Хидротермални отвори и черни пушачи: геотермални екосистеми в морето
Хидротермалният отвор е отвор в морското дъно на Земята, през който изтича геотермална енергия. Морската вода навлиза в него, става много гореща и се издига нагоре. Най-горещите от тях носят много черни химикали и се наричат черни пушачи. Учените са открили по-малко бели пушачи. На много места топлината се отделя от подземните води. Ако се намират на сушата, те обикновено са горещи извори, гейзери или фумароли. Много археи и бактерии живеят в близост до хидротермални извори, които са под водата. Те поддържат гигантски тръбни червеи, миди и скариди, както и много други еукариоти. Смята се, че най-ранните известни форми на живот са живели в близост до такива извори.
Как възникват и какви са техните характеристики
Хидротермалните отвори се образуват най-често по средноокеанските хребети и други зони с вулканична активност. Морската вода прониква през пукнатини в морското дъно, загрява се от магмена или гореща скала, разтваря минерали и след това изригва обратно през отворите. Температурите при черните пушачи могат да достигнат над 350–400 °C, но под високото налягане на окенската вода тя не ври. Черните пушачи отделят богати на метални сулфиди течности, които при контакт с по-студената морска вода кристализират и образуват „димящи“ комини. Белите пушачи отделят по-различни разтвори — богати на барий, силикат и калциевите съединения — и затова имат по-светъл (бял или сив) цвят.
Екосистеми и хранителни вериги
В екосистемите около отвори основната продукция не се базира на слънчева енергия, а на химическа — чрез процеса на хемосинтеза. Химично окисляващи бактерии и археи използват енергията от химични съединения (напр. водород сулфид) за синтез на органични вещества. Тези микроорганизми или живеят свободно, или в симбиоза с по-големи животни. Например гигантските тръбни червеи нямат устна кухина и зависят от вътрешни симбиотични бактерии, които им осигуряват храна. Подобни симбиози има и при мидите и някои скариди. Други организми се хранят директно с бактерии или с консуматорите — така се изгражда пълна хранителна мрежа, уникална за тези средища.
Биоразнообразие и адаптации
Вулканичните условия и високите концентрации на токсични вещества са довели до еволюция на изключителни адаптации. Организмите в близост до хидротермални отвори често са термотолерантни или термофилни, притежават специални механизми за детоксикация, и могат да извършват бърз метаболизъм при високи температури и налягане. Много от микробите са археи, които придават ключова функция в трансформацията на сяра и други елементи.
Географско разпределение и продължителност на живот
Хидротермалните отвори са разположени по ръбовете на тектонските плочи — най-вече по средноокеанските хребети, но и около зони на субдукция и горещи точки. Въпреки че някои полета от отвори могат да функционират десетки години, много са временни — нови отвори се появяват, а стари залиняват при промяна на подземните флуиди или вулканична активност.
Научни изследвания и значение за човека
Изследването на хидротермалните отвори се осъществява чрез подводни апарати, спускаеми пилотирани и дистанционно управлявани подводници (ROV/AUV), вземане на проби и лабораторни анализи. Откритията имат значение за разбирането на биогеохимичните цикли, потенциала за добив на метални ресурси (напр. мед, сяра, цинк), както и за възможните биотехнологични приложения на екстремофилите. В същото време съществуват опасения относно въздействието на дълбоководния добив върху тези чувствителни и разнообразни екосистеми.
Свързаност с произхода на живота и извънземни условия
Поради наличието на енергийни източници и богата химия, хидротермалните отвори са привлекателна хипотеза за колонизацията на първите форми на живот на Земята — както е посочено, най-ранните известни форми на живот може да са се развили в такива условия. Подобни среди се разглеждат и при търсенето на живот извън Земята — например на ледени луни като Европа и Енцелад, където подледните океани може да имат хидротермална активност.
Заплахи и съхранение
Заплахите за хидротермалните екосистеми включват потенциалния дълбоководен добив на минерали, замърсявания и нефилтрирано човешко вмешателство. За опазването им учените и политиците предлагат защитени морски зони, внимателна оценка на въздействията и международни регулации, които да балансират икономическите интереси с нуждата от запазване на уникалното биологично и научно наследство.
Ключови факти:
- Черните пушачи могат да изхвърлят течности с температури над 350–400 °C.
- Енергията в тези екосистеми идва от хемосинтеза, а не от фотосинтеза.
- Много организми са симбионти с бактерии или археи, които окисляват химични съединения за енергия.
- Хидротермалните отвори са важни за разбирането на произхода на живота и за астробиологията.
Хидротермален отвор
Тръбните червеи получават енергия от бактериите, които живеят в хралупите им.
Symphurus hydrophilus - плоска риба, която живее само в близост до хидротермални извори.
Биологични общности
Дълбоководните организми нямат достъп до слънчева светлина, така че трябва да зависят от хранителните вещества в химическите отлагания и хидротермалните течности, в които живеят. В сравнение със заобикалящото ги морско дъно обаче в зоните на хидротермалните извори плътността на организмите е 10 000 до 100 000 пъти по-голяма.
Общностите на хидротермалните извори са в състояние да поддържат такова огромно количество живот, тъй като организмите на изворите зависят от хемосинтезиращите бактерии за храна. Тези бактерии използват серни съединения, по-специално сероводород - химично вещество, силно токсично за повечето познати организми, за да произвеждат органични материали чрез процеса на хемосинтеза.
Хемосинтезиращите бактерии се разрастват в гъста покривка, която привлича други организми, като амфиподи и копеподи, които пасат директно върху бактериите. По-големи организми като охлюви, скариди, раци, гигантски тръбни червеи, риби и октоподи образуват хранителна верига от взаимоотношения между хищници и жертви над основните консуматори.
Основните групи организми в района на извори на морското дъно са червеи, коремоноги и ракообразни, като по-голямата част от немикробните организми са големи двучерупчести и скариди без очи.
Тръбните червеи са важна част от общността около хидротермалния отвор. Те абсорбират хранителни вещества директно в тъканите си. В една унция тъкан на тръбния червей има приблизително 285 милиарда бактерии.
Туберкулозните червеи имат червени пера, които съдържат хемоглобин. Хемоглобинът съединява сероводорода и го предава на бактериите, живеещи във вътрешността на червея. В замяна бактериите подхранват червея с въглеродни съединения.
Други примери за уникалната фауна, която обитава тази екосистема, са коремоногите Crysomallon squamiferum - вид охлюв с крак, подсилен с люспи от желязо и органични материали, и "помпейският червей" Alvinella pompejana, който е способен да издържа на температури до 80°C.
В хидротермалните извори са открити над 300 нови вида, много от които са "сестрински" на други видове, намиращи се в географски разделени зони на изворите. Предполага се, че преди Северноамериканската плоча да прехвърли Средноатлантическия хребет, в източната част на Тихия океан е съществувал един биогеографски район на изворите. Последвалата бариера за пътуване е започнала еволюционното разминаване на видовете на различни места. Примерите за конвергентна еволюция, наблюдавани между отделни хидротермални извори, се разглеждат като основна подкрепа за теорията за естествения подбор и еволюцията като цяло.
Открит е вид фототрофна бактерия, която живее в близост до черен дим край бреговете на Мексико на дълбочина 2500 м. Слънчевата светлина не прониква толкова дълбоко във водите. Вместо това бактериите, част от семейство Chlorobiaceae, използват слабото сияние от черния пушек за фотосинтеза. Това е първият открит в природата организъм, който използва за фотосинтезата си изключително светлина, различна от слънчевата.
Въпроси и отговори
В: Какво представлява хидротермалният отвор?
О: Хидротермалният отвор е отвор в морското дъно на Земята, през който изтича геотермална енергия.
В: Какво се случва, когато морската вода попадне в хидротермален отвор?
О: Морската вода навлиза в хидротермален отвор, става много гореща и се издига нагоре.
В: Какво представляват черните пушачи?
О: Най-горещите отвори носят много черни химикали и се наричат черни пушачи.
В: Какви са белите пушачи?
О: Учените са открили по-малко бели пушачи, отколкото черни пушачи.
В: Какви други геотермални характеристики се срещат на сушата?
О: Ако геотермалните характеристики се намират на сушата, те обикновено са горещи извори, гейзери или фумароли.
В: Какви организми живеят в близост до хидротермални извори?
О: Много археи и бактерии живеят в близост до хидротермални извори, които поддържат гигантски тръбни червеи, миди и скариди, както и много други еукариоти.
В: Какво смятат учените за най-ранните известни форми на живот?
О: Учените смятат, че най-ранните известни форми на живот са живели в близост до хидротермални извори.
