batrachospermum-hydrothermal


Еще сорок лет назад все думали, что дно океана – это скучная, статичная, малоэнергичная среда, пассивное хранилище для безмолвных останков, падающих сверху, из более динамичных и энергичных вод. Поэтому когда в 1977 году ученые из Института океанографии Скриппса опустились на глубину 2,5 км к Восточно-Тихоокеанскому поднятию неподалеку от Галапагосских островов, то очень удивились. Они обнаружили там мощные гидротермальные источники, выбрасывающие из самых недр Земли чернявый кипяток, богатый энергией сульфидов, а рядом кипела удивительная, невиданная доселе живность! Поверхностный мир океана оказался связан с подземным адом мантии холодным и местами горячим чистилищем-курилищем!

Черные и белые, только не горелые

Гидротермальные источники

nt/uploads/2016/12/black-smoker.jpg?fit=237%2C300" data-large-file="https://i0.wp.com/batrachospermum.ru/wp-content/uploads/2016/12/black-smoker.jpg?fit=401%2C507" class="alignleft" src="https://i0.wp.com/batrachospermum.ru/wp-content/uploads/2016/12/black-smoker.jpg?resize=320%2C404" alt="black-smoker" srcset="" sizes="(max-width: 320px) 100vw, 320px" data-recalc-dims="1" />
Типичный «черный курильщик» на гидротермальном поле Биба в Карибском море. Это самое глубоководное гидротермальное поле из известных – примерно 5 км до него погружаться. Фото: Chris German.

В последующие годы «черные курильщики» – так прозвали эти гидротермальные источники – были обнаружены как в Тихом, так и в Атлантическом океане. Они приурочены к центральным осям срединно-океанических хребтов, где происходит образование новой коры. Здесь почти рукой подать до жаркой мантии, и морская вода, проникающая в кору по трещинам, нагревается до нескольких сотен градусов, после чего под большим давлением вырывается обратно, прихватив с собой минералы, выщелоченные из литосферы. При соприкосновении этой горячей «минералки» с холодной водой океана в осадок выпадают сульфиды – именно они придают черный цвет струе «курильщика».


Постепенно ученые стали узнавать и о других разновидностях океанских источников. Например, в 1983 году на дне Мексиканского залива на глубине 3,2 км были открыты холодные высачивания. Эти чаще всего располагаются по краям океанических плит в зоне субдукции и в настоящее время найдены во всех океанах. Их температура почти такая же, как и окружающая вода, либо немножко выше, и источают они сероводород, метан и другие углеводороды (включая нефть), поступающие через донные трещины.

Гидротермальные источники
Метановые высачивания в верхней части материкового склона штата Виргиния (США). При реакции метана с водой могут образовываться карбонатные породы и рифы. Фото: NOAA Okeanos Explorer Program.

В новом веке к компании «черных курильщиков» присоединились «белые» – их нашли в конце 2000 года на глубине 780 метров в районе массива Атлантис на севере Атлантики. Многометровые белые башни, расположенные на обширной территории гидротермального поля, были так похожи на причудливые небоскребы, что это поле получило название «Затерянный город» (Lost City). Из башен сочатся теплые струи, бедные металлами и серой, но богатые водородом, метаном и другими низкомолекулярными углеводородами. И природа этой гидротермальной активности совершенно отличается от таковой «черных курильщиков».

iv>

Дело в том, что массив Атлантис стоит в стороне от Срединно-Атлантического хребта, и магматического тепла, питающего энергией «курильщики», там ожидать не приходится. Вместо этого она вырабатывается в результате экзотермической реакции серпентинизации: ультраосновные породы перидотиты, которыми сложен фундамент «Затерянного города», при взаимодействии с морской водой превращаются в серпентиниты, попутно выделяя метан, водород и избыточное тепло. До 200 °С может доходить жар в очагах серпентинизации, на выходе струи остывают до 40 – 90 °С. В осадок выпадают арагонит (карбонат кальция) и брусит (гидроксид магния) – они-то и придают медленно растущим башням благородную белизну.

Гидротермальные источники

/i2.wp.com/batrachospermum.ru/wp-content/uploads/2016/12/lost-city.jpg?fit=624%2C400" class="alignleft" src="https://i2.wp.com/batrachospermum.ru/wp-content/uploads/2016/12/lost-city.jpg?resize=650%2C417" alt="lost-city" srcset="" sizes="(max-width: 650px) 100vw, 650px" data-recalc-dims="1" />
Известняковые трубы «Затерянного города» могут достигать 60 м в высоту! Арагонит со временем может переходить в другую форму карбоната кальция – кальцит. Фото: IFE, URI-IAO, UW, Lost City Science Party; NOAA/OAR/OER; Lost City 2005 Expedition.

Тут нужно сделать оговорку. Строго говоря, термин «белые курильщики» применительно к «Затерянному городу» употреблять не вполне корректно, так как в лексиконе специалистов он закреплен за менее горячей разновидностью «черных курильщиков». Температура струй настоящих «белых курильщиков» обычно менее 250 °С, они клубятся белым из-за светлоокрашенных минералов, содержащих барий, кальций и кремний. Выделяют также «серые курильщики» – они выпускают серый «дым» с температурой 250 – 300 °С (ну а черный «дым» еще горячее).

>

Меж тем над белыми башнями «Затерянного города» никакого «дыма» не видать – их струи прозрачные и на курево совсем не похожи. Тем не менее в научно-популярной, а иногда и в научной литературе, посвященной этому гидротермальному полю, нет-нет да и мелькнет прозвище «белые курильщики» – другой яркой метафоры, подчеркивающей разительные отличия от «черных курильщиков», для данного типа источников попросту не придумали. Да и не описаны покамест другие примеры подобных щелочных глубоководных гидротерм, несмотря на то что они могут быть широко распространены в Мировом океане.

Гидротермальные источники
«Белые курильщики» здорового человека. Эти гидротермы, расположенные на подводном вулкане Северо-Западный Эйфуку (Япония), получили имя Шампань из-за обилия выделяемого жидкого CO2. Фото: Robert W. Embley; PMEL/NOAA.

Интересно отметить, что все три указанных типа источников – «черные курильщики», холодные высачивания и «Затерянный город» – были открыты с помощью знаменитого подводного аппарата «Алвин», который еще обломки «Титаника» исследовал. Но не только это их объединяет. При всех различиях происхождения и состава, все они служат местами концентрации необычной подводной жизни. О этот дивный новый мир альтернативной, бессолнечной энергетики, основанной на хемосинтезе: причудливые метаболизмы, неожиданные симбиозы, диковинные создания! Неизведанная вселенная, таящая еще столько новостей для биологов. Но и для геологов морское дно оставило немало сюрпризов. Кто бы сомневался?


Ультрамедленно курят тальк

Одним таким сюрпризом стало обнаружение в 1997 году «черных курильщиков» на Западно-Индийском подводном хребте, который характеризуется ультрамедленным спредингом, то есть чрезвычайно малой скоростью расхождения соседствующих плит – на жалкие 8 мм в год (German et al., 1998). Медленный спрединг резонно объяснять недостаточным нагнетанием магмы в рифт, а раз так, то откуда бы взяться лишнему теплу для поддержания высокотемпературной гидротермальной активности? Однако откуда-то оно берется, и этот случай не исключительный. В экспедиции 2010 года в Карибском море международная группа исследователей открыла на ультрамедленно-спрединговом хребте в желобе Кайман целых два гидротермальных поля (Connelly et al., 2012)!

Одно из них названо в честь американского биолога Уильяма Биба, который в 1930-х годах в районе Бермудских островов впервые воочию наблюдал глубоководную фауну. Центральным элементом гидротермального поля Биба является сульфидный холм диаметром 80 м и высотой 50 м, который примечателен тем, что это самый глубоководный из всех известных на сегодня «черных курильщиков» – поле расположено на глубине почти 5 км.


оме того, ни одно из других гидротермальных полей Земли не может похвастать такой высотой выброса, как Биб: его струи уходят на 1100 м в вышележащий столб воды, в то время как обычно следы подобных струй находят на высоте 200 – 400 м от «курильщика». Вероятно, причина в особой горячести Бибовой струи – около 500 °С. И это притом, что магмы здесь хватает лишь на то, чтобы раздвигать плиты на 15 мм в год, что сильно меньше, чем у большинства океанических хребтов.

Гидротермальные источники

ветло-серым), она же развернута на «B», где указано местоположение гидротермальных полей Биба (BVF) и Фон Дамм (VDVF). На «С» – три холма поля Фон Дамм и происходящая на них гидротермальная активность, на «D» и на обложке этого номера – основной пик главного холма, получивший имя Шпиль (Spire), высотой 3 м и диаметром 1 м. Источник: Hodgkinson et al., 2015.

Другое поле, названное в память о геофизике Карен Фон Дамм, еще более удивительно. Оно вообще сдвинуто на 13 км от оси спрединга, и, по словам ученых, никакой магмы там близко нет. Экзотермических реакций там тоже не происходит. Но что в таком случае является источником тепла для этого поля? Никто не знает. Есть предположение, что гора, на склоне которой расположено поле Фон Дамм, испещрена глубокими трещинами, по которым может идти тепло от коры. В свою очередь, в коре оно может храниться с тех самых времен, как тектонические процессы яро смешали нижнюю ее часть с верхней мантией 1 – 2 млн лет назад. Но все это только гипотеза.


Поле Фон Дамм находится на глубине около 2,3 км и состоит из трех переходящих друг в друга конических холмов диаметром до 150 м и высотой до 75 м. В 700 м от них расположены другие холмы, только их гидротермальная активность прекратилась 20 тысяч лет назад. Самое поразительное – все эти холмы на 85 – 90% сложены тальком! Тем самым, которым вас в младенчестве присыпали, чтобы вы не увлажнялись. Этот содержащий магний мягкий минерал выпадает в осадок при взаимодействии умеренно горячего (до 200 °С) гидротермального выброса с океанской водой, говорят ученые. У «черных курильщиков» он тоже осаждается, но в очень малых количествах, уступая сульфидам металлов. Здесь же тальк вольготно доминирует.

Все потому, что в метановых выделениях Фон Дамм очень мало металлических частиц и сероводорода, сульфидов образуется ничтожное количество и на их фоне силикатные продукты – тальк и кремнезем – получают значительную фору. Кислотность выбросов близка к нейтральной (pH 5,8) – в отличие от более кислых «черных курильщиков» и щелочных «курильщиков» «Затерянного города» (на последних, напомним, вместо талька осаждается другой магниевый минерал – брусит).

Вся эта необычная геохимия вкупе с геологией поля Фон Дамм позволяет исследователям говорить о новом классе гидротермальных систем (Hodgkinson et al., 2015). Назовем их условно «зелеными курильщиками». Тальк ведь может иметь зеленоватый оттенок. А то, что Шпиль на обложке выглядит белесым, – так это креветки Rimicaris hybisae облепили его, но сквозь их толпы все равно проглядывает более темная текстура. Струи же этих источников прозрачны, как и у гидротерм «Затерянного города».

Гидротермальные источники
Тальковый Шпиль усеян креветками Rimicaris hybisae – этот вид был описан в 2011 году на основе сбора биоматериала с гидротермальных полей Биба и Фон Дамм. Слепые креветочки прекрасно себя чувствуют рядом с горячей струей, на задней части головы у них есть терморецепторы, так что они знают, где вовремя остановиться, чтобы не свариться. Вкусовые предпочтения R. hybisae зависят от количества аппетитных хемотрофных бактерий: если их недостаточно, креветки начинают охотиться на моллюсков, других ракообразных и даже практикуют каннибализм. Фото: Chris German.

Ученым известны еще только два места в мире с похожими тальковыми отложениями на морском дне – в разломных зонах Сент-Пол и Конрад в Атлантическом океане. Эти отложения тоже предположительно сформировались благодаря гидротермальной активности, но было это давным-давно – сейчас активных «курильщиков» там нет.

Вообще, более 75% срединных хребтов Мирового океана остаются «терра инкогнита» для науки с точки зрения гидротермальной активности. Общая протяженность их составляет 65 тысяч км, из них треть – это медленно- и ультрамедленно-спрединговые хребты. Так что тальковые «зеленые курильщики» могут быть распространены довольно широко и вносить важный вклад в охлаждение океанической коры. А какие интересные экосистемы с прикольными эндемичными организмами они могут подле себя привечать! Нам нужно больше глубоководных экспедиций.

Прибрежные гибриды на прощанье

Красноватый суглинок устилает берега залива Прони на юге французского острова Новая Каледония в Тихом океане. Это латерит, он образовался в результате эрозии ультраосновных пород, слагающих побережье. О местных гидротермальных источниках ученым известно как минимум с 1870-х годов. Один из них расположен в рукаве залива и обнажается во время отлива карбонатным островком, на котором каторжники в конце XIX века построили кирпичную сауну для банных нужд тюрьмы. Позднее ее использовали японцы, работавшие на местных рудниках, и поэтому источник получил название «Японская баня» (Bain des Japonais). Другой торчит 38-метровой иглой прямо посреди залива, не достигая двух метров до поверхности воды, и издавна рассматривается как угроза проходящим судам. Его так и называют – Игла (l’Aiguille). Известны и другие активные источники в заливе.

Гидротермальные источники
Гидротермальные башенки Иглы и обнажившейся во время отлива «Японской бани» в заливе Прони, остров Новая Каледония. Фото: Roy Price, Régis Hocdé.

Долгое время считалось, что Игла – это коралловое образование, но потом ныряльщики обнаружили в ее средней части, на глубине 12 м, теплые (до 40 °С) струящиеся выделения. Наросшие на Игле башенки-сталагмиты похожи на руины древней цивилизации, а из их белых кончиков вяло истекают метано-водородные щелочные струи. Это словно еще один затерянный город – но не где-то на немыслимой глубине, а прямо у людей под носом. И это не просто художественная аллюзия на «Затерянный город» в Атлантическом океане: гидротермы залива Прони, так же как и «белые курильщики» массива Атлантис, функционируют за счет энергии серпентинизации.

Несколько лет назад французские ученые начали понимать, как это происходит (Monnin et al., 2014). Соленость воды, исходящей из источников, понижена по сравнению с морской – она представляет собой смесь воды залива с пресной водой, приходящей с берегов, которая имеет атмосферное происхождение! Дождевая вода по трещинам в земле проникает в ультраоосновные береговые породы, и там происходит их серпентинизация с выделением энергии. Далее вода пока что неизведанными путями (вероятно, проложенными той же серпентинизацией) попадает в дно залива, смешивается с морской водой и вырывается гибридными струями через трубки «курильщиков», которые растут от осаждения карбонатов кальция.

prony-vent-system
Схема гидротермальной системы залива Прони, остров Новая Каледония. Иллюстрация: Monnin et al., 2014.

Помимо геохимии и принципа работы система Прони похожа на гидротермы «Затерянного города» микробными сообществами: на ее «курильщиках» доминируют метаногенные археи Methanosarcinales, много сульфатредуцирующих бактерий группы Deltaproteobacteria – представители и тех и других входят в состав микробиоты «Затерянного города». Отличается она размещением в фотической зоне океана и относительно пресноводными выбросами, связанными происхождением с берегами и атмосферой. Систему залива Прони можно назвать гибридной – она имеет общие черты как с океанскими, так и с наземными гидротермальными системами, и это делает ее уникальной. Некоторые ученые считают, что именно возле таких источников могла зародиться земная жизнь.

Получается, «Затерянный город» не так уж и одинок в своей щелочной самобытности. Глубоководные аналоги его науке неизвестны, но мелководных систем уже известно две: помимо гибридной системы залива Прони, теплые щелочные «курильщики» открыты в Эйя-фьорде на севере Исландии – гидротермальное поле Стритан пока еще только начали изучать. Возможно, стоит осмотреться вокруг и в поиске других разновидностей «курильщиков»: кто знает, может, парочка «черных» или «зеленых» пускают струи в вашем дворе.

Источник: batrachospermum.ru

Что такое термальные источники и как они выглядят

Под землей на глубине 1 км температура горных пород достигает 30°С и она повышается в среднем на 3°С через каждые 100 м. Более мощный тепловой поток из недр создается в зонах разломов земной коры, активного вулканизма, высокой сейсмичности. Нагретые горные породы повышают температуру подземных вод.

Естественный теплоноситель после длительного путешествия изливается естественным путем. Так рождаются термальные источники — горячие подземные воды в жидком или парообразном состоянии, выходящие на поверхность Земли.

Вода

Как правило, показатели температуры таких источников выше по сравнению с температурой окружающей среды. Это основное отличие от неглубоко залегающих грунтовых вод, выходящих на поверхность земли в виде родников, ключей, ручьев, температурные показатели которых обычно находятся в диапазоне от 5 до 15°С.

Виды термальных источников

Термальные воды подразделяются на группы в зависимости от температуры:

  • от 20 до 37°C – теплые или субтермальные;
  • от 37 до 50°С – горячие;
  • от 50 до 100° – очень горячие или гипертермальные.

Кроме того, вода может быть перегретой (150°С). Специалисты американского Центра геофизических данных предлагают считать теплым источник с температурой от 20 до 50°C.

В регионах активного вулканизма наблюдаются необычные природные явления. Например, гейзер — особый термальный источник, периодически возникающий и пропадающий. Вода глубоко просачивается, контактирует с магматической камерой и, сильно нагреваясь, вырывается наружу.

Обычно в природных источниках вода спокойно выходит из земли. Если большой резервуар над магмой соединен с поверхностью узким каналом, то давление в нем периодически возрастает. Легкий паро-водяной пузырь выталкивается в виде струи через определенные промежутки времени, составляющие несколько минут, часов, месяцев или лет. Вода нагревается до температуры 100–104°С, а высота столба может достигать 100 м.

Две трети всех существующих в мире гейзеров фонтанируют в Йеллоустоунском национальном парке США. Извержения столбов воды и пара можно наблюдать в Исландии, Новой Зеландии, Японии, Чили, Перу. На Камчатском полуострове находится знаменитая Долина гейзеров (частично разрушена оползнем).

Пар

Помимо гейзера существуют и другие геотермальные явления:

  • фумарола — струя водяного пара и дыма из трещины в горных породах. Явление обычно наблюдается в районах активного вулканизма;
  • сольфатара — испарение с очень высокой температурой (100–300°С) в кратере и на склонах вулкана, содержащее водяной пар, диоксиды серы и углерода, сероводород;
  • термальное озеро (ванна) — горячий источник с температурой до 100°С;
  • грязевой бассейн — небольшое природное углубление с пузырьками воды, вспенивающими осадочные породы на поверхности;
  • мофет — природный колодец (отверстие), трещина, из которой выделяется струя водяного пара, насыщенная углекислым газом, азотом, взрывоопасными метаном и водородом (температура смеси 100°С и ниже).

Горячие источники отличаются по минерализации, химическому составу. Они могут быть гипотоническими, изотоническими и гипертоническими в зависимости от концентрации минеральных веществ. Термальные воды в районах активного вулканизма, содержащие много кремнезема, обычно прозрачные. Источник горячей воды с высоким содержанием серы чаще всего выглядит как лужа кипящей грязи. Часто она имеет желтоватый цвет.

Минеральные источники природной горячей воды нередко содержат повышенные количества токсичных веществ. Это создает проблемы для оздоровительного использования, получения тепла и электроэнергии.

Механизм нагрева термальных вод

Геотермальная энергия — естественное тепло недр, которое передается от мантии горным породам в составе земной коры. В районах активного вулканизма расплавленная магма сильнее нагревает горные породы, проникает через пустоты и трещины близко к поверхности. Магматический расплав подогревает подземные воды. Рождаются гейзеры, фумаролы и сольфатары.

 

Схема

Есть объяснение того, откуда берутся горячие источники в невулканических регионах. Подземные воды проникают на глубину 1 км и более, нагреваются и выносятся на поверхность в результате естественной циркуляции.

Если пробурить геотермальную скважину, то горячие подземные воды выходят на поверхность. Такой искусственный канал иногда похож на гейзер.

Использование вод термальных источников

История применения человеком геотермальной энергии насчитывает почти 20 веков. Подземные воды с температурой 50–80°С, которые естественным образом выходили на поверхность, наши предки использовали для обогрева, приготовления пищи, купания. Есть свидетельства о гигиеническом и целебном эффекте бассейнов с горячей водой в Китае с эпохи палеолита, наличии общественных бань (термальных ванн) в Липари (Италия) в 2000 г. до н.э.

Лечебное действие термальных вод не утратило своей актуальности и сегодня. В бальнеологии используется горячая природная вода с температурой до 50°С. Она оказывает противовоспалительное, успокаивающее, регенерирующее влияние на кожу, а через нее — на органы, системы и организм в целом.

Купание

Термальные воды применяются не в острой фазе заболеваний, а на стадии компенсации, а также для профилактики. Их применение рекомендовано при болезнях респираторного тракта, легких, опорно-двигательного аппарата, кожи, патологиях сердца и сосудов, нервной и эндокринной систем.

Огромная польза для организма человека заключена в горячих источниках с благоприятным минеральным составом. Сероводородные и углекислые ванны помогают при хроническом бронхите и недостаточности кровообращения, бронхиальной астме.

Французские, итальянские и другие европейские курортные города с термальными источниками пользуются популярностью у туристов и отдыхающих со всего мира. Выпускается косметика на основе термальной воды: спреи, целые линии для ухода за кожей.

Первый опыт использования горячих источников для производства электроэнергии пришелся на конец XIX и начало XX веков. Геотермальная энергия и сейчас применяется для обогрева зданий и выработки электроэнергии в Италии, Франции, Исландии, США, на востоке России. Крупнейшие ГеоЭС по своей мощности сопоставимы с небольшими гидроэлектростанциям, ТЭЦ и АЭС.

Энергетика

Источник: TainaPrirody.ru

На дне

В Каймановой впадине — глубоководном разломе меж двух тектонических плит — такие источники были впервые открыты три года назад. Один такой массив, известный как Биибе, считался до сих пор самым глубоким в мире, но накануне вечером неподалеку от него был обнаружен еще один, лежащий несколько глубже — в 4968м от морской поверхности.

Image caption При помощи манипулятора аппарат ISIS устанавливает датчик для замера температуры воды

Измерения показали, что выбрасываемая из жерла вода имеет температуру 401°C, что делает эти источники одними из наиболее горячих на планете.

Экспедиция, которую спонсирует британский Совет по изучению окружающей среды, работает на борту научно-исследовательского судна «Джеймс Кук», названного в честь английского первооткрывателя, жившего в XVIII веке.

ПТА под названием ISIS передает на корабль изображение с установленных на нем камер высокого разрешения. Аппарат работает под гигантским давлением, свет его мощных прожекторов прорезает толщу воды, и оператор осторожно проводит его между дымящимися трубами, самая крупная из которых достигает 10 метров в высоту.

Руководитель научной группы доктор Джон Коупли из Национального океанографического центра говорит что открытие «этих изумительных минеральных башен» стало для них полной неожиданностью.

«Поначалу мы думали, что находимся в месте, где уже бывали раньше, — рассказал ученый в интервью Би-би-си. — Но оно выглядело настолько по-другому, что мы решили, что оно изменилось. Но мало-помалу мы поняли, что оно выглядит по-другому потому, что это другое место».

«Радость работы в океанских глубинах заключается в том, что ты каждый раз натыкаешься на вещи, которые оказываются совершенно новыми. Это учит нас тому, как мало мы знаем, и, на минуточку, это не о науке, а о чудесах нашей планеты, о чем-то, что было сокрыто так долго», — признается доктор Коупли.

ISIS находился на объекте на протяжении почти 24 часов — это стандартное время погружения, — после чего его подняли на борт «Джеймса Кука» с собранными образцами морской воды с глубины и живности, в ней обитающей.

Всюду жизнь

Для биологов на борту судна глубоководные источники представляют собой весьма необычную и крайне интересную среду обитания различных живых организмов, благодаря контрасту между водой, выбрасываемой из жерла, с темепературой около 400°C и окружающими водами не теплее +4°C.

Удивительное множество разнообразных морских существ обитает в узкой прослойке между двумя этими крайностями — кое-где толщина этого пригодного для жизни слоя не превышает нескольких сантиметров.

Мертвенно-бледные креветки, роящиеся стаями среди камней, похоже утратили способность видеть, поскольку их глаза слились вместе.

Image caption Живущая у термальных источников креветка наделена особым органом, который не дает ей заплывать туда, где слишком горячо

«Мы не думаем, что их глаза способны видеть что бы то ни было, но на спине у них есть по-настоящему очень необычный орган — что-то типа системы предупреждения, которая подает сигнал, когда становится слишком жарко, что помогает им не приближаться к горячим выбросам из жерла и не свариться заживо», — рассказывает Верити Нье, одна из исследователей-биологов на борту «Джеймса Кука», изучающая повадки слепых креветок.

Однако, добавляет она, как в точности устроена жизнь в этом глубоководном оазисе, наука пока не знает, и с этим еще предстоит разбираться.

По словам доктора Коупли, собранный экспедицией улов позволяет надеяться, что после лабораторных анализов по возвращении домой, вероятно, можно будет вести речь об открытии новых видов морских животных, таких как, например, белые актинии и морские звезды.

На ближайшие дни запланированы новые погружения аппарата ISIS, а ближе к концу года сюда должны прибыть ученые из Японии и США.

Ученые на борту «Джеймса Кука» надеются со временем отыскать ответы на два ключевых вопроса: почему и как смогла развиться жизнь в такой явно враждебной среде?

Источник: www.bbc.com

  • Экспозиция
  • Первый этаж
  • Нижний зал
  • Экспозиция сообществ гидротермальных источников
Гидротермальные источники

Этот раздел экспозиции — один из самых новых для Зоологического музея и на фоне большинства остальных разделов, выстроенных в соответсвии с систематической иерархией, он выглядит необычно. Основной объект этого раздела — не определенная систематическая группа, а сообщество разнообразных животных, составляющих своеобразную экосистему, «погруженную» в океан. Гидротермальная экосистема — единственная в своем роде экосистема Земли, непосредственно обязанная своим существованием процессам планетарного масштаба, происходящим в земных недрах.

Гидротермальные источникиИсточники формируются в зонах спрединга — местах медленного (от 1–2 до 18–20 см в год) раздвигания огромных блоков земной коры (литосферных плит), перемещаемых во внешнем слое полужидкой оболочки ядра Земли — мантии. Здесь раскаленное вещество оболочки (магма) изливается наружу, образуя молодую кору в виде срединно-океанических горных хребтов, общая протяженность которых составляет более 70 000 км.

По трещинам молодой коры воды океана проникают в недра, пересыщаются там минеральными веществами, разогреваются и снова возвращаются в океан через гидротермальные источники. Самые горячие источники похожей на дым черной или темной воды называют черными курильщиками; более холодные источники белесоватой воды — белыми курильщиками.

Источники представляют собой излияния теплой (до 30–40° С) или горячей (до 370–400° С) воды, так называемого флюида, перенасыщенного соединениями серы, железа, марганца, ряда других химических элементов и мириадами бактерий, живущих при температурах до 110° С.

Гидротермальные источникиВода вблизи вулканов почти пресная, очень кислая и насыщена сероводородом. Напор изливающейся лавы так силен, что облака бактерий, окисляющих сероводород, поднимаются на десятки метров над дном, создавая впечатление подводной метели. «Каминные трубы» курильщиков растут на этой «жидкой руде» с фантастической быстротой: иногда по несколько метров в месяц.

Внешние края расходящихся плит задвигаются под соседние плиты (зоны субдукции и образования желобов), погружаются в мантию и затем постепенно расплавляются в недрах. Край надвигающейся верхней плиты сминает и сжимает толщи осадков, накопившиеся на нижней плите, выдавливая грунтовые воды, насыщенные сероводородом и метаном, в виде холодных (несколько градусов С°) сочений (сипингов или сипов).

За первые 20 лет (1977–1997) изучения необычайно богатой гидротермальной фауны обнаружено более 450 видов животных. Из них 97 % оказались новыми для науки. По мере открытия новых источников и углубления изучения уже известных постоянно происходит открытие новых и новых видов организмов.

Биомасса гидротермальных животных достигает 52 и более килограммов на квадратный метр или 520 тонн в пересчете на гектар. Это в 10–100 тысяч раз превышает биомассу на примыкающем к срединно-океаническим хребтам океаническом ложе.

Гидротермальные источники на дне Мирового Океана и связанная с ними особая чрезвычайно богатая и крайне экзотическая фауна — одно из самых грандиозных открытий ХХ века (1977 год).

Был открыт фантастический мир, в котором воды океана, соприкасаясь с раскаленными недрами Земли, дают начало богатейшей жизни — настоящим оазисам среди пустынных ландшафтов морских глубин.

Ошеломляющее впечатление произвели первые фотографии, сделанные из погружаемых аппаратов, на которых удалось запечатлеть заросли белых трубок до 2,5 метров длиной с торчащими из них ярко-красными султанами щупалец. Оказалось, что эти гигантские трубки заселены огромными, ранее неизвестными ученым, червями, которых назвали вестиментиферами. Строение этих червей было настолько необычно, что их сразу выделили в отдельный класс Vestimentifera в составе типа Pogonophora.

Гидротермальные источникиЧерви, живущие в кожистых трубках, составляют основу сообществ гидротермальных организмов в Тихом океане. У самых крупных экземпляров Riftia pachyptila трубки достигают длины 2,5 м при толщине стенки до 3 мм. Во многих случаях трубки отдельных особей срастаются вместе, образуя разветвленные «деревья». Стенки трубок состоят из белка и хитина, а цвет их зависит от наличия тех или иных солей металлов в окружающей среде. Например, разнообразная (от беловатой до коричневой) окраска трубок у Ridgeia piscesae обусловлена наличием солей железа, никеля, титана, хрома, ванадия.

Передний конец тела червя несет сложный щупальцевый аппарат. Центральные щупальца богато снабжаются кровью, насыщенной дыхательным пигментом гемоглобином, и имеют ярко-красный цвет. Через них осуществляется газообмен. Одна из характерных особенностей вестиментифер — тяж губчатой ткани, занимающий большую часть туловища. Эта ткань, названная трофосомой, служит вместилищем симбиотических бактерий, которые могут занимать более 30% ее объема. Симбионты способны использовать ядовитый сероводород, в большом количестве выделяющийся при извержении курильщиков, в качестве источника пищи.

Процесс получения органических веществ при окислении неорганических соединений называется хемосинтезом и, в отличие от фотосинтеза, не требует наличия света. Бактерии — ключевое звено всей пищевой пирамиды в экосистемах гидротермальных источников, способные окислять соединения серы, широко распространены в гидротермальных биотопах в зонах вулканической активности не только в океане, но и на суше. Они обеспечивают окисление сульфидов, ядовитых для тканей многоклеточных животных.

Помимо серных бактерий в трофосоме Riftia pachyptila обнаружены хемоавтотрофные бактерии, использующие в качестве источника углерода углекислый газ. Кроме способностей к хемоавтотрофному питанию, некоторые симбиотические бактерии способны также к нитратному дыханию, т. е. к использованию нитрата в качестве акцептора водорода в бескислородной среде. Способность симбионтов вестиментифер к нитратному дыханию дает возможность червям заселять бедные кислородом биотопы.

Часть видов гигантских червей поселяется плотными колониями, приуроченными непосредственно к зоне выхода магмы из жерла черного курильщика. В этих биотопах очень резко выражен перепад температур, заметный на глаз (из иллюминатора подводного аппарата) по характерному мерцанию воды, подобно воздуху над разогретым песком или асфальтом. Вестиментиферы гидротермальных оазисов способны выдерживать перепады температур до 60° С. Свои трубки черви прикрепляют к твердым породам не более чем в 1–1,5 метрах от жерла курильщика.

Гидротермальные источникиТак же, как и вестиментиферы, симбиотическими бактериями питаются двустворчатые моллюски родов Archivesica, Bathymodiolus, Calyptogena и Ectenagena, размером 18–25 см, обитающие в трещинах грунта среди холодных и горячих сочений, и крупные брюхоногие моллюски из рода Alviniconcha. У этих моллюсков, как и у вестиментифер, кишечник полностью отсутствует.

Лишь отчасти за счет симбионтов (функционирует и кишечник) живут крупные брюхоногие моллюски из рода Ifremeria и колониальные многощетинковые помпейские черви из родов Alvinella и Paralvinella, устилающие сплошным ковром поверхности внешних стенок кратеров.

Помпейские черви строят тонкие кожистые трубки на склонах вулканов, где температура извергающегося потока превышает 100°. Ученые, погружавшиеся к черным курильщикам в подводных аппаратах, наблюдали, как помпейские черви плавали около своих трубок, где температурный датчик показывал 105° С. Проведенные эксперименты подтвердили уникальные способности этих животных. Ученым удалось провести длительные измерения температуры в глубине трубок червей и около их входа. Оказалось, что температура воды у наружного отверстия трубки составляет 20–24° С, а у хвоста червя 62–74° при максимальных отметках 80°. То есть разница температуры между головой и хвостом червя, длина которого 6–8 см, достигает 60°. Кроме того, время от времени червь вылезает из трубки и плавает вокруг, удаляясь на расстояние до 1 метра, где температура воды понижается уже до +2° С. Такие же измерения провели в пустых трубках червей, но разницы между заселенными червями и пустыми трубками не оказалось. Таким образом, помпейские черви не имеют никаких приспособлений для самостоятельной регуляции температуры тела, что не мешает им окунаться в кипяток и погружаться в ледяную воду.

Бактериями-симбионтами, обрастающими поверхности их жаберной полости и сами жабры, питаются многочисленные креветки рода Rimicaris, образующие огромные скопления прямо на источниках в Атлантическом океане. Креветки полностью лишены органов зрения, зато обладают особым органом чувств, расположенным на спине. С помощью этого органа рачки воспринимают тепло и определяют выходы горячих струй, чтобы, не удаляясь чрезмерно от источника, в то же время не свариться в кипятке.

Гидротермальные источникиТакая тонкая регуляция температуры необходима для выращивания «бактериального огорода» — симбиотических бактерий, которых креветки «культивируют» на своих ротовых конечностях. Челюстные ножки раков покрыты густым покровом щетинок, на которых и поселяются нитчатые бактерии-симбионты. Кроме того, бактерии заселяют внутренние боковые поверхности панциря креветок, образуя хорошо различимый беловатый налет. На ротовых конечностях он напоминает иней, заметный даже невооруженным глазом. Для жизнедеятельности бактерий необходима довольно высокая концентрация сероводорода, а креветки в свою очередь питаются своими симбионтами. Чтобы обеспечить бактерий необходимым им сероводородом, раки вынуждены держаться на определенном расстоянии от «курильщика», где концентрация газа соответствует потребностям бактерий-кормильцев.

Колониями свободноживущих бактерий питаются креветки родов Alvinocaris, Mirocaris и Chorocaris, располагающиеся зонально вокруг скоплений римикарисов.

Гидротермальные источникиЗа счет всех других групп кормятся специфические хищники гидротермали: слепые белые крабы родов Bythograea и Cyanograea. К ним присоединяются обычные широко распространенные хищники глубин, например, крабоиды Neolithodes, Paralomis, а также некоторые рыбы.

Открытие сообществ гидротермали показало, что Солнце, хотя и главный, но не единственный источник энергии для жизни на Земле.

Основная масса органического вещества (первичная продукция) на нашей планете создается из углекислого газа и воды в сложнейших реакциях фотосинтеза только благодаря энергии солнечного света, поглощаемой хлорофиллом наземных и водных растений — продуцентов.

Гидротермальные источникиРастения-продуценты поедаются растительноядными животными — консументами первого порядка, которыми питаются хищники — консументы второго порядка. После естественной смерти тех и других специфические бактерии (редуценты) разлагают их тела до простых органических и неорганических соединений. Так продуценты, консументы и редуценты цепочкой пищевых (трофических) связей объединены в сообщество. Эта жизнь, питаемая энергией солнечного света, получила название фотобиос.

В гидротермали синтез органического вещества основан только на энергии химических связей. Ее освобождают десятки видов бактерий, окисляя выносимые источниками соединения железа и других металлов, серы, марганца, сероводорода и метана. Освобождаемая энергия идет на поддержание сложнейших реакций хемосинтеза, в процессе которых из сероводорода или метана и углекислого газа синтезируется бактериальная первичная продукция. На утилизации бактериальной продукции строится сообщество, связанное такой же, как в фотобиосе, трофической цепью. Эта «другая жизнь», существующая только благодаря химической, а не солнечной энергии, получила название хемобиос.

Роль хемобиоса в жизни Мирового океана исследована еще недостаточно, но уже очевидно, что она весьма значительна.


Гидротермальные источники

Экспозиция, смонтированная в нижнем зале музея, богато иллюстрирована цветными схемами и фотографиями, снятыми в гидротермальных биотопах с подводных аппаратов «Мир-1» и «Мир-2», и включает, помимо препаратов основных представителей гидротермальной фауны, два натуральных геологических объекта — вершину курильщика на стадии угасания и фрагмент «каминной трубы» — осевого канала курильщика. Особый интерес представляет уникальный препарат гигантской вестиментиферы Riftia pachyptila Jones, 1981 длиной около 80 см.

Проект экспозиции разработан в Зоологическом музее при участии Института океанологии РАН (предоставление биологических и геологических объектов, фотографий, видеозаписей и консультаций) и финансовой поддержке «Института Открытое Общество» «Фонда Дж. Сороса» (грант № A1G703). Основной вклад в создание экспозиции внес сотрудник сектора беспозвоночных животных музея Михаил Владимирович Гептнер, в художественном оформлении экспозиции приняли участие Елена Николаевна Букварева и Евгений Александрович Коблик.

Гидротермальные источники

Источник: zmmu.msu.ru