Любят погорячее

Гидротермальные источники на дне океана интересны и с точки зрения добычи полезных ископаемых, и для фундаментальной науки — возможно, что жизнь на Земле зародилась именно здесь. Морские биологи изучили склоны подводного вулкана Пийпа на юго-западе Берингова моря и сделали немало открытий.

В 1976-м американский пилотируемый экипаж батискафа "Алвин" в районе Галапагосских островов на глубине около 2000 метров обратил внимание на необычные конусообразные структуры, из которых били струи мутной, практически черной воды. Причем она была очень горячая — 400 градусов Цельсия.

Потом выяснилось, что "черных курильщиков", как их назвали ученые, на дне океана довольно много. Обычно они связаны со срединно-океаническими хребтами или зонами субдукции на окраинах континентов — глубинными разломами, разделяющими литосферные плиты. Морская вода, проникая по ним в мантию, нагревается и обогащается металлами. Когда перегретая газово-жидкая смесь — гидротермальный флюид — под давлением поднимается по трещинам наверх, из нее осаждаются минералы.

Первыми выпадают сульфиды железа, меди и никеля — их тонкая взвесь и окрашивает гидротермальные струи в черный. После охлаждения до 200-300 градусов кристаллизуются сульфиды цинка и марганца — именно из них состоят светлые части конусообразных построек "курильщиков".

Жизнь на Земле могла появиться как раз в таких источниках. Тут много энергии и полезных веществ. Поступающие из недр горячие растворы обогащены CH₄, NH₃, H₂ и разными металлами, а глина на дне идеальна для каталитических реакций.

Сторонники гидротермальной гипотезы зарождения жизни считают, что такие условия вполне подходят для синтеза сложных органических соединений, которые в конце концов привели к возникновению живых организмов.

Биоразнообразие вблизи гидротермальных источников по сравнению с окружающим морским дном выше на несколько порядков. Однако экосистема "курильщиков" отличается от большинства наземных природных сообществ, в которых первичное органическое вещество образуется посредством фотосинтеза.

Основу глубоководных систем составляют бактерии, способные обходиться без солнечного света. Неорганическое вещество в органическое они превращают при помощи хемосинтеза, а исходным материалом служат содержащиеся в геотермальных водах соединения серы, прежде всего сероводород. Колонии хемосинтезирующих бактерий создают вокруг источников толстые бактериальные маты — питательный субстрат для более крупных организмов.

Биосообщества гидротермальных систем изучены очень слабо, ведь "курильщики", как правило, находятся на больших глубинах. Исключение — подводные вулканы.

Российские биологи несколько лет изучают донную фауну гидротермальных сообществ подводного вулкана Пийпа в Беринговом море — самого западного из действующих на Алеутской островной дуге. От Камчатки — 335 километров. Назван в честь вулканолога Бориса Пийпа.

Впервые его обследовали в 1990-м, в ходе 22-го рейса научно-исследовательского судна "Академик Мстислав Келдыш" с глубоководными аппаратами "Мир-1" и "Мир-2". При погружении ученые увидели на вершинах вулкана, там, где выходят гидротермальные растворы, обширные бактериальные маты.

Но только это были не "черные", а "белые курильщики", без сульфидов, с соединениями кальция и бария. Светлые карбонаты и ангидриты образовали небольшие, до полутора метров, башенки.

В 2016-м и 2018-м исследования продолжили на "Академике М. A. Лаврентьеве". Эти экспедиции организовал Национальный научный центр морской биологии имени А. В. Жирмунского ДВО РАН при финансовой поддержке Минобрнауки России. В работе также приняли участие ученые из Института океанологии имени П. П. Ширшова РАН, Дальневосточного федерального университета, Санкт-Петербургского государственного университета, Камчатского филиала Института географии ДВО РАН и Палеонтологического института имени А. А. Борисяка РАН.

Вулкан Пийпа уникален. Это самая северная зона гидротермальной активности в Тихом океане, единственный действующий подводный вулкан в российских территориальных водах (по геологическим данным, последний раз он извергался примерно семь тысяч лет назад). Наконец, его вершины находятся неглубоко — 368 и 464 метра от поверхности.

"Исследование гидротермальных сообществ осложняется тем, что это возможно только с помощью глубоководных аппаратов, — говорит старший научный сотрудник Института океанологии имени П. П. Ширшова РАН кандидат биологических наук Елена Рыбакова. — Традиционные методы сбора донного материала, такие как тралы, дночерпатели, драги, в данном случае не годятся из-за сложного рельефа дна и крайне мозаичного распределения фауны".

Ученые воспользовались британским телеуправляемым аппаратом "Команч-18", который совершил 20 погружений, записав 57 часов видео, сделав более 1500 фотографий и взяв более 30 проб.

"Мы сидели у экранов и наблюдали дно, выбирая самые интересные места, где нужно взять пробу грунта или какой-то организм, и давали команду операторам, — рассказывает биолог. — Потом образцы поднимали на корабль и распределяли по институтам: одни — на общий анализ, другие — на генетику, молекулярные, анатомические исследования, третьи — на изотопный анализ, чтобы понять, чем питаются животные".

В статье исследователи описывают 130 видов макро- и мегафауны вулкана Пийпа. Около четверти — ранее неизвестные. Характерно, что в донном сообществе местной гидротермальной системы преобладают животные, обитающие исключительно в восстановительной среде: двустворчатые моллюски Calyptogena pacifica, брюхоногие моллюски Parvaplustrum wareni и Provanna annae, различные ракообразные, кольчатые черви. Еще одна особенность: многочисленные поселения прикрепленных организмов, похожих на кораллы — зоантарий, кораллиморфарий, альционарий и актиний, а также губок в зоне бактериальных матов.

Изучение животного мира вулкана Пийпа далеко от завершения.

"Мы получили лишь первые данные о таксономическом составе и структуре гидротермальных сообществ. Но и это значительно увеличило число видов, известных для Берингова моря. Дальнейшие комплексные исследования, в частности измерение геохимических параметров, помогут еще лучше понять эту весьма своеобразную экосистему", — отмечает Елена Рыбакова, первый автор статьи.

Районы выходов гидротермальных источников на шельфе и континентальном склоне перспективны с точки зрения добычи полезных ископаемых. По данным глобальной базы данных InterRidge, на дне океана обнаружили более 550 активных гидротермальных полей. На многих из них благодаря осаждению сульфидов формируется полиметаллическая руда.

Кроме того, на склонах и вершинах подводных гор нередко образуются кобальтомарганцевые корки — сплошные покровы гидроксидов железа и марганца с промышленными запасами кобальта, никеля, марганца, меди и редкоземельных элементов.

Перспективы освоения этих ценных минеральных ресурсов изучают в разных странах, рассматривают технические и технологические аспекты добычи и обогащения подводных руд. Надо оценить, насколько серьезный ущерб может нанести окружающим экосистемам подобная деятельность. Для этого необходимы детальные знания о составе и внутренних взаимосвязях морских биосообществ, вот почему ученые предлагают организовать в районе вулкана Пийпа особо охраняемую природную территорию (ООПТ).