Курильщики на дне океана. естествознание

 Из книги "Этюды о воде". Текст с иллюстрациями можно прочесть:
http://samlib.ru/editors/j/jurowskij_jurij_georgiewich/


 
                Есть многое в природе, друг Горацио,
                Что и не снилось нашим мудрецам.
                Шекспир (перевод Гнедича).

             Мировой океан очень медленно открывает человеку свои тайны. Порой удивительные открытия совершаются совершенно случайно. Двести лет назад английский ученый Форбс полагал, что ниже 550 метровой глубины всякая жизнь исчезает. Его гипотеза была опровергнута инженерами, а не учеными.
   1859 году связисты подняли на поверхность кабель, лежавший на дне Средиземного моря, на глубине 1800 метров и обнаружили прикрепившихся к нему морских обитателей. Случай также помог ученым Южной Африки увидеть живьем кистеперую рыбу латимерию, считавшуюся давно вымершей.

              Споры о том, может ли существовать жизнь в глубоководных впадинах в вечном мраке, при температурах близких к нулю и чудовищном давлении более 1000 бар, прекратились в 1951 году. Тогда датское судно "Галатея" подняло тралом с глубины 9820 - 10210 метров Марианского желоба несколько беспозвоночных актиний и голотурий. Позже это подтвердил швейцарский океанолог Жак Пикар (1922 - 2008) погрузившийся в батискафе "Триест" 23.01.1960 на глубину 10911 метров в том же Марианском желобе. Последние исследования 2011 года дают здесь значение глубины 10994 м с точностью 40 м.

               Известный океанолог и профессиональный водолаз Л.Н. Пропп рассказывал мне в конце 60-х годов, какая многообразная фауна живет подо льдом на дне Антарктических морей. Это, притом, что температура воды там отрицательная, порядка -1,1 -1,4 оС. Тогда проводились первые подводные исследования, выполненные с аквалангом на одной из Советских научных станций в Антарктиде.

               Итак, стало понятно, что жизнь в океане существует везде. Даже в самых неблагоприятных условиях. Но ученые понимали, что океан еще только - только начал приоткрывать свои тайны. Именно на 60 - 80-е годы прошлого века приходится пик изучения Мирового Океана. В эти годы, его бороздят многочисленные научно-исследовательские суда, проводятся надводные и подводные работы, океан изучается с помощью космических аппаратов. Создаются международные программы исследований: "взаимодействие океана и атмосферы", "Джоидес" и др. Начинается систематическое, комплексное изучение геологии морского дна: геофизическое, визуальное, с выполнением глубоководного бурения специально построенным судном "Гломар Челенджер".

              Ремарка. Упомянув это название, стоит рассказать об этом судне подробнее: "Для осуществления программы глубоководного бурения в океане (deep-sea drilling project), составленной в Океанографическом институте Скриппса при Калифорнийском университете США, необходимо было решить несколько сложнейших инженерных и навигационных задач. Во-первых, научиться спускать и поднимать колонны буровых труб длиной в несколько километров в условиях волнения и океанской зыби. Во-вторых, создать систему, допускающую повторное попадание всей колонны и бурильного инструмента в устье скважины. В-третьих, обеспечить судно системой двигателей, способных удерживать его над точкой бурения с минимальными отклонениями, так как уход его в сторону за пределы нескольких десятков метров грозил скручиванием и отрывом буровой колонны. Последняя задача потребовала разработки новой, высокоточной системы ориентации и привязки, которую в открытом океане смогли обеспечивать сначала спутники, а впоследствии гидроакустические маяки, устанавливавшиеся на дно в окрестностях точки бурения. И те и другие должны были достаточно часто показывать координаты судна на бортовую ЭВМ, чтобы в минимальный срок можно было исправить любые отклонения в положении судна над точкой бурения, вызванные сносом течениями, ветром и другими причинами". (Мир океана).

               Когда задача была поставлена перед конструкторами и корабелами они прямо заявили, что это невозможно. Да это все равно, что попасть плевком со сто первого этажа в горлышко бутылки стоящей на тротуаре - образно выразился один из конструкторов. Тем не менее, судно было построено и спущено на воду в 1968 году. Длина его составляла 122 метра, водоизмещение 10500 тонн.

               Для конца 60-х годов, судно по своим возможностям было не просто суперсовременным, а воспринималось специалистами как фантастика. Кроме уникальной буровой установки, оно имело на борту первоклассные лаборатории и даже типографию, к концу каждого рейса печатавшую предварительные результаты работ. Таким образом, постройку судна можно отнести к крупнейшим научно-техническим достижениям XX века.

               Название же судну дали в память о трехмачтовом парусно-паровом корвете "Челленжер" (англ. Challenger, "Бросающий вызов"), совершившего в 1872 - 1876 годах первую комплексную океанографическую кругосветную экспедицию.
 
               Интерес к исследованиям верхней части шельфа подогревали красочные фильмы Жака Ива Кусто. Широкомасштабные научные проекты имели и практическую направленность, касающуюся рыбной отрасли, улучшения метеопрогнозов, добычи разнообразных полезных ископаемых, в том числе нефти, газа, железо-марганцевых конкреций и др. Изучение дна океана привело к научной революции в геологии. На смену концепции геосиклинального строения земной коры, пришла теория тектоники литосферных плит. (Тектоника, от греч. строительство - наука о строении, движениях и эволюции земной коры, литосферы).

               После появления теории литосферных плит, американский ученый Дж. Элдер высказал предположение о существовании на дне океана в рифтовых зонах горячих источников. Вслед за этим, с помощью автоматических буксируемых подводных аппаратов были обнаружены локальные зоны повышенных концентраций в морской воде гелия-3 (полагают, что он образуется в мантии земли), а также железа, марганца и других элементов.

              Для справки: Рифт (от англ.  Rift - щель, расселина) - крупный линейный прогиб в земной коре, образующийся в месте ее разрыва в результате растяжения. Рифты образуются на границах расходящихся литосферных плит или их континентальных фрагментов. Процесс расхождения носит название дивергенция и приводит к спредингу - образованию океанической коры.

            Океанические рифтовые зоны достигают ширины 200 км., глубины 1,5 км. и размещаются по оси срединно-океанических хребтов, возвышающихся над поверхностью дна до 3 км. Общая длина всех срединно-океанических рифтов Земли составляет около 60 тыс. км. В них наблюдается самая тонкая земная кора - около 7 км. Мантийное вещество иногда даже изливается на поверхность морского дна в виде лав.

            Ученые давно мечтали увидеть своими глазами дно океана на больших глубинах. Для этого были созданы подводные обитаемые аппараты (ПОА), способные автономно перемещаться. По существу это комбинация миниатюрной подводной лодки и батискафа. Первые глубоководные ПОА были способны погружаться до глубины 3000 метров. В 1964 году в США построили аппарат "Алвин" с массой 16,5 тонн и максимальной глубиной погружения 4500 метров. Позже были построены ПОА, способные погружаться до глубины до 6000 метров ("Си клиф", "Наутилус", "Пайсис", "Мир"). Все они получали энергию для движения от аккумуляторов, имели манипуляторы для взятия образцов и иллюминаторы для визуального наблюдения, Экипаж ПОА составлял три человека: один пилот и два наблюдателя.

             На ПОА "Алвин" в марте 1978 года в районе Галапагосского рифта было совершено открытие "черных курильщиков". На глубине порядка 2600 метров наблюдатели увидели удивительное образование. Из конусовидных образований (труб) высотой в несколько метров вверх били гигантские струи черной жидкости, а вокруг труб в изобилии кишели обитатели дна. Черные струи туже получили название Black smoker - черные курильщики.

             В дальнейшем ученые установили, что температура жидкости на выходе из трубы составляет порядка 350оС, но из-за высокого давления она не кипит. Современные представления об образовании черных курильщиков сводятся к следующему.

           Вблизи магматических очагов, где магма поднимается к поверхности дна океана, она вступает в контакт с морской водой. Расплав с температурой порядка 1200оС нагревает воду до 500 - 800оС. Горячая вода вымывает из базальта минеральные вещества, расширяется, и начинает двигаться к поверхности в область более низкого давления. При смешении горячих струй с придонной морской водой, температура которой обычно равна 4оС, минеральные вещества начинают выпадать в осадок. Их концентрации в водах курильщиков в 100 миллионов раз выше, чем в морской. В основном это сульфиды меди и цинка, в меньшей степени железа, никеля. Из них образуются характерные конусовидные постройки, высотой до двадцати метров над окружающим дном. Диаметр участков, где расположены конуса, в некоторых случаях составляет сотни метров.

             Гипотеза об активной гидротермальной деятельности в глубоководных частях океана блестяще подтвердилась. Геологи получили уникальную возможность наблюдать механизм образования колчеданных месторождений, которые часто встречаются на суше. Они захоронены в осадочных породах древних океанов и ранее происхождение их трудно поддавалось объяснению. Но сам факт их существования свидетельствовал о том, что черные курильщики функционировали на самых ранних стадиях эволюции земной коры. Из гидротермальных месторождений в мире добывается до 20% меди, свинца и некоторых благородных металлов. В России такие месторождения характерны, например, для южного Урала.

             Кроме черных курильщиков на дне океана были обнаружены и другие гидротермальные проявления названные белыми курильщиками. Вот как описывается это событие в интернет - публикациях.

               "В подводном горном массиве в центре Атлантического океана были обнаружены белые конусы высотой до 60 м, рядом с которыми находятся образования более причудливой формы, а также многочисленные расщелины, заполненные белой породой. Эти термальные источники нового типа были названы "белыми курильщиками" или "затерянным городом" (англ. Lost City). "Белые курильщики" сложены из карбонатных пород. Вода, изливающаяся из них, нагревается за счет энергии, выделяющейся при реакции, протекающей между растворенными в морской воде веществами и оливином. Во время реакции оливин превращается в другой минерал - серпентин. При этом выделяются метан, водород и избыточное тепло. Изливающаяся вода разогрета меньше, от 15 - 20 до 50 - 80R C. В осадок выпадают такие минералы, как кальцит арагонит и брукит. Соединения серы и железа почти не присутствуют, источники распознаются по световым бликам в местах выхода водяных струй из глубины".

              Открытие гидротермальных источников было научной сенсацией ХХ века не только для геологов, но и для биологов. Геологи утверждают, что гидротермальные источники вносят значительный вклад в тепловой баланс Земли. В суммарном исчислении это около 20%. Черные курильщики извергают ежегодно порядка 3 на 10 в девятой степени тонн разогретого до 350 - 400о С раствора, а белые - 6 на 10 в 11 тонн.

            У биологов свои проблемы. С помощью дистанционных исследований, полученных с помощью буксируемого аппарата "Аргус", непрерывно фотографирующим дно с дистанции 20 метров, в районе рифта были получены снимки необычных организмов. Но искать на дне фактически конкретные точки - все равно, что искать иголку в стоге сена. Из-за дрейфа судна-носителя и буксируемого аппарата получаемые координаты интересных кадров были весьма приближенными. Для нахождения этих локальных участков на большой глубине требовались высокоточные глубоководные системы навигации и применение ПОА. Как оказалась, затраченные усилия не оказались напрасными. Получилось так, что одновременно с геологами, биологи тоже сделали открытие.

           Дело в том, что вокруг белых и черных курильщиков образовались уникальные, ранее неизвестные формы жизни. Вот как описывают свои первые впечатления участники погружения на ПОА "Алвин" в марте 1977 года Дж. Корлисс и Дж. Эдмонт:

           "... мы оказались в оазисе. Рифы из мидий и целые поля двухстворок, крабы, актинии и крупные розоватые рыбы казалось, купались в мерцающей воде. Внутри круга диаметром около ста метров теплая вода струилась из каждой расселины, каждого отверстия на морском дне. Температура воды была различной, но максимальная составляла 17о С. Организмы, оказались довольно разборчивыми - они забивались в отверстия с наиболее теплыми струями. Мы проработали до полного истощения запаса энергии". Далее в описании встречаются такие эмоциональные выражения как "Райский сад", "Розовый сад", "Мидиевая банка".


             После подъема ПОА водоотборники с пробами воды были немедленно переданы в судовую лабораторию. К утру стало ясно, что воды всех теплых источников характеризуются высоким содержанием сероводорода (Н2S) и в них широко представлены хемосинтезирующие бактерии, для жизни которых сероводород необходим. Было выяснено также, что ряд обитающих здесь животных питается не внешним органическим веществом, а веществом внутреннего происхождения, получаемого ими от населяющих их тело хемосинтезирующих бактерий.

               Подробное описание уникальных биоценозов ранее неизвестного механизма развития, существующих вокруг черных курильщиков, приводится в интересной книге французского биолога Люсьена Лобье (1986г). Она опубликована в 1990 году на русском языке и называется "Оазисы на дне океана" (Ленинград, Гидрометеоиздат, 1990г. - 144 с.).

              Что касается белых курильщиков, то их фауна также разнообразна, хотя и не столь уникальна, как у "черных". Здесь обитают губки и кораллы, морские ежи и крабы. Но, как и "черные курильщики", "белые" покрыты бактериальными матами. Все эти бактерии и археобактерии питаются метаном и водородом.

            Какие выводы можно сделать из книги Лобье и других источников, описывающих биологический феномен черных курильщиков?

   1. Жизнь может зарождаться, развиваться и существовать в океане в полной темноте (значит без фотосинтеза) вокруг локальных выходов термальных вод. Причем, по сравнению с окружающим дном океана, гидротермальное сообщество поражает невероятно высокой биомассой - в 10000 и 100000 раз больше. Это дало основание совершенно иначе оценить роль абиотических факторов в развитии биологических сообществ.

   2. В пищевой цепочке первую ступеньку занимают бактерии. Они питаются сероводородом, метаном и, в свою очередь, служат пищей для более крупных организмов. Иногда они образуют симбиоз с крупными организмами. Все это происходит с невероятной эффективностью (если хотите с невероятным для биосистем КПД). Как отмечает Лобье: "Если в пищевой пирамиде перенос органического вещества с одного уровня на другой, вышестоящий происходит с 10% отдачей всего органического вещества, то здесь налицо экологический парадокс".

   3. Фридрих Энгельс в свое время высказал такой тезис; "Жизнь есть способ существования белковых тел". Но белок существует в диапазоне определенных температур и давлений. На поверхности земли белок яйца при температуре 90 - 100оС сворачивается. А термофильные бактерии в полной темноте и под большим давлением воды выживают при температуре 350оС. Это значит, что белковая жизнь может существовать и на других планетах, более горячих, чем Земля и при огромных давлениях.

   4. Не исключено, что жизнь на нашей планете зародилась благодаря гидротермальным источникам. И все, ранее неизвестные науке подводные обитатели у подводных терм, являются живыми ископаемыми, подобно рыбе целокант.

            Существует пока и ряд вопросов, на которые биологи не нашли ответа. Например, Лобье справедливо замечает: "Физико-химические условия, складывающиеся у гидротермальных источников и способствующие развитию оазисов жизни на глубинах, не долговечны. В случае единичного гидротермального излияния, длительность его функционирования составляет максимум несколько сотен лет, а может быть и меньше. Часто наблюдаются сообщества регрессирующие. Именно это основополагающее наблюдение рождает вопрос, каким образом виды, строго связанные с гидротермальной деятельностью расселяются от одного месторождения к другому". Происходит ли это с помощью глубоководных течений или иным способом - неясно.

             В заключение, приведем выдержку из интервью профессора МГУ Виктора Старостина в 2007 году на "Радио Свобода". Он был участником ряда подводных экспедиций на российском ПОА "Мир" (того самого, с которого Д. Кэмерон снимал сцены в кинофильме "Титаник"):

           " Показателем мирового интереса к феномену, названному "курильщиками" является то, что когда исследовательское судно берет пробы, либо спускаемый аппарат, либо он просто опускает трал, либо батискаф, чтобы зафиксировать это место, они ставят буй в виде шара. Буй фиксирует то место, которое изучено этой экспедицией.

                Когда вы плаваете на известных рудопроявлениях, то как на Бродвее, вы видите вывески, вот эти флажки, которые демонстрируют, что здесь была японская экспедиция - это их значок, там были французы, они брали пробы или немцы. Это все как раз говорит о широком и глубоком интересе мировой науки к таким явлениям. Уже существует подводный туризм. Посетить какой-либо "курильщик", пожалуйста - 50 тысяч долларов, вы можете спуститься и проплыть вокруг "курильщиков". Там совершенно неподражаемая природа".
 
Популярный фильм можно посмотреть
Черные курильщики https://www.youtube.com/watch?v=BFmx2crAmRs