Гидротермальные источники — это трещины на морском дне , из которых выбрасывается геотермально нагретая вода. Они обычно встречаются вблизи вулканически активных мест, областей, где тектонические плиты раздвигаются в срединно-океанических хребтах , океанических бассейнах и горячих точках . [1] Рассеивание гидротермальных жидкостей по всему мировому океану в местах активных источников создает гидротермальные шлейфы. Гидротермальные отложения — это горные породы и месторождения минеральных руд, образованные в результате действия гидротермальных источников.
Гидротермальные источники существуют, потому что Земля геологически активна и имеет большое количество воды на своей поверхности и в своей коре. Под морем они могут образовывать образования, называемые черными курильщиками или белыми курильщиками, которые поставляют широкий спектр элементов в мировые океаны, тем самым внося вклад в глобальную морскую биогеохимию . По сравнению с большей частью глубоководного моря, области вокруг гидротермальных источников биологически более продуктивны, часто вмещая сложные сообщества, подпитываемые химическими веществами, растворенными в жидкостях источников. Хемосинтетические бактерии и археи, обнаруженные вокруг гидротермальных источников, образуют основу пищевой цепи , поддерживая разнообразные организмы, включая гигантских трубчатых червей , моллюсков, блюдечек и креветок. Считается, что активные гидротермальные источники существуют на спутнике Юпитера Европе и спутнике Сатурна Энцеладе , [ 2] [3] , и предполагается, что древние гидротермальные источники когда-то существовали на Марсе . [1] [4]
Гидротермальные источники были выдвинуты в качестве гипотезы , что они были существенным фактором для начала абиогенеза и выживания примитивной жизни . Было показано, что условия этих источников поддерживают синтез молекул, важных для жизни. Некоторые данные свидетельствуют о том, что определенные источники, такие как щелочные гидротермальные источники или источники, содержащие сверхкритический CO 2, более благоприятны для образования этих органических молекул . Однако происхождение жизни является широко обсуждаемой темой, и существует множество противоречивых точек зрения.
Гидротермальные источники в глубине океана обычно формируются вдоль срединно-океанических хребтов , таких как Восточно-Тихоокеанское поднятие и Срединно-Атлантический хребет . Это места, где расходятся две тектонические плиты и формируется новая кора. [5]
Вода, которая выходит из гидротермальных источников морского дна, в основном состоит из морской воды, втянутой в гидротермальную систему вблизи вулканического сооружения через разломы и пористые отложения или вулканические слои, а также некоторого количества магматической воды, высвобождаемой поднимающейся магмой . [1] В наземных [ необходимо разъяснение ] гидротермальных системах большая часть воды, циркулирующей в системах фумарол и гейзеров , представляет собой метеорную воду плюс грунтовую воду , которая просочилась в термальную систему с поверхности, но также обычно содержит некоторую часть метаморфической воды , магматической воды и осадочного формационного рассола , высвобождаемого магмой. Доля каждого из них варьируется от места к месту. [ необходима цитата ]
В отличие от температуры окружающей воды на этих глубинах, составляющей приблизительно 2 °C (36 °F), вода выходит из этих отверстий при температуре от 60 °C (140 °F) [6] до 464 °C (867 °F). [7] [8] Из-за высокого гидростатического давления на этих глубинах вода может существовать либо в жидкой форме, либо в виде сверхкритической жидкости при таких температурах. [5] Критическая точка (чистой) воды составляет 375 °C (707 °F) при давлении 218 атмосфер .
Однако введение солености в жидкость повышает критическую точку до более высоких температур и давлений. Критическая точка морской воды (3,2 мас. % NaCl) составляет 407 °C (765 °F) и 298,5 бар [9] , что соответствует глубине ~2960 м (9710 футов) ниже уровня моря. Соответственно, если гидротермальная жидкость с соленостью 3,2 мас. % NaCl выходит выше 407 °C (765 °F) и 298,5 бар, она является сверхкритической. Кроме того, было показано, что соленость флюидов жерл сильно различается из-за разделения фаз в коре. [10] Критическая точка для флюидов с более низкой соленостью находится при более низких условиях температуры и давления, чем для морской воды, но выше, чем для чистой воды. Например, флюид жерла с 2,24 мас. % соленость NaCl имеет критическую точку при 400 °C (752 °F) и 280,5 бар. Таким образом, вода, выходящая из самых горячих частей некоторых гидротермальных источников, может быть сверхкритической жидкостью , обладающей физическими свойствами между свойствами газа и свойствами жидкости . [ 7] [8]
Примеры сверхкритического излияния обнаружены на нескольких участках. Sister Peak (гидротермальное поле Comfortless Cove, 4°48′S 12°22′W / 4.800°S 12.367°W / -4.800; -12.367 , глубина 2996 м или 9829 футов) извергает низкосоленые разделенные на фазы парообразные жидкости. Длительное излияние не было обнаружено сверхкритическим, но кратковременное впрыскивание 464 °C (867 °F) было значительно выше сверхкритических условий. Было обнаружено, что на соседнем участке, Turtle Pits, извергается низкосоленая жидкость при 407 °C (765 °F), что выше критической точки жидкости при этой солености. Место выхода в желобе Кайман под названием Биби , которое является самым глубоким в мире известным гидротермальным местом на глубине ~5000 м (16000 футов) ниже уровня моря, показало устойчивое сверхкритическое извержение при температуре 401 °C (754 °F) и 2,3% масс. NaCl. [11]
Хотя сверхкритические условия наблюдались в нескольких местах, пока неизвестно, какое значение, если таковое имеется, имеет сверхкритическое извержение с точки зрения гидротермальной циркуляции, образования минеральных отложений, геохимических потоков или биологической активности. [ необходима ссылка ]
Начальные стадии жерла начинаются с отложения минерального ангидрида. Затем сульфиды меди, железа и цинка осаждаются в зазорах жерла , делая его менее пористым с течением времени. Зарегистрирован рост жерла порядка 30 см (1 фут) в день. [12] Исследование глубоководных жерл у побережья Фиджи в апреле 2007 года показало, что эти жерла являются значительным источником растворенного железа (см. цикл железа ). [13]
Некоторые гидротермальные источники образуют приблизительно цилиндрические структуры дымоходов. Они образуются из минералов, которые растворяются в жидкости источника. Когда перегретая вода контактирует с почти замерзающей морской водой, минералы выпадают в осадок, образуя частицы, которые увеличивают высоту дымоходов. Некоторые из этих структур дымоходов могут достигать высоты 60 м (200 футов). [14] Примером такого возвышающегося источника была «Годзилла», структура на глубоководном дне Тихого океана около Орегона , которая поднялась на 40 м (130 футов), прежде чем она рухнула в 1996 году. [15]
Черный курильщик или глубоководный источник — это тип гидротермального источника, обнаруженного на морском дне , как правило, в батиальной зоне (с наибольшей частотой на глубинах от 2500 до 3000 м (от 8200 до 9800 футов)), но также и на меньших глубинах, а также глубже в абиссальной зоне . [1] Они выглядят как черные, похожие на дымоход структуры, которые испускают облако черного материала. Черные курильщики обычно испускают частицы с высоким содержанием серосодержащих минералов или сульфидов. Черные курильщики образуются на полях шириной в сотни метров, когда перегретая вода из-под земной коры проходит через дно океана (вода может достигать температуры выше 400 °C (752 °F)). [1] Эта вода богата растворенными минералами из коры, в первую очередь сульфидами . Когда она вступает в контакт с холодной океанской водой, многие минералы выпадают в осадок, образуя черную, похожую на дымоход структуру вокруг каждого источника. Отложенные сульфиды металлов могут со временем стать массивными месторождениями сульфидных руд . Некоторые черные курильщики на Азорской части Срединно-Атлантического хребта чрезвычайно богаты содержанием металлов , например, Rainbow с концентрацией железа 24 000 μM . [16]
Черные курильщики были впервые обнаружены в 1979 году на Восточно-Тихоокеанском поднятии учеными из Института океанографии Скриппса в ходе проекта RISE . [17] Они наблюдались с помощью глубоководного аппарата ALVIN из Океанографического института Вудс-Хоул . Сейчас известно, что черные курильщики существуют в Атлантическом и Тихом океанах на средней глубине 2100 м (6900 футов). Самые северные черные курильщики представляют собой скопление из пяти под названием Замок Локи , [18] обнаруженное в 2008 году учеными из Университета Бергена на 73° с.ш. , на Срединно-Атлантическом хребте между Гренландией и Норвегией . Эти черные курильщики представляют интерес, поскольку они находятся в более стабильной области земной коры, где тектонические силы меньше и, следовательно, поля гидротермальных источников встречаются реже. [19] Самые глубоководные из известных в мире черных курильщиков находятся в Каймановой впадине , на глубине 5000 м (3,1 мили) ниже поверхности океана. [20]
Белые курильщики испускают более светлые минералы, такие как содержащие барий , кальций и кремний . Эти источники также имеют тенденцию иметь более низкотемпературные шлейфы, вероятно, потому, что они, как правило, удалены от источника тепла. [1]
Черные и белые курильщики могут сосуществовать в одном и том же гидротермальном поле, но они, как правило, представляют собой проксимальные (близкие) и дистальные (отдаленные) источники к основной зоне восходящего потока соответственно. Однако белые курильщики в основном соответствуют убывающим стадиям таких гидротермальных полей, поскольку магматические источники тепла постепенно удаляются от источника (из-за кристаллизации магмы), а в гидротермальных флюидах преобладает морская вода вместо магматической. Минерализующие флюиды из этого типа источников богаты кальцием и образуют преимущественно сульфатные (т. е. барит и ангидрит ) и карбонатные отложения. [1]
Гидротермальные плюмы представляют собой жидкие образования, которые проявляются там, где гидротермальные жидкости выбрасываются в вышележащую водную толщу в местах активных гидротермальных источников. [21] Поскольку гидротермальные жидкости обычно обладают физическими (например, температура , плотность ) и химическими (например, pH , Eh , основные ионы) свойствами, отличными от свойств морской воды , гидротермальные плюмы воплощают физические и химические градиенты, которые способствуют нескольким типам химических реакций, включая окислительно-восстановительные реакции и реакции осаждения . [21] Из-за этих реакций гидротермальные плюмы представляют собой динамические образования, физические и химические свойства которых изменяются как в пространстве, так и во времени в пределах океана.
Гидротермальные флюиды имеют температуру (~40 to >400°C) значительно выше, чем у морской воды на дне океана (~4°C), что означает, что гидротермальная жидкость менее плотная, чем окружающая морская вода, и будет подниматься через толщу воды из-за плавучести , образуя гидротермальный шлейф; поэтому фаза, во время которой гидротермальные шлейфы поднимаются через толщу воды, известна как фаза «плавучего шлейфа». [21] Во время этой фазы сдвиговые силы между гидротермальным шлейфом и окружающей морской водой создают турбулентный поток , который способствует смешению двух типов жидкостей, что постепенно разбавляет гидротермальный шлейф морской водой. [21] В конечном итоге, сопряженные эффекты разбавления и подъема в постепенно более теплую (менее плотную) вышележащую морскую воду заставят гидротермальный шлейф стать нейтрально плавучим на некоторой высоте над морским дном; поэтому эта стадия эволюции гидротермального шлейфа известна как фаза «неплавучего шлейфа». [21] Как только шлейф становится нейтрально плавучим, он больше не может продолжать подниматься через толщу воды и вместо этого начинает распространяться в поперечном направлении по всему океану, потенциально на несколько тысяч километров. [22]
Химические реакции происходят одновременно с физической эволюцией гидротермальных плюмов. В то время как морская вода является относительно окислительной жидкостью, гидротермальные жерловые жидкости обычно являются восстановительными по своей природе. [21] Следовательно, восстановленные химические вещества, такие как газообразный водород , сероводород , метан , Fe 2+ и Mn 2+ , которые распространены во многих жерловых жидкостях, будут реагировать при смешивании с морской водой. В жидкостях с высокой концентрацией H 2 S растворенные ионы металлов, такие как Fe 2+ и Mn 2+, легко выпадают в осадок в виде темноокрашенных сульфидных минералов металлов (см. «черные курильщики»). [21] Кроме того, Fe 2+ и Mn 2+, вовлеченные в гидротермальный плюм, в конечном итоге окисляются с образованием нерастворимых минералов (окси)гидроксидов Fe и Mn . [23] По этой причине термин «ближнее поле» гидротермального плюма был предложен для обозначения области гидротермального плюма, в которой происходит активное окисление металлов, в то время как термин «дальнее поле» относится к области плюма, в пределах которой произошло полное окисление металлов. [22]
Несколько химических трассеров, обнаруженных в гидротермальных плюмах, используются для обнаружения глубоководных гидротермальных источников во время исследовательских круизов. Полезные трассеры гидротермальной активности должны быть химически инертными, чтобы изменения концентрации трассера после выброса были обусловлены исключительно разбавлением. [21] Благородный газ гелий соответствует этому критерию и является особенно полезным трассером гидротермальной активности. Это связано с тем, что гидротермальные выбросы высвобождают повышенные концентрации гелия-3 относительно морской воды, редкого, встречающегося в природе изотопа He, получаемого исключительно из недр Земли. [21] Таким образом, рассеивание 3 He по океанам через гидротермальные плюмы создает аномальные составы изотопов He в морской воде, которые указывают на гидротермальные выбросы. Другим благородным газом, который может служить трассером гидротермальной активности, является радон . Поскольку все встречающиеся в природе изотопы Rn радиоактивны, концентрации Rn в морской воде также могут предоставить информацию о возрасте гидротермальных плюмов в сочетании с данными об изотопах He. [21] Изотоп радон-222 используется для этой цели, поскольку 222 Rn имеет самый длительный период полураспада среди всех встречающихся в природе изотопов радона, примерно 3,82 дня. [24] Растворенные газы, такие как H2 , H2S и CH4 , и металлы, такие как Fe и Mn, присутствующие в высоких концентрациях в гидротермальных флюидах по сравнению с морской водой, также могут быть диагностическими для гидротермальных плюмов и, таким образом, для активного излияния; однако эти компоненты являются реактивными и, таким образом, менее пригодны в качестве индикаторов гидротермальной активности. [21]
Гидротермальные плюмы представляют собой важный механизм, посредством которого гидротермальные системы влияют на морскую биогеохимию . Гидротермальные источники выбрасывают в океан широкий спектр следовых металлов , включая Fe , Mn , Cr , Cu , Zn , Co , Ni , Mo , Cd , V и W , [25] многие из которых имеют биологические функции. [26] Многочисленные физические и химические процессы контролируют судьбу этих металлов после того, как они выбрасываются в толщу воды. Основываясь на термодинамической теории, Fe2 + и Mn2 + должны окисляться в морской воде с образованием нерастворимых осадков (окси)гидроксидов металлов; однако комплексообразование с органическими соединениями и образование коллоидов и наночастиц может удерживать эти окислительно-восстановительно-чувствительные элементы во взвешенном состоянии в растворе далеко от места выхода. [21] [23]
Fe и Mn часто имеют самые высокие концентрации среди металлов в кислых гидротермальных флюидах, [25] и оба имеют биологическое значение, особенно Fe, которое часто является ограничивающим питательным веществом в морской среде. [26] Таким образом, дальний перенос Fe и Mn посредством органического комплексообразования может представлять собой важный механизм круговорота металлов в океане. [22] Кроме того, гидротермальные источники доставляют значительные концентрации других биологически важных микроэлементов в океан, таких как Mo, который мог быть важен в ранней химической эволюции океанов Земли и для происхождения жизни (см. «теорию гидротермального происхождения жизни»). [25] [27] Однако осадки Fe и Mn также могут влиять на биогеохимию океана, удаляя микроэлементы из водной толщи. Заряженные поверхности минералов (окси)гидроксида железа эффективно адсорбируют такие элементы, как фосфор , ванадий , мышьяк и редкоземельные металлы из морской воды; Таким образом, хотя гидротермальные струи могут представлять собой чистый источник металлов, таких как Fe и Mn, для океанов, они также могут поглощать другие металлы и неметаллические питательные вещества, такие как P, из морской воды, представляя собой чистый сток этих элементов. [23]
Традиционно считалось, что жизнь поддерживается энергией солнца, но глубоководные организмы не имеют доступа к солнечному свету, поэтому биологические сообщества вокруг гидротермальных источников должны зависеть от питательных веществ, содержащихся в пыльных химических отложениях и гидротермальных жидкостях, в которых они живут. Ранее бентосные океанографы предполагали, что организмы источников зависят от морского снега , как и глубоководные организмы. Это сделало бы их зависимыми от растительной жизни и, следовательно, от солнца. Некоторые организмы гидротермальных источников действительно потребляют этот «дождь», но только при такой системе формы жизни были бы редкими. Однако по сравнению с окружающим морским дном зоны гидротермальных источников имеют плотность организмов в 10 000–100 000 раз больше. К этим организмам относятся крабы-йети , у которых есть длинные волосатые руки, которыми они тянутся над источником, чтобы собрать пищу. [ необходима цитата ]
Гидротермальные источники признаны типом экосистем, основанных на хемосинтезе (CBE), где первичная продуктивность подпитывается химическими соединениями в качестве источников энергии вместо света ( хемоавтотрофия ). [28] Сообщества гидротермальных источников способны поддерживать такое огромное количество жизни, поскольку организмы источников зависят от хемосинтетических бактерий в качестве пищи. Вода из гидротермального источника богата растворенными минералами и поддерживает большую популяцию хемоавтотрофных бактерий. Эти бактерии используют соединения серы, в частности сероводород , химическое вещество, высокотоксичное для большинства известных организмов, для производства органического материала посредством процесса хемосинтеза .
Влияние источников на живую среду выходит за рамки организмов, которые живут вокруг них, поскольку они выступают в качестве важного источника железа в океанах, обеспечивая железом фитопланктон. [29]
Сформированная таким образом экосистема зависит от постоянного существования поля гидротермальных источников как основного источника энергии, что отличается от большей части поверхностной жизни на Земле, которая основана на солнечной энергии . Однако, хотя часто говорят, что эти сообщества существуют независимо от солнца, некоторые из организмов на самом деле зависят от кислорода, вырабатываемого фотосинтезирующими организмами, в то время как другие являются анаэробными .
Хемосинтетические бактерии вырастают в толстый мат, который привлекает другие организмы, такие как амфиподы и веслоногие рачки , которые питаются бактериями напрямую. Более крупные организмы, такие как улитки, креветки, крабы, трубчатые черви , рыбы (особенно бельдюга , угорь-головорез , Ophidiiformes и Symphurus thermophilus ) и осьминоги (особенно Vulcanoctopus hydrothermalis ), образуют пищевую цепочку отношений хищника и жертвы выше первичных потребителей. Основные семейства организмов, обнаруженных вокруг отверстий на морском дне, — это кольчатые черви , погонофоры , брюхоногие моллюски и ракообразные, а крупные двустворчатые моллюски , вестиментиферовые черви и «безглазые» креветки составляют основную часть немикробных организмов. [ необходима цитата ]
.jpg/1280px-Expl1534_(9734552643).jpg)
Трубчатые черви Siboglinid , которые могут достигать более 2 м (6,6 футов) в высоту у самых крупных видов, часто составляют важную часть сообщества вокруг гидротермального источника. У них нет рта или пищеварительного тракта, и, как паразитические черви, они поглощают питательные вещества, вырабатываемые бактериями в своих тканях. Около 285 миллиардов бактерий содержится в унции ткани трубчатого червя. У трубчатых червей есть красные перья, которые содержат гемоглобин . Гемоглобин соединяется с сероводородом и передает его бактериям, живущим внутри червя. В свою очередь, бактерии питают червя углеродными соединениями. Два вида, которые обитают в гидротермальном источнике, — это Tevnia jerichonana и Riftia pachyptila . Одно обнаруженное сообщество, получившее название « Город угрей », состоит преимущественно из угря Dysommina rugosa . Хотя угри не редкость, беспозвоночные обычно доминируют в гидротермальных источниках. Ил-Сити расположен недалеко от вулканического конуса Нафануа , Американское Самоа . [30]
В 1993 году уже было известно о более чем 100 видах брюхоногих моллюсков, встречающихся в гидротермальных источниках. [31] В гидротермальных источниках было обнаружено более 300 новых видов, [32] многие из которых являются «родственными видами» для других, обнаруженных в географически разделенных зонах источников. Было высказано предположение, что до того, как Североамериканская плита перекрыла срединно-океанический хребет , в восточной части Тихого океана существовала одна биогеографическая зона источника. [33] Последующее препятствие для путешествий положило начало эволюционному расхождению видов в разных местах. Примеры конвергентной эволюции, наблюдаемые между отдельными гидротермальными источниками, рассматриваются как основная поддержка теории естественного отбора и эволюции в целом.
Хотя жизнь на этих глубинах очень редка, черные курильщики являются центрами целых экосистем . Солнечного света там нет, поэтому многие организмы, такие как археи и экстремофилы , преобразуют тепло, метан и соединения серы, выделяемые черными курильщиками, в энергию с помощью процесса, называемого хемосинтезом . Более сложные формы жизни, такие как моллюски и трубчатые черви , питаются этими организмами. Организмы, находящиеся в основании пищевой цепи , также откладывают минералы в основание черного курильщика, тем самым завершая жизненный цикл .
Вид фототрофных бактерий был обнаружен живущим около черного курильщика у побережья Мексики на глубине 2500 м (8200 футов). Солнечный свет не проникает так далеко в воду. Вместо этого бактерии, часть семейства Chlorobiaceae , используют слабое свечение черного курильщика для фотосинтеза . Это первый организм, обнаруженный в природе, который использует для фотосинтеза исключительно свет, отличный от солнечного. [34]
В окрестностях черных курильщиков постоянно обнаруживаются новые и необычные виды. Помпейский червь Alvinella pompejana , способный выдерживать температуру до 80 °C (176 °F), был обнаружен в 1980-х годах, а чешуйчатый брюхоногий моллюск Chrysomallon squamiferum — в 2001 году во время экспедиции на гидротермальное поле Кайрей в Индийском океане . Последний использует сульфиды железа ( пирит и грейгит) для структуры своих дермальных склеритов (затвердевших частей тела) вместо карбоната кальция . Считается, что экстремальное давление 2500 м3 воды (приблизительно 25 мегапаскалей или 250 атмосфер ) играет роль в стабилизации сульфида железа для биологических целей. Вероятно, эта броня служит защитой от ядовитых радул (зубов) хищных улиток этого сообщества.
В марте 2017 года исследователи сообщили о доказательствах существования, возможно, древнейших форм жизни на Земле . Предполагаемые окаменелые микроорганизмы были обнаружены в гидротермальных отложениях в поясе Нуввуагиттук в Квебеке, Канада , которые могли существовать уже 4,280 миллиарда лет назад , вскоре после образования океанов 4,4 миллиарда лет назад и вскоре после образования Земли 4,54 миллиарда лет назад. [35] [36] [37]
Экосистемы гидротермальных источников обладают огромной биомассой и производительностью, но это основано на симбиотических отношениях, которые развились в источниках. Экосистемы глубоководных гидротермальных источников отличаются от своих мелководных и наземных гидротермальных аналогов из-за симбиоза, который происходит между макробеспозвоночными хозяевами и хемоавтотрофными микробными симбионтами в первых. [38] Поскольку солнечный свет не достигает глубоководных гидротермальных источников, организмы в глубоководных гидротермальных источниках не могут получать энергию от солнца для выполнения фотосинтеза. Вместо этого микробная жизнь, обнаруженная в гидротермальных источниках, является хемосинтетической; они фиксируют углерод, используя энергию химических веществ, таких как сульфид, в отличие от световой энергии солнца. Другими словами, симбионт преобразует неорганические молекулы (H 2 S, CO 2 , O) в органические молекулы, которые затем хозяин использует в качестве питания. Однако сульфид является чрезвычайно токсичным веществом для большинства форм жизни на Земле. По этой причине ученые были поражены, когда в 1977 году впервые обнаружили гидротермальные источники, кишащие жизнью. Было обнаружено повсеместное симбиоз хемоавтотрофов, живущих в жабрах животных источников ( эндосимбиоз ); причина, по которой многоклеточная жизнь способна выживать в токсичности систем источников. Поэтому ученые сейчас изучают, как микробные симбионты помогают в детоксикации сульфида (тем самым позволяя хозяину выживать в других токсичных условиях). Работа над функцией микробиома показывает, что микробиомы, связанные с хозяином, также важны для развития хозяина, питания, защиты от хищников и детоксикации. Взамен хозяин обеспечивает симбионта химическими веществами, необходимыми для хемосинтеза, такими как углерод, сульфид и кислород. [ необходима цитата ]
На ранних стадиях изучения жизни в гидротермальных источниках существовали различные теории относительно механизмов, с помощью которых многоклеточные организмы могли получать питательные вещества из этих сред, и как они могли выживать в таких экстремальных условиях. В 1977 году была выдвинута гипотеза, что хемоавтотрофные бактерии в гидротермальных источниках могут быть ответственны за вклад в рацион двустворчатых моллюсков, питающихся суспензией. [39]
Наконец, в 1981 году было установлено, что приобретение питания гигантскими трубчатыми червями происходит в результате хемоавтотрофных бактериальных эндосимбионтов. [40] [41] [42] По мере того, как ученые продолжали изучать жизнь в гидротермальных источниках, стало понятно, что симбиотические отношения между хемоавтотрофами и видами беспозвоночных макрофауны были повсеместными. Например, в 1983 году было подтверждено, что жаберная ткань моллюска содержит бактериальные эндосимбионты; [43] в 1984 году было также обнаружено, что батимодиолиды и везикомидные моллюски несут эндосимбионтов. [44] [45]
Однако механизмы, посредством которых организмы приобретают своих симбионтов, различаются, как и метаболические отношения. Например, у трубчатых червей нет рта и кишечника, но у них есть «трофосома», где они занимаются питанием и где находятся их эндосимбионты. У них также есть ярко-красный шлейф, который они используют для поглощения таких соединений, как O, H2S и CO2 , которые питают эндосимбионтов в их трофосоме. Примечательно, что гемоглобин трубчатых червей (который, кстати, является причиной ярко-красного цвета шлейфа) способен переносить кислород без помех или ингибирования со стороны сульфида, несмотря на то, что кислород и сульфид обычно очень реактивны. В 2005 году было обнаружено, что это возможно благодаря ионам цинка, которые связывают сероводород в гемоглобине трубчатых червей, тем самым предотвращая реакцию сульфида с кислородом. Он также уменьшает воздействие сульфида на ткани трубчатых червей и обеспечивает бактерии сульфидом для осуществления хемоавтотрофии. [46] Также было обнаружено, что трубчатые черви могут метаболизировать CO2 двумя различными способами и могут переключаться между ними по мере необходимости при изменении условий окружающей среды. [47]
В 1988 году исследования подтвердили наличие тиотрофных (сульфид-окисляющих) бактерий в Alviniconcha hessleri , крупном моллюске с отверстием для выхода. [48] Чтобы обойти токсичность сульфида, мидии сначала преобразуют его в тиосульфат, прежде чем передать его симбионтам. [49] В случае подвижных организмов, таких как креветки-альвинокариды, они должны отслеживать оксичные (богатые кислородом) / аноксичные (бедные кислородом) среды, поскольку они колеблются в окружающей среде. [ необходима цитата ]
Организмы, живущие на краю полей гидротермальных источников, такие как гребешки-пектиниды, также несут эндосимбионтов в своих жабрах, и в результате их бактериальная плотность ниже по сравнению с организмами, живущими ближе к источнику. Однако зависимость гребешка от микробного эндосимбионта для получения питания, таким образом, также уменьшается. [ необходима цитата ]
Более того, не все животные-хозяева имеют эндосимбионтов; у некоторых есть эписимбионты — симбионты, живущие на животном, а не внутри него. Креветки, обнаруженные в жерлах Срединно-Атлантического хребта, когда-то считались исключением из необходимости симбиоза для выживания макробеспозвоночных в жерлах. Это изменилось в 1988 году, когда было обнаружено, что они несут эписимбионтов. [50] С тех пор было обнаружено, что другие организмы в жерлах также несут эписимбионтов, [51] например, Lepetodrilis fucensis. [52]
Кроме того, в то время как некоторые симбионты восстанавливают соединения серы, другие известны как « метанотрофы » и восстанавливают соединения углерода, а именно метан. Батмодиолидные мидии являются примером хозяина, который содержит метанотрофных эндосимбионтов; однако, последние в основном встречаются в холодных просачиваниях, а не в гидротермальных источниках. [ необходима цитата ]
Хотя хемосинтез, происходящий в глубинах океана, позволяет организмам жить без солнечного света в прямом смысле, технически они все еще полагаются на солнце для выживания, поскольку кислород в океане является побочным продуктом фотосинтеза. Однако, если бы солнце внезапно исчезло и фотосинтез прекратился на нашей планете, жизнь в глубоководных гидротермальных источниках могла бы продолжаться тысячелетиями (пока кислород не иссякнет). [ необходима цитата ]
Химическая и термическая динамика в гидротермальных источниках делает такие среды весьма подходящими с термодинамической точки зрения для протекания химических эволюционных процессов. Таким образом, тепловой поток энергии является постоянным агентом и, как предполагается, внес вклад в эволюцию планеты, включая пребиотическую химию. [1]
Гюнтер Вехтерсхойзер предложил теорию мира железа и серы и предположил, что жизнь могла зародиться в гидротермальных источниках. Вехтерсхойзер предположил, что ранняя форма метаболизма предшествовала генетике. Под метаболизмом он подразумевал цикл химических реакций, которые высвобождают энергию в форме, которую можно использовать в других процессах. [53]
Было высказано предположение, что синтез аминокислот мог происходить глубоко в земной коре и что эти аминокислоты впоследствии были выброшены вместе с гидротермальными жидкостями в более холодные воды, где более низкие температуры и присутствие глинистых минералов способствовали образованию пептидов и протоклеток . [54] Это привлекательная гипотеза из-за обилия CH 4 ( метана ) и NH 3 ( аммиака ), присутствующих в регионах гидротермальных источников, условия, которое не обеспечивалось примитивной атмосферой Земли. Основным ограничением этой гипотезы является отсутствие стабильности органических молекул при высоких температурах, но некоторые предполагают, что жизнь могла возникнуть за пределами зон с самой высокой температурой. [55] Существует множество видов экстремофилов и других организмов, которые в настоящее время живут непосредственно вокруг глубоководных источников, что предполагает, что это действительно возможный сценарий. [ необходима цитата ]
Экспериментальные исследования и компьютерное моделирование показывают, что поверхности минеральных частиц внутри гидротермальных источников имеют схожие каталитические свойства с ферментами и способны создавать простые органические молекулы, такие как метанол (CH 3 OH) и муравьиную кислоту (HCO 2 H), из растворенного в воде CO 2. [56] [57] [58] Кроме того, открытие сверхкритического CO 2 в некоторых местах было использовано для дальнейшей поддержки теории гидротермального происхождения жизни, учитывая, что он может увеличивать скорости органических реакций. Его высокая сольватационная способность и скорость диффузии позволяют ему способствовать синтезу амино- и муравьиной кислоты , а также синтезу других органических соединений, полимеров и четырех аминокислот: аланина, аргинина, аспарагиновой кислоты и глицина. Эксперименты in situ выявили конвергенцию высокого содержания N 2 и сверхкритического CO 2 в некоторых местах, а также доказательства наличия сложного органического материала (аминокислот) внутри пузырьков сверхкритического CO 2 . [59] [60] [61] Сторонники этой теории происхождения жизни также предлагают присутствие сверхкритического CO 2 в качестве решения «водного парадокса», который пронизывает теории о происхождении жизни в водных условиях. Этот парадокс охватывает тот факт, что вода необходима для жизни и в изобилии будет гидролизовать органические молекулы и предотвращать реакции синтеза дегидратации, необходимые для химической и биологической эволюции. [62] Сверхкритический CO 2 , будучи гидрофобным, действует как растворитель, который облегчает среду, благоприятную для синтеза дегидратации. Поэтому была выдвинута гипотеза, что присутствие сверхкритического CO 2 в гидротермальных источниках Гадея сыграло важную роль в происхождении жизни. [60]
Существуют некоторые доказательства, связывающие происхождение жизни, в частности, со щелочными гидротермальными источниками. Условия pH этих источников могли сделать их более подходящими для зарождающейся жизни. [63] [64] Одна из современных теорий заключается в том, что естественные протонные градиенты в этих глубоководных источниках восполнили отсутствие фосфолипидных бислойных мембран и протонных насосов у ранних организмов, что позволило образоваться ионным градиентам, несмотря на отсутствие клеточных механизмов и компонентов, присутствующих в современных клетках. [65] На эту тему ведутся некоторые дискуссии. [66] [67] Утверждалось, что естественные градиенты pH этих источников, играющие роль в происхождении жизни, на самом деле неправдоподобны. Контраргумент основывается, среди прочего, на том, что автор описывает как маловероятность образования механизмов, которые производят энергию из градиентов pH, обнаруженных в гидротермальных источниках без/до существования генетической информации. [67] На этот контрапункт ответил Ник Лейн , один из исследователей, на чьей работе он фокусируется. Он утверждает, что контрапункт в значительной степени неверно интерпретирует как его работу, так и работу других. [66]
Еще одной причиной того, что взгляд на глубоководные гидротермальные источники как на идеальную среду для зарождения жизни остается спорным, является отсутствие циклов «влажный-сухой» и воздействия ультрафиолетового света, которые способствуют образованию мембранных везикул и синтезу многих биомолекул. [68] [69] [70] Ионные концентрации гидротермальных источников отличаются от внутриклеточной жидкости в большинстве форм жизни. Вместо этого было высказано предположение, что наземные пресноводные среды с большей вероятностью являются идеальной средой для формирования ранних клеток. [71] [72] Между тем, сторонники гипотезы глубоководных гидротермальных источников предполагают, что термофорез в минеральных полостях является альтернативным отсеком для полимеризации биополимеров. [73] [74]
Неизвестно, как термофорез в минеральных полостях может способствовать кодированию и метаболизму. Ник Лейн предполагает, что полимеризация нуклеотидов при высоких концентрациях нуклеотидов в самовоспроизводящихся протоклетках, где «молекулярная скученность и фосфорилирование в таких ограниченных, высокоэнергетических протоклетках могут потенциально способствовать полимеризации нуклеотидов с образованием РНК». [75] Ацетилфосфат, возможно, может способствовать полимеризации на минеральных поверхностях или при низкой активности воды. [76] Компьютерное моделирование показывает, что концентрация нуклеотидов в катализе нуклеотидов «энергетического пути обмена благоприятна, поскольку энергия ограничена; благоприятствование этому пути способствует большему синтезу нуклеотидов». Быстрый нуклеотидный катализ фиксации CO2 снижает концентрацию нуклеотидов, поскольку рост и деление протоклетки происходят быстро, что затем приводит к уменьшению концентрации нуклеотидов вдвое, слабый нуклеотидный катализ фиксации CO2 мало способствует росту и делению протоклетки. [77]
В биохимии реакции с CO 2 и H 2 производят предшественников биомолекул, которые также производятся из пути ацетил-КоА и цикла Кребса , что поддерживает происхождение жизни в глубоководных щелочных источниках. Ацетилфосфат, полученный в результате реакций, способен фосфорилировать АДФ в АТФ, [78] с максимальным синтезом, происходящим при высокой активности воды и низких концентрациях ионов, в Гадейском океане, вероятно, были более низкие концентрации ионов, чем в современных океанах. Концентрации Mg 2+ и Ca 2+ в щелочных гидротермальных системах ниже, чем в океане. [79] Высокая концентрация калия в большинстве форм жизни может быть легко объяснена тем, что протоклетки могли развить натрий-водородные антипортеры для откачки Na +, поскольку пребиотические липидные мембраны менее проницаемы для Na +, чем для H + . [80] Если бы клетки возникли в этих средах, они были бы автотрофами с путем Вуда-Льюнгдаля и неполным обратным циклом Кребса. [81] Математическое моделирование органического синтеза карбоновых кислот в липиды, нуклеотиды, аминокислоты и сахара, а также реакции полимеризации благоприятны в щелочных гидротермальных источниках. [82]
В начале своей статьи 1992 года «Глубокая горячая биосфера » Томас Голд сослался на океанские жерла в поддержку своей теории о том, что нижние уровни Земли богаты живым биологическим материалом, который находит свой путь на поверхность. [83] Он далее развил свои идеи в книге «Глубокая горячая биосфера» . [84]
В статье об абиогенном производстве углеводородов в выпуске журнала Science за февраль 2008 года использовались данные экспериментов на гидротермальном поле Лост-Сити, чтобы сообщить, как абиотический синтез низкомолекулярных углеводородов из углекислого газа, полученного из мантии, может происходить в присутствии ультраосновных пород, воды и умеренного количества тепла. [85]
В 1949 году глубоководное исследование сообщило об аномально горячих рассолах в центральной части Красного моря . Более поздние работы в 1960-х годах подтвердили наличие горячих, 60 °C (140 °F), соленых рассолов и связанных с ними металлоносных грязей. Горячие растворы исходили из активного подводного разлома . Высокосоленый характер вод не был благоприятен для живых организмов. [86] Рассолы и связанные с ними грязи в настоящее время изучаются как источник добываемых драгоценных и цветных металлов.
В июне 1976 года ученые из Института океанографии Скриппса получили первые доказательства существования подводных гидротермальных источников вдоль Галапагосского разлома, отрога Восточно-Тихоокеанского поднятия , в ходе экспедиции Плеяды II , используя систему визуализации морского дна Deep-Tow. [87] В 1977 году первые научные статьи о гидротермальных источниках были опубликованы [88] учеными из Института океанографии Скриппса ; научный сотрудник Питер Лонсдейл опубликовал фотографии, сделанные с помощью глубоководных буксируемых камер, [89] а аспирант Кэтлин Крейн опубликовала карты и данные о температурных аномалиях. [90] На месте, которое было названо «Clam-bake», были установлены транспондеры, чтобы экспедиция могла вернуться в следующем году для прямых наблюдений с помощью DSV Alvin .
Хемосинтетические экосистемы, окружающие подводные гидротермальные источники Галапагосского разлома, впервые были непосредственно обнаружены в 1977 году, когда группа морских геологов, финансируемых Национальным научным фондом, вернулась на объекты Кламбейк. Главным исследователем подводного исследования был Джек Корлисс из Университета штата Орегон . Корлисс и Тьерд ван Андел из Стэнфордского университета наблюдали и брали образцы источников и их экосистемы 17 февраля 1977 года во время погружения в DSV Alvin , исследовательском подводном аппарате, эксплуатируемом Океанографическим институтом Вудс-Хоул (WHOI). [91] Другими учеными в исследовательском круизе были Ричард (Дик) фон Герцен и Роберт Баллард из WHOI, Джек Даймонд и Луис Гордон из Университета штата Орегон, Джон Эдмонд и Таня Этуотер из Массачусетского технологического института , Дэйв Уильямс из Геологической службы США и Кэтлин Крейн из Института океанографии Скриппса . [91] [92] Эта группа опубликовала свои наблюдения за жерлами, организмами и составом жидкостей жерл в журнале Science. [93] В 1979 году группа биологов во главе с Дж. Фредериком Грасслом, в то время работавшим в WHOI , вернулась в то же место, чтобы исследовать биологические сообщества, обнаруженные двумя годами ранее.
Высокотемпературные гидротермальные источники, «черные курильщики», были обнаружены весной 1979 года командой из Института океанографии Скриппса с помощью подводного аппарата Alvin . Экспедиция RISE исследовала Восточно-Тихоокеанское поднятие на 21° с.ш. с целью проверки геофизического картирования морского дна с помощью Alvin и поиска другого гидротермального поля за пределами жерл Галапагосского разлома. Экспедицию возглавляли Фред Шписс и Кен Макдональд , в нее входили участники из США, Мексики и Франции. [17] Район погружения был выбран на основе открытия на морском дне холмов сульфидных минералов французской экспедицией CYAMEX в 1978 году. [94] Перед началом погружений участник экспедиции Роберт Баллард обнаружил аномалии температуры воды у дна с помощью глубоко буксируемого комплекта приборов. Первое погружение было нацелено на одну из этих аномалий. В пасхальное воскресенье 15 апреля 1979 года во время погружения Элвина на глубину 2600 метров Роджер Ларсон и Брюс Люендик обнаружили поле гидротермальных источников с биологическим сообществом, похожим на источники Галапагосских островов. Во время последующего погружения 21 апреля Уильям Нормарк и Тьерри Жюто обнаружили высокотемпературные источники, испускающие струи черных минеральных частиц из труб; черных курильщиков. [95] После этого Макдональд и Джим Эйкен установили температурный зонд на Элвине , чтобы измерить температуру воды в источниках черных курильщиков. Это позволило зафиксировать самые высокие температуры, зарегистрированные тогда в глубоководных гидротермальных источниках (380±30 °C). [96] Анализ материала черных курильщиков и питающих их труб показал, что осадки сульфида железа являются распространенными минералами в «дыме» и стенках труб. [97]
В 2005 году компания Neptune Resources NL, занимающаяся разведкой полезных ископаемых, подала заявку и получила права на разведку участка площадью 35 000 км2 на дуге Кермадек в исключительной экономической зоне Новой Зеландии с целью разведки залежей массивных сульфидов на морском дне — потенциального нового источника сульфидов свинца , цинка и меди , образующихся в современных гидротермальных источниках. Открытие гидротермального источника в Тихом океане у берегов Коста-Рики , названного полем гидротермальных источников Медуза (в честь змееволосой Медузы из греческой мифологии ), было объявлено в апреле 2007 года. [98] Гидротермальное поле Ашадзе (13° с.ш. на Срединно-Атлантическом хребте, высота -4200 м) было самым глубоким известным высокотемпературным гидротермальным полем до 2010 года, когда гидротермальный шлейф, исходящий из участка Биби [99] ( 18°33′ с.ш. 81°43′ з.д. / 18,550° с.ш. 81,717° з.д. / 18,550; -81,717 , высота -5000 м), был обнаружен группой ученых из Лаборатории реактивного движения НАСА и Океанографического института Вудс-Хоул . Этот участок расположен на 110-километровом, сверхмедленно распространяющемся поднятии Мид-Кайман в пределах Каймановой впадины . [100] В начале 2013 года в Карибском море были обнаружены самые глубокие из известных гидротермальных источников на глубине почти 5000 метров (16000 футов). [101]
Океанографы изучают вулканы и гидротермальные источники срединно-океанического хребта Хуан-де-Фука , где тектонические плиты отдаляются друг от друга. [102]
Гидротермальные источники и другие геотермальные проявления в настоящее время изучаются в Баия-де-Консепсьон, Южная Нижняя Калифорния, Мексика. [103]
Гидротермальные источники распределены вдоль границ плит Земли, хотя они также могут быть обнаружены в местах внутри плит, таких как горячие точки вулканов. По состоянию на 2009 год было известно около 500 активных подводных гидротермальных источников, около половины из которых визуально наблюдались на морском дне, а другая половина предполагалась по индикаторам водной толщи и/или отложениям на морском дне. [104]
Роджерс и др. (2012) [105] выделили по крайней мере 11 биогеографических провинций систем гидротермальных источников:
Гидротермальные источники в некоторых случаях привели к образованию пригодных для эксплуатации минеральных ресурсов посредством отложения массивных сульфидных залежей на морском дне . Рудное тело Маунт-Айза , расположенное в Квинсленде , Австралия , является прекрасным примером. [106] Многие гидротермальные источники богаты кобальтом , золотом , медью и редкоземельными металлами, необходимыми для электронных компонентов. [107] Считается, что гидротермальные источники на архейском морском дне сформировали полосчатые железные формации типа Алгома , которые были источником железной руды . [108]
Недавно компании по разведке полезных ископаемых, движимые возросшей ценовой активностью в секторе основных металлов в середине 2000-х годов, обратили свое внимание на добычу полезных ископаемых из гидротермальных полей на морском дне. Теоретически возможно значительное снижение затрат. [109]
В таких странах, как Япония , где минеральные ресурсы в основном поступают из-за международного импорта, [110] наблюдается особый толчок к добыче минеральных ресурсов морского дна. [111] Первая в мире «крупномасштабная» добыча минеральных месторождений гидротермальных источников была проведена Японской национальной корпорацией по нефти, газу и металлам (JOGMEC) в августе-сентябре 2017 года. JOGMEC провела эту операцию с использованием исследовательского судна Hakurei . Эта добыча проводилась на поле гидротермального источника «Izena hole/cauldron» в пределах гидротермально активного задугового бассейна, известного как Окинавский желоб , который содержит 15 подтвержденных полей гидротермальных источников согласно базе данных InterRidge Vents.
Две компании в настоящее время находятся на поздних стадиях начала добычи массивных сульфидов морского дна (SMS). Nautilus Minerals находится на продвинутых стадиях начала добычи на своем месторождении Solwarra в архипелаге Бисмарка , а Neptune Minerals находится на более ранней стадии со своим месторождением Rumble II West, расположенным на дуге Кермадек , недалеко от островов Кермадек . Обе компании предлагают использовать модифицированную существующую технологию. Nautilus Minerals в партнерстве с Placer Dome (теперь часть Barrick Gold ) в 2006 году удалось вернуть более 10 метрических тонн добытых SMS на поверхность с помощью модифицированных барабанных резцов, установленных на ROV, что является первым в мире. [112] Neptune Minerals в 2007 году удалось извлечь образцы осадков SMS с помощью модифицированного всасывающего насоса для нефтяной промышленности, установленного на ROV, что также является первым в мире. [113]
Потенциальная добыча полезных ископаемых на морском дне оказывает воздействие на окружающую среду, включая пылевые шлейфы от горнодобывающего оборудования, влияющие на фильтрующие организмы, [107] обрушение или повторное открытие отверстий, выброс метанового клатрата или даже субокеанические оползни. [114]
Также существуют потенциальные экологические эффекты от инструментов, необходимых для добычи этих экосистем гидротермальных источников, включая шумовое загрязнение и антропогенный свет. Добыча в системе гидротермальных источников потребует использования как подводных инструментов для добычи на морском дне, включая дистанционно управляемые подводные аппараты (ROV), так и надводных вспомогательных судов на поверхности океана. [115] Неизбежно, что в результате работы этих машин будет создаваться некоторый уровень шума, что представляет собой проблему для организмов гидротермальных источников, поскольку, находясь на глубине до 12 000 футов под поверхностью океана, они воспринимают очень мало звука. [115] В результате этого эти организмы эволюционировали с высокочувствительными органами слуха, поэтому при внезапном увеличении шума, например, создаваемого горнодобывающим оборудованием, существует вероятность повреждения этих органов слуха и нанесения вреда организмам источников. [115] Также важно учитывать, что многие исследования смогли показать, что большой процент бентосных организмов общается с помощью очень низкочастотных звуков; Следовательно, повышение уровня окружающего шума на морском дне может потенциально маскировать связь между организмами и изменять поведенческие модели. [115] Подобно тому, как глубоководные инструменты SMS-добычи создают шумовое загрязнение, они также создают антропогенные источники света на морском дне (от инструментов для добычи) и поверхности океана (от судов поддержки на поверхности). Организмы в этих гидротермальных системах жерл находятся в афотической зоне океана и приспособились к условиям очень низкой освещенности. Исследования глубоководных креветок показали, что прожекторы, используемые на морском дне при изучении систем жерл, могут вызывать постоянное повреждение сетчатки, [115] что требует дальнейшего изучения потенциального риска для других организмов жерл. В дополнение к риску, которому подвергаются глубоководные организмы, суда поддержки на поверхности используют ночное антропогенное освещение. [115] Исследования показали, что этот тип освещения на поверхности океана может дезориентировать морских птиц и вызывать выпадение осадков, когда они летят к антропогенному свету и истощаются или сталкиваются с искусственными объектами, что приводит к травмам или смерти. [115] При оценке воздействия добычи полезных ископаемых из гидротермальных источников на окружающую среду принимаются во внимание как водные, так и наземные организмы.
Существует три процесса отходов горнодобывающей промышленности, известные как боковой сброс осадка, процесс обезвоживания и сдвиг или возмущение осадка, которые можно было бы ожидать при глубоководных процессах добычи и которые могут привести к накоплению шлейфа или облака осадка, что может иметь существенные экологические последствия. Боковой сброс осадка - это процесс, который будет происходить на морском дне и будет включать перемещение материала на морском дне погруженными ROV и, скорее всего, будет способствовать образованию шлейфов осадка на морском дне. [115] Идея бокового сброса осадка заключается в том, что ROV будут сбрасывать экономически бесценный материал в сторону от места добычи перед транспортировкой сульфидного материала на вспомогательное судно на поверхности. Цель этого процесса - уменьшить количество материала, переносимого на поверхность, и минимизировать наземные работы. [115] Процесс обезвоживания - это процесс отходов горнодобывающей промышленности, который, скорее всего, будет способствовать образованию шлейфов осадка с поверхности. Метод утилизации отходов горнодобывающей промышленности приводит к сбросу воды с судна, которая могла быть получена во время добычи и транспортировки материала с морского дна на поверхность. Третьим фактором, способствующим образованию шлейфа или облака осадков, является нарушение и выброс осадков. Этот вклад отходов горнодобывающей промышленности в основном связан с горнодобывающей деятельностью на морском дне, связанной с перемещением ROV и разрушительным нарушением морского дна как частью самого процесса добычи. [115]
Две основные экологические проблемы в результате этих процессов добычи отходов, которые способствуют образованию шлейфа осадка, - это выброс тяжелых металлов и увеличение количества выбрасываемых осадков. Выброс тяжелых металлов в основном связан с процессом обезвоживания, который будет происходить на борту судна на поверхности воды. [115] Основная проблема, связанная с обезвоживанием, заключается в том, что это не просто выброс морской воды, возвращающейся в толщу воды. Тяжелые металлы, такие как медь и кобальт, которые будут получены из материала, извлеченного на морском дне, также смешиваются с водой, которая выбрасывается в толщу воды. Первая экологическая проблема, связанная с выбросом тяжелых металлов, заключается в том, что он может изменить химию океана в пределах этой локализованной области водной толщи. Вторая проблема заключается в том, что некоторые из тяжелых металлов, которые могут быть выброшены, могут иметь определенный уровень токсичности не только для организмов, населяющих эту область, но и для организмов, проходящих через территорию участка добычи. [115] Проблемы, связанные с увеличением выброса осадков, в основном связаны с двумя другими процессами добычи отходов, боковым сбросом осадков и нарушением осадка морского дна. Главной экологической проблемой будет удушение организмов ниже в результате перераспределения больших объемов осадка в другие области на морском дне, что может потенциально угрожать популяции организмов, населяющих эту область. Перераспределение больших объемов осадка также может повлиять на процессы питания и газообмена между организмами, представляя серьезную угрозу для популяции. Наконец, эти процессы также могут увеличить скорость осадконакопления на морском дне, что приведет к прогнозируемому минимуму в 500 м на каждые 1–10 км. [115]
В настоящее время обе вышеупомянутые компании ведут большую работу, чтобы гарантировать, что потенциальное воздействие добычи полезных ископаемых на окружающую среду хорошо изучено и меры контроля реализованы до начала эксплуатации. [116] Однако этот процесс, вероятно, был затруднен непропорциональным распределением исследовательских усилий среди экосистем гидротермальных источников; наиболее изученные и понятые экосистемы гидротермальных источников не являются репрезентативными для тех, которые предназначены для добычи. [117]
В прошлом предпринимались попытки добывать полезные ископаемые со дна моря. В 1960-х и 1970-х годах наблюдалась большая активность (и расходы) по добыче марганцевых конкреций с абиссальных равнин с разной степенью успеха. Однако это демонстрирует, что добыча полезных ископаемых со дна моря возможна и была возможна в течение некоторого времени. Добыча марганцевых конкреций послужила прикрытием для тщательно продуманной попытки ЦРУ в 1974 году поднять затонувшую советскую подводную лодку К-129 с помощью Glomar Explorer , судна, специально построенного для этой задачи Говардом Хьюзом . [118] Операция была известна как проект Azorian , и прикрытие добычи марганцевых конкреций со дна моря, возможно, послужило стимулом для других компаний предпринять эту попытку.
Сохранение гидротермальных источников было предметом иногда жарких дискуссий в океанографическом сообществе в течение последних 20 лет. [119] Было отмечено, что, возможно, наибольший ущерб этим довольно редким местообитаниям наносят ученые. [120] [121] Были попытки достичь соглашения о поведении ученых, исследующих места расположения источников, но, хотя и существует согласованный кодекс практики, официального международного и юридически обязывающего соглашения не существует. [122]
Сохранение экосистем гидротермальных источников после факта добычи активной системы будет зависеть от повторного заселения хемосинтезирующих бактерий и, следовательно, продолжения гидротермальной жерловой жидкости, поскольку она является основным источником гидротермальной энергии . [115] Очень трудно получить представление о влиянии добычи на гидротермальную жерловую жидкость, поскольку не было проведено ни одного крупномасштабного исследования. [115] Однако были проведены исследования повторного заселения этих жерловых экосистем после вулканического разрушения. [123] Из них мы можем получить представление о потенциальных последствиях разрушения горнодобывающей промышленностью и узнали, что бактериям потребовалось 3–5 лет, чтобы повторно заселить территорию, и около 10 лет, чтобы вернуться мегафауне. [123] Было также обнаружено, что произошел сдвиг в составе видов в экосистеме по сравнению с периодом до разрушения, а также присутствие видов-иммигрантов. [115] Хотя необходимы дальнейшие исследования влияния устойчивой добычи СМС на морском дне на повторное заселение видов.
Обычные методы определения возраста гидротермальных источников — датирование сульфидных (например, пирита ) и сульфатных минералов (например, барита ). [124] [125] [126] [127] [128] Обычные методы датирования включают радиометрическое датирование [124] [125] и датирование с помощью электронного спинового резонанса . [126] [127] [128] Различные методы датирования имеют свои собственные ограничения, предположения и проблемы. К общим проблемам относятся высокая чистота извлекаемых минералов, необходимая для датирования, возрастной диапазон каждого метода датирования, нагрев выше температур закрытия, стирающий возрасты более старых минералов, и множественные эпизоды минералообразования, приводящие к смешению возрастов. В средах с несколькими фазами минералообразования , как правило, датирование с помощью электронного спинового резонанса дает средний возраст основного минерала, в то время как радиометрические даты смещены в сторону возраста более молодых фаз из-за распада родительских ядер . Это объясняет, почему разные методы могут давать разный возраст одному и тому же образцу и почему в одной и той же гидротермальной трубе могут быть образцы с разным возрастом. [127] [128] [129]
Портал наук о Земле
Экологический портал
Портал эволюционной биологии
Геологический портал
Портал Океанов{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ){{cite web}}: Отсутствует или пусто |url=( помощь ){{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь ){{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
