячие точки (30); на активных континентальных окраинах — задуговые спрединговые центры (31—41), мелководные вулканы островных дуг (42—48), аккреционные призмы зон субдукции и внутренние склоны глубоководных желобов (49—63); на пассивных континентальных окраинах — грязевые вулканы (64—74).

1 — хребет Кольбенсей, 2 — Менез-Гвен, 3 — Лаки-Страйк, 4 — Рейнбоу, 5 — Брокен-Спур, 6 — ТАГ (Трансатлантический геотраверс), 7 — Снейк-Пит, 8 — Логачев, 9 — Аденский залив, 10 — рифт Таджура, 11 — тройственная точка Родригес, 12 — плато Амстердам-Св.Павел, 13 —хребет Эксплорер, 14 — хребет Хуан-де-Фука, 15 — хребет Горда, 16 — п-ов Палос Вердес, 17 — бассейн Гуаймас, 18 — Сонорский край бассейна Гуаймас, 19—28 ВТП (Восточно-Тихоокеанское поднятие): 19 — 21°с.ш., 20 — 13°с.ш., 21 — 11°с.ш., 22 — 9°—10°с.ш., 23 — 4°с.ш., 24 — 7°ю.ш., 25 — 17°—19°ю.ш., 26 — 21°—22°ю.ш., 27 — 23°ю.ш., 28 — 26°ю.ш., 29 — Галапагосский спрединговый центр, 30 — вулкан Лоихи,

31 — вулкан Пийпа, 32 — трог Окинава, 33 — трог Огасавара, 34 — Марианский трог, 35 — банка Эсмеральда, 36 — бассейн Манус, 37 — о.Новая Британия, залив Бленч, бухта Матупи, 38 — бассейн Северное Фиджи, 39 — бассейн Лау, 40 — кальдера Брадерс-Арк, 41 — юг дуги Кермадек,

42 — мыс Палинуро, 43 — мыс Мессина и о.Вулькано, 44 — о.Милос, бухта Палеохори, 45 — Восточное средиземноморье, вершина дома Наполи, 46 — о.Янкича, бухта Кратерная, 47 — о.Кунашир, Горячий Пляж, 48 — о.Кюсю, залив Кагосима,

49 — аккреционная призма о.Барбодос, 50 — аккреционная призма Макран, 51 — о.Хонсю, залив Сагами, 52 — Японский и Курильский желоба, 53 — аккреционная призма Нанкай, 54 — каньон Тенриу, восточная часть трога Нанкай, 55 — гора Эдисон, 56 — Алеутский желоб,

57 — Орегонская аккреционная призма, 58 — разлом Сан-Клементе, 59 — залив Монтерей, 60 — мексиканская часть Центрально-Американского желоба, 61 — Коста-Риканская аккреционная призма Центрально-Американского желоба, 62 — Северная часть Перуанского желоба, 63 — центральная часть Чилийского желоба,

64 — хребет Вестнеса, 65 — Хаакон Мосби, 66 — Лаврентийский веер, 67 — континентальный склон Северной Каролины, 68 — каньон Аламинос Мексиканского залива, 69 — континентальный склон Луизианы, Мексиканский залив, 70 — Флоридский эскарп, 71 — Гвинейский залив, 72 — бассейн Дерюгина, 73 — о.Парамушир, 74 — континентальный шельф Северной Калифорнии.

Проводившиеся 23 года исследования гидротермальной фауны позволили установить, что число относящихся к ней видов многоклеточных животных приближается к 500. Подавляющее большинство из них относится к пяти основным типам: членистоногим (35%), моллюскам (34%), кольчатым червям (23%), кишечнополостным (3%) и погонофорам (3%).

Высочайшая концентрация биомассы рифтовых и сиповых сообществ, превышающая 50 кг на 1 м2, не свойственна обычным сообществам животных океанского дна. Почти все виды, обитающие на активных гидротермальных полях (

95%), характерны лишь для зон гидротермалей Мирового океана. Из 207 родов облигатны 47%, из 141 семейства — 18%.

В рифтовых сообществах зарегистрировано вдвое больше видов (475), чем в сиповых (211), хотя доля симбиотрофно питающихся9 приблизительно одинакова (около трети).

Имеющиеся к настоящему времени материалы по гидротермальным системам в корне изменили представление о природе Мирового океана в целом, и в частности об источниках органического вещества в нем. Можно сказать, что со времени открытий, сделанных на научно-исследовательском судне “Челенджер”, океанология не обогащалась за столь короткий срок таким количеством неоспоримых фактов. Полученные в последнее время данные доказывают, что глобальный вынос флюидов из недр Земли активно происходит не только на суше, но и на огромной площади в океане.

Обнаружение многочисленных современных активных, а позднее реликтовых гидротермальных полей на дне океана привело к смене концепции “океан стока” на концепцию “активный океан”. Одна из главных особенностей активного океана — биологическая жизнь на сероводороде и метане. Жизнь, открытая не в лабораторных пробирках, а в масштабе планеты Земля.

Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований. Гранты 00-05-64082 и 00-04-48056.

1 Vinogradsky S.N. // Botanische Zeitung. 1887. №45. S.489—610.

2 Lonsdale P. // Deep—Sea Res. 1997. V.24. P.857—863.

3 Jannasch H.W., Wirsen C.O. // Bio Science. 1979. V.29. P.592—598.

4 Гальченко В.Ф., Галкин С.В., Леин А.Ю. и др. // Океанология. 1988. Т.28. С.1020.

5 Перенос вещества из глубины к поверхности в результате тектонического горизонтального смещения масс океанической коры вдоль срединно-океанических хребтов.

6 Леин А.Ю., Гальченко В.Ф., Пименов Н.В., Иванов М.В. // Геохимия. 1993. №2. С.252—268.

7 Леин А.Ю., Пименов Н.В., Саввичев А.С. и др. // Геохимия. 2000. №3.

8 Fisher A.T. The Quantitative Hydrogeology of Igneous Oceanic Crust: Properties, Driving Forces, and Fluxes // Complex Conference on Multiple Platform Exploration. Vancover, 1999. Р.112.

9 Симбиотрофным принято называть особый тип питания животных за счет жизнедеятельности бактерий внутри или на поверхности тканей животных.

Источник

Как живут организмы, которым не нужен солнечный свет

Александр Марков, Александр Костинский

В 1979 году на дне Тихого океана вблизи выходов горячих подземных вод были обнаружены скопления крайне необычных животных, многие из которых ранее не были известны науке. Эти густонаселенные сообщества, похожие на оазисы жизни посреди пустынного океанского дна, активно изучаются более 30 лет, однако ранее неизвестного открывается все больше.

О последних открытиях в изучении гидротермальных морских сообществ рассказывает сотрудник кафедры зоологии беспозвоночных биологического факультета Московского государственного университета кандидат биологических наук Вячеслав Иваненко:

– Так называемые гидротермальные сообщества сегодня очень активно исследуются. Открытия происходят в этой области буквально каждый день. Мы постоянно находим новые виды, новые гидротермальные поля, получаем новые результаты, связанные с изучением молекулярной биологии и с изучением взаимоотношений животных в этих сообществах. Даже если бы мы говорили на эту тему каждый месяц, все равно можно было бы сообщить о новых открытиях.

– Что представляют собой эти гидротермальные сообщества и в чем их уникальность?

– До открытия этих сообществ считалось, что на дне мирового океана, на больших глубинах жизнь представлена скудно, разнообразие маленькое и биомасса в этих сообществах очень небольшая. А в 1979 году, когда были открыты эти уникальные сообщества, ученые испытали огромное потрясение. Вообще описать словами то, что происходит в гидротермальных сообществах, невозможно – это нужно видеть. На дне моря, вокруг подводных вулканов, где выбрасывается горячая вода, формируется уникальное природное сообщество. Животные, которые живут в этих сообществах, являются своего рода экстремалами. Живущие там бактерии используют метан и сероводород для того, чтобы образовывать органические вещества. Но энергия, которая требуется для образования органики, имеет не солнечное происхождение: на глубине не может идти процесс фотосинтеза. Эти уникальные бактерии, делают ничто иное, как окисляют метан или сероводород.

– Нужен ли бактериям, живущим на дне моря, кислород?

– Многоклеточные животные и растения все без исключения зависят от кислорода. Для того чтобы поддерживать свою жизнедеятельность, им нужно окислять вещества. А вот бактериям кислород не нужен. Все животные, которые живут в этих сообществах, а там есть черви, раки, рыбы, они питаются органикой, которую производят эти бактерии. Причем бактерии могут жить как внутри организма или на поверхности этих животных, так и на грунте.

В этих подводных сообществах живут, например, большие длинные черви. Они живут в трубках и ведут необычный образ жизни, и имеют необычный способ питания. Питание происходит за счет бактерий, которые живут в специальном органе этого червя, который называется трофосома, и который представляет собой ничто иное, как видоизмененный кишечник. В этом видоизмененном кишечнике находится специальная бактерия, которая использует вещества, плавающие в растворе – это сера и метан, попадающие к бактериям через кровь червей.

– Сколько видов животных на сегодня описано в гидротермальных сообществах?

– Более 500 видов. И все время описываются новые. Причем, были открыты не только новые виды, но и семейства.

Я занимаюсь ракообразными, которые на самом деле распространены везде. Это веслоногие ракообразные, мелкие рачки, их называют циклопиками. Этих Циклопиков, на самом деле очень много, на данный момент описано порядка 15 тысяч видов. Более того, копеподы, которыми я занимаюсь, они как раз составляют наибольший объем животной органики на нашей планете. Вообще веслоногие ракообразные по биомассе превосходят всех остальных животных. Если прикинуть ту площадь, которую занимает мировой океан, а мы знаем, что это порядка 70%, и оценить толщину слоя, которую имеет он имеет, то оценки показывают, что биомасса этих ракообразных самая большая для всего животного мира. Некоторые из этих рачков встречаются в гидротермальных сообществах. В настоящий момент описано порядка 80 видов таких веслоногих рачков.

– Как веслоногие рачки питаются в гидротермальных сообществах на дне океана?

– Большинство из них питаются именно бактериями. Они живут на пленках, образованных бактериями, так называемых бактериальных матах. Эти рачки буквально пасутся на этих пленках и выедают бактерий. Кроме того, они питаются бактериями, которые могут развиваться на поверхности, скажем, других животных, тех же червей или креветок. В гидротермальных сообществах развивается множество специализированных ракообразных, которые на самом деле являются специализированными креветками. Особенность этих креветок состоит в том, что у них глаза очень сильно изменились. Судя по всему, глаза используются для того, чтобы находить горячие участки. Глаз сместился на спину и находится под непрозрачной прочной оболочкой. Они имеют размер порядка пяти сантиметров. Эти креветки ведут очень подвижный образ жизни. В отличие от червей, которые прикреплены к субстрату и которые могут только наклоняться в сторону горячего источника, чтобы из него получать сероводород, который может быть воспринят кровеносной системой.

А вот креветки, могут «бегать». Более того, этот способ бегания они используют для того, чтобы выращивать на своих лапах бактерии. Эти многочисленные креветки постоянно роятся над поверхностью подводных вулканов и движутся в сторону горячего флюида. Очень долгое время было непонятно, как они питаются. Было две гипотезы, одна гипотеза говорила о том, что они ныряют в агрессивную среду, насыщенную сероводородом, для того, чтобы соскребать с поверхности грунта бактерий, которые на грунте развиваются. Но когда посмотрели подробнее на конечности раков, оказалось, что на них очень много бактерий, и они, скорее всего, культивируют эти бактерии на своих конечностях.

То есть возникает симбиотическая система: креветка постоянно ныряет в горящую среду для того, чтобы создать условия для растущих на ее конечностях бактерий. А потом креветка этими бактериями питается.

А вот, рачки-копеподы, которых я изучаю, имеют размер не больше двух миллиметров, как правило. Они живут между лапками у креветок и таскают бактерий, которые выращивают креветки.

– То есть возникает симбиотическая система: креветки выращивают на своих конечностях бактерии, чтобы ими питаться, а рачки тоже селятся на креветках и подворовывают этих бактерий. Но какая польза креветке от этих рачков?

– Может быть, никакой, а может быть и есть какая-то. Мы же с вами говорим так просто и легко о том, что происходит под водой на глубине три тысячи метров. Но ведь мы пока очень многого не знаем. Для того чтобы понаблюдать за этим сообществом, нужно снарядить специальный корабль, на котором есть находятся глубоководные аппараты, после этого нырнуть на огромную глубину. Это очень дорогое удовольствие. До сих пор позволить это себе может далеко не каждое государство. В России в Институте океанологии есть научно-исследовательский корабль, на котором два глубоководных аппарата. Ни одна другая страна в мире не обладает больше, чем одним аппаратом. И наши аппараты обладают лучшими техническими характеристиками. Я бы хотел обратить внимание на то, что белых пятен в науке и в том числе в исследовании гидротермальных сообществ гораздо больше, чем может показаться. Например, в последние годы начала бурно развиваться гипотеза, что существует не только подводная биосфера, о которой мы сегодня говорим, но и подземная. Речь идет о том, что глубоко под поверхностью Земли существует уникальное сообщество, которое населяют бактерии, формирующие огромную биомассу. А мы даже не догадываемся, какую роль они могут играть в жизни Земли.

Источник