Гидротермальные источники — это трещины на морском дне , из которых вытекает геотермально нагретая вода. Они обычно встречаются вблизи вулканически активных мест, областей, где тектонические плиты раздвигаются на срединно-океанических хребтах , океанских котловинах и горячих точках . [1] Гидротермальные месторождения — это горные породы и месторождения минеральных руд, образовавшиеся под действием гидротермальных источников.
Гидротермальные жерла существуют потому, что Земля геологически активна и имеет большое количество воды на поверхности и в земной коре. Под водой они могут образовывать черты, называемые черными курильщиками или белыми курильщиками. По сравнению с большей частью глубоководных районов, районы вокруг гидротермальных жерл биологически более продуктивны, часто в них расположены сложные сообщества, питаемые химическими веществами, растворенными в жерловых жидкостях. Хемосинтезирующие бактерии и археи, обитающие вокруг гидротермальных источников, составляют основу пищевой цепи , поддерживая разнообразные организмы, включая гигантских трубчатых червей , моллюсков, блюдечек и креветок. Считается, что активные гидротермальные жерла существуют на спутнике Юпитера Европе и спутнике Сатурна Энцеладе , [ 2] [3] и предполагается, что древние гидротермальные жерла когда-то существовали на Марсе . [1] [4]
Было высказано предположение , что гидротермальные источники были важным фактором начала абиогенеза и выживания примитивной жизни .
Гидротермальные жерла в глубоком океане обычно образуются вдоль срединно-океанических хребтов , таких как Восточно-Тихоокеанское поднятие и Срединно-Атлантический хребет . Это места, где две тектонические плиты расходятся и формируется новая кора.
Вода, вытекающая из гидротермальных источников на морском дне, состоит в основном из морской воды , втянутой в гидротермальную систему вблизи вулканической постройки через разломы и пористые отложения или вулканические пласты, а также из некоторого количества магматической воды, высвобождаемой восходящей магмой . [1] В наземных гидротермальных системах большая часть воды, циркулирующей внутри фумарольной и гейзерной систем, представляет собой метеоритную воду плюс грунтовые воды , которые просачиваются в термальную систему с поверхности, но также обычно содержат некоторую часть метаморфической воды , магматической воды . и осадочный формационный рассол , выделяемый магмой. Пропорция каждого из них варьируется от места к месту. [ нужна цитата ]
В отличие от температуры окружающей среды на этих глубинах около 2 °C (36 °F), вода выходит из этих отверстий при температуре от 60 °C (140 °F) [5] до 464 °C (867 °C). °Ф). [6] [7] Из-за высокого гидростатического давления на этих глубинах вода может существовать либо в жидкой форме, либо в виде сверхкритической жидкости при таких температурах. Критическая точка (чистой) воды составляет 375 °C (707 °F) при давлении 218 атмосфер .
Однако введение солености во флюид 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, [8] что соответствует глубине ~ 2960 м (9710 футов) ниже уровня моря. Соответственно, если гидротермальный флюид соленостью 3,2 мас. % NaCl выходит при температуре выше 407 °C (765 °F) и 298,5 бар, он является сверхкритическим. Кроме того, было показано, что соленость жерловых флюидов широко варьируется из-за разделения фаз в земной коре. [9] Критическая точка для жидкостей с более низкой соленостью находится в условиях более низкой температуры и давления, чем для морской воды, но выше, чем для чистой воды. Например, вентиляционная жидкость с содержанием 2,24 мас. % NaCl соленость 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 жидкостью . [6] [7]
Примеры сверхкритической вентиляции можно найти на нескольких объектах. Пик Сестер (гидротермальное поле Комфортлесс-Коув, 4 ° 48' ю.ш., 12 ° 22' з.д. / 4,800 ° ю . -типовые жидкости. Было обнаружено, что длительное вентилирование не является сверхкритическим, но кратковременное введение температуры 464 ° C (867 ° F) было значительно выше сверхкритических условий. Было обнаружено, что близлежащий участок, Черепашьи ямы, выделяет жидкость с низкой соленостью при температуре 407 ° C (765 ° F), что выше критической точки жидкости при этой солености. Участок жерлового источника в Каймановой впадине под названием Бибе , который является самым глубоким из известных гидротермальных источников в мире на высоте ~ 5000 м (16 000 футов) ниже уровня моря, продемонстрировал устойчивое сверхкритическое излияние при 401 ° C (754 ° F) и 2,3 вес.% NaCl. [10]
Хотя на нескольких объектах наблюдались сверхкритические условия, пока неизвестно, какое значение (если таковое имеется) имеет сверхкритическое излияние с точки зрения гидротермальной циркуляции, образования минеральных отложений, геохимических потоков или биологической активности. [ нужна цитата ]
Начальные этапы работы вентиляционного дымохода начинаются с отложения минерального ангидрита . Сульфиды меди , железа и цинка затем осаждаются в зазорах дымохода, что с течением времени делает его менее пористым . Был зарегистрирован рост вентиляционных отверстий порядка 30 см (1 фут) в день. [11] Исследование глубоководных жерл у побережья Фиджи , проведенное в апреле 2007 года , показало, что эти жерла являются значительным источником растворенного железа (см. Цикл железа ). [12]
Некоторые гидротермальные источники образуют примерно цилиндрические дымоходные конструкции. Они образуются из минералов, растворенных в вентиляционной жидкости. Когда перегретая вода контактирует с почти замерзшей морской водой, минералы выпадают в осадок, образуя частицы, которые увеличивают высоту штабелей. Некоторые из этих дымоходных конструкций могут достигать высоты 60 м. [13] Примером такого высокого жерла была «Годзилла», сооружение на глубоком морском дне Тихого океана недалеко от Орегона , которое поднялось на 40 м, прежде чем обрушилось в 1996 году. [14]
Черный курильщик или глубоководное жерло — это тип гидротермального жерла, обнаруженного на морском дне , обычно в батиальной зоне (с наибольшей частотой на глубинах от 2500 до 3000 м), но также и на меньших глубинах, а также глубже в абиссальной зоне. . [1] Они выглядят как черные, похожие на дымоходы конструкции, испускающие облако черного материала. Черные курильщики обычно выбрасывают в атмосферу 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 (температура воды может достигать более 400 °С). [1] Эта вода богата растворенными минералами из коры, особенно сульфидами . Когда он вступает в контакт с холодной океанской водой, многие минералы выпадают в осадок, образуя черную структуру, похожую на дымоход, вокруг каждого отверстия. Отложившиеся сульфиды металлов со временем могут превратиться в месторождения массивных сульфидных руд . Некоторые черные курильщики на Азорской части Срединно -Атлантического хребта чрезвычайно богаты металлами , например, Rainbow с концентрацией железа 24 000 мкМ . [15]
Чернокожие курильщики были впервые обнаружены в 1979 году на Восточно-Тихоокеанском поднятии учеными из Океанографического института Скриппса в ходе проекта RISE . [16] Их наблюдали с помощью глубоководного аппарата ALVIN Океанографического института Вудс-Хоул . Теперь известно, что черные курильщики обитают в Атлантическом и Тихом океанах, на средней глубине 2100 м (6900 футов). Самые северные черные курильщики — это скопление из пяти человек, получившее название « Замок Локи» , [17] обнаруженное в 2008 году учеными из Бергенского университета на 73° с.ш. , на Срединно-Атлантическом хребте между Гренландией и Норвегией . Эти черные курильщики представляют интерес, поскольку находятся в более стабильной области земной коры, где тектонические силы меньше и, следовательно, поля гидротермальных источников встречаются реже. [18] Самые глубокие известные черные курильщики в мире расположены в Каймановом желобе , на глубине 5000 м (3,1 мили) ниже поверхности океана. [19]
Белые дымовые отверстия выделяют минералы более светлого оттенка, например, содержащие барий , кальций и кремний . Эти вентиляционные отверстия также имеют тенденцию иметь шлейфы с более низкой температурой, вероятно, потому, что они обычно находятся далеко от источника тепла. [1]
Черные и белые курильщики могут сосуществовать в одном и том же гидротермальном поле, но обычно они представляют собой проксимальные (близкие) и дистальные (удаленные) жерла основной зоны восходящего потока соответственно. Однако белые курильщики в основном соответствуют стадиям угасания таких гидротермальных полей, поскольку магматические источники тепла становятся все более удаленными от источника (из-за кристаллизации магмы), а в гидротермальных жидкостях начинает преобладать морская вода, а не магматическая вода. Минерализующие флюиды из жерл этого типа богаты кальцием и образуют преимущественно сульфатные (т.е. барит и ангидрит ) и карбонатные отложения. [1]
Традиционно считалось, что жизнь обусловлена 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 бентические океанографы предполагали, что жерловые организмы , как и глубоководные организмы, зависят от морского снега . Это сделало бы их зависимыми от растительной жизни и, следовательно, от солнца. Некоторые организмы гидротермальных жерл действительно потребляют этот «дождь», но только в такой системе формы жизни будут редкими. Однако по сравнению с окружающим морским дном в зонах гидротермальных жерл плотность организмов в 10 000–100 000 раз выше. К этим организмам относятся крабы-йети , у которых длинные волосатые руки, которыми они тянутся к вентиляционному отверстию, чтобы собрать пищу. [ нужна цитата ]
Гидротермальные жерла признаны типом экосистем , основанных на хемосинтезе (CBE), где первичная продуктивность поддерживается химическими соединениями в качестве источников энергии, а не светом ( хемоавтотрофия ). [20] Сообщества гидротермальных жерл способны поддерживать такое огромное количество жизни, потому что организмы жерл зависят от хемосинтезирующих бактерий в качестве пищи. Вода из гидротермального источника богата растворенными минералами и поддерживает большую популяцию хемоавтотрофных бактерий. Эти бактерии используют соединения серы, особенно сероводород , химическое вещество, высокотоксичное для большинства известных организмов, для производства органического материала в процессе хемосинтеза .
Влияние жерл на среду обитания выходит за рамки организмов, живущих вокруг них, поскольку они выступают в качестве важного источника железа в океанах, обеспечивая железом фитопланктон. [21]
Сформированная таким образом экосистема зависит от продолжающегося существования гидротермального жерлового поля в качестве основного источника энергии, что отличается от большей части поверхностной жизни на Земле, основанной на солнечной энергии . Однако, хотя часто говорят, что эти сообщества существуют независимо от Солнца, некоторые организмы на самом деле зависят от кислорода, вырабатываемого фотосинтезирующими организмами, тогда как другие являются анаэробами .
Хемосинтезирующие бактерии образуют толстый слой, привлекающий другие организмы, такие как амфиподы и копеподы , которые непосредственно питаются бактериями. Более крупные организмы, такие как улитки, креветки, крабы, трубчатые черви , рыбы (особенно бельдюга , угорь-головорез , ophidiiforms и Symphurus thermophilus ) и осьминоги (особенно Vulcanoctopus Hydrothermalis ), образуют пищевую цепь отношений хищника и добычи выше основных потребителей. Основными семействами организмов, обитающих вокруг жерл морского дна, являются кольчатые черви , погонофоры , брюхоногие моллюски и ракообразные, причем большую часть немикробных организмов составляют крупные двустворчатые моллюски , вестиментиферовые черви и «безглазые» креветки. [ нужна цитата ]
Трубчатые черви сибоглинид , высота которых у самых крупных видов может достигать более 2 м (6,6 футов), часто составляют важную часть сообщества вокруг гидротермальных источников. У них нет рта и пищеварительного тракта, и они, подобно паразитическим червям, поглощают питательные вещества, вырабатываемые бактериями, в своих тканях. В унции ткани трубчатого червя содержится около 285 миллиардов бактерий. Трубчатые черви имеют красные перья, содержащие гемоглобин . Гемоглобин соединяется с сероводородом и передает его бактериям, живущим внутри червя. В свою очередь бактерии питают червя соединениями углерода. Два вида, населяющие гидротермальные источники, — это Tevnia jerichonana и Riftia pachyptila . Одно обнаруженное сообщество, получившее название « Город угрей », состоит преимущественно из угрей Dysommina Rugosa . Хотя угри не редкость, в гидротермальных жерлах обычно доминируют беспозвоночные. Город Угорь расположен недалеко от вулканического конуса Нафануа , Американское Самоа . [22]
В 1993 году уже было известно, что в гидротермальных источниках обитает более 100 видов брюхоногих моллюсков. [23] Более 300 новых видов были обнаружены в гидротермальных жерлах, [24] многие из них являются «родственными видами» по отношению к другим, обитающим в географически разделенных жерловых зонах. Было высказано предположение, что до того, как Северо-Американская плита вышла за пределы срединно-океанического хребта , в восточной части Тихого океана был обнаружен единственный биогеографический регион жерл. [25] Последующим препятствием для путешествий стало эволюционное расхождение видов в разных местах. Примеры конвергентной эволюции, наблюдаемые между отдельными гидротермальными жерлами, рассматриваются как главное подтверждение теории естественного отбора и эволюции в целом.
Хотя жизнь на этих глубинах очень скудна, черные курильщики являются центрами целых экосистем . Солнечного света не существует, поэтому многие организмы, такие как археи и экстремофилы , преобразуют тепло, метан и соединения серы , выделяемые черными курильщиками, в энергию посредством 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 рядом с черным курильщиком у побережья Мексики на глубине 2500 м (8200 футов). Ни один солнечный свет не проникает так далеко в воду. Вместо этого бактерии, принадлежащие к семейству Chlorobiaceae , используют слабое свечение черного курильщика для фотосинтеза . Это первый организм, обнаруженный в природе, который использует для фотосинтеза исключительно свет, отличный от солнечного света. [26]
По соседству с черными курильщиками 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 чешуйчатоногий брюхоногий моллюск Chrysomallon sqamiferum — в 2001 году во время экспедиции на гидротермальные источники Кайрей в Индийском океане . вентиляционное поле . Последний использует сульфиды железа ( пирит и грейгит) для структуры своих дермальных склеритов (затвердевших частей тела) вместо карбоната кальция . Считается , что экстремальное давление воды на глубине 2500 м (приблизительно 25 мегапаскалей или 250 атмосфер ) играет роль в стабилизации сульфида железа для биологических целей. Эта броня, вероятно, служит защитой от ядовитых радул (зубов) хищных улиток этого сообщества.
В марте 2017 года исследователи сообщили о наличии, возможно, древнейших форм жизни на Земле . Предполагаемые окаменелые микроорганизмы были обнаружены в осадках гидротермальных жерл в поясе Нуввуагиттук в Квебеке, Канада , которые, возможно, жили еще 4,280 миллиарда лет назад , вскоре после того, как 4,4 миллиарда лет назад образовались океаны , и вскоре после образования Земли. 4,54 миллиарда лет назад. [27] [28] [29]
Экосистемы гидротермальных жерл обладают огромной биомассой и продуктивностью, но это зависит от симбиотических отношений, которые развились в жерлах. Глубоководные гидротермальные жерловые экосистемы отличаются от своих мелководных и наземных гидротермальных аналогов из-за симбиоза, который происходит между макробеспозвоночными-хозяевами и хемоавтотрофными микробными симбионтами в первых. [30] Поскольку солнечный свет не достигает глубоководных гидротермальных источников, организмы в глубоководных гидротермальных источниках не могут получать энергию от Солнца для осуществления фотосинтеза. Вместо этого микробная жизнь, обнаруженная в гидротермальных источниках, является хемосинтетической; они фиксируют углерод, используя энергию химических веществ, таких как сульфид, а не световую энергию Солнца. Другими словами, симбионт преобразует неорганические молекулы (H 2 S, CO 2 , O) в органические молекулы, которые хозяин затем 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 жерла, изобилующие жизнью. Был открыт повсеместный симбиоз хемоавтотрофов, живущих в ( эндосимбиозе ) жабрах жерловых животных; причина, по которой многоклеточная жизнь способна пережить токсичность вентиляционных систем. Поэтому ученые сейчас изучают, как микробные симбионты помогают в детоксикации сульфидов (тем самым позволяя хозяину выжить в 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 снабжает симбионта химическими веществами, необходимыми для хемосинтеза, такими как углерод, сульфид и кислород. [ нужна цитата ]
На ранних этапах изучения жизни в гидротермальных источниках существовали разные теории относительно механизмов, с помощью которых многоклеточные организмы могли получать питательные вещества из этой среды, и того, как они могли выжить в таких экстремальных условиях. В 1977 году была выдвинута гипотеза, что хемоавтотрофные бактерии гидротермальных источников могут вносить вклад в рацион двустворчатых моллюсков, питающихся взвесью. [31]
Наконец, в 1981 году стало понятно, что приобретение питания гигантскими трубчатыми червями произошло в результате хемоавтотрофных бактериальных эндосимбионтов. [32] [33] [34] Поскольку 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; [35] в 1984 г. были обнаружены также переносчики эндосимбионтов у жерловых батимодиолидных мидий и везикомиедных моллюсков. [36] [37]
Однако механизмы приобретения симбионтов организмами различаются, как и метаболические отношения. Например, у трубчатых червей нет рта и кишечника, но у них есть «трофосома», через которую они осуществляют питание и где находятся их эндосимбионты. У них также есть ярко-красный шлейф, который они используют для поглощения таких соединений, как O, H 2 S и CO 2 , которые питают эндосимбионтов в их трофосомах. Примечательно, что гемоглобин трубчатых червей (который, кстати, является причиной ярко-красного цвета шлейфа) способен переносить кислород без вмешательства или ингибирования со стороны сульфида, несмотря на то, что кислород и сульфид обычно очень реакционноспособны. 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. [38] Также было обнаружено, что трубчатые черви могут метаболизировать CO 2 двумя разными способами и могут переключаться между ними по мере необходимости при изменении условий окружающей среды. [39]
В 1988 году исследования подтвердили наличие тиотрофных (сульфидокисляющих) бактерий у Alviniconcha hessleri , крупного моллюска. [40] Чтобы избежать токсичности сульфида, мидии сначала преобразуют его в тиосульфат, а затем передают симбионтам. [41] В случае подвижных организмов, таких как креветки-альвинокариды, они должны отслеживать кислородную (богатую кислородом)/бескислородную (бедную кислородом) среду по мере их колебаний в окружающей среде. [ нужна цитата ]
Организмы, живущие на краю гидротермальных жерловых полей, такие как пектинидные гребешки, также несут эндосимбионтов в своих жабрах, и в результате их бактериальная плотность низка по сравнению с организмами, живущими ближе к жерлам. Однако зависимость гребешка от микробного эндосимбионта в получении питания также уменьшается. [ нужна цитата ]
Более того, не у всех животных-хозяев есть эндосимбионты; у некоторых есть эписимбионты — симбионты, живущие на животном, а не внутри него. Креветки, обитающие в жерлах Срединно-Атлантического хребта, когда-то считались исключением из необходимости симбиоза для выживания макробеспозвоночных в жерлах. Ситуация изменилась в 1988 году, когда было обнаружено, что они являются носителями эписимбионтов. [42] С тех пор было обнаружено, что другие организмы в жерлах также являются носителями эписимбионтов, [43] например, Lepetodrilis fucensis. [44]
Более того, в то время как некоторые симбионты восстанавливают соединения серы, другие известны как « метанотрофы » и восстанавливают соединения углерода, а именно метан. Мидии Батмодиолиды являются примером хозяина, содержащего метанотрофных эндосимбионтов; однако последние в основном встречаются в холодных просачиваниях, а не в гидротермальных источниках. [ нужна цитата ]
Хотя хемосинтез, происходящий в глубинах океана, позволяет организмам жить без солнечного света в прямом смысле этого слова, технически они по-прежнему полагаются на солнце для выживания, поскольку кислород в океане является побочным продуктом фотосинтеза. Однако если бы Солнце внезапно исчезло и на нашей планете прекратился фотосинтез, жизнь в глубоководных гидротермальных источниках могла бы продолжаться тысячелетиями (пока не истощится кислород). [ нужна цитата ]
Химическая и термическая динамика гидротермальных источников делает такие среды термодинамически очень подходящими для протекания процессов химической эволюции. Таким образом, поток тепловой энергии является постоянным фактором и, как предполагается, внес свой вклад в эволюцию планеты, включая пребиотическую химию. [1]
Гюнтер Вехтерсхойзер предложил теорию железо-серного мира и предположил, что жизнь могла зародиться в гидротермальных источниках. Вехтерсхойзер предположил, что ранняя форма метаболизма предшествовала генетике. Под метаболизмом он имел в виду цикл химических реакций, в результате которых энергия высвобождается в форме, которая может быть использована другими процессами. [45]
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 протоклетки . [46] Это привлекательная гипотеза из-за обилия CH 4 ( метана ) и NH 3 ( аммиака ), присутствующих в регионах гидротермальных жерл, состояние, которое не обеспечивалось примитивной атмосферой Земли. Основным ограничением этой гипотезы является отсутствие стабильности органических молекул при высоких температурах, но некоторые предполагают, что жизнь могла зародиться за пределами зон с самой высокой температурой. [47] В настоящее время существует множество видов экстремофилов и других организмов, живущих непосредственно вокруг глубоководных жерл, что позволяет предположить, что это действительно возможный сценарий. [ нужна цитата ]
Экспериментальные исследования и компьютерное моделирование показывают, что поверхности минеральных частиц внутри гидротермальных источников обладают каталитическими свойствами, подобными ферментам , и способны создавать из растворенный CO 2 в воде. [48] [49] [50]
Считается, что щелочные гидротермальные источники (белые курильщики) могут быть более подходящими для зарождающейся жизни, чем черные курильщики, из-за их условий pH. [51] [52]
Однако этот взгляд на глубоководные гидротермальные источники как на идеальную среду является спорным, поскольку в этих средах отсутствуют циклы влажно-сухой погоды и воздействие ультрафиолетового света, что способствует образованию мембранных везикул и синтезу многих биомолекул. [53] [54] [55] Концентрация ионов гидротермальных источников отличается от внутриклеточной жидкости на протяжении большей части жизни. Вместо этого они предположили, что наземная пресноводная среда, скорее всего, является идеальной средой для формирования ранних клеток. [56] [57] Между тем, сторонники гипотезы глубоководных гидротермальных источников предполагают, что термофорез в минеральных полостях является альтернативным отсеком для полимеризации биополимеров. [58] [59]
Неизвестно, как термофорез в минеральных полостях может способствовать кодированию и метаболизму. Ник Лейн предполагает, что полимеризация нуклеотидов при высоких концентрациях нуклеотидов внутри самовоспроизводящихся протоклеток, где «молекулярное скучивание и фосфорилирование в таких ограниченных высокоэнергетических протоклетках потенциально может способствовать полимеризации нуклеотидов с образованием РНК». [60] Ацетилфосфат может способствовать полимеризации на минеральных поверхностях или при низкой активности воды. [61] Компьютерное моделирование показывает, что концентрация нуклеотидов в нуклеотидном катализе «пути обмена энергии является предпочтительным, поскольку энергия ограничена; предпочтение этому пути способствует более интенсивному синтезу нуклеотидов». Быстрый нуклеотидный катализ фиксации CO 2 снижает концентрацию нуклеотидов, поскольку рост и деление протоклеток происходят быстро, что затем приводит к уменьшению концентрации нуклеотидов вдвое, слабый нуклеотидный катализ фиксации CO 2 мало способствует росту и делению протоклеток. [62]
В биохимии реакции с CO 2 и H 2 производят предшественники биомолекул, которые также производятся по пути ацетил-КоА и циклу Кребса , что может способствовать возникновению жизни в глубоководных щелочных источниках. Ацетилфосфат, образующийся в результате реакций, способен фосфорилировать АДФ до АТФ, [63] при этом максимальный синтез происходит при высокой активности воды и низких концентрациях ионов, поэтому 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. [64] Высокую концентрацию калия в большинстве форм жизни можно легко объяснить тем, что протоклетки могли развить натрий-водородные антипортеры для откачки Na + , поскольку пребиотические липидные мембраны менее проницаемы для Na + , чем H + . [65] Если бы клетки возникли в этих средах, они были бы автотрофами с путем Вуда-Люнгдала и неполным обратным циклом Кребса. [66] Математическое моделирование органического синтеза карбоновых кислот в липиды, нуклеотиды, аминокислоты и сахара, а также реакции полимеризации благоприятны в щелочных гидротермальных источниках. [67]
В начале своей статьи 1992 года «Глубокая горячая биосфера» Томас Голд упомянул океанские жерла в поддержку своей теории о том, что нижние уровни Земли богаты живым биологическим материалом, который попадает на поверхность. [68] Далее он расширил свои идеи в книге « Глубокая горячая биосфера» . [69]
В статье о добыче абиогенных углеводородов в февральском выпуске журнала Science за 2008 г. использовались данные экспериментов на гидротермальном месторождении Лост-Сити, чтобы сообщить, как абиотический синтез низкомолекулярных углеводородов из углекислого газа, полученного из мантии, может происходить в присутствии ультраосновных пород, воды. и умеренное количество тепла. [70]
В 1949 году глубоководные исследования показали аномально горячие рассолы в центральной части Красного моря . Более поздние работы, проведенные в 1960-х годах, подтвердили наличие горячих соленых рассолов с температурой 60 ° C (140 ° F) и связанных с ними металлоносных грязей. Горячие растворы исходили из активного разлома подводного дна . Сильно соленая вода не была благоприятна для живых организмов. [71] Рассолы и связанные с ними шламы в настоящее время расследуются как источник добываемых драгоценных и цветных металлов.
В июне 1976 года ученые из Океанографического института Скриппса получили первые доказательства наличия подводных гидротермальных жерл вдоль Галапагосского разлома, отрога Восточно- Тихоокеанского поднятия , в ходе экспедиции «Плеяды II» , используя систему визуализации морского дна Deep-Tow. [72] В 1977 году первые научные статьи о гидротермальных источниках были опубликованы [73] учёными из Океанографического института Скриппса ; Ученый-исследователь Питер Лонсдейл опубликовал фотографии, сделанные с глубоководных камер, [74] , а аспирантка Кэтлин Крейн опубликовала карты и данные о температурных аномалиях. [75] Транспондеры были развернуты на участке, получившем прозвище «Моллюск», чтобы дать возможность экспедиции вернуться в следующем году для прямых наблюдений с помощью DSV Alvin .
Хемосинтетические экосистемы, окружающие подводные гидротермальные источники Галапагосского рифта, впервые были непосредственно обнаружены в 1977 году, когда группа морских геологов, финансируемая Национальным научным фондом, вернулась на места Кламбейка. Главным исследователем подводного исследования был Джек Корлисс из Университета штата Орегон . Корлисс и Тьерд ван Андел из Стэнфордского университета наблюдали и брали образцы жерл и их экосистемы 17 февраля 1977 года во время погружения на DSV Alvin , исследовательском подводном аппарате, которым управляет Океанографический институт Вудс-Хоул (WHOI). [76] Среди других ученых, участвовавших в исследовательском круизе, были Ричард (Дик) фон Герцен и Роберт Баллард из WHOI, Джек Даймонд и Луи Гордон из Университета штата Орегон, Джон Эдмонд и Таня Этуотер из Массачусетского технологического института , Дэйв Уильямс из Геологического института США. Обзор и Кэтлин Крейн из Океанографического института Скриппса . [76] [77] Эта группа опубликовала свои наблюдения за жерлами, организмами и составом жерловых жидкостей в журнале Science. [78] В 1979 году группа биологов под руководством Дж. Фредерика Грассла, работавшего в то время 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 Океанографического института Скриппса с помощью подводного аппарата « Элвин» . Экспедиция RISE исследовала Восточно-Тихоокеанское поднятие на 21° северной широты с целью протестировать геофизическое картирование морского дна с помощью «Элвина» и найти еще одно гидротермальное поле за пределами жерл Галапагосского разлома. Экспедицию возглавили Фред Списс и Кен Макдональд , в ее состав вошли участники из США, Мексики и Франции. [16] Район для погружений был выбран на основании открытия насыпей морского дна из сульфидных минералов французской экспедицией CYAMEX в 1978 году. [79] Перед погружением участник экспедиции Роберт Баллард обнаружил аномалии температуры придонной воды с помощью глубоко буксируемого инструментальный пакет. 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 Луендик обнаружили гидротермальное жерловое поле с биологическим сообществом, похожим на жерла Галапагосских островов. Во время последующего погружения 21 апреля Уильям Нормарк и Тьерри Жюто обнаружили высокотемпературные источники, испускающие струи черных минеральных частиц из дымоходов; черные курильщики. [80] После этого Макдональд и Джим Эйкен установили Элвину температурный датчик для измерения температуры воды в вентиляционных отверстиях для черных курильщиков. При этом наблюдались самые высокие температуры, зарегистрированные на тот момент в глубоководных гидротермальных источниках (380 ± 30 ° C). [81] Анализ материала черных курильщиков и дымоходов, из которых они питались, показал, что осадки сульфида железа являются обычными минералами в «дыме» и стенках дымоходов. [82]
В 2005 году компания Neptune Resources NL, компания по разведке полезных ископаемых, подала заявку и получила 35 000 км 2 прав на разведку дуги Кермадек в исключительной экономической зоне Новой Зеландии для разведки месторождений массивных сульфидов морского дна , потенциального нового источника свинца . сульфиды цинка и меди образовались из современных гидротермальных жерловых полей. Об открытии жерла в Тихом океане у берегов Коста-Рики , получившего название гидротермального жерлового поля Медузы (в честь змееволосой Медузы из греческой мифологии ), было объявлено в апреле 2007 года. [83] Гидротермальное поле Ашадзе (13° с.ш. Срединно-Атлантический хребет, высота -4200 м) был самым глубоким известным высокотемпературным гидротермальным полем до 2010 года, когда гидротермальный шлейф исходил из участка Бибе [84] ( 18 ° 33' с.ш. 81 ° 43' з.д. / 18,550 °N 81,717°W/18,550;-81,717 , высота -5000 м) была обнаружена группой ученых из Лаборатории реактивного движения НАСА и Океанографического института Вудс-Хоул . Этот участок расположен на 110-километровом сверхмедленно расширяющемся возвышении Среднего Каймана в пределах Каймановой впадины . [85]
В начале 2013 года самые глубокие из известных гидротермальных источников были обнаружены в Карибском море на глубине почти 5000 метров (16000 футов). [86]
Океанографы изучают вулканы и гидротермальные жерла срединно-океанского хребта Хуан-де-Фука , где тектонические плиты отходят друг от друга. [87]
Гидротермальные источники и другие геотермальные проявления в настоящее время исследуются в Баия-де-Консепсьон, Южная Нижняя Калифорния, Мексика. [88]
Гидротермальные жерла распределены вдоль границ земной плиты, хотя их также можно найти во внутриплитных местах, таких как горячие точки вулканов. По состоянию на 2009 год насчитывалось около 500 активных подводных гидротермальных жерловых полей, примерно половина из которых наблюдалась визуально на морском дне, а другая половина подозревалась по индикаторам водной толщи и / или отложениям морского дна. [89]
Роджерс и др. (2012) [90] выделили как минимум 11 биогеографических провинций гидротермальных жерловых систем:
Гидротермальные жерла в некоторых случаях привели к образованию полезных ископаемых за счет отложения массивных сульфидных отложений на морском дне . Рудное тело Маунт -Айза , расположенное в Квинсленде , Австралия , является прекрасным примером. [91] Многие гидротермальные источники богаты кобальтом , золотом , медью и редкоземельными металлами , необходимыми для электронных компонентов. [92] Считается, что гидротермальные выбросы на архейском морском дне образовали полосчатые железные образования типа Алгомы , которые были источником железной руды . [93]
В последнее время компании по разведке полезных ископаемых, движимые возросшей ценовой активностью в секторе цветных металлов в середине 2000-х годов, обратили свое внимание на добычу минеральных ресурсов из гидротермальных месторождений на морском дне. Теоретически возможно существенное снижение затрат. [94]
В таких странах, как Япония , где минеральные ресурсы в основном поступают из международного импорта, [95] существует особый толчок к добыче минеральных ресурсов морского дна. [96] Первая в мире «крупномасштабная» добыча гидротермальных месторождений полезных ископаемых была осуществлена Японской национальной корпорацией нефти, газа и металлов (JOGMEC) в августе – сентябре 2017 года. JOGMEC провела эту операцию с использованием исследовательского судна « Хакурей» . Эта добыча велась на жерловом поле «Изена/котёл» в гидротермально активном задуговом бассейне, известном как Окинавский прогиб , который содержит 15 подтвержденных жерловых полей согласно базе данных InterRidge Vents.
Две компании в настоящее время находятся на поздней стадии начала добычи массивных сульфидов морского дна (SMS). Nautilus Minerals находится на продвинутой стадии начала добычи на своем месторождении Солварра на 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 ) впервые в мире сумела вернуть на поверхность более 10 метрических тонн добытых SMS с помощью модифицированных барабанных фрез, установленных на ROV. [97] В 2007 году компании Neptune Minerals удалось извлечь образцы отложений SMS с помощью модифицированного всасывающего насоса для нефтяной промышленности, установленного на ROV, что также было первым в мире. [98]
Потенциальная добыча на морском дне имеет последствия для окружающей среды, включая шлейфы пыли от горнодобывающего оборудования, влияющие на организмы-фильтраторы, [92] обрушение или повторное открытие жерл, выбросы клатрата метана или даже субокеанические оползни. [99]
Инструменты, необходимые для добычи полезных ископаемых в этих гидротермальных жерловых экосистемах, также могут оказывать потенциальное воздействие на окружающую среду, включая шумовое загрязнение и антропогенный свет. Разработка гидротермальных жерловых систем потребует использования как погружных горнодобывающих инструментов на морском дне, в том числе подводных аппаратов с дистанционным управлением (ROV), так и надводных вспомогательных судов на поверхности океана. [100] При работе этих машин неизбежно будет создаваться некоторый уровень шума, что представляет собой проблему для организмов гидротермальных жерл, поскольку, поскольку они находятся на глубине до 12 000 футов ниже поверхности океана, они ощущают очень мало звука. [100] В результате этого у этих организмов появились высокочувствительные органы слуха, поэтому в случае внезапного увеличения шума, например, создаваемого горнодобывающим оборудованием, существует вероятность повреждения этих органов слуха и повреждения вентиляционного отверстия. организмы. [100] Также важно учитывать, что многие исследования смогли показать, что большой процент донных организмов общается, используя очень низкочастотные звуки; следовательно, повышение уровня окружающего шума на морском дне потенциально может замаскировать общение между организмами и изменить модели поведения. [100] Подобно тому, как глубоководные средства добычи SMS создают шумовое загрязнение, они также создают антропогенные источники света на морском дне (от горнодобывающих инструментов) и на поверхности океана (от надводных судов поддержки). Организмы в этих гидротермальных жерловых системах находятся в афотической зоне океана и адаптировались к условиям очень низкой освещенности. Исследования глубоководных креветок показали, что прожекторы, используемые на морском дне и используемые при изучении жерловых систем, могут вызвать необратимое повреждение сетчатки [100] , что требует дальнейших исследований потенциального риска для других жерловых организмов. Помимо риска для глубоководных организмов, надводные суда обеспечения используют ночное антропогенное освещение. [100] Исследования показали, что этот тип освещения на поверхности океана может дезориентировать морских птиц и вызывать выпадение осадков, когда они летят навстречу антропогенному свету и утомляются или сталкиваются с искусственными объектами, что приводит к травмам или смерти. [100] При оценке воздействия добычи гидротермальных источников на окружающую среду учитываются как водные, так и наземные организмы.
Существует три процесса с отходами горнодобывающей промышленности, известные как боковой выброс отложений, процесс обезвоживания и сдвиг или возмущение отложений, которые можно ожидать при процессах глубоководной добычи полезных ископаемых и которые могут привести к накоплению шлейфа или облака отложений, что может имеют существенные экологические последствия. Выброс отложений в сторону — это процесс, который может происходить на морском дне и включать в себя перемещение материала по морскому дну погруженными ROV и, скорее всего, будет способствовать образованию шлейфов отложений на морском дне. [100] Идея бокового сброса заключается в том, что ROV будет выбрасывать экономически бесценный материал в сторону горного прицела перед транспортировкой сульфидного материала на поддерживающее судно на поверхности. Целью этого процесса является уменьшение количества материала, переносимого на поверхность, и минимизация наземного перемещения. [100] Процесс обезвоживания представляет собой процесс горнодобывающих отходов, который, скорее всего, будет способствовать образованию шлейфов отложений с поверхности. Метод утилизации шахтных отходов приводит к высвобождению с корабля воды, которая могла быть получена при добыче и транспортировке материала со дна моря на поверхность. Третьим вкладом в формирование шлейфа или облака наносов будет нарушение и выброс наносов. Этот вклад отходов горнодобывающей промышленности в основном связан с горнодобывающей деятельностью на морском дне, связанной с движением ROV и разрушительным нарушением морского дна как частью самого процесса добычи полезных ископаемых. [100]
Двумя основными экологическими проблемами, возникающими в результате процессов добычи отходов, которые способствуют образованию шлейфа наносов, являются выброс тяжелых металлов и увеличение количества выбрасываемых отложений. Выброс тяжелых металлов в основном связан с процессом обезвоживания, который будет происходить на борту корабля у поверхности воды. [100] Основная проблема, связанная с обезвоживанием, заключается в том, что это не просто выброс морской воды, повторно попадающей в толщу воды. Тяжелые металлы, такие как медь и кобальт, которые могут быть получены из материалов, добываемых на морском дне, также смешиваются с водой, которая сбрасывается в водную толщу. Первая экологическая проблема, связанная с выбросами тяжелых металлов, заключается в том, что они могут изменить химический состав океана в этой локализованной области водного столба. 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 территорию, но и для организмов, проходящих через зону добычи. [100] Проблемы, связанные с увеличением выброса отложений, в основном связаны с двумя другими процессами с отходами горнодобывающей промышленности: боковым выбросом отложений и нарушением отложений морского дна. Основной экологической проблемой будет удушение организмов, находящихся внизу, в результате перераспределения большого количества отложений в другие районы морского дна, что потенциально может поставить под угрозу популяцию организмов, населяющих этот район. Перераспределение большого количества осадков также может повлиять на процессы питания и газообмена между организмами, представляя серьезную угрозу для популяции. Наконец, эти процессы могут также увеличить скорость седиментации на морском дне, в результате чего прогнозируется минимум 500 м на каждые 1–10 км. [100]
В настоящее время обе вышеупомянутые компании проводят большой объем работы, чтобы обеспечить четкое понимание потенциального воздействия добычи полезных ископаемых на морское дно на окружающую среду и принятие мер контроля до начала эксплуатации. [101] Однако этому процессу, возможно, препятствует непропорциональное распределение исследовательских усилий среди жерловых экосистем; наиболее изученные и изученные экосистемы гидротермальных жерл не являются репрезентативными для тех, которые предназначены для добычи полезных ископаемых. [102]
В прошлом предпринимались попытки добывать полезные ископаемые с морского дна. В 1960-е и 1970-е годы с разной степенью успеха проводилось большое количество работ (и затрат) по добыче марганцевых конкреций на абиссальных равнинах . Однако это демонстрирует, что извлечение полезных ископаемых с морского дна возможно и возможно уже 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 корабля «Гломар Эксплорер» , специально построенного для этой задачи Говардом Хьюзом . [103] Операция была известна как «Проект Азориан» , и легенда о добыче марганцевых конкреций на морском дне, возможно, послужила стимулом для других компаний предпринять эту попытку.
Сохранение гидротермальных источников было предметом порой горячих дискуссий в океанографическом сообществе в течение последних 20 лет. [104] Было отмечено, что, возможно, наибольший ущерб этим довольно редким местам обитания наносят ученые. [105] [106] Были попытки договориться о поведении ученых, исследующих жерла, но, хотя и существует согласованный кодекс практики, формального международного и юридически обязательного соглашения не существует. [107]
Сохранение экосистем гидротермальных жерл после факта добычи активной системы будет зависеть от реколонизации хемосинтезирующих бактерий и, следовательно, от продолжения существования гидротермальной жерловой жидкости, поскольку она является основным источником гидротермальной энергии . [100] Очень трудно получить представление о влиянии горных работ на гидротермальную жидкость, поскольку не проводилось крупномасштабных исследований. [100] Однако были исследования по реколонизации этих жерловых экосистем после вулканического разрушения. [108] Из них мы можем получить представление о потенциальных последствиях разрушения горных работ и узнали, что бактериям потребовалось 3–5 лет, чтобы повторно заселить территорию, и около 10 лет, чтобы мегафауна вернулась. [108] Также было обнаружено, что произошел сдвиг в составе видов в экосистеме по сравнению с тем, что было до разрушения, и присутствие видов-иммигрантов. [100] Однако необходимы дальнейшие исследования влияния устойчивой добычи SMS на морском дне на реколонизацию видов.
Обычными методами определения возраста гидротермальных источников являются датирование сульфидных (например, пирита ) и сульфатных минералов (например, барита ). [109] [110] [111] [112] [113] Общие методы датирования включают радиометрическое датирование [109] [110] и датирование электронным спиновым резонансом . [111] [112] [113] Различные методы датирования имеют свои ограничения, предположения и проблемы. Общие проблемы включают высокую чистоту извлеченных минералов , необходимую для датирования, возрастной диапазон каждого метода датирования, нагрев выше температуры закрытия , стирающий возраст более старых минералов, а также множественные эпизоды минералообразования, приводящие к смешению возрастов. В средах с несколькими фазами минералообразования , как правило, датирование электронным спиновым резонансом 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 дать разный возраст одному и тому же образцу и почему в одном и том же гидротермальном дымоходе могут быть образцы разного возраста. [112] [113] [114]
{{cite web}}
: CS1 maint: unfit URL (link){{cite book}}
: |journal=
игнорируется ( помощь ){{cite journal}}
: CS1 maint: numeric names: authors list (link)