Источники формируются в зонах спрединга — местах медленного (от 1–2 до 18–20 см в год) раздвигания огромных блоков земной коры (литосферных плит), перемещаемых во внешнем слое полужидкой оболочки ядра Земли — мантии. Здесь раскаленное вещество оболочки (магма) изливается наружу, образуя молодую кору в виде срединно-океанических горных хребтов, общая протяженность которых составляет более 70 000 км.
По трещинам молодой коры воды океана проникают в недра, пересыщаются там минеральными веществами, разогреваются и снова возвращаются в океан через гидротермальные источники. Самые горячие источники похожей на дым черной или темной воды называют черными курильщиками; более холодные источники белесоватой воды — белыми курильщиками.
Источники представляют собой излияния теплой (до 30–40° С) или горячей (до 370–400° С) воды, так называемого флюида, перенасыщенного соединениями серы, железа, марганца, ряда других химических элементов и мириадами бактерий, живущих при температурах до 110° С.
Вода вблизи вулканов почти пресная, очень кислая и насыщена сероводородом. Напор изливающейся лавы так силен, что облака бактерий, окисляющих сероводород, поднимаются на десятки метров над дном, создавая впечатление подводной метели. «Каминные трубы» курильщиков растут на этой «жидкой руде» с фантастической быстротой: иногда по несколько метров в месяц.
Внешние края расходящихся плит задвигаются под соседние плиты (зоны субдукции и образования желобов), погружаются в мантию и затем постепенно расплавляются в недрах. Край надвигающейся верхней плиты сминает и сжимает толщи осадков, накопившиеся на нижней плите, выдавливая грунтовые воды, насыщенные сероводородом и метаном, в виде холодных (несколько градусов С°) сочений (сипингов или сипов).
За первые 20 лет (1977–1997) изучения необычайно богатой гидротермальной фауны обнаружено более 450 видов животных. Из них 97 % оказались новыми для науки. По мере открытия новых источников и углубления изучения уже известных постоянно происходит открытие новых и новых видов организмов.
Биомасса гидротермальных животных достигает 52 и более килограммов на квадратный метр или 520 тонн в пересчете на гектар. Это в 10–100 тысяч раз превышает биомассу на примыкающем к срединно-океаническим хребтам океаническом ложе.
Гидротермальные источники на дне Мирового Океана и связанная с ними особая чрезвычайно богатая и крайне экзотическая фауна — одно из самых грандиозных открытий ХХ века (1977 год).
Был открыт фантастический мир, в котором воды океана, соприкасаясь с раскаленными недрами Земли, дают начало богатейшей жизни — настоящим оазисам среди пустынных ландшафтов морских глубин.
Ошеломляющее впечатление произвели первые фотографии, сделанные из погружаемых аппаратов, на которых удалось запечатлеть заросли белых трубок до 2,5 метров длиной с торчащими из них ярко-красными султанами щупалец. Оказалось, что эти гигантские трубки заселены огромными, ранее неизвестными ученым, червями, которых назвали вестиментиферами. Строение этих червей было настолько необычно, что их сразу выделили в отдельный класс Vestimentifera в составе типа Pogonophora.
Черви, живущие в кожистых трубках, составляют основу сообществ гидротермальных организмов в Тихом океане. У самых крупных экземпляров Riftia pachyptila трубки достигают длины 2,5 м при толщине стенки до 3 мм. Во многих случаях трубки отдельных особей срастаются вместе, образуя разветвленные «деревья». Стенки трубок состоят из белка и хитина, а цвет их зависит от наличия тех или иных солей металлов в окружающей среде. Например, разнообразная (от беловатой до коричневой) окраска трубок у Ridgeia piscesae обусловлена наличием солей железа, никеля, титана, хрома, ванадия.
Передний конец тела червя несет сложный щупальцевый аппарат. Центральные щупальца богато снабжаются кровью, насыщенной дыхательным пигментом гемоглобином, и имеют ярко-красный цвет. Через них осуществляется газообмен. Одна из характерных особенностей вестиментифер — тяж губчатой ткани, занимающий большую часть туловища. Эта ткань, названная трофосомой, служит вместилищем симбиотических бактерий, которые могут занимать более 30% ее объема. Симбионты способны использовать ядовитый сероводород, в большом количестве выделяющийся при извержении курильщиков, в качестве источника пищи.
Процесс получения органических веществ при окислении неорганических соединений называется хемосинтезом и, в отличие от фотосинтеза, не требует наличия света. Бактерии — ключевое звено всей пищевой пирамиды в экосистемах гидротермальных источников, способные окислять соединения серы, широко распространены в гидротермальных биотопах в зонах вулканической активности не только в океане, но и на суше. Они обеспечивают окисление сульфидов, ядовитых для тканей многоклеточных животных.
Помимо серных бактерий в трофосоме Riftia pachyptila обнаружены хемоавтотрофные бактерии, использующие в качестве источника углерода углекислый газ. Кроме способностей к хемоавтотрофному питанию, некоторые симбиотические бактерии способны также к нитратному дыханию, т. е. к использованию нитрата в качестве акцептора водорода в бескислородной среде. Способность симбионтов вестиментифер к нитратному дыханию дает возможность червям заселять бедные кислородом биотопы.
Часть видов гигантских червей поселяется плотными колониями, приуроченными непосредственно к зоне выхода магмы из жерла черного курильщика. В этих биотопах очень резко выражен перепад температур, заметный на глаз (из иллюминатора подводного аппарата) по характерному мерцанию воды, подобно воздуху над разогретым песком или асфальтом. Вестиментиферы гидротермальных оазисов способны выдерживать перепады температур до 60° С. Свои трубки черви прикрепляют к твердым породам не более чем в 1–1,5 метрах от жерла курильщика.
Так же, как и вестиментиферы, симбиотическими бактериями питаются двустворчатые моллюски родов Archivesica, Bathymodiolus, Calyptogena и Ectenagena, размером 18–25 см, обитающие в трещинах грунта среди холодных и горячих сочений, и крупные брюхоногие моллюски из рода Alviniconcha. У этих моллюсков, как и у вестиментифер, кишечник полностью отсутствует.
Лишь отчасти за счет симбионтов (функционирует и кишечник) живут крупные брюхоногие моллюски из рода Ifremeria и колониальные многощетинковые помпейские черви из родов Alvinella и Paralvinella, устилающие сплошным ковром поверхности внешних стенок кратеров.
Помпейские черви строят тонкие кожистые трубки на склонах вулканов, где температура извергающегося потока превышает 100°. Ученые, погружавшиеся к черным курильщикам в подводных аппаратах, наблюдали, как помпейские черви плавали около своих трубок, где температурный датчик показывал 105° С. Проведенные эксперименты подтвердили уникальные способности этих животных. Ученым удалось провести длительные измерения температуры в глубине трубок червей и около их входа. Оказалось, что температура воды у наружного отверстия трубки составляет 20–24° С, а у хвоста червя 62–74° при максимальных отметках 80°. То есть разница температуры между головой и хвостом червя, длина которого 6–8 см, достигает 60°. Кроме того, время от времени червь вылезает из трубки и плавает вокруг, удаляясь на расстояние до 1 метра, где температура воды понижается уже до +2° С. Такие же измерения провели в пустых трубках червей, но разницы между заселенными червями и пустыми трубками не оказалось. Таким образом, помпейские черви не имеют никаких приспособлений для самостоятельной регуляции температуры тела, что не мешает им окунаться в кипяток и погружаться в ледяную воду.
Бактериями-симбионтами, обрастающими поверхности их жаберной полости и сами жабры, питаются многочисленные креветки рода Rimicaris, образующие огромные скопления прямо на источниках в Атлантическом океане. Креветки полностью лишены органов зрения, зато обладают особым органом чувств, расположенным на спине. С помощью этого органа рачки воспринимают тепло и определяют выходы горячих струй, чтобы, не удаляясь чрезмерно от источника, в то же время не свариться в кипятке.
Такая тонкая регуляция температуры необходима для выращивания «бактериального огорода» — симбиотических бактерий, которых креветки «культивируют» на своих ротовых конечностях. Челюстные ножки раков покрыты густым покровом щетинок, на которых и поселяются нитчатые бактерии-симбионты. Кроме того, бактерии заселяют внутренние боковые поверхности панциря креветок, образуя хорошо различимый беловатый налет. На ротовых конечностях он напоминает иней, заметный даже невооруженным глазом. Для жизнедеятельности бактерий необходима довольно высокая концентрация сероводорода, а креветки в свою очередь питаются своими симбионтами. Чтобы обеспечить бактерий необходимым им сероводородом, раки вынуждены держаться на определенном расстоянии от «курильщика», где концентрация газа соответствует потребностям бактерий-кормильцев.
Колониями свободноживущих бактерий питаются креветки родов Alvinocaris, Mirocaris и Chorocaris, располагающиеся зонально вокруг скоплений римикарисов.
За счет всех других групп кормятся специфические хищники гидротермали: слепые белые крабы родов Bythograea и Cyanograea. К ним присоединяются обычные широко распространенные хищники глубин, например, крабоиды Neolithodes, Paralomis, а также некоторые рыбы.
Открытие сообществ гидротермали показало, что Солнце, хотя и главный, но не единственный источник энергии для жизни на Земле.
Основная масса органического вещества (первичная продукция) на нашей планете создается из углекислого газа и воды в сложнейших реакциях фотосинтеза только благодаря энергии солнечного света, поглощаемой хлорофиллом наземных и водных растений — продуцентов.
Растения-продуценты поедаются растительноядными животными — консументами первого порядка, которыми питаются хищники — консументы второго порядка. После естественной смерти тех и других специфические бактерии (редуценты) разлагают их тела до простых органических и неорганических соединений. Так продуценты, консументы и редуценты цепочкой пищевых (трофических) связей объединены в сообщество. Эта жизнь, питаемая энергией солнечного света, получила название фотобиос.
В гидротермали синтез органического вещества основан только на энергии химических связей. Ее освобождают десятки видов бактерий, окисляя выносимые источниками соединения железа и других металлов, серы, марганца, сероводорода и метана. Освобождаемая энергия идет на поддержание сложнейших реакций хемосинтеза, в процессе которых из сероводорода или метана и углекислого газа синтезируется бактериальная первичная продукция. На утилизации бактериальной продукции строится сообщество, связанное такой же, как в фотобиосе, трофической цепью. Эта «другая жизнь», существующая только благодаря химической, а не солнечной энергии, получила название хемобиос.
Роль хемобиоса в жизни Мирового океана исследована еще недостаточно, но уже очевидно, что она весьма значительна.
Экспозиция, смонтированная в нижнем зале музея, богато иллюстрирована цветными схемами и фотографиями, снятыми в гидротермальных биотопах с подводных аппаратов «Мир-1» и «Мир-2», и включает, помимо препаратов основных представителей гидротермальной фауны, два натуральных геологических объекта — вершину курильщика на стадии угасания и фрагмент «каминной трубы» — осевого канала курильщика. Особый интерес представляет уникальный препарат гигантской вестиментиферы Riftia pachyptila Jones, 1981 длиной около 80 см.
Проект экспозиции разработан в Зоологическом музее при участии Института океанологии РАН (предоставление биологических и геологических объектов, фотографий, видеозаписей и консультаций) и финансовой поддержке «Института Открытое Общество» «Фонда Дж. Сороса» (грант № A1G703). Основной вклад в создание экспозиции внес сотрудник сектора беспозвоночных животных музея Михаил Владимирович Гептнер, в художественном оформлении экспозиции приняли участие Елена Николаевна Букварева и Евгений Александрович Коблик.
Выставка работает ежедневно, кроме понедельника. Санитарный день — последний вторник каждого месяца. Время работы: с 10.00 до 17.00.
Стоимость билетов:
Взрослые - 200 рублей. Школьники, студенты и пенсионеры — 50 руб.
Тел.: (495) 629-44-35
Подробнее на сайте http://zmmu.msu.ru