Батрахоспермум № 24(86) – Зеленые курильщики!

batrachospermum-hydrothermal

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

Черные и белые, только не горелые

black-smoker
Типичный «черный курильщик» на гидротермальном поле Биба в Карибском море. Это самое глубоководное гидротермальное поле из известных – примерно 5 км до него погружаться. Фото: Chris German.

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

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

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

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

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

lost-city
Известняковые трубы «Затерянного города» могут достигать 60 м в высоту! Арагонит со временем может переходить в другую форму карбоната кальция – кальцит. Фото: IFE, URI-IAO, UW, Lost City Science Party; NOAA/OAR/OER; Lost City 2005 Expedition.

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

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

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

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

Ультрамедленно курят тальк

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

Одно из них названо в честь американского биолога Уильяма Биба, который в 1930-х годах в районе Бермудских островов впервые воочию наблюдал глубоководную фауну. Центральным элементом гидротермального поля Биба является сульфидный холм диаметром 80 м и высотой 50 м, который примечателен тем, что это самый глубоководный из всех известных на сегодня «черных курильщиков» – поле расположено на глубине почти 5 км. Кроме того, ни одно из других гидротермальных полей Земли не может похвастать такой высотой выброса, как Биб: его струи уходят на 1100 м в вышележащий столб воды, в то время как обычно следы подобных струй находят на высоте 200 – 400 м от «курильщика». Вероятно, причина в особой горячести Бибовой струи – около 500 °С. И это притом, что магмы здесь хватает лишь на то, чтобы раздвигать плиты на 15 мм в год, что сильно меньше, чем у большинства океанических хребтов.

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

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

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

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

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

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

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

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

Прибрежные гибриды на прощанье

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

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

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

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

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

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

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


Подготовлено по материалам разных источников, преимущественно гидротермальных.

Все права на данный текст принадлежат нашему журналу. Убедительная просьба не копировать его в соцсети или куда-либо еще без договоренности с редакцией. Если хотите поделиться информацией с вашими подписчиками, можно использовать фрагмент и поставить активную ссылку на этот номер – мы будем рады. И конечно, будем очень признательны за любую поддержку нашего проекта. С уважением, Батрахоспермум.

halimeda-bioherm

Вас также могут заинтересовать статьи:
Диковинные водоросли строят из себя огромные рифы
Пластисфера – новая оболочка Земли
Тихоокеанская плита родилась в танце