Dzidki, czy zastanawialiście się kiedyś, skąd mogło wziąć się życie w oceanie czy jak natura radzi sobie z oczyszczaniem wód oceanicznych z metanu czy siarkowodoru? Otóż to zasługa kominów hydrotermalnych, które są czymś z goła innym, niż podwodne wulkany, chociaż niekiedy można je z nimi pomylić. Przede wszystkim z komina hydrotermalnego nie wydobywa się lawa, a także jego powierzchnia jest inaczej ukształtowana. Ze względu na to, że wydobywające się z nich płyny są bogate w minerały, w ich pobliżu kwitnie życie. W dalszej części dzidki dowiecie się, czy systemy geotermalne występują jedynie w wodzie, jaki mają wpływ na ekosystem oceanów, czy mają związek z płytami tektonicznymi oraz jaki mogą mieć związek z kosmosem.

Czym są kominy hydrotermalne?

Szczeliny w dnie oceanicznym, przez które wydostaje się energia geotermalna nazywana jest kominami hydrotermalnymi. Zazwyczaj powstają w okolicy grzbietów oceanicznych oraz w miejscach tak zwanej zwiększonej aktywności wulkanicznej, jak słynny Pacyficzny Pierścień Ognia (o czym pisałam w dzidce o podwodnych wulkanach). Do otworu komina dostaje się woda z oceanu, która następnie w wyniku ogrzania energią geotermalną unosi się do góry (temperatura wody wydobywającej się z komina wynosi zwykle w granicach od 300ºC do nawet 360ºC, zaś szacuje się, że u źródła może mieć ona nawet temperaturę sięgającą aż 437ºC). Przez wzgląd na wysoką zawartość minerałów stwarza sprzyjające warunki dla rozwoju życia wielu żywych organizmów. W okolicach kominów hydrotermalnych znajduje się największa różnorodność biologiczna, dlatego też naukowcy podejrzewają, że odegrały one bardzo znaczącą rolę w rozwoju ekosystemów w oceanach. Pierwsze kominy hydrotermalne zostały odkryte przypadkiem w 1977 roku przez grupę badawczą, która wracała z badania rafy koralowej nieopodal wysp Galapagos. Od tego czasu trwają badania dotyczące roli, jaką odgrywają kominy hydrotermalne w wodach morskich.

Ściany szczelin hydrotermalnych składają się głównie z aragonitu i kalcytu. Wraz z prowadzonymi badaniami nad ukształtowaniem dna morskiego odkrywane są coraz to nowe tzw. systemy hydrotermalne. Są to miejsca, w których znajduje się blisko siebie kilkanaście do kilkudziesięciu kominów hydrotermalny obecnych zazwyczaj w obszarach zwiększonej aktywności wulkanicznej, dlatego podejrzewa się, że obecność podwodnych wulkanów może mieć wpływ na obecność kominów, które jako, że znajdują się raczej bliżej grzbietów oceanicznych mogą być ściśle powiązane ze zjawiskami spreadingu płaszcza Ziemi (zjawisko to opisałam w innej dzidce).

Jako ciekawostkę, warto dodać, że szczeliny hydrotermalne występują również na lądzie pod postacią gejzerów, gorących źródeł czy fumaroli (niewielki rodzaj ekshalacji wulkanicznych, przez które wydostają się wyziewy składników lotnych magmy wydobywających się z głębi ziemi – składają się one przede wszystkim z dwutlenku siarki, chlorowodoru oraz pary wodnej, chociaż można znaleźć również fumarole siarkowe, z których wydobywa się głównie dwutlenek siarki). Największe zbiorowiska lądowych szczelin hydrotermalnych można znaleźć np. w Parku Yellowstone.

Kominy hydrotermalne a spreading dna oceanicznego

Spreading to inaczej rozrastanie się dna oceanicznego. Według tej teorii wysnuto wnioski, że wysokie grzbiety oceaniczne to efekt aż milionów lat powtarzania się tego procesu w jednym miejscu, gdzie płyty tektoniczne oddalają się od siebie (są to tzw. strefy ryftowe). Dla przykładu, Grzbiet Wschodniego Pacyfiku to region tak zwanego Pierścienia Ognia, w którym dno morskie rozprzestrzenia się najszybciej. To między innymi dlatego powstają szczeliny w płaszczu Ziemi, z których uchodzi energia geotermalna. To właśnie takie sfery, w których dno morskie rozrasta się najszybciej charakteryzują się zwiększoną aktywnością wulkaniczną oraz to właśnie w tych obszarach występuje również najwięcej otworów hydrotermalnych. Ze względu na panujące tutaj warunki związane nie tylko ze zwiększeniem temperatury wody, ale również zmianami w jej składzie chemicznym poprzez uwalniane z kominów gazy występuje największa różnorodność biologiczna. Warto również podkreślić, że kominy hydrotermalne są bogatym źródłem takich pierwiastków jak żelazo czy mangan. Z kolei nieopodal Antarktydy naukowcy z kolumbijskiego obserwatorium Lamont-Doherty odkryli system hydrotermalny będący częścią grzbietu śródoceanicznego. Wskazuje to na aktywność wulkaniczną w obszarze, którego nikt wcześniej się nie spodziewał w tym rejonie. Odkryto również, że nieopodal systemu hydrotermalnego dochodzi do niewielkich erupcji i formowania się nowej skorupy ziemskiej. Jeszcze bardziej zaskakujące było odkrycie, że z obecnych tam kominów wydostają się gazy bogate w rzadki stabilny izotop helu-3 pomimo panujących tam warunków. Wchodząc w reakcje z deuterem (występującym naturalnie stabilnym izotopem wodoru) powoduje uwolnienie ogromnych ilości ciepła, które mogłoby posłużyć za źródło energii.

Kilka słów o czarnych i białych kominach hydrotermalnych

Czarne kominy hydrotermalne charakteryzują się tym, że są znacznie gorętsze, niż ich białe odpowiedniki, a z komory hydrotermalnej unosi się ogrzana woda, która zawiera znacznie więcej substancji chemicznych, takich jak dwutlenek siarki, metan, siarkowodór i wiele innych, dlatego też jest zabarwiona na czarno, co przypomina poniekąd dym unoszący się z komina. Jako ciekawostkę warto dodać, że naukowcy znaleźli znacznie mniej białych szczelin hydrotermalnych, niż czarnych. Ze względu na większą zawartość substancji pochodzenia nieorganicznego, w pobliżu czarnych kominów zaobserwowano znacznie większą ilość bakterii chemosyntezujących, jednak przez wzgląd na zbyt wysoką temperaturę wody wydobywającej się z takiego komina oraz dużą zawartość substancji trujących, zaobserwowano, że w ich otoczeniu nie występuje zbyt wiele organizmów żywych. Warto podkreślić, że od tego, czy kolor pióropusza wydobywający się ze szczeliny hydrotermalnej zależy od tego, jakie minerały wytrącane są w całym procesie uwolnienia energii geotermalnej.

Dźwięk wydobywający się z czarnego komina hydrotermalnego:

Posejdon i Lost City – kilka słów o największym systemie hydrotermalnym na świecie

Najwyższym kominem hydrotermalnym jest Posejdon – węglanowa szczelina osiągająca ponad 60 m wysokości i znajdująca się wśród systemów hydrotermalnych Lost City na szczycie masywu Atlantis położonego w odległości około 20 km na północ od Grzbietu Śródatlantyckiego. Wiek tej szczeliny hydrotermalnej datowany jest na około 30 tysięcy lat. Nazwa dla tak okazałego komina jest zdecydowanie adekwatna, gdyż jego rozmiar zbliżony jest raczej do podwodnych wulkanów, niż otworów hydrotermalnych. Z kolei hydrotermalny system Lost City (złożony z samych białych kominów hydrotermalnych, których rozmiary wahają się w okolicach około 30-40m wysokości – za wyjątkiem Posejdona) jest największym takim systemem na świecie.

NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration – pol. Narodowy Urząd do spraw Badań Oceanów i Atmosfery) po zbadaniu obiektu w 2005 roku wywnioskowało, że cały system ma aż około 120 tysięcy lat. Warto wspomnieć również, że otwory w Posejdonie są uformowane na podstawie grubego skamieniałego wapienia pelagicznego, który pokrywa breję osadową pokrywając spękane wnętrze komina i tworząc nieprzepuszczalną pokrywę zatrzymującą płyny hydrotermalne, a wraz z nimi ciepło geotermalne wewnątrz. Z niewielkich otworów Posejdona wydobywa się biały dym, nieskażony trującymi związkami chemicznymi. W całym Lost City odkryto, że około 58% wszystkich gatunków organizmów żywych jest charakterystyczna jedynie dla tego obszaru.

Ponadto oszacowano, że w najwyższym punkcie systemu (wspomnianym wcześniej Posejdonie) zachodzą reakcje w skałach ultramaficznych, które powodują powstanie płynów zasadowych o wysokim stężeniu wodoru, metanu i innych węglowodorów o niskiej masie cząsteczkowej. Wspólnie te rozpuszczone gazy stanowią pożywkę dla nowej społeczności drobnoustrojów. W pozbawionych tlenu, wewnętrznych strefach kominów znajdują się biofilmy jednego rodzaju archeonów nazwanych Methanoscarcinales, które w swoim metabolizmie wykorzystują metan jako jedyny gatunek bakterii chemosyntezujących. Okazało się to przełomowym odkryciem w dziedzinie oceanologii, gdyż okazało się, że istnieją w wodach morskich organizmy, które dobrze radzą sobie z metanem. Przed badaniem Lost City tnie było dokładnie wiadomo, co dzieje się z metanem wytwarzanym przez rozkładające się ciała dużych ssaków opadających na dno (wieloryby), wydobywającym się z kominów hydrotermalnych oraz podwodnych wulkanów czy też hydratów metanu (o czym więcej w innej dzidce).

Tak z bliska wygląda wspomniany Posejdon:

Pozagrzbietowe kominy hydrotermalne

Warto jednak napomknąć, że w 2022 roku zespół z Woods Hole Oceanographic Institution badający dno Pacyfiku przy pomocy bezzałogowego statku badawczego „Falcor” natknął się po raz pierwszy na system hydrotermalny znajdujący się w odległości kilkuset metrów od głównej osi Grzbietu Wschodniopacyficznego. To pierwszy taki przypadek pozagrzbietowych kominów hydrotermalnych (zazwyczaj obecne są one w pobliżu źródeł gorąca, tak zwanych hot spotów znajdujących się w pobliżu sfer aktywności wulkanicznej lub sferach ryftowych). Jeszcze bardziej zdumiewa fakt, że system kominów hydrotermalnych znajduje się na bardzo dużej głębokości, bo aż 2560 m p. p. m., gdzie temperatura wody jest bardzo niska. Jakby tego było mało, okazały się najgorętszym systemem kominów, w których temperatura płynów hydrotermalnych sięga ponad 360ºC, zaś u źródła szacuje się, że może wynosić około 437ºC. Jeszcze bardziej zdumiewający jest fakt, że oprócz obecności bakterii chemosyntezujących zaobserwowano tam całkiem nowy gatunek – nigdy wcześniej niespotykany w okolicach szczelin hydrotermalnych. Są to ogromne rurkoczułkowce o niewyobrażalnych wręcz rozmiarach. Poza nimi odnotowano również obecność kilku gatunków mięczaków żyjących pomiędzy tymi osiadłymi pierścienicami.

Życie w okolicach kominów hydrotermalnych oraz miejscach zwiększonej aktywności wulkanicznej

Ze względu na to, że na dużych głębokościach organizmy morskie nie mają dostępu do światła słonecznego, ich istnienie zależne jest w dużej mierze od osadów chemicznych oraz płynów hydrotermalnych. Co ciekawe, to właśnie przy szczelinach hydrotermalnych odkryto obecność bakterii chemosyntezujących, które odpowiedzialne są za utlenianie prostszych związków nieorganicznych oraz metanu, a także asymilują dwutlenek węgla. Warto tutaj podkreślić, że proces chemosyntezy jest starszy, niż fotosyntezy i zanim życie pojawiło się na lądzie, rozkwitło właśnie w oceanach. Bakterie bytujące przy otworach hydrotermalnych są autotroficzne, czyli mówiąc krótko – samożywne i samowystarczalne. Dzięki temu, że swoją energię czerpią z nieorganicznych związków i mogą je przetwarzać, odgrywają dużą rolę w oczyszczaniu wód oceanicznych (na przykład z metanu czy siarkowodoru, który jest substancją toksyczną dla organizmów żywych).

Pomimo tego, że z samych kominów wydobywa się wysoka temperatura, w niedalekiej odległości od nich temperatura wody wynosi zwykle ok. 20ºC, co stwarza idealne warunki dla wielu organizmów żywych – gąbek, ruroczułkowców, mięczaków, koralowców czy niekiedy nawet niektórych skorupiaków. Te kolei przyciągają egzotyczne ryby i krewetki, co sprawia, że nieopodal szczelin hydrotermalnych życie wprost kwitnie. Pozwoliło to również na wysnucie teorii jakoby podwodne wulkany oraz w szczególności systemy hydrotermalne mogły być podstawą powstania życia w wodzie, zanim te jeszcze pojawiło się na lądzie ze względu na bogate w minerały otoczenie, które sprzyjają nie tylko jego rozwojowi, ale również bioróżnorodności powstałych ekosystemów. Teoria ta jest obiektem licznych rozważań, jednak potrzeba więcej danych, gdyż systemy hydrotermalne badane są dopiero od odkrycia pierwszego z nich w 1977 roku.

InVADER oraz inne projekty badania kominów hydrotermalnych przy pomocy robotów

Przez wzgląd na to, że dotychczas bezzałogowe statki do badań oceanograficznych nie były ściśle dostosowane do badania kominów hydrotermalnych i uniemożliwiały eksplorację płynów hydrotermalnych wydobywających się ze szczelin ze względu na ich specyfikę i wysoką temperaturę bez niszczenia struktury tych formacji, NASA rozpoczęła projekt „InVADER”, które docelowo ma być narzędziem do eksploracji kosmosu pod powierzchnią oceanów, które ma być również narzędziem do badania ziemskiego dna oceanicznego, a zwłaszcza obszarów ciężkich do zbadania, jak właśnie chociażby kominy hydrotermalne. Projekt ma zostać wstępnie przetestowany na systemach hydrotermalnych badając białe i czarne płyny wypychane przez szczeliny wraz z energią geotermalną, zaś w przyszłości ma pomóc zbadać wody występujące na jednym z księżyców Jowisza – Europie oraz księżycu Saturna – Enceladusie. Naukowcy podejrzewają, że na obydwu księżycach, na których zaobserwowano obecność oceanów, mogą także istnieć systemy hydrotermalne. Pomoże to w zbadaniu koncepcji, czy w ich pobliżu mogą powstawać jakiekolwiek formy życia.

Dodatkowa literatura dla zainteresowanych:
Kominy hydrotermalne:
1.https://spidersweb.pl/2022/07/pole-kominow-hydrotermalnych-pacyfik.html
2.https://www.chip.pl/2022/07/kominy-hydrotermalne-grzbiet-wschodniopacyficzny
3.https://dzienniknaukowy.pl/planeta/nowe-gatunki-zwierzat-odkryte-w-poblizu-kominow-hydrotermalnych
4.https://www.bluelife.pl/zwierzeta-ukryte-w-glebinach-oceanu-sekrety-kominow-termalnych/#/?playlistId=0&videoId=0
5.https://kopalniawiedzy.pl/komin-hydrotermalny-zelazo-wegiel,18655
6.https://klimatziemi.pl/kominy-hydrotermalne-olbrzymim-zrodlem-zelaza-i-manganu/
7.https://akwarium.info.pl/ciekawostki/kominy-hydrotermalne-w-poblizu-antarktydy
8.https://pl.alegsaonline.com/art/46124
9.https://oceanservice.noaa.gov/facts/vents.html
10.https://rwu.pressbooks.pub/webboceanography/chapter/4-11-hydrothermal-vents/
11.https://gobi.org/projects/hydrothermal-vent-ecosystems-2/
12.https://oceanexplorer.noaa.gov/edu/materials/hydrothermal-vents-fact-sheet.pdf
13.https://www.worldatlas.com/oceans/hydrothermal-vents.html
14.https://www.whoi.edu/know-your-ocean/ocean-topics/how-the-ocean-works/seafloor-below/hydrothermal-vents/
15.https://astrobiology.nasa.gov/news/life-in-the-extreme-hydrothermal-vents/
16.https://ocean.si.edu/ecosystems/deep-sea/microbes-keep-hydrothermal-vents-pumping
17.https://journals.plos.org/plosone/article?id=10.1371/journal.pone.0000133
18.https://www.amnh.org/exhibitions/permanent/planet-earth/why-is-the-earth-habitable/life-that-lives-off-the-earth-s-energy/life-at-the-hydrothermal-vents
19.https://www.nhm.ac.uk/discover/survival-at-hydrothermal-vents.html
20.https://www.sciencedirect.com/topics/earth-and-planetary-sciences/hydrothermal-vent
21.https://sitn.hms.harvard.edu/flash/2013/the-alien-worlds-of-hydrothermal-vents-2/
22.https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.210395997
23.https://acoustics.org/2pao6-listening-to-hydrothermal-vents/
24.https://astrobiology.com/2023/08/a-new-ecosystem-has-been-discovered-underneath-oceanic-hydrothermal-vents.html
25.https://phys.org/news/2023-10-sea-anemone-genes-survive-deep-sea.html
26.https://phys.org/news/2023-08-scientists-ecosystem-hydrothermal-vents.html
27.https://phys.org/news/2023-05-in-situ-ph-method-high-temperature-hydrothermal.html
28.https://phys.org/news/2023-01-mettle-bacteria-deep-sea-vents-toxic.html
29.https://phys.org/news/2023-01-brachyuran-crabs-survive-highly-acidic.html

Lost City:
30.http://www.lostcity.washington.edu/story/About
31.https://oceanexplorer.noaa.gov/explorations/05lostcity/background/chimney/chimney.html
32.https://www.chemistryworld.com/features/hydrothermal-vents-and-the-origins-of-life/3007088.article
33.https://sciencesensei.com/the-amazing-truth-about-the-lost-city-and-what-it-reveals-about-underwater-mountains/
34.https://nauki-o-ziemi.narkive.pl/HP6kVUok/jakie-s-najwy-sze-kominy-hydrotermalne-na-wiecie

InVADER:
35.https://www.seti.org/press-release/invader-project-send-robotic-laser-explore-deep-sea-vents