Oceaniczne wypływy: węglowodorowy ekosystem morski Understand article

Tłumaczenie Jadwiga Schreiber. David Fischer zabiera nas na wycieczkę po dnie morskim by zapoznać nas ze zjawiskiem oceanicznych wypływów – ich ekosystemem, ich potencjałem energetycznym oraz ich możliwym wpływem na globalne ociepłenie.

Co to są oceaniczne wypływy?

Oceaniczne wypływy (przypis tłumacza: ang. cold seeps) funkcjonują jako oazy dla specificznych mikroorganizmów i żadko spotykanych bezkręgowców. Podobny ekosystem tworzą gorące kominy (źródła) hydrotermalne, gdzie gorąca woda wytryska pod wysokim ciśnienem z dna oceanu (zobacz Little, 2010). W przeciwieństwie do kominów hydrotermalnych, które występują tylko bardzo głęboko (na głębokości kilku kilometrów), oceaniczne wypływy występują na różnych głębokościach wody – od kilku metórow do kilku kilometrów głębokości, często wzdłuż granicy kontynentów.

W miejsach tych węglowodory, najczęściej metan ale również etan, propan czy nawet oleje (przypis tłumacza: wyższe węglowodory) wyciekają (w formie płynnej i gazowej) z sedymentu morskiego do otaczającej go wody. Mają one podobną temperaturę do wody morskiej i nie koniecznie wydostają się pod ciśnieniem co odróżnia je od wspomnianych wyżej kominów hydrotermalnych.

Węglowodory powstają w bardzo głębokich warstwach osadu morskiego (kilka kilometrów od powierzchni sedymentu) z materii organicznicznej rozłożonej przez mikroorganizmy lub pod wpływem bardzo wysokiej temperatury. Nagromadzenie się zbyt dużej ich ilości w sedymencie lub zbyt duże napięcie tektoniczne powoduje erupcję tych substancji do wody przez pęknięcia i szczeliny w dnie morskim. Proces ten jest ciągły natomiat jego tempo może być różne i ulegać zmianie (w obrębie tego samego wypływu).

Życie w ocenicznych wypływach – kto czuje się dobrze w takim środowisku?

Wiele fascynujących zwierząt żyje w rejonie oceanicznych wypływów jak np. żadko spotykane pierścienice (głównie z gromady wieloszczetów, rząd rurkoczułkowców np. Riftia pachyptila (giant tube worms)), małże i kraby. Co jednak umożliwia życie w tak ekstremalnym ekosystemie?

Niemal całe dno morskie (oceaniczne) pokryte jest ogromną liczbą przeróżnych mikroorganizmów. Ale aby na tak dużych głębokościach morskich, gdzie promienie słoneczne nie docierają i gdzie jest zimno, mogły żyć rownież większe (przypis tłumacza: niż mikroorganiymy) zwierzęta jak np. bezkręgowce, woda musi zawierać tlen (przypis tłumacza: z innego procesu niż fotosynteza) i mikroorganizmy muszą mieć dostęp do innych (przypis tłumacza: niż swiatło) źródeł energii. Dlatego w takich warunkach dobrą alternatywą mogą być węglowodorys.

Metan (przypis tłumacza: najprostszy węglowodór) uwalniany w rejonie oceanicznych wypływów, może zostać wykorzystany jako źródło energii przez bardzo wąsko wyspecjalizowane mirkoorganizmy. Zjawisko to określa się jako beztlenowe utlenianie metanu (anaerobic oxidation methane AOM). Jest to proces metaboliczny przeprowadzany przez archebakterie, utleniające metan (metanotrofiym – zobacz „słowniczek”), symbiozujące z bakteriami siarkowymi redukującymi siarczany. W procesie tym siarczan jest ostatecznym akceptorem elektronów.

CH₄ + SO₄^2- → HCO_3- + HS^– + H₂O

AOM zachodzi przy dnie morskim, w warunkach beztlenowych, gdzie metan wydostający się z sedymentu morskiego spotyka się z siarczanami występującymi w wodzie morskiej. Produktami końcowymi tego procesu (reakcji redoks) są jony wodorowęglanu i siarczku, osadzające się w sedymencie morskim i tzw. wodzie porowej (zobacz “słowniczek”).

W rejonie oceanicznych wypływów gdzie ilość uwalniającego się metanu jest stosunkowo duża i jego stężenie jest wysokie, produkowany przez mikroorganizmy siarczek jest wstanie zapewnić funkcjonowanie całego ekosystemu. Jednak takie środowisko mogą zamieszkiwać tylko takie organizmy które tolerują wysokie stężenia siarczku – jest ich niewiele. Dla większości organizmów wysokie stężenia siarczku są silnie toksyczne (zwróć uwagę na zdjęcie w górnej cześci strony). Zasięg takiego metano-siarczkowego ekosystemu może byc różny: od 100 cm² do 100 m² powierzchni.

Zatem podstawą oceanicznych wypływów są bakterie metanowe i siarkowe. Niektóre z nich żyja w tzw. chemosymbiosie z małżami (bakterie metanowe) lub z rurkoczułkowcami (bakterie siarkowe). U małż bakterie zamieszkują skrzela gospodarza a u rurkoczułkowców zagęszczają się one w tzw. trofosomie (specjalnym narządzie przekształconym z układu pokarmowego). W symbiozie tej bezkręgowce zapewniają bakteriom bezpieczne warunki życia a bakterie zaopatrują gospodarza w organiczne związki węgla (niezbędne do życia).

Powstawanie i rola gazohydratów

Oceaniczne wypływy są nie tylko interesujące ze względu na ich unikalny ekosystem. Dodatkowo mogą one również wpłynąć na procesy przyczyniające się do zmiany klimatu a ich znacząca rola w produkcji węglowodórow może w przyszłości stanowić bardzo ważne źródło energii dla zaspokojenia naszych, ciągle wzrastających, potrzeb energetycznych. Obecnie oceaniczne wypływy, poprzez ich charakterystyczny i unikatowy ekosystem są łatwe do zidentifikowania i służą jako indykatory dużych nagromadzeń węglowodorów w sedymencie morskim.

Jednym z najbrardziej interesujących aspektów (przypis tłumacza: dużych nagromadzeń węglowodorów w sedymencie) jest tworzenie się podwodnych gazohydratów. Pod względem chemicznym gazohydraty to cząsteczki wody organizujące się w specificzne struktury podobe do kryształów i nazywane klatratami. W przestrzeniach pomiędzy cząsteczkami wody gromadzi się gaz, najczęściej metan (zobacz ilustrację po lewej stronie). Mówiąc obrazowo jest to lód zawierający metan – związek wody i mentanu w stanie stałym. Gazohydraty powstają tylko przy kombinacji bardzo specyficznych warunków – kiedy woda porowa jest wysycona metanem, przy bardzo wysokich ciśnieniach oraz przy niskich temperaturach – takie warunki znajdują się tylko w wiecznej zamarzlinie i w sedymencie morskim (na głębokości poniżej 400 metrów; zobacz ilustrację pod spodem). Ciśnienie atmosferyczne destabilizuje gazohydraty, rozpadające się wtedy na wodę i wolny gaz (metan).

Gazohydraty mają w sobie ogromny potencjał energetyczny ze względu na ich specificzną strukturę molekularną. Jeden litr gazohydratu zawiera w sobie 0,8 litra wody i aż 164 litrów metanu. Szacuje się, że energia „związana” w gazohydratach na Ziemi jest większa niż całkowita energia pochodząca z wszystich paliw kopalnych razem wziętych.

Wiele krajów włączając USA, Japonię, Korę Południowa, Indie oraz Chiny poszukuje możliwości bezpiecznego (nie jest to proste) wydobywania gazohydratów spod wody by wykorzystać jego wysoki potencjał energetyczny. Jednak jeszcze większym problemem jest prewencja ich topnienia (rozpadu na wodę i metan). Globalne ocieplenie, powodujące wzrost temperatury wody oceanicznej, zwiększa prawdopodobieństwo topnienia gazohydratów w sedymencie oceanicznym i uwolnienia ogromnej ilości metanu do wody morskiej.

Uwolniony metan po przedostaniu się do atmosfery mógłby wejść w reakcję chemiczną z tlenem atmosferycznym w wyniku czego powstający CO₂ masowo zwiększyłby efekt cieplarniany. Gazohydraty zgromadzone w sedymencie oceanicznym pełnia bardzo ważna rolę stabilizującą tzw. stok kontynentalny. Topnienie ich może spowodować destabilizację stoku powodując osunięcia podwodnych mas ziemnych i zjawiska tsunami.

Skąd wiemy o istnienu oceanicznych wypływów?

Scharakteryzowanie oceanicznych wypływów nie jest łatwym zadaniem dla naukowców. Zdobycie próbki osadu (wody czy mikroorganizmów) tego podwodnego środowiska jest stosunkowo skomplikowanym wyzwaniem (technicznym). Najpierw trzeba dotrzeć do miejsca ich występowania – statkiem może to zająć nawet kilka dni. Dodatkowo badania oceanicznych wypływów np. a szelfie kontynentalnym kosztują kilkadziesiąt tysięcy Euro na dzień. Następnie trzeba zdobyć próbkę. Ale jak dotrzeć do dna oceanu i zebrać odpowiedni material? Do końca lat 1990-tych jedynym możliwym sposobem było spuszczenie stalowego kabla na końcu którego był pojemnik zbierający próbki zawierające razem z osadem również mikroorganizmy. Dużą wadą tej metody był jednak brak kontroli wizualnej nad tym gdzie próbka została pobrana.

Sytuacja uległa ogromnej zmianie wraz z rozwojem technologii umożliwiającej zaprojektowanie zdalnie sterowanych pojazdów (remotely operated vehicles, ROVs) oraz autonomicznych podwodnych urządzeń (autonomous underwater vehicles, AUVs) wyposażonych w różnego rodzaju kamery, lampy i urządzenia zbierające różnego rodzaju próbki. Organizacja MARUM^w1 posiada własną pracownię do projektowania i budowy urządzeń i robotów do badań podwodnych. Urządzenia te zbierają próbki ze ścisle określonych miejsc dna oceanu i robią podwodne zdjęcia, dzięki którym możemy więcej dowiedzieć się o wyglądzie i lokalizacji oceanicznych wypływów.

Wiele aspektów związanych z powstawaniem i funkcjonowaniem oceanicznych wypływów oraz organizmów zamieszkujących to wyjątkowe środowisko jest wciaż nieznanych i wymagają one dalszych badań. Jednym z najważniejszych kwestii do wyjaśnienie pozostaje wciąż pytanie jak dużo metanu przedostaje się do wody i do naszej atmosfery i jak duży (czy w ogóle) ma to wpływ na efekt cieplarniany. Osobiście uważam że jest to bardzo interesujący temat badań i cieszę się że mogę brać czynny udział w poznawaniu tego wyjątkowego ekosystemu morskiego.

Podziękowania

Autor składa szczególne podziękowania Dr. Pape (MARUM^w1) za pomocne komentarze, głównie dotyczące gazohydratów. „Science in School” oraz autor dziękują również wydawnictwu Inter-Reserach za udostępnienie zdjęć z publikacji Sahling et al. (2002).

Download

Download this article as a PDF