Шел 1977 год. Американский батискаф «Элвин» погружался в толщу Тихого океана в районе Галапагосских островов уже несколько часов. Ультразвуковой глубиномер показал приближение дна. Глубина достигала несколько километров. Вокруг вечная тьма, холод, давление в несколько сот атмосфер. И вдруг…

Вдруг в свете прожектора стало видно, что прозрачная вода стала мутнеть, а наружный термометр показал повышение температуры воды. Из дна вверх била струя черного цвета, а вокруг жило множество разных диковинных живых организмов. Проба воды, взятая в том месте и вскрытая на поверхности, отчетливо пованивала тухлыми яйцами. Вода явно содержала сероводород. Существование жизни на дне океана опровергало существовавшую тогда теорию, что жизнь возможна только на базе фотосинтеза. Так было открыто существование биоценозов, основанных не на фотосинтезе, а на базе хемосинтеза. Первое впечатление ученых, увидевших это чудо на дне океана: из конусов, выросших на ровном дне, вверх бьют струи вроде бы черного дыма. И тогда дали имя новому явлению природы – «черные курильщики».

Потом были найдены «белые курильщики» и «серые курильщики» – гидротермальные источники в разных местах океанического рифта минерализировались по-разному и несли различные вещества. Черные курильщики были наиболее горячими, вода в них нагревалась до 400 градусов, тогда как белые курильщики имели температуру только около 200 градусов. В районе океанического рифта магма ближе всего подходит к поверхности. Морская вода, проникая сквозь трещины в поверхности, опускается до уровня поднявшейся магмы, нагревается ею до температуры в сотни градусов, вымывает из коры минеральные вещества, чаще сульфиды железа, меди и цинка, и, вырываясь под давлением на поверхность коры океана, создает эффект «черного курильщика».

Соединения серы потребляются археями (прабактериями, родственниками бактерий, их предшественниками на Земле, мнения современных ученых различны). Археи составляют основу пищевой цепочки биоценоза «черных курильщиков». Они поглощают сероводород и углекислый газ, превращая их в сахара. Археи живут в симбиозе с бактериями и образуют у каждого черного курильщика обширные колонии. Биомасса архебактерий служит основой питания глубоководных двустворчатых моллюсков и погонофор – удивительных существ, которые являются животными, но очень похожи на растения. К тому же погонофоры живут в симбиозе с питающимися сероводородом бактериями. У ученых до сих пор нет единства во мнении, как классифицировать погонофор. Их иногда относят к отдельному типу животного мира, а иногда относят к типу кольчатых червей. «Черные курильщики» – единственное место, где живут рифтии, относящиеся к типу погонофор. Питание они получают от симбиоза с архебактериями. Рифтии «кормят» археев сероводородом, а они синтезируют органику, которую и потребляют рифтии.

А уже рифтиями и моллюсками питаются хищные белые крабы, слепые раки и даже рыба из рода Thermarces cerberus. Ученые биологи, изучая материалы, добытые глубоководными аппаратами, с удивлением обнаружили среди обитателей уникальных глубоководных биоценозов животных, считавшихся вымершими много миллионов лет назад – моллюсков Bathypecten и Neomphalus, а также некоторых усоногих рачков. Не выдержав конкуренции с более сильными и молодыми видами на мелководье, эти виды были вытеснены за миллионы лет в глубоководные оазисы гидротермальных источников, дожив таким образом до наших дней.

Ученые продолжают изучать биоценозы «черных курильщиков» в различных океанах Земли и уже нашли до 500 различных видов животных, живущих в этих оазисах на дне океанов. Каждое погружение приносит новые материалы и открытия в биологии. Кажется удивительным, но сегодня человечество намного лучше знает, что происходит в космосе в миллионах километров от поверхности Земли, чем в подводном мире на расстоянии от поверхности всего в 2-3 километра.

Вулканические жерла, известные как «черные курильщики», способны выбрасывать струи богатой минералами воды на километр вверх. Температура такой струи достигает 450°С, что вполне достаточно для того, чтобы расплавить свинец. Тем не менее, в таких источниках было обнаружено множество новых видов, включая вид креветок со светочувствительным органом на спине.

Впервые ученые исследовали жерла в апреле 2010 года. Одно из таких отверстий оказалось почти на километр глубже, чем те, что были обнаружены ранее. По словам исследователей, струи жидкости из этих отверстий богаты минеральными веществами, в том числе медью.

Ученые не смогли измерить температуру воды с помощью своего оборудования. Но они проанализировали химический состав той воды, что выпускалась из жерл, и пришли к выводу, что вода может быть горячее 450°С. Судя по высоте, на которую выбрасываются струи воды, температура может быть крайне высокой.

Научный интерес также представляют отверстия, обнаруженные с другой стороны подводной горы Дент (Mount Dent). Обычно отверстия возникают на месте вулканической активности на дне океана. Но «черные курильщики» на горе Дент располагались на расстоянии от вулканической зоны. По мнению ученых, это может означать, что на самом деле подводных отверстий на дне океана гораздо больше, чем считалось ранее.

В Каймановой впадине были также обнаружены новые виды животных, включая слепых креветок со светочувствительными органами на спине. С помощью этих органов, считают ученые, креветки могут ориентироваться в темных глубинах. По словам исследователей, ближайшие родственники этих креветок находятся в 4000 км в середине Атлантического океана. Понимание, как эти виды развиваются и перемещаются, будет играть ключевую роль при принятии решения о коммерческой эксплуатации полезных ископаемых из этих отверстий.

Международная экспедиция обнаружила самую северную из когда-либо найденных группу черных курильщиков – гидротермальных источников, находящихся вблизи рифтовых зон срединно-океанических хребтов. Ученые, ведущие глубоководные исследования далеко за полярным кругом, обнаружили область с пятью черными курильщиками – одним очень мощным и четырьмя поменьше. Она находится на 73 градуса севернее Центрально-атлантического горного хребта, между Гренландией и Норвегией. Это гидротермальное поле расположено более чем на 220 километров ближе к северному полюсу, чем все ранее найденные курильщики.

Обнаруженные источники выбрасывают высокоминерализированную воду температурой около 300 градусов по Цельсию. Она содержит соли сероводородной кислоты – сульфиды. Смешение горячей воды источника с окружающей ее ледяной водой приводит к быстрому затвердению сульфидов и их последующему осаждению. Ученые считают, что накопленные вокруг источника массивные залежи сульфидов – одни из самых крупных в ложе мирового океана. Судя по их количеству, курильщики активны здесь уже много тысяч лет.

Пространство вокруг вырывающихся фонтанов кипятка покрыто белыми матами из бактерий, процветающих на отложениях минералов. Также ученые обнаружили здесь множество других разнообразных микроорганизмов и прочих живых существ. Предварительные наблюдения позволили сделать вывод – экосистема вокруг арктических вентилей представляет собой уникальное образование, значительно отличающееся от экосистем близ других черных курильщиков.

Исследователи назвали обнаруженные источники и местность вокруг них Замком Локи, так как рельеф и клубящаяся черная вода напоминают фантастический замок. А Локи – скандинавское божество, известное своей хитростью. Как сказано в пресс-релизе: «Локи – это соответствующее название для гидротермальной области, которую было так трудно отыскать, и которая столь долго скрывала свое место нахождение».

Черные курильщики вообще представляют собой очень интересный природный феномен. Они вносят существенный вклад в общий тепловой поток Земли, извлекают на поверхность океанического дна огромное количество минералов. Считается, например, что месторождения медноколчеданных руд на Урале, Кипре и Ньюфаундленде образованы древними курильщиками. Вокруг источников также возникают особые экосистемы, в которых, по мнению ряда ученых, могла зародиться первая жизнь на нашей планете.

Механизм образования «черных курильщиков» следующий: холодная морская вода просачивается вниз вдоль трещин в хребтах на глубину примерно до 2 километров. Дальше породы становятся плохо проницаемыми. На такой глубине температура за счет вулканического тепла достигает иногда плюс 350 градусов, а давление – 250-300 атмосфер.

Частично вода вступает в реакцию с горными породами, но большая ее часть в виде мощных, горячих, черных, насыщенных углекислотой струй вырывается на поверхность срединно-океанических хребтов. Черный цвет «курильщикам» придают сульфиды, сульфаты и окислы металлов, в основном меди и железа. Выделяя тепло, метан и соединения, содержащие серу, эти удивительные глубоководные источники поддерживают существование уникальных сообществ организмов.

До недавнего времени считалось, что океаническое дно плоское за исключением впадин, растительности, рифов, затонувших кораблей и прочих выброшенных в море человеком предметов. В 70-х годах XX века с развитием науки и техники началось детальное исследование дна морей и океанов. Именно тогда и были открыты «черные курильщики». Названы эти образования на океаническом дне «черными курильщиками» только потому, что действительно похожи на выдохи курцов, но дым не белый, а черный.

Наука же эти образования называет гидротермальные источники срединно-океанических хребтов и объясняет этого довольно сложно. Но, попросту говоря, это что-то среднее между подводными вулканами и гейзерами, только вместо горячей лавы и воды (в каждом отдельном случае) из источников вырывается черная, насыщенная пеплом, серой, железом и прочими химическими элементами вода. Особенностью этих гейзеров является то, что они имеют вид достаточно высоких «труб», или как их еще называют, мини вулканы. Высота их достигает 100 и более метров, а состоят они из частичек пепла, которые в течении длительного времени оседали вокруг источника. Сейчас они достаточно высокие и имеют форму конуса, из вершины которого и вырывается поток.

Температура потока иногда больше 325°C, что свидетельствует о том, что это даже не вода, а «грязный» пар. Но откуда на океаническом дне источники «грязного» пара? Эти пепловые «пирамидки» всегда размещаются на срединно-океанических хребтах, где через трещины в коре заполняет соленая вода, а раскаленная магма, ища выход на поверхность, вступает в ней в реакцию. Именно из-за процесса «раскаленная магма + холодная вода» получается пар, а с точки зрения химии этот же процесс запускает различные реакции, результатом которых становится темно-серый цвет извергаемого «дыма» и его насыщенность металлами и другими элементами.

Самое интересное, что в Океании есть и «белые» курильщики. Это явление подобно «черным курильщикам», но отличается цветом, химическим составом и температурой (она значительно ниже – от 100°C до 250°C).

Интересный факт: вокруг черных курильщиков кипит жизнь. Средняя температура воды на дне океанов в местах, где расположены курильщики, около +5°C, а вырывающийся пар значительно горячее. Путем обыкновенного теплообмена образуется так называемая «буферная зона», где температура достаточно теплая. Именно тут и обитают разнообразные организмы – от бактерий до креветок.

После открытия глубоководных гидротерм (горячих источников) интерес исследователей стали вызывать любые разгрузки на дне океана, причем как на больших глубинах, так и на мелководье. Пошел огромный цикл работ по попыткам выявить высачивания на дне океана. Работали и геологи, и геоакустики, для того чтобы найти новые высачивания, причем необязательно гидротермальные. И очень быстро было найдено, что не только гидротермальные растворы разгружаются на дне океана, но сегодня насчитываются уже тысячи точек выбросов углеводородных газов.

Связано это с разным происхождением. Это может быть, особенно на мелководье, результатом активной деятельности микроорганизмов – метанобразующих архей (это очень специфическая группа, которая использует низкомолекулярные органические вещества, образованные за счет разложения крупных молекул, и результатом становится образование метана).

Там, где много осадка, где идет активная продукция органического вещества, не менее активно идет и деструкция этого органического вещества с образованием метана. Поэтому сегодня прибрежные районы часто газонасыщенны. Где-то формируются восходящие потоки таких газов в водную толщу, причем бывает и диффузионное, и струйное высачивание, и заканчивается это выбросом метана в виде пузырькового газа – струйные газовыделения в водную толщу.

Встречаются такие выбросы и на больших глубинах. Там не так много осадочного вещества, активность метаногенов невысока, но тем не менее, как правило, такие высачивания приурочены к вулканическим зонам. Там метан имеет совсем другое происхождение: он связан с образованием высокотемпературного метана в глубинных слоях Земли и с выходом метана, не связанного с микроорганизмами, с выбросами его через осадочную толщу, или непосредственно в таких твердых породах формируются каналы с выбросом его в придонные слои водной толщи. Как и в случае с гидротермальными разгрузками, стало ясно, что выброс углеводородных газов – это прекрасный субстрат для микробного сообщества: они легко утилизируют и метан, и некоторые его гомологи и формируют сообщества и на больших, и на малых глубинах. На больших глубинах это связано с грязевым вулканизмом. Если вулкан перекрыт мощным осадочным слоем, когда идет разгрузка вулкана, активная работа, то говорят о том, что это грязевой вулкан, идет выброс газов. Обычно это формируется особой структурой, которую можно искать с помощью современных систем акустического зондирования. И, действительно, в разных точках океана это известно.

Но главное, что здесь интересно для микробиологов, – то, что все стартовые процессы, связанные с наработкой биомассы, вызваны деятельностью микроорганизмов, потому что напрямую ни метан, ни другие углеводородные газы никто, кроме микробов, использовать не может. Формирование их биомассы – это приток сюда следующих элементов трофической цепи, которые уже потребляют этих микробов. И аналогично гидротермам эти микроорганизмы в условиях метановых сипов, то есть высачиваний, проникли в клетки животных. Поэтому здесь аналогично гидротермальным системам тоже присутствуют животные с симбионтами внутри тканей – именно внутри тканей, не на поверхности.

Это особые формы червей, двустворчатые моллюски – организмы, которые развиваются за счет симбиоза с бактериями. В данном случае можно говорить о метанокисляющих бактериях, они научились проникать в жаберные ткани, в трофосомы – специальные органы червей, там развиваться и обеспечивать необходимым органическим веществом своих хозяев.

Если говорить о прибрежных зонах, то и здесь формируются подобные сообщества. В прибрежных зонах мы обычно говорим о покмарках – это углубления на поверхности дна, формирование которых связано с высачиванием газа. Покмарки встречаются в Балтийском море, очень мощные газовые высачивания известны в Черном море. Сегодня совершенно очевидно, что метан используется не только на поверхности земли – он очень активно используется и морскими микроорганизмами в зонах его высачивания. Эта активность приводит к формированию уникальных сообществ (причем не только микробных, а туда входят и высшие организмы), которые способны использовать метан.

Один из примеров таких масштабных высачиваний газа – северо-западный шельф Черного моря. Там на свале глубин обнаружены десятки струйных газовыделений, причем это не просто выход газа с поверхности дна, а это специальные постройки – они напоминают гидротермальные, но отличаются по химическому составу, в их основе в основном карбонат кальция. Когда их начали исследовать, то оказалось, что формирование таких построек – это результат активности микроорганизмов. Причем в Черном море разгрузка газа происходит в анаэробной зоне, то есть там, где кислорода нет. В Черном море только верхние сто метров (на континентальном склоне это может быть и 160, и 170 метров) – это кислородный слой, а глубже появляется сероводород – это анаэробная зона, и в нее выходят струи газа.

Эти районы стали классическими для исследования недавно обнаруженного процесса анаэробного окисления метана. Процесс с точки зрения термодинамики уникальный, поскольку долгое время считалось, что микробы не способны окислять метан в анаэробных условиях. Оказалось, что этот процесс существует, сейчас выявлены и его возбудители. Для морских систем это в основном консорциум, состоящий из метаногенов и сульфатредуцирующих бактерий. Метаногены – это условно, сейчас их называют метанотрофные («поедающие метан») археи. Но по своим характеристикам эти организмы очень близки к метаногенам, просто они осуществляют реакцию не образования, а окисления метана, а сульфатредукторы подхватывают водород, который образует эти организмы. И сегодня такие метановые сипы Черного моря – это классический объект для исследования анаэробного окисления метана, процесса, который, я думаю, в будущем станет востребован в биотехнологии.

Сегодня это фундаментальные исследования. Не все в этом процессе еще понятно до конца, но тем не менее я думаю, что в ближайшие годы будут новые успехи и достижения в этой области, потому что до сих пор выделить чистые культуры метанотрофных архей не удалось. Но при этом существуют накопительные культуры, и процесс уже научились поддерживать и в лабораторных условиях, и в биореакторах.

Черное море – один из классических примеров разгрузки струйных газовыделений, но, поскольку кислорода вокруг нет, здесь нет никаких животных, кроме микроорганизмов. А там, где выходы метана происходят в кислородную воду, формируются уникальные сообщества микроорганизмов и организмов, которые используют микробов внутри своих тканей, для того чтобы они поставляли им органическое вещество из таких неудобных субстратов, как метан.

На сегодняшний день найдено около 150 «черных курильщиков». Самые известные из них расположены на участке Срединно-океанического хребта в северной части Атлантического океана. Здесь имеются разломы и трещины в океанической коре. Морская вода проникает по ним вглубь Земли, где затем нагревается теплом магмы и вступает в химическую реакцию с горными породами. Потом, разогретая и обогащенная различными веществами, она вырывается к поверхности дна.

Температура «дыма» черных курильщиков достигает 350-400°С! А сам «дым» представляет собой взвесь соединений серы с железом, медью и цинком. Этот горячий раствор при контакте с холодной водой океана охлаждается и приводит с осаждению минералов. Они-то и образуют причудливую постройку: постепенно вокруг «дымящего» источника наращиваются твердые минеральные стенки.

Время жизни курильщика, своеобразной фабрики по производству руды, составляет десятки или сотни лет и зависит от того, как скоро засорится трещина, по которой поступает «дым» курильщика. Известны также белые и серые курильщики. Они отличаются химическим составом и температурой «дыма»: самые холодные – белые курильщики (100-200°С), температура серых достигает 250-300°С. Эти природные образования создают уникальные условия, «оазисы» жизни в самом сердце океанов.