Краски жизни скрываются и в самой глубине океана.
Недавно в журнале Nature была опубликована статья о сенсационном открытии международной командой ученых самой глубоководной на нашей планете экосистемы на основе хемосинтеза - настоящего подводного «города» на глубине более 9 километров в районе Курило-Камчатского желоба. В этом уникальном уголке Тихого океана, куда не проникает солнечный свет, жизнь процветает благодаря выходам метана: бактерии научились преобразовывать метан из донных отложений в питательные вещества для своих хозяев - моллюсков и трубчатых червей.
Специалисты уже оценили важность открытия: оно меняет представления о границах жизни и роли глубоководных желобов как гигантских топливных резервуаров и углеродных хранилищ.
Среди авторов этого открытия - российские ученые. Их участие в совместной с китайскими коллегами глубоководной экспедиции стало возможным благодаря поддержке Российского научного фонда в рамках проекта, посвященного изучению фауны глубоководных желобов.
О том, как проходила работа и что означают полученные результаты для науки, «Поиску» рассказал руководитель лаборатории донной фауны океана Института океанологии им. П.П.Ширшова РАН доктор биологических наук Андрей ГЕБРУК (на снимке).
Интрига
Разговор начался в небольшом музее Института океанологии, где хранятся уникальные экспонаты глубоководной фауны, собранные сотрудниками института в разные годы. С их помощью удалось разобраться в контексте проблемы.
В двух демонстрационных витринах размещены принципиально разные образцы. Одна витрина посвящена животным, обитающим на максимальных глубинах океана, вторая - организмам, существующим за счет хемосинтеза, что напрямую связано с недавней публикацией в Nature.
Особого внимания заслуживает исторический экспонат, представляющий фауну Курило-Камчатского желоба (глубокого и протяженного разлома на дне океана). В большом стеклянном цилиндре - причудливые стебельчатые морские лилии, напоминающие изящные цветы, голотурии (это родственники морских звезд и ежей), двустворчатые моллюски, многощетинковые черви полихеты и имеющие гораздо менее привлекательный внешний вид погонофоры (червеобразные животные в тоненьких трубках). Все эти организмы добыты с помощью трала - специальной сети, которую протаскивают по морскому дну для сбора образцов. Получены они были «вслепую» с глубины более 9 километров во время экспедиций легендарного советского научно-исследовательского судна «Витязь», совершившего свой первый научный рейс в 1949 году. Таким образом, в 1950-е годы было показано, что жизнь на больших глубинах не только существует, но и довольно обильна, хотя, возможно, не слишком разнообразна видами.
Фото Николая Степаненкова
Демонстрируя экспонат, А.Гебрук с сожалением отметил, что в те годы исследователи не распознали истинной сенсации, которая оказалась в их руках: трал, поднятый с глубины 9 километров, принес две совершенно разные экосистемы, смешанные вместе. Среди собранных образцов находились уникальные организмы (те самые погонофоры), существующие за счет хемосинтеза. Это принципиально иной путь получения энергии из химических соединений, а не от солнца, как при фотосинтезе.
Открытие сообществ, существующих за счет хемосинтеза, произошло гораздо позже, в 1977 году, и стало настоящей революцией в науке, положив начало астробиологии - поиску жизни вне Земли. Было показано, что для ее возникновения необязательны солнечный свет и кислород - достаточно жидкой среды и химических соединений.
До недавнего времени такие сообщества были известны на глубинах от нескольких сотен метров до примерно 7000 метров. Недавнее же открытие в Курило-Камчатском желобе расширило эти границы до 9500 метров, что стало новой вехой в изучении жизни на предельных глубинах.
Победа над скепсисом
Международная глубоководная экспедиция, которая состоялась летом 2024 года, была организована как совместный китайско-российский проект. С китайской стороны в работе участвовал Институт глубоководных исследований и техники, расположенный в городе Санья на острове Хайнань. С российской основным партнером выступил Национальный научный центр морской биологии им. А.В.Жирмунского во Владивостоке. Экспедиция проходила в два этапа, в каждом из которых участвовал представитель Института океанологии.
– Андрей Викторович, расскажите о технической стороне. На каком аппарате проводились исследования?
– Мы работали на китайском глубоководном обитаемом аппарате «Фендоуже», в переводе - «упорный» или «настойчивый». По конструкции он аналогичен нашим аппаратам «Мир-1» и «Мир-2» - имеет сферу для экипажа, иллюминаторы, манипуляторы для взятия проб, фото- и видеоаппаратуру. Но есть ключевое отличие в глубине погружения: если «Миры» работали на глубинах до 6000 метров, охватывая 99% дна океана, то «Фендоуже» способен погружаться до 11 000 метров, что открывает доступ к последнему непознанному проценту - глубоководным желобам.
Сегодня в мире существуют три основных класса подводных аппаратов: обитаемые (с экипажем на борту), телеуправляемые (по кабелю с судна) и автономные (работающие без оператора и по заданной программе). Для биологических исследований автономные аппараты имеют серьезные ограничения: с ними нет связи в реальном времени, нельзя оперативно принять решение об остановке для взятия пробы.
Телеуправляемых аппаратов, способных работать на максимальных глубинах, к сожалению, на сегодняшний день не осталось: они потеряны и лежат на дне океана. И только два обитаемых аппарата в мире сегодня могут погружаться на глубины до 11 000 метров. Один из них, австралийский, был построен, скорее, для рекордов, его научная эффективность невысока.
А вот китайский «Фендоуже», созданный в 2020 году, позволяет проводить полноценные научные исследования на любых глубинах Мирового океана с участием человека-исследователя. Этот комплекс внушительных размеров (примерно 10 метров в длину и 4 в высоту) и весом в 36 тонн требует специального судна-носителя. Спуск и подъем на глубины 9 километров - чрезвычайно сложная и требующая высочайшей координации операция.
– Какие научные задачи должны были решить участники экспедиции?
– Перед нами стояли комплексные, междисциплинарные задачи. С биологической точки зрения нас интересовали фундаментальные вопросы: как устроена жизнь на предельных глубинах, как она распределена по дну, каково обилие организмов? Исторические данные «Витязя» давали общее представление о видовом составе, но крайне важно было впервые увидеть дно Курило-Камчатского желоба глазами человека. Это принципиально новый уровень по сравнению со «слепым» тралением, когда мы анализируем уже поднятый на палубу материал.
Для геологов ключевыми были вопросы строения желоба, состава пород и осадков.
– Были ли у экспедиции специфические ожидания относительно возможного обнаружения участков хемосинтеза и как эта идея воспринималась коллегами?
– Нет, официально в программе исследований не было никаких упоминаний о возможном обнаружении хемосинтеза. Однако хочу отметить, что в настоящее время я руковожу грантом РНФ, посвященным изучению фауны глубоководных желобов северо-западной части Тихого океана. При подготовке заявки на грант мы заранее предполагали возможное участие в международной экспедиции, хотя и в скромном объеме. Эта возможность была предусмотрительно включена в план исследований, с указанием на вероятность получения уникального материала.
На первом же научном совещании через несколько часов после выхода из Владивостока мы с российскими коллегами рассказали об исторических данных «Витязя», в том числе о трале с глубины 9 км с аномально высокой численностью погонофор (1500 экземпляров), тогда как в других тралах их были единицы. Это рождало мысль о возможных выходах метана и жизни на основе хемосинтеза в тех местах.
Однако китайские коллеги, в основном геологи и геохимики, отнеслись к этой идее крайне скептически, и тема не получила развития. Это было объяснимо: самое глубокое известное до этого сообщество на хемосинтезе находится в Японском желобе на глубине 7300 метров, причем оно очень небольшое, и за четверть века подобных находок не было. Никто не мог предположить, что именно в Курило-Камчатском желобе на рекордной глубине нам удастся сделать такое открытие. У нас были лишь робкие надежды, основанные на старых советских данных.
– Как было организовано само погружение и выбран район работ?
– Погружение шло по строгому протоколу: аппарат спускали с судна, и за 3 часа он достигал дна на глубине 9,5 км. Еще 6 часов отводилось для работы на дне и 3 часа - на подъем. Исследования мы начали в южной части Курило-Камчатского желоба с максимальными глубинами. Маршрут погружения строился так: сначала изучали плоское дно, затем двигались к склону желоба и поднимались вдоль него. Это позволяло охватить разные участки желоба, что интересно и для геологов, и для биологов.
Буйство жизни
– Расскажите о вашем погружении. Какие были впечатления, что вы увидели?
– Мое погружение было четвертым по счету в рейсе, и до этого коллегам ничего необычного обнаружить не удавалось. Мы работали в южной части желоба, где глубины достигают максимума - почти 9600 метров. Картина, которая открылось мне в иллюминаторе, превзошла мои ожидания. Я много лет изучаю глубоководную фауну, но всегда делал это «вслепую», по пробам тралов. Увидеть все своими глазами - совершенно иной опыт. Я смотрел в иллюминатор и видел настоящее буйство жизни - то, что никак не ассоциируется с глубиной в 9,5 километров. Повсюду были голотурии, которых я изучаю всю жизнь, актинии, ракообразные, червеобразные животные. Дно было буквально усыпано живностью. Это была не пустыня, а процветающий глубоководный мир! Могу сказать, что в первые минуты я испытал самое большое эмоциональное переживание, даже сильнее того, что было потом, потому что это была первая эмоция, осознание того, что ты видишь эту жизнь своими глазами и никто до тебя ее так не видел.
По мере приближения к склону картина резко изменилась. Ровное илистое дно сменилось выходами плотных глинистых пород, и сразу появилась другая фауна, в первую очередь стебельчатые морские лилии, образующие целые поля.
А потом начались настоящие чудеса. Мы заметили сначала несколько тонких трубок, чуть толще человеческого волоса. Остановились и увидели целую поляну погонофор. Такие плотные скопления - всегда индикатор особых условий. Вместе с ними были необычные черви с длинными отростками, плавали рачки, сидели моллюски. Это была совершенно иная экосистема, контрастирующая с фоном.
Как биолог я сразу понял: мы нашли хемосинтетическое сообщество животных. Погонофоры живут за счет химической энергии, значит, здесь должен быть источник каких-то богатых энергией химических соединений, скорее всего, метана. Это было то, что мы могли лишь предполагать в начале экспедиции, а теперь видели своими глазами. Оставшееся время, часа два, пролетело незаметно. Мы практически не сходили с этого поля, осматривали его, брали пробы, снимали. Затем немного приподнялись, чтобы оценить масштаб сообщества, и поняли, что это было не маленькое пятно, а как минимум десятки метров.
– Вы сразу поняли, что обнаружили хемосинтетическое сообщество?
– Для неспециалиста на дне не было ничего неординарного. Обычные метановые выходы, которые мы много где видели в океане, имеют характерный «почерк»: бактериальные маты белесых или желтоватых оттенков, иногда ярко-оранжевые пятна, створки двустворчатых моллюсков. Именно такая картина наблюдалась в Японском желобе 25 лет назад на глубине 7300 метров.
Но здесь все было иначе. Никаких матов, никаких цветных пятен. Визуально выходы метана вообще невозможно было определить - он сочится через осадок в виде раствора, который никак не проявляется. Не было и карбонатных отложений, характерных для метановых выходов на меньших глубинах. Просто спокойное дно, осадок обычного цвета, но с совершенно необычными животными. И - главное - плотность скопления была на порядок выше, чем на плоском дне желоба.
Именно это сочетание - необычная фауна и аномальная плотность - и позволило быстро понять: мы обнаружили хемосинтетическое сообщество на метановых выходах.
– А присутствуют ли на такой глубине какие-то краски или вся картина монохромная?
– Красок не так много, но они есть. Чтобы их увидеть, нужен хороший свет - при качественном освещении можно разглядеть целый диапазон цвета.
Самые массовые животные - голотурии - не очень впечатляют расцветками. Они довольно блеклые: оттенки грязно-белого, сероватые, буроватые тона.
А вот актинии - это совсем другое дело! Они довольно крупные и заметные, почти белые. Представьте себе столбчатые актинии высотой до 40-50 см - такие объекты сразу притягивают внимание.
Рачки, которые плавают у дна, имеют оттенки оранжевого и розоватого. Их глазки могут сверкнуть в свете прожекторов. Червячки в грунте буровато-зеленого цвета.
Так что дно не монохромное. Оно, скорее, охристо-бурое, песчано-илистое, но на этом фоне выделяются и белые актинии, и оранжевые рачки, и зеленоватые черви. Скромная, но все же палитра красок!
– Как восприняли китайские участники экспедиции вашу находку?
– Уже на борту судна, когда мы рассказали обо всем, стало ясно: это сенсация. Китайские коллеги, несмотря на первоначальный скепсис, осознали значимость произошедшего: мы обнаружили не точечное скопление, а протяженное сообщество на рекордной глубине. Планы экспедиции были мгновенно пересмотрены: с четвертого погружения изучение этих сообществ стало ее приоритетом.
Дальнейшие спуски показали, что речь идет не о десятках метров, - сплошной «ковер» из погонофор с другими организмами в одном из погружений занимал до двух километров. Выяснилось, что такие сообщества формируются только в определенных условиях - на стыке склона и дна желоба, где есть выходы метана. Это позволило целенаправленно планировать следующие погружения и подтвердить гипотезу. В нашей статье геологи предлагают модель, объясняющую, почему жизнь так процветает именно в этих местах.
– Какое значение имеет это открытие?
– Огромное! Метан не только потенциальный топливный ресурс будущего в виде газогидратов, но и важнейший парниковый газ. Обнаружение масштабных хемосинтетических сообществ на таких глубинах означает, что расчеты потока углерода в океане потребуют пересмотра. Необходимо учитывать эти глубоководные резервуары метана и механизмы его переработки живыми организмами при расчетах глобального углеродного баланса. Мы не только показали возможность существования хемосинтетической жизни на предельных глубинах океана, но и обнаружили ее в колоссальных масштабах - почти вдоль всего Курило-Камчатского желоба и еще западной части Алеутского, в общей сложности на протяжении почти 2500 км! Это меняет наше понимание распределения жизни на основе хемосинтеза и требует включения этих данных в общепланетарные модели. Тот факт, что работа опубликована в Nature, - объективное подтверждение ее научной значимости.
Светлана БЕЛЯЕВА
Обложка: фото Николая Степаненкова
