Студените извори: морски екосистеми, базирани на въглеводороди Understand article

Превод Райчо Димков. Дейвид Фишер (David Fischer) ни отвежда на едно пътешествие към морското дъно за да научим за студените извори – техните екосистеми, потенциала им…

Какво представляват студените извори?

Студените извори най-често са оазиси за живота на микроорганизмите и макрофауната върху морското дъно – подобно на хидротермалните отвърстия, където горещата вода избива от няколко километра отдолу вследствие на високото налягане (вж Little, 2010). В противовес на хидротермалните извори обаче, студените извори могат да се срещна на дълбочина от няколко метра до няколко километра, често пъти по протежение на континенталното крайбрежие.

Това са места, където въглеводородите – главно метан, но също така и етан, пропан или даже и нефт –се просмукват от утайката. За разлика от хидротермалните извори, излизащите флуиди (газове и течности) са не по-горещи от околната морска вода и не са непременно под високо налягане.

Тези въглеводороди се получават на няколко километра надолу, върху повърхността на утайката, когато органичната материя се разградиили от високата температура, или от микроорганизмите. Когато се получат много големи количества въглеводороди, или където тектоничен стрес притиска утайките,флуидите излизат над повърхността им през пукнатини и разкъсвания. Флуидите могат да се просмукват с постоянна ниска скорост или пък скоростта може да варира.

Студените извори: дом на живи същества?

В дълбоководните студени извори могат да бъдат намерени някои очарователни същества, вкл. грамадни кръгли червеи, миди, други мекотели и раци. Как се поддържат тези екосистеми?

Почти цялото морско дъно служи като дом за микроорганизмите. Поддържането на значително равнище на микрофауната в дълбоки води, където слънчевата светлина не достига, изисква богата на кислород вода и алтернативен енергиен източник, какъвто са въглеводородите.

Един такъв източник е метанът, освобождаван при студените извори. Анаеробното окисление на метан (АОМ) е метаболитен процес с краен акцептор сулфат, осъществяван в симбиоза на метан-окисляващи (метанотрофи) архебактерии със сулфатредуциращи бактерии.

CH₄ + SO₄^2- → HCO_3- + HS^– + H₂O

АОМ става в анокси-зоната на морските утайки стига само там да се срещнат идващият отдолу метан и сулфатът от морската вода. Крайните продукти от АОМ, бикарбонатните и сулфидните йони, се освобождават в околната утайка и порьозната вода (вж речника за всички болдирани термини).

В местата, където са открити високи концентрации на метан близо до повърхността на утайката (както и в студените извори), произвежданият от микроорганизмите сулфид може да снабдява с гориво цялата екосистема. Колониите от микроорганизми или от представители на фауната могат да бъдат между 100 cm² и няколкостотин кв.м. в диаметър. Където богатата на сулфид порьозна вода напусне морското дъно, там мястото на извора ще бъде колонизирано концентрично около тези петна: най-близко до тях ще бъдат онези организми, които понасят най-високите концентрации на иначе токсичния сулфид (вж илюстрацията по-горе).

В основата на тези екосистеми са метанотрофните и тиотрофните бактерии. Някои от тях живеят в хемосимбиоза с миди (метанотрофните бактерии), с други молюски и кръгли червеи (тиотрофните бактерии). Мекотелите дават убежище на бактериите в своите гънки, докато кръглите червеи приютяват батериите в своята трофозома; на свой ред бактериите снабдяват гостоприемника си с органичен въглерод (вж по-горе).

Формиране и съдба на газо- хидратите

Студените извори са интересни не само заради екосистемите, на които те са гостоприемници; те могат много да съдействат за климатичните промени, а също да бъдат ценни нови източници на въглеводороди за задоволяване на нарастващите ни потребности от енергия.Студените извори обикновено показват къде има големи залежи от въглеводороди под пясъчното дъно и те могат да се идентифицират сравнително лесно поради типичната им колонизация от специализирани организми..

Много интересни в този аспект са газообразните хидрати.В тези подобни на лед кристални съединения водните молекули образуват затворена структура около отделните газови молекули (вж фигурата вляво) – при природните газообразни хидрати това е най-вече метан.Газо- хидратите се образуват където порьозната вода е наситена с метан в едни тесни граници от ниска температура и високо налягане – условия, намиращи се само в постоянно замръзнали почви и в морските седименти на дълбочина под около 400 м (вж фигурата по-долу). При нормално атмосферно налягане газо- хидратите са нестабилни и бързо се разграждат до вода и свободен газ.

Газо- хидратите съхраняват големи количества от химически свързана енергия по причина на специфичната си молекулярна структура, един литър газо- хидрат съдържа 0,8 л вода и 164 л метан. Общите енергийни ресурси на газо- хидратите на Земята се оценяват на повече от запасите на всички други познати фосилни горива, взети заедно.

Няколко страни, вкл. САЩ, Япония, Южна Корея, Индия и Китай изследват пътища за безопасно добиване на газо-хидрати, тъй като те не са обикновен материал. По-важно и съществено е обаче да се предотврати разтапянето на газо- хидратите. Глобалното затопляне повишава температурата на океана и това би могло да причини едно широко мащабно топене на газо- хидрати в седимента.

Ако те биха се разтопили, освободения в атмосферата метан би реагирал с атмосферния кислород за да се образува СО₂, повишаващ много ефикасно парниковия ефект. Останали неувредени, газо-хидратите действат като стабилизиращ агент спрямо континенталните брегове. Ако се разтопят, бреговете ще се дестабилизират, в резултат на което ще се стигне до огромни подводни свлачища и цунами.

Как изучаваме студените извори?

Изучаването на студените извори очевидно е голямо предизвикателство за учените: как могат да се вземат проби, съдържащи газове, вода, утайка и организми от дълбочини на няколко километра под морската повърхност? Първо, трябва да стигнете до мястото за пробовземане – това може да ви отнеме няколко дни с кораб, даже за студените извори върху континенталния шелф, а поддръжката на такъв изследователски съд коства няколко десетки хиляди евро на ден. И като отидете там, как ще стигнете до морското дъно? До 90-те години на миналия век единственият начин беше да спуснете специални прибори на края на дълъг стоманен кабел и да ги извадите щом се напълнят с материал за пробата. Това прави много труден визуалния контрол да се проследи къде приборите достигат дъното.

Нещата драматично се промениха с развитието на усъвършенствана подводна технология, като например дистанционно опериращи средства (ROVs – remotely operated vehicles) и автономни подводни средства (AUVs – autonomous underwater vehicles), оборудвани с множество камери, лампи и уреди за пробовземане. MARUM^w1има свой собствен цех за разработка на такива средства и роботи за океански изследвания. Изследователите ги използват за изучаване на студените извори било то за потапянето им в отделни точки за пробовземане или пък за правене на снимки на големи площи за да се получи обобщаваща картина за местонахождението на студения извор.

Има да се изследват още много относно развитието и стабилността на студените извори във времето, малко се знае и за организмите, които ги колонизират. Освен това най-важният въпрос относно студените извори е колко метан преминава в океана и впоследствие в атмосферата, кдето той ще допринася за глобалното затопляне. За мене е много вълнуващо да участваш в такова изследване.

С благодарност на

Авторът би искал да благодари на Dr Pape (MARUM^w1) за ценните коментари, особено относно газо-хидратите. Освен това, Science in School и авторът благодарят на издателя Inter-Research за разрешението да се използват илюстрациите от Sahling et al. (2002).

Download

Download this article as a PDF