Kominy hydrotermalne: gorąca krew oceanów

W całkowitej ciemności parę kilometrów pod powierzchnią oceanu, dziwaczne kominy wypluwają wrzątek i chmury toksycznego „dymu”. To właśnie w takich warunkach narodziło się życie na Ziemi

David Perlman stał się wrogiem naukowców. Gdyby wiedzieli, co znajdą na dnie oceanu, zapewne nie zaprosiliby na pokład statku tego dziennikarza z „San Francisco Chronicle”. „Miałem po prostu przygotować reportaż o pracy oceanografów” – opowiada „Focusowi” Pearlman. Dlatego redakcja wysłała go na rejs w rejon ryftu Galapagos. To tutaj płyty oceaniczne, które tworzą podmorskie dno, odsuwają się od siebie, a pustkę między nimi wypełnia wypływająca z głębin Ziemi magma. Nie jest to zbyt przyjemne miejsce. Roztopione skały ogrzewają wodę do ogromnych temperatur, do tego trzeba też dodać toksyczne substancje oraz wybuchające co jakiś czas wulkany.

W roku 1976 oceanolodzy dostrzegli w tej okolicy coś dziwnego. Z dna oceanu sterczały słupy, z których w toń wodną buchało coś na kształt kłębów czarnego dymu. Struktury te nazwano kominami hydrotermalnymi. Wydobywała się z nich woda, która wcześniej przesiąkła przez dno morskie i – po kontakcie z magmą – rozgrzała do temperatury 300–400 stopni Celsjusza. Jednocześnie nasyciła się ciężkimi metalami, siarką i innymi toksycznymi związkami. Tak spreparowana mieszanka wracała do oceanu, a po zetknięciu z chłodną morską wodą gwałtownie się oziębiała. Część zawartych w niej minerałów osadzała się wokół, tworząc kominy. Inne substancje wytrącały się z roztworu, ale pozostawały w gorącej wodzie – to był właśnie ów dym.

Rok później geolodzy wrócili w rejon ryftu Galapagos, żeby dokładniej zbadać nowe zjawisko. Na wyprawę zaprosili Davida Perlmana. Zabrali ze sobą załogową łódź podwodną Alvin. Gdy dotarli nią w pobliże kominów, ujrzeli nieziemski świat. Wokół nich kłębiły się nieznane dotąd nauce organizmy – z dala od światła, wśród trującego siarkowodoru, metali ciężkich i ekstremalnie wysokich temperatur! Naukowcy zrozumieli, że to odkrycie trafi na czołówki gazet, ale chcieli sami to ogłosić światu. Zabronili więc Perlmanowi pisania artykułu i odcięli mu dostęp do telefonu. Ale dziennikarz nie poddał się. Przygotował tekst i dzięki tajnej umowie z marynarzami przez słuchawkę radiotelefonu nadał go do redakcji. Następnego dnia artykuł się ukazał, a świat wpadł w zachwyt. Od tego czasu minęło ponad 30 lat, kominy hydrotermalne odkryto zaś w wielu innych miejscach. Nadal jednak zaskakują naukowców. I nie są już tylko ciekawostką. Wiadomo teraz, że bez tego fenomenu oceany wyglądałyby – i smakowały – zupełnie inaczej. Ba, być może nawet ewolucja organizmów żywych poszłaby zupełnie innym torem!

SOJUSZ BAKTERII Z ROBALAMI

Kiedyś biolodzy uważali, że różnorodny ekosystem musi być zasilany energią słoneczną – rośliny wykorzystują ją, by produkować substancje odżywcze, które potem przyswajają zwierzęta. Owszem, znane były samożywne bakterie obywające się bez światła. Pobierają energię z utleniania amoniaku, siarkowodoru, metanu czy wodoru. Nie sądzono jednak, by takie mikroby mogły pełnić podobną funkcję ekologiczną jak rośliny.

A właśnie tak dzieje się wokół kominów hydrotermalnych. W ryfcie Galapagos łańcuch pokarmowy zaczyna się od bakterii utleniających siarkowodór. Weszły one w ścisłą współpracę z niemal dwumetrowymi pierścienicami z grupy rurkoczułkowców (rodzaj Riftia). Te ogromne robale mieszkają w chitynowych rurkach przytwierdzonych na stałe do skały. Na zewnątrz wystawiają jedynie intensywnie czerwone pióropusze. Kolor nadaje im hemoglobina – związek, który w naszej krwi zajmuje się transportem tlenu i dwutlenku węgla. U rurkoczułkowców ma ona nieco inną budowę, dzięki czemu może wiązać się zarówno z tlenem, jak i siarkowodorem. Oba te związki krew zwierząt przenosi do organu zwanego trofosomem, w którym żyją sobie wygodnie „zaprzyjaźnione” bakterie. Łączą siarkowodór z tlenem, wytwarzając energię, którą wykorzystują do produkcji substancji odżywczych. Część przekazują rurkoczułkowcowi jako „zapłatę”. Zwierzęta tak się uzależniły od tych dostaw, że całkowicie utraciły zdolność do samodzielnego zdobywania i trawienia pożywienia. Nie mają nawet układu pokarmowego!

FOTOSYNTEZA PO CIEMKU

 

Wokół pacyficznych kominów również inne wielokomórkowe zwierzęta nawiązały stałą współpracę z bakteriami. Tym razem to małże z gatunku Calyptogena magnifica. Mikroorganizmy przechowują „własne” mikroby w skrzelach. Prawdopodobnie przekazują je sobie z pokolenia na pokolenie, zaopatrując w pakiet bakterii swoje jaja. Kominy hydrotermalne w Atlantyku opanowały z kolei spółki bakteryjno bakteryjno-krewetkowe. Gatunek Rimicaris exoculata występuje tam w ogromnych ławicach, w zagęszczeniu dochodzącym do 40 tys. osobników na metr sześcienny wody! Te skorupiaki nie mają typowych dla krewetek oczu. „Zamiast tego posiadają parę zrośniętych organów wzrokowych, które zawierają duże stężenie wrażliwych na światło pigmentów” – pisze Carolyn Scearce w „CSA Discovery Guides”. Te fotoreceptory prawdopodobnie przystosowały się do wykrywania promieniowania bijącego z kominów hydrotermalnych. Są bardziej wrażliwe na podczerwień niż na światło widzialne.

Wokół kominów hydrotermalnych napotyka się także osiadłe wieloszczety. To pierścienice, które podobnie jak rurkoczułkowce budują rurki mieszkalne, ale przeciwnie do nich mają w pełni funkcjonalny układ pokarmowy. Na powierzchni ich ciała tworzą się maty bakterii, więc możliwe, że i wieloszczety jakoś z nimi współpracują. Inne stworzenia w tych ekosystemach żywią się mikrobami, pierścienicami lub krewetkami. Można tu spotkać kraby, ukwiały, ślimaki, wirki, pąkle i ryby. Uczeni doliczyli się blisko 500 gatunków, żyjących w pobliżu kominów, i ciągle odkrywają nowe. Kilka lat temu znaleźli pod wodą bakterię, która zdobywa energię na drodze fotosyntezy. Jak to możliwe w bezkresnej ciemności panującej na tych głębokościach? Kominy promieniują, a część tego promieniowania mieści się w zakresie światła widzialnego. Niewiele tego, ale bakterii wystarcza.

ZUPA TRAFIA DO LAMUSA

Zupełnie inne organizmy zamieszkują „Zagubione miasto” w Atlantyku. Nie wypływa tam żadna lawa, nie ma wulkanów, a temperatura wody w kominach osiąga nie 300, ale 40–90 st. C. Zamiast „czarnych dymów” są białe wapienne skały, woda zaś ma odczyn nie kwaśny, lecz zasadowy. Ciepło bierze się z reakcji chemicznych, jakie zachodzą, gdy woda morska styka się z głęboko położonymi skałami płaszcza Ziemi. Tutejsze samożywne bakterie czerpią energię z metanu i wodoru. Nie wchodzą też w symbiotyczne układy ze zwierzętami. Tworzą po prostu maty na powierzchni skał. Te zgrupowania mikroorganizmów są z kolei zjadane przez ślimaki i skorupiaki z grupy obunogów. Spotyka się także pierścienice, małże, kraby, ryby oraz rozmaite bezkręgowce.

W 2008 r. odkryto tutaj proces, który sytuuje się na pograniczu „martwej” chemii i świata organizmów żywych. Zespół Giory Proskurowskiego z Woods Hole Oceanographic Institution ogłosił w „Science”, że kominy „Zagubionego miasta” samoczynnie produkują materię organiczną. W reakcji morskiej wody, skał i uwięzionego w nich dwutlenku węgla tworzą się proste węglowodory – na niespotykaną wcześniej skalę. Proskurowski twierdzi, że to zjawisko pomaga zrozumieć, jak powstało życie na Ziemi i może również na innych planetach. W kominach „Zagubionego miasta” znajdują się przecież zarówno źródła energii (w postaci metanu i wodoru), jak i organiczny budulec do wytworzenia komórek pierwszych organizmów.

Tę teorię wsparły ostatnio badania uczonych z Wielkiej Brytanii i Niemiec. Zakwestionowali oni obowiązujący od ponad 80 lat dogmat, jakoby życie powstało stawie wypełnionym substancjami odżywczymi. „Tyle tylko, że taka »zupa życia« nie zawiera żadnego źródła energii, niezbędnego do powstania organizmów żywych” – wyjaśnia prof. William Martin z Institut für Botanik III w Düsseldorfie. Zdaniem badaczy tylko środowisko podobne do tego, które dziś można spotkać w okolicy kominów hydrotermalnych, spełniało wszystkie niezbędne warunki do rozwoju życia.

WSZYSTKIE SMAKI MÓRZ

Jakby tego było mało, podwodny „czarny dym” wydobywający się z kominów wywiera wielki wpływ na chemię oceanów. Zawiera on bowiem bardzo dużo żelaza, a także mangan, lit, potas, cynk oraz miedź. Pierwiastki te są wypłukiwane przez gorącą wodę ze skał i wzbogacają skład mineralny morskiej wody. Jednocześnie woda ta przesiąka przez dno wokół kominów hydrotermalnych i w czasie tego procesu traci magnez. Nadmiar tego pierwiastka zostaje zatem złożony w skałach. A więc gdyby nie kominy hydrotermalne, nawet słona morska woda smakowałaby trochę inaczej…

Więcej:Przyroda