Подводные гидротермы вулкана Пийпа | Научно-популярный журнал "Химия и Жизнь"

Подводные гидротермы вулкана Пийпа
Виноградов Г.М.
(«ХиЖ», 2019, №1)

pic_2019_01_25.jpg

Камни с бактериальным обрастанием, поднятые на борт «Лаврентьева». Среди нитей бактерий видны мелкие рачки­-амфиподы. Размер камней – около 5 сантиметров.

«И гад морских подводный ход, и дольней лозы прозябанье…» Читателям «Химии и жизни» знакомы оба автора новой рубрики — Георгий и Татьяна Виноградовы. Георгий, старший научный сотрудник Института океанологии им. П.П. Ширшова, опубликовал в апрельском номере 2017 года «Байки морского биолога» — о том, как надлежит беседовать с министром, чтобы получить корабль для экспедиций, о загадочных (или не очень) формах жизни океанских глубин, контрабанде морских бактерий и многом другом. А еще раньше («Химия и жизнь», 2015, 8) мы поместили в рубрике «Фантастика» рассказ Татьяны Виноградовой «Расчет вероятностей» — о том, как должен мыслить киборг, чтобы программа не мешала ему поступать по-человечески. Татьяна — биолог «земной», ботаник и учитель биологии. Таким образом, в поле нашего зрения окажутся и суша, и океаны планеты Земля. Если не всё, то многое из того, чего мы еще не знали о «гадах морских» и наземных растениях — теперь узнаем.

Стремнинами путей ты разных

Прошел ли моря глубину

И счел ли чуд многообразных

Стада, ходящие по дну?

М.В. Ломоносов.

Ода, выбранная из Иова

К середине XX века люди ясно представляли себе, как кормится океан. Классическая наземная «фотосинтетическая» пищевая цепочка, где зеленые растения создают из углекислого газа и воды новое органическое вещество, созданную растениями органику потребляют травоядные, травоядных ловят и едят хищники, а доедают всё животные, питающиеся падалью (и навозом), существует и там, только в несколько измененном виде. Если на привычной нам суше в ее начале стоят крупные многоклеточные растения, а все дальнейшие участники цепочки резвятся на той же самой лужайке, на которой эти растения выросли (или рядом с ней), то в океане картина иная.

Во­-первых, фотосинтетическая цепь начинается с микроскопических одноклеточных планктонных водорослей (прибрежные макрофиты не в счет, в масштабах океана их почти не существует). А во-­вторых, производители и большинство потребителей органики в океане разнесены по разным «этажам». Необходимый для фотосинтеза солнечный свет проникает в воду очень неглубоко: метров на 200, не больше. И только в этом 200-­метровом слое и обитают создающую новую органику водоросли. Во всей остальной многокилометровой толще воды их нет. Обитатели этих черных, лишенных света глубин кормятся той органикой, что падает сверху, из фотического слоя. А там и своих едоков хватает!

Опускаясь вниз, все глубже и глубже, органическое вещество неоднократно перехватывается обитателями столба воды, пропускается через их тела, и количество его стремительно падает. До глубин в 3–4 километра (на которые приходятся основные площади океанского дна) доходит около одной десятой процента той еды, что была создана водорослями наверху. Именно поэтому обычно океанское дно довольно пустынно и биомасса обитающих на нем животных не превышает десятых долей грамма на квадратный метр. Итак, только продукция тонкого поверхностного слоя освещенной воды кормит весь остальной океан, и других источников пищи в нем нет.

...И эта ясная и стройная картина со звоном разбилась в 1977 году, когда американские исследователи нашли недалеко от Галапагосских островов первые глубоководные гидротермальные сообщества.

Тут нужно дать еще два лирических запева. Вот первый из них. В 1887 году микробиолог С.Н. Виноградский открыл бактериальный хемосинтез. Оказалось, что некоторые бактерии тоже умеют создавать новое органическое вещество из неорганического, но тратят на это энергию, получаемую не от солнечных лучей, а от химических реакций, при окислении аммиака, водорода, соединений серы, закисного железа и др. Интересно, конечно. Но где они есть, такие бактерии? В ржавых мочажинах на обочинах загнивших болот? В других подобных выморочных биотопах? Несерьезно. Нет, конечно, с теоретической точки зрения существование хемосинтеза как альтернативного источника органики — принципиальнейшая вещь. Вероятно, в эпоху зарождения жизни на Земле он был крайне важен. Но в наши дни бактериальный хемосинтез — экзотика, и в современных экосистемах Земли никакой реальной роли он не играет. Так недавно казалось.

А в каждом океане под водой лежит гигантский горный хребет, не похожий ни на что из того, что есть на суше. Такие хребты называются срединно-­океаническими, потому что обычно они тянутся вдоль всего океана по его середине, и только в Тихом океане такой хребет прилегает к материкам Америк. Это самая большая горная система Земли, ее общая протяженность превышает 60 тысяч километров. И вдоль всех этих хребтов, по центральной их части, проходит узкая продольная долина, именуемая рифтовой. Срединно-­океанические хребты находятся на стыке гигантских литосферных плит, там, где близко к поверхности подходит раскаленная мантия Земли. Здесь рождается новая земная кора, и со скоростью нескольких сантиметров в год расширяется океан. И на этих хребтах иногда происходят удивительнейшие вещи. Базальты рифтовой долины, благо они молодые и раздвигающиеся, достаточно трещиноваты, и по этим трещинам морская вода просачивается внутрь скал. Тепло близкой магмы разогревает ее до 300–400°C, и она начинает со страшной силой растворять в себе разные вещества (соединения серы и тяжелых металлов) из окружающих пород, базальтов и серпентинитов. Потом этот перегретый раствор (не закипающий из-­за чудовищного, в сотни атмосфер, давления воды на этой глубине) рвется вверх, фонтанами бьет из дна. Смешиваясь с холодной (2–3°C) придонной водой, он быстро остывает, и некоторые растворенные в нем вещества начинают выпадать обратно. Например, из растворенных сульфатов получаются мелкие кристаллики сульфидов, нерастворимые и черные. Мириады их взвешены в бьющей из дна струе, и эта струя начинает напоминать густой черный дым, как от горящей резины. Сульфидный порошок оседает вниз, и из него, подобно сталагмитам в пещерах, начинают строиться растущие из дна черные башни, покрытые рыжим налетом сернистых охр. Такие башни с бьющими из них черными «дымами» известны сейчас под именем черных курильщиков.

...Но тогда, в 1977 году, ничего этого еще не знали, исследователям просто хотелось понять, что происходит на дне в «горячей точке» возле Галапагос. Семнадцатого февраля глубоководный обитаемый аппарат «Алвин» ушел вниз. И обнаружил на дне, на глубине, где полагалось быть «бентической пустыне», богатейшее сообщество с биомассой, достигающей килограммов веса животных на квадратный метр дна. Причем состояла эта фауна из невиданных ранее организмов: обитающих в кожистых трубках гигантских червей с красными султанами щупалец (оказавшихся позже родичами погонофор), из20 сантиметровых белых двустворок (поначалу отнесенных к роду Calyptogena, но ныне из него выведенных), других двустворок — родичей мидий, и много кого еще. (Позже окажется, что в других местах население гидротерм может быть совсем другим: например, на гидротермальных полях Атлантики нет ни рифтий, ни калиптоген, зато на них роятся чудовищные стаи креветок-­римикарисов.) И очень быстро выяснилось, что источником пищи, позволяющей всей этой фауне развиваться и жиреть на бескормных в теории глубинах, оказывается именно органическое вещество, созданное автотрофными бактериями и археями, которые используют в качестве источника энергии химические вещества, выносимые гидротермальными растворами. Удивительнейшие истории о том, как обитатели глубоководных гидротерм используют этих бактерий, поселяя их на и в своих телах, как они умудряются существовать в отравленной тем же сероводородом и много чем еще воде горячих истечений, в которой им надо «выпасать» своих бактерий, и как за счет сумевших «подружиться» с бактериями видов существует целый шлейф хищников, падальщиков и подъедал, мы, однако, пропустим, ибо это уведет нас далеко в сторону. Скажем только, что по нынешним оценкам количество производимого на гидротермах глубоководными хемосинтетиками органического вещества может приближаться к десятой доле процента продукции океанического фотосинтеза.

А кстати, вам не кажется, что это число у нас только что где­-то всплывало? Ага, примерно столько же органики достигает глубин «бентической пустыни», падая с поверхности. То есть на 3­4 километровой глубине эти потоки сопоставимы. Вот вам и выморочная экзотика… Правда, не стоит забывать, что продукция «сверху» кормит весь океан, а продукция «снизу» сосредоточена в крохотнейших пятнышках гидротермальных полей…

Ой, точно ли это так? Блеск и кипение жизни гидротерм заставили ученых пристальнее присмотреться к процессам хемосинтеза на океанском дне. И выяснилось, что не гремящие и бурлящие, а тихие и незаметные сочения в первую очередь метана на самом деле существуют и перерабатываются бактериями по склонам желобов и, главное, на огромных площадях материковых шельфов. Зря, что ли, там тоже находили погонофор... И масштабы этого явления, его вклад в продукционную копилку океана и всей биосферы Земли еще только предстоит оценить.

После первых открытий гидротермальные поля стали искать прицельно. Их научились выслеживать по поднимающимся от них плюмам гидротермально измененной воды (исследовательское судно монотонно проводит пилообразное зондирование водной толщи соответствующими приборами и, обнаружив плюм, начинает «вытрапливать» по нему то место на дне, откуда он поднимается), и вскоре их нашли уже немало. Но в основном эти находки лежали все на тех же глубинах, что и первые. Только позже стали находить и относительно мелководные гидротермы. И оказалось, что на них все происходит не совсем так. Нет, конечно, сочение гидротермальных растворов и бактериальный хемосинтез там присутствуют. Но картина заселения макрофауной в действительности другая. Тут не возникает массового развития присущих только для гидротерм видов. Да оно и понятно: ведь теперь дело происходит на глубинах, где еще много обычной, «фотосинтетической» еды, и донная фауна весьма обильна. «Пиршественный стол» гидротерм стоит тут отнюдь не в пустыне, и вокруг найдется немало претендентов на кусок пирога. Высокоспециализированным сообществам, вроде глубоководных рифтиевых садов, тут попросту не дадут возникнуть. И тем интереснее, как здесь все-­таки происходит освоение гидротермальной продукции.

Мелководные гидротермы известны из мест, где срединно-­океанические хребты устремились ввысь, вынося на поверхность океана острова — например, у Азорского архипелага в Атлантике. Но есть и еще одно место, где на небольших глубинах возникают подземные (точнее, поддонные) «печки», разогревающие воду и превращающие ее в гидротермальный раствор. Это подводные вулканы. Вулкан может мирно спать, однако жар в его недрах все равно способен запустить гидротермальные циркуляционные системы. И если за глубоководными гидротермами рифтовых долин надо идти в открытый океан, то вулканы­-то как раз могут быть и вблизи берегов. Один из таких вулканов с работающей на его вершине циркуляционной гидротермальной системой есть и в российских водах. Это расположенный чуть севернее Командорских островов подводный вулкан Пийпа.

Вулкан, представляющий собой вершину массива Вулканологов, был открыт только в 1984 году, в 21-­м рейсе научно-исследовательского судна (НИС) «Вулканолог» камчатского Института вулканологии и сейсмологии. Он получил свое имя в честь известного вулканолога Бориса Ивановича Пийпа. Вулкан имеет две четко выраженные вершины — Северную и Южную, поднимающиеся до глубин 352 и 447 м соответственно, разделенные седловиной с максимальной глубиной 820 м. Сейчас вулкан спит, но активность в его недрах существует, и нутро у него горячее. В 1986–1987 годах в очередных рейсах «Вулканолога» на вершинах вулкана отметили признаки гидротермальной активности: были подняты куски гидротермально измененных минералов, над Северной вершиной обнаружилась акустическая аномалия, обусловленная всплывающими пузырьками выделяющегося из вулкана газа, а в придонных пробах воды оказалось повышено содержание метана, сероводорода и марганца. Стало понятно, что там может быть очень занятно. И тогда вулкан Пийпа был включен в число целей большой экспедиции Института океанологии АН на НИС «Академик Мстислав Келдыш» с глубоководными аппаратами «Мир» на борту. В августе 1990 года аппараты четыре раза спускались к вулкану. Два спуска были посвящены исследованиям самой горы, а в двух – работы велись прицельно по гидротермам. Руководил погружениями (и управлял одним из аппаратов) А.М. Сагалевич, наблюдателями­биологами были С.В. Галкин и Л.И. Москалёв.

Итоги погружений оказались интереснейшими. На Пийпе нашлись даже курильщики, только не черные, а белые: гидротермальный раствор не содержал сульфидов, но был обогащен соединениями кальция и бария, так что в местах истечений росли небольшие (до полутора метров) ангидритовые башенки белого цвета и сам гидротермальный флюид был белесым. Бивший из курильщиков раствор достигал температуры 110°С — конечно, не 300–400°, как флюиды из черных курильщиков рифтовых долин, но тоже более чем достаточно. И буквально выбулькивали из дна тонкие цепочки метановых пузырьков... Но еще больше было мест, где менее горячие гидротермальные флюиды сочились из трещин между покрывающими вершины валунами. Конечно, такое количество сырья для хемосинтеза не могло остаться незамеченным. И среди поселений зоантарий рода Epizoanthus и мелких розовых актиний, обычных для этих глубин, на камнях обнаруживались белые пятна бактериальных матов, иногда достигающие площади десятков квадратных метров. Ближе к центру бактерии формировали на камнях «бороды» из длинных колышущихся нитей, и камни выглядели волосатыми. Позже выяснится, что это были бактерии рода Beggiatoa, типичнейшие обитатели богатых серой мест. Именно у представителей этого рода (только, разумеется, не глубоководных) С.В. Виноградский и обнаружил впервые бактериальный хемосинтез.

Но, казалось, помимо бактерий, типичных для гидротерм обитателей на вулкане нет. Казалось до тех пор, пока в одной заполненной полужидким илом лощинке на Южной вершине вулкана, где тоже сочился флюид, не удалось обнаружить поселение двустворок­-калиптоген Calyptogena pacifica, которые, подобно гигантским двустворкам восточно-­тихоокеанских глубоководных гидротерм, были симбиотрофами и выращивали хемосинтезирующих бактерий в собственных жабрах. Тогда это была самая северная точка их обнаружения в Западной Пацифике. Но обитали эти двустворки в весьма специфической долинке. А на обычных камнях вершин вроде как были только бактерии.

Случилось так, что после этих работ биологов долго не было на Пийпе, а обитаемые аппараты работали тогда на вулкане единственный раз. Но в 2016 году биологические исследования на вулкане возобновились.

По искрящейся, успокоившейся после недавнего ветра глади Берингова моря медленно перемещается судно. На его кормовой П­раме ссорятся несколько красноногих говорушек, небольших изящных и шумных чаек, — они живут только здесь, на едва виднеющихся на горизонте Командорских островах, да еще на соседних островах Прибылова. Под П­рамой мерно поскрипывает большой блок, с которого в холодную воду уходит натянутый кабель­трос. Внизу, на небольшом расстоянии от дна, на нем висит большая железная коробка­-депрессор, от которой куда-­то вбок убегает уже мягкий желтый кабель. Кабель шевелится. Его перемещает плывущий над самой вершиной горы большой телеуправляемый аппарат «Команч­-18», снабженный прожекторами, манипуляторами, контейнером для образцов и фото­ и телекамерами. Сигнал с телекамер убегает вверх, на судно, где в кормовой лаборатории собрались пилоты «Команча» и ученые из дальневосточных и московских институтов, вглядывающиеся в картинки на мониторах… Примерно так виделись бы со стороны рабочие будни 75­го рейса «Академика М.А. Лаврентьева», НИС Национального научного центра морской биологии Дальневосточного отделения РАН.

День за днем, спуск за спуском «Команч» кружил над вершиной горы, вглядывался глазами телекамер в щели, из которых шел характерный муар, маркирующий низкотемпературные излияния, собирал манипуляторами крупных донных животных и обросшие бактериями «волосатые камни». Тогда оказалось, что «тихие» гидротермальные сочения есть не только на вершинах вулкана. И хотя большинство маркирующих их пятен бактериальных матов (от ярко-­белых косм бактерий, полностью покрывающих целые группы камней, до едва заметного сизого налета на боку отдельных валунов) нашли в пределах изобаты 400 м, при проведении вертикального разреза по северному склону вулкана было отмечено, что отдельные маты попадались и на 600­метровых глубинах, а самое глубоководное бактериальное пятно располагалось на глубине 1835 м.

Но, что самое интересное, детальная видеосъемка мест высачивания растворов и исследование поднятых оттуда обросших бактериальными нитями камней показали, что на вулкане живут по крайней мере два вида организмов, однозначно ассоциированные с бактериальными матами в ближайшем окружении источника. Это были мелкие брюхоногие моллюски семейства Provannidae и рачки­амфиподы из группы Lysianassidae. Плотность моллюсков на камнях в местах активных высачиваний, прилегающих к матам, на Северной вершине достигала 20 экземпляров на квадратный дециметр и снижалась при удалении от источников. На раковинах нескольких экземпляров гастропод были отмечены приросшие к ним нитчатые хемоавтотрофные бактерии. Амфиподы тоже встречались исключительно в бактериальных матах, их плотность иногда достигала 50 экземпляров на квадратный дециметр. На сделанных аппаратом видеозаписях отчетливо видно, как гастроподы буквально купаются в окутывающем их гидротермальном муаре, как амфиподы роются в бактериальных матах в местах интенсивных сочений. Надо сказать, что для глубоководных гидротерм с их уникальными сообществами такая картина достаточно обычна. То есть истинно гидротермальные животные присутствуют и на относительно небольших глубинах! Крупные животные туда проникнуть все же не смогли, а вот мелочь, для которой достаточно свободной от «фоновой» фауны небольшой площади, — смогла. И это небезынтересно. (На сегодняшний день вулкан Пийпа наиболее мелководный гидротермальный район Западной Пацифики, где отмечена настоящая облигатная гидротермальная фауна.)

Но и обычные, фоновые животные тоже явно реагировали на бактериальные поляны. По их краю густо росли мелкие актинии, иногда практически залезая в бактериальные маты, места высачиваний явно притягивали к себе красных морских окуней… Да и подвижные беспозвоночные, от морских звезд до крабов и раков­отшельников, тоже часто отмечались на периферии пятен матов. И вполне возможно, эти животные, помимо своей обычной пищи исходно фотосинтетического происхождения, тоже прихватывали производимой бактериями органики (необязательно напрямую, возможно, поедая евших...). Некоторых представителей этой фоновой фауны удалось собрать в количестве, достаточном для изотопного анализа, который сможет уточнить долю органического вещества хемосинтетического происхождения в их рационе.

Летом 2018 года работы с «Команчем» на вулкане Пийпа были продолжены. И похоже, найдены еще некоторые организмы, специфически приуроченные к местам выхода флюидов. Так что единственные российские гидротермы продолжают преподносить сюрпризы.


Эта статья доступна в печатном номере "Химии и жизни" (№ 1/2019) на с. 25 — 27.

Еще по теме

prev_2019_02_34.jpgПри слове «орхидеи» сразу представляется нечто яркое, изысканное, роскошное. Букет орхидей! Крупные цветки необычной формы, пластиковые пробирки с загадочной жидкостью, надетые на стебли внизу, хрустящая упаковка. Ну а если не идти по накатанному пути? Что мы знаем об орхидеях?

>>

prev_2019_03_39.jpgИнвертированная пищевая пирамида фронтальной зоны Гольфстрима — результат эксплуатации экосистемы экосистемой. Там, где встречаются два мира, хищники одного из миров находят легкую добычу в другом.

>>

prev_2019_04_40.jpgВсем известно, что у растений есть надземные и подземные части. Но когда подземной частью оказывается душистый цветок — это по меньшей мере странно.


>>

prev_2019_05_20.jpgНовые виды животных открывают и в XXI веке, но тут не все так просто, как представляется неспециалистам. Недостаточно просто найти новое животное и рассказать о нем коллегам, нужно следовать определенным правилам, чтобы вид признали действительно существующим. И вот теперь начались споры: не пришло ли время эти правила поменять?


>>

prev_2019_06_46.jpgВ основе биологической систематики лежит концепция вида. Виды различаются между собой по внешним признакам… хотя иногда их трудно различить, а представители одного вида могут выглядеть по-разному. Виды не скрещиваются… но иногда скрещиваются. Как современная биология решает такие головоломки?


>>

prev_2019_07_31.jpgМожно ли в XXI веке открыть новый вид животного? Конечно, можно. А если повезет, будет и удивительная история открытия. Такие истории бывают и в наши дни. В том числе и в морской биологии — от обнаружения в 1997 году нового, второго вида современных кистеперых рыб, Latimeria menadoensis, на индонезийском рыбном рынке до историй не столь приметных, о которых и хочется тут рассказать.

>>