Мир путешествий и приключений - сайт для нормальных людей, не до конца испорченных цивилизацией

| планета | новости | погода | ориентирование | передвижение | стоянка | питание | снаряжение | экстремальные ситуации | охота | рыбалка
| медицина | города и страны | по России | форум | фото | книги | каталог | почта | марштуры и туры | турфирмы | поиск | на главную |


OUTDOORS.RU - портал в Мир путешествий и приключений

На суше и на море 1984(24)


ГАЛАПАГОССКИЙ ФЕНОМЕН: ОТКРЫТИЕ НОВОГО МИРА?

ГАЛАПАГОССКИЙ ФЕНОМЕН: ОТКРЫТИЕ НОВОГО МИРА?

Начиная с «Затерянного мира» Конан Дойла, одной из самых популярных тем в научной фантастике стала встреча людей с необычными существами: первобытными организмами на изолированных участках Земли или неизведанными формами жизни на других планетах. И вот недавно такая встреча состоялась. При этом открытии, поразившем биологов всего мира, было все, что вызывает у людей интерес к науке: оказавшиеся верными забытые идеи гения и отвергнутые безумные построения теоретиков, смелые гипотезы и точные наблюдения, бесстрашные рейды естествоиспытателей-акванавтов и утонченная современная техника, познанные тайны и проекты практического использования патентов Природы...

Летом 1977 г. исследовательская подводная лодка «Алвин» совершала погружения в Тихом океане. Акванавты — геологи и химики Вудс-Холлского океанографического института США — проводили на глубинах до 3 км геологические исследования подводного хребта в зоне разломов земной коры (рифтов) на широте островов Галапагос. Среди задач этой геологической экспедиции была одна не совсем обычная. В 1965 г. американский геофизик Дж. Ельдер выдвинул гипотезу, согласно которой в глубоководных рифтовых зонах на дне океана должны бить источники горячей воды (гидротермы), температура которой в точке выхода может достигать 300° С и даже выше! В районах выхода гидротермов, содержащих сероводород, возможно осаждение сульфидов металлов.

Действительно, в 1974 г. измерениями с кораблей с помощью погружаемых приборов температурные аномалии вод были обнаружены на глубинах 2500 — 2600 м в районе Галапагосского рифта. Теперь американским ученым предстояло погрузиться на подводной лодке на дно океана и увидеть своими собственными глазами, как все это выглядит.

Особый интерес такие непосредственные глубоководные наблюдения гидротермальных источников представляли, по-видимому, для группы советских океанологов, которые в 1976 г. опубликовали и доложили на 23-м Международном географическом конгрессе результаты построения и анализа простой модели распределения жизни в океане, основанной на забытых идеях великого русского биогеохимика В. И. Вернадского о решающем влиянии границ раздела и контакта с атмосферой, дном и берегом, другими водами. Среди этих результатов модельных анализов- был один совершенно неприемлемый вывод. Получалось, что в тех глубоководных районах, где есть источники выхода вещества земной коры (гидротермы, вулканы и т. п.), создающие дополнительную «жидкую границу» раздела вод, повышается вероятность скопления организмов («сгущения» жизни, по В. И. Вернадскому). Если же при этом соседствуют бескислородные воды, содержащие сероводород, т. е. имеется еще одна граница раздела, называемая американцами oxic-anoxic interface, то в таких местах могут существовать настоящие оазисы жизни.

Подобного не может быть, по современным представлениям гидробиологов. На то есть две причины.

Первая причина. Хорошо известно, что источник всего живого на Земле — Солнце. Поэтому глубины океана — абиссаль, куда совершенно не проникает солнечный свет, пустынны. Действительно, органическое вещество — пища и для микроорганизмов, и в конечном счете для крупных животных — создается (синтезируется, как говорят химики) зелеными растениями в океане, в основном фитопланктоном, из углекислого газа и воды с помощью солнечного света. Этот процесс — фотосинтез — протекает лишь в верхнем, достаточно освещенном, приблизительно стометровом слое, так называемом фотическом. Здесь же и в близлежащих слоях скапливается питающийся фитопланктоном зоопланктон, кормящиеся планктоном организмы, а также хищники, расположенные на конечных звеньях этой пищевой цепи. Подавляющую часть биомассы составляет планктон — мелкие организмы. Оставшиеся после их гибели мелкие фрагменты тел, совокупно называемые детритом (от лат. detritus — истертый), должны оседать в глубины океана, согласно закону Стокса, с такой малой скоростью, что в основном они успевают разложиться и окислиться до того, как достигнут дна океана. Таким образом, они тоже не могут в достаточной степени служить пищей для глубоководного бентоса — организмов, обитающих на дне, во всяком случае для больших скоплений бентоса.

Вторая причина неприемлемости странного вывода очевидна: без кислорода жизни почти нет, исключение составляют лишь некоторые бактерии, а сероводород даже в ничтожных концентрациях — яд. Например, для человека предельно допустимая концентрация сероводорода в воздухе составляет 0,01 мг/л. В общем, к этому странному выводу следовало относиться как к математическому курьезу, издержкам моделирования.

При погружении «Алвина» в 380 км к северо-западу от островов Галапагос и в 1000 км западнее Эквадора на глубине 2500 — 2800 м акванавты действительно обнаружили бьющие со дна на высоту до 3 м фонтаны голубоватой мутной горячей воды и... пышные оазисы жизни, которые простирались среди окружающей пустыни на несколько десятков метров вдоль щелей с выходами гидротермов. Сообщение акванавтов вызвало переполох среди биологов всего мира. В первых сообщениях говорилось о каких-то новых, неизвестных науке существах, более 80 разновидностей. Например, о двухметровых червях, не имеющих ротового отверстия и поэтому непонятно как питающихся. Назревала сенсация.

Западная пресса действительно поспешила назвать это открытие крупнейшей сенсацией в биологии за последние 10 лет. О находке сообщили научно-популярные издания и газеты всего мира. Французское научно-популярное издание «Наука и будущее» высказалось об этом так: «По мнению некоторых ученых, открытия, сделанные в этих глубинных районах, можно сравнить разве что со знакомством с живыми организмами на какой-либо другой планете. Любые формы жизни, известные до настоящего времени на Земле, обязаны своим существованием Солнцу. Теперь открыт мир, от него не зависящий...»

Сказанное справедливо, конечно, не для любых форм жизни. Еще в конце прошлого века русский ученый С. Н. Ви-ноградский обнаружил «форму жизни», которая не зависела от солнечного света. Это бактерии, живущие, например, в сернистых источниках и способные синтезировать органическое вещество из углекислого газа и... сероводорода, исполь-

зуя для этого не энергию квантов света, а энергию окисления химического вещества — сероводорода. Этот процесс получил название хемосинтеза органического вещества в отличие от фотосинтеза. По мнению советского микробиолога Ю. И. Сорокина, бактериальный хемосинтез играет заметную роль в океане. Но одно дело — отдельные невидимые глазом хемосинтезирующие бактерии, и другое — целое сообщество крупных организмов, необычайная экологическая система, оазис новой жизни!

Есть ли действительно эта новая жизнь? Какова она на взгляд, особенно на взгляд специалистов? На эти вопросы должна была ответить следующая экспедиция на «Алвине», к которой чрезвычайно тщательно готовились полтора года. Были созданы новая телевизионная система с записью изображения на пленку и автономные двухтонные сани с мощным источником света и фотоустановкой, передвигающиеся по дну и над дном на расстоянии около 18 м и делающие по 3 тыс. цветных снимков за 15 — 16 часов работы. Вместе с «Алвином» приступили к работе два корабля, с которых производилась постановка на дне океана серий «транспондеров» — исследовательских автоматов. Сама подводная лодка «Ал-вин» была вооружена целым рядом исследовательских автоматов и роботов-манипуляторов для измерений температуры воды, скорости течений, скорости дыхания животных на дне, отбора проб воды и кусков породы, сбора и ловли подвижных и неподвижных мелких и крупных организмов — от бактерий до рыб и т. п. В состав экспедиции вошла специальная биологическая группа, в которую были приглашены крупнейшие биологи Вудс-Холлского и Скриппсов-ского океанографических институтов, знаменитых университетов США — Гарвардского, Иельского, Калифорнийского и др.

Эта оборудованная по последнему слову техники экспедиция выполнила с 14 января по 26 февраля 1979 г. 30 погружений — 10 из них совершили биологи. Все подтвердилось: оазис существовал и жизнь в нем была действительно необычной. Наибольшее впечатление на биологов произвели «райские сады». Так они назвали густые колонии, настоящие заросли огромных, полутораметровых ярко-красных червей (в их крови есть гемоглобин) в белоснежных гибких трубках, достигающих длины 3 м и имеющих диаметр до 5 см. Сами черви получили прозвище «спагетти» из-за их сходства с макаронами. Удивляли живые желтые шары, висящие над дном. У мелких рачков на конце глазных стебельков вместо глаз, не нужных в этом мраке, обнаружены гребневидные наросты, по-видимому используемые для соскабливания микроорганизмов, служащих им пищей. Обитающие здесь крабы оказались способными жить при сильном дефиците кислорода. Найдены крупные, до 26 см, двустворчатые моллюски, скорость их роста такова, как если бы моллюски жили в тропических водах. Обнаружены огромные плотности популяций бактерий, в 1000 раз большие, чем в соседних районах, удаленных от гидротермов, и почти равные тем, что наблюдаются в фотическом слое.

Рис. Оазисы жизни среди пустыни в рифтовых зонах на дне абиссали восточного сектора Тихого океана и большие сероводородные зоны (впадины) у американского побережья Атлантического океана

При дальнейшем изучении выловленных организмов большинство из них удалось все же отнести к тому или иному уже известному науке виду, классу. Так, поразившие акванавтов черви, как оказалось, относятся к группе Vestimentifera (Annelida), близкой к погонофорам. Впервые их встретили во время погружений аппарата «Дипстар-400» у Калифорнии на глубине около 1125 м, но они бьии гораздо меньших размеров. Вообще оказалось, что животные Галапагосского оазиса — гиганты по сравнению со своими родственниками, обитающими в других районах Мирового океана. Их гигантизм — это одна из многочисленных загадок Галапагосского оазиса.

Крупные двустворчатые моллюски, как оказалось, относятся к семейству Vesicomyidae. Есть и у них отличие от большинства двустворчатых моллюсков, обитающих в других районах: у них красная кровь и ткани имеют запах мяса.

Некоторых из найденных организмов пока еще не удалось с полной определенностью отнести к какому-либо из уже известных науке видов.

Эта гидробиологическая сенсация мобилизовала океанологов на обследование других мест возможных выходов гидротерм. Уже в апреле — мае 1979 г. франко-американо-мексиканская экспедиция обнаружила кратеры с выходами гидротермов (до 300° С) на дне Восточно-Тихоокеанского поднятия, к югу от Калифорнийского залива, против Пуэрто-Вальярта (Мексика). Погружения совершала все та же удачливая подводная лодка «Алвин». Здесь встретились породы, богатые сульфидами металлов; такие отложения не известны были раньше в открытом океане. И здесь тоже «Алвин» обнаружил оазисы жизни, причем на площади, более чем вдвое превышающей размеры оазиса на Галапагосском рифте. Сведения о результатах этой экспедиции пока скудны. Но известно, что в этом оазисе ученых больше всего поразили гигантские бактерии*, которых видно под обыкновенной лупой. Еще 4 оазиса были открыты на все том же Галапагосском рифте. .В других районах, где уже давно закрылись выходы гидротермов, найдены остатки погибших оазисов жизни. Стало Ясно, что галапагосское чудо вовсе не чудо, а, по-видимому, норма для таких районов, что в местах выхода вещества земной коры действительно существует повышенная вероятность сгущения жизни.

Чем же и как питаются животные, населяющие Галапагосский и подобные ему оазисы? Ученые выдвинули 4 гипотезы.

Первая из них — детритная. Согласно этой гипотезе, должен существовать какой-то механизм ускоренного поступления детрита в глубины океана. И такой механизм, оказывается, есть, его называют «фекальный экспресс». Фекальные комки, выбрасываемые организмами и содержащие непереваренную пищу, бывают достаточно больших размеров, чтобы успеть пройти путь от фотического слоя океана до почти трехкилометровой глубины за несколько десятков дней.

* Недавно эксперименты подтвердили еще одну галапагосскую сенсацию: найденные здесь бактерии имеют температурный оптимум около 300° С. В это трудно поверить: белок денатурирует при 100° С. Если такая «высокотемпературная» жизнь по непонятным пока причинам возможна, то придется изменить многие наши представления, в том числе и о возникновении жизни на Земле, и о возможности существования жизни на других планетах.

Вторая гипотеза основана на предположении взмучивания осадков дна восходящими токами воды у выходов гидротермов. Это может дать около 30 кг в сутки потенциальной пищи.

Согласно следующим двум гипотезам, основную роль в формировании первичного звена пищевых цепей Галапагосского оазиса играет бактериальный хемосинтез органического вещества из углекислого газа и сероводорода. По одной из этих гипотез, бактериальный хемосинтез протекает в воде вблизи гидротермов, а по другой — прямо во внутренностях самих животных благодаря «проживающим» в их тканях хемосинтезирующим бактериям. Такое сосуществование биологи называют симбиозом. Действительно, измерения поглощения углекислого газа, отношения изотопов углерода 13С/12С, которое зависит от природы источника органического вещества, изучение ферментативных систем червей и моллюсков из оазиса показали, что внешний и «внутренний» хемосинтез органического вещества может служить основным источником пищи для организмов, населяющих Галапагосский оазис.

Конечно, скорее всего окажется, что глубоководные экологические системы, связанные с суровыми жизненными условиями, чрезвычайно экономно относятся к любым пищевым ресурсам и используются все четыре пищевых источника, а возможно, есть и еще какие-то неизвестные источники. Баланс пищевых ресурсов Галапагосского оазиса океанологи еще не составляли. Однако большинство из них основным источником считают бактериальный хемосинтез. Тогда многие загадки Галапагосского оазиса проясняются: и почему гигантским червям «спагетти» не нужен рот — их кормят хемосинтезирующие бактерии, живущие во внутренностях червей; и почему здесь наблюдается гигантизм животных — из-за укороченных пищевых цепей, как считает советский гидробиолог 3. А. Филатова: донные животные обитают фактически в «пищевом растворе», где между ними и пищей нет промежуточных звеньев, которые имеются в других районах. Обычно в каждом звене пищевой цепи происходит значительная, до 7з> потеря биомассы и органического вещества, например, за счет его окисления до углекислого газа и воды в процессе дыхания. Так, в фотическом слое типична следующая пищевая цепь: фитопланктон — растительный зоопланктон — зоопланктон хищный I порядка — зоопланктон хищный II порядка — животные. Во всех звеньях этой длинной цепи происходит потеря органического вещества и биомассы в целом по цепи более чем в 10 раз.

Для Галапагосского оазиса типична цепь всего лишь из двух звеньев: хемо-синтезирующие бактерии — животное. Потерь органического вещества практически нет. Очевидно, этот принцип как-то может быть использован при организации морского хозяйства — мари-культуры.

Рис. Биотехнологическое использование галапагосского патента природы Американский проект плантации моллюсков

Американцы, изучив галапагосский феномен, решили использовать этот патент природы и разработали проект «фермы» для выращивания моллюсков (см. схему 1). В генератор бактериальной биомассы закачивается морская вода и подаются аммиак и сероводород. В условиях, имитирующих Галапагосский оазис, протекает бактериальный хемосинтез и биомасса бактерий скармливается выращиваемым моллюскам, которые имеют ценные пищевые свойства. Это деликатес, известный тем, кто пробовал мидий.

Можно значительно усовершенствовать этот проект (см. схему 2), если пользоваться водой из сероводородной зоны, например Черного моря. В ней есть как необходимое количество сероводорода, так и достаточная концентрация фосфатов и ионов аммония, которые необходимы для синтеза полноценного органического вещества. Параллельно с выращиванием моллюсков очень легко организовать производство из сероводорода ценного, дефицитного химического продукта — серы. Она легко получается при окислении сероводорода в условиях определенного недостатка кислорода. Если стакан с глубинной черноморской водой, содержащей сероводород, выставить на воздухе, вода в нем быстро становится белесовато-мутной — это сами собой образуются коллоидные частички серы. Их остается только отделить от воды. Кислород можно подавать в реактор для получения серы так, как показано в американском проекте (схема 1), или просто закачивать воду из верхнего, содержащего кислород слоя Черного моря.

Трудным кажется подъем сероводо-родсодержащей воды с 200-метровой глубины, но инженеры и ученые над этим уже думали. Один оригинальный способ запатентован сотрудниками Московского горного института (авторское свидетельство № 857356). Погружают две трубы, одна в другой, и в зазор через насадки подают сухую углекислоту. Смешивание ее с морской водой вызывает выделение сероводорода. Давление становится меньше наружного, морская вода засасывается в трубы, и постепенно газоводный концентрат сероводорода поднимается сам собой наверх. Есть и другие изобретения, например простой и экономичный способ П. Б. Пшеничного, основанный на использовании с помощью системы клапанов энергии волн, даже очень малых.

Так что практическая реализация этой биотехнологии по схемам 1 и 2 или по каким-то другим может произойти раньше, чем полное раскрытие и осмысливание тайн нового мира, обнаруженного на дне океана.

Но состоялось ли открытие нового мира? Состоялось, по мнению большинства ученых, открытие... старого мира, а возможно — экосистемы, переходной между старым и современным миром. «Можно думать, — пишет 3. А. Филатова, — что открытие на больших глубинах в воде гидротерм хемосинтезирующих бактерий имеет огромное теоретическое значение с точки зрения древности процессов создания живого вещества в глубинах океана. Эти процессы тесно связаны с недрами земной коры и с непрерывно происходящими под океаном активными химическими процессами».

Рис. Возможный вариант экономичного совмещения плантаций моллюсков с производством серы — ценного химического продукта — с использованием морском воды из сероводородной зоны, содержащей практически неограниченные возобновляемые запасы серы, связанной н гидросульфид-ионы

Первобытный океан был бескислородным и содержал сероводород. И первобытный фотосинтез органического вещества осуществлялся бактериями-прокариотами из углекислого газа и сероводорода, а побочными продуктами этого синтеза были сера и вода, как показано на схеме упрощенно реакцией 1. Это было экологически чистое производство, не содержащее токсических отходов для той древней жизни. В результате случая или, может быть, ошибки Природы произошла почти ничего не значащая подмена одного из исходных веществ — сероводорода — его ближайшим химическим аналогом — водой (на схеме — реакция 2). В результате этой малозначащей в химическом плане замены отходам производства органического вещества вместо серы стал ее ближайший химический аналог — кислород, который оказался ядом для анаэробных древних организмов. Это первый в истории случай загрязнения окружающей среды. И именно в результате такого загрязнения возникла привычная для нас жизнь: только после того, как зеленые растения наполнили океан и атмосферу кислородом, жизнь приняла современные формы, для которых, однако, сероводород оказался ядом.

В современном Мировом океане анаэробные микроорганизмы и сероводород существуют почти повсеместно в донных осадках, богатых органическим веществом, а в водной толще — лишь в немногих районах. Самая большая сероводородная зона двухкилометровой глубины находится в Черном море, в котором Лишь верхние 200 метров, где есть кислород, населены привычными нам аэробными организмами. Вторая по масштабам сероводородная зона существует во впадине Кариако в Карибском море, а северо-западнее ее находится впадина Орка, также содержащая сероводород. Такие же зоны, но меньших масштабов встречаются во впадинах Красного и Балтийского морей, в Калифорнийском (см. карту), Оманском и некоторых других заливах, в норвежских фьордах. И везде там близ границ сероводородных зон протекает хемосинтез органического вещества. Галапагосские открытия не только показали, что океан содержит еще много неизведанного, но и заставили по-новому оценить значение, масштабы и возможности использования этого процесса, его возможную роль в возникновении жизни на планетах.

Тимур Айзатулин

 
Рейтинг@Mail.ru
один уровень назад на два уровня назад на первую страницу