Подводные оазисы Берингова моря

Мир глубокий, но не безжизненный

В научно-популярных книгах по географии часто пишется, что нам гораздо лучше известна поверхность некоторых небесных тел, чем глубины нашего собственного, земного океана. И это не сильное преувеличение. Первые карты Луны были созданы уже в начале XVII века, почти сразу же после начала телескопических наблюдений. А в середине позапрошлого столетия с помощью спектрального анализа астрономы смогли определить химический состав звёзд – проблема, которую некоторые теоретики двести лет тому назад провозглашали абсолютно неразрешимой. И ровно в те же самые годы и десятилетия биологи были искренне убеждены в том, что жизнь в Мировом океане распространена только на самых незначительных глубинах, там, куда проникает солнечный свет, то есть примерно на первые двести метров водной толщи. Считалось, что глубже нескольких сотен метров развитая жизнь не может существовать в принципе: слишком уж там темно и холодно, не говоря уже о колоссальном давлении в сотни атмосфер, которое, как казалось самоочевидным, делает обитание живых организмов невозможным (если не считать бактерий каких-нибудь). Один из доводов в пользу этого убеждения состоял в том, что в полной темноте невозможен фотосинтез, стало быть, невозможно обитание микроскопических водорослей, с которых начинается пищевая пирамида, на вершине которой находятся высшие подвижные животные-хищники. Так возникла азойная гипотеза (от греческого «azoa» – безжизненность), рисовавшая морские пучины как совершенно мёртвый, непроглядно тёмный мир. Она была освящена авторитетом англичанина Эдварда Форбса (1815–1854) – одного из самых уважаемых морских биологов своей эпохи. В 1841 г. он провёл многочисленные наблюдения над подводными обитателями Средиземного моря, собирая их с разных глубин. Форбс подметил простую закономерность: чем с большей глубины взята проба, тем меньше количество организмов, представленных в ней. Проведя несложную экстраполяцию, учёный предположил, что нижним пределом жизни в океане является глубина около 550 метров, а дальше – всё, там вечная тьма, холод и давление, выдержать которые не способен никто.

Тут впору вспомнить классиков марксизма, утверждавших, что лучший критерий истины – это практика. На протяжении второй половины девятнадцатого века натуралисты, путешествовавшие на бортах океанических судов, забрасывали свои тралы всё в новых и новых районах Мирового океана, и с каждым десятилетием глубина траления возрастала. В 1868 г. английская экспедиция на канонерской лодке «Молния» (Lightning) обнаружила обильную донную жизнь на севере Атлантики, у Фарерских островов, на глубине около 1300 м. Эта и последующие подобные находки послужили стимулом для организации кругосветного плавания на судне «Челленджер» (1872–1876 гг.), специально посвящённого изучению океанских глубин. За 719 дней путешествия команда «Челленджера» взяла большое число донных проб, показавших, что живые организмы в океане распространены до глубины 6000 м.

Оазисы в пустынях

История показала, что это было ещё не самым удивительным открытием в биологии океана ХХ в.

До конца 1970-х гг. все глубоководные исследования морских биологов единодушно показывали, что численность животных в океанических желобах и впадинах удручающе низка. Эту зону даже назвали «глубоководной бентической пустыней» – так она бедна жизнью. Объяснялось это очень просто. Поскольку фотосинтезирующих организмов на глубине нет, единственным источником пищи там служит так называемый «дождь трупов». Под этим хлёстким названием скрывается поток органического вещества, опускающегося из верхних, освещенных слоев водной толщи (так называемая фотическая зона). В этом потоке есть и собственно мёртвые остатки организмов, и разного рода «объедки с чужого стола». По мере погружения на дно, значительная часть этого вещества перехватывается организмами, населяющими водную толщу. Поэтому до жителей самых нижних «этажей» океана доходит совсем малая толика. Не разгуляешься! Ограниченность пищевого ресурса обуславливает низкую численность популяций. Просто и логично.

Эта простая картина неожиданно резко усложнилась в 1977 году.

Галапагосским островам, лежащим в Тихом океане у западного берега Южной Америки, выпала честь не один раз попадать в анналы естествознания. Мировую известность они приобрели в середине XIX в., когда посетивший их молодой натуралист по имени Чарлз Дарвин собрал на островах коллекцию птиц, изучение которых стало одним из толчков для создания его эволюционной теории.

В феврале 1977 г. во время погружения у Галапагосских островов, практически на самом экваторе, экипаж американского подводного аппарата «Алвин» обнаружил настоящие подводные «оазисы» – участки дна на глубине около 3000 м, обильно заселённые разнообразнейшими морскими организмами, включая множество неизвестных науке видов. Численность этих существ была фантастически велика для глубин океана, контраст с привычной для биологов «бентической пустыней» можно сравнить, наверное, с контрастом между выжженной южной степью и влажным тропическим лесом. Так были открыты получившие большую известность «чёрные курильщики» – подводные источники на морском дне, через которые из недр земной коры поступает горячая (до 400° С) вода, обогащенная минеральными веществами. Эти последние служат источником пищи для обитающих здесь бактерий, а те, в свою очередь, питают собой прочих местных обитателей. В отличие от привычной на суше и в фотической зоне пищевой цепочки, основанной на фотосинтезе, здесь в основе всего находится хемосинтез, то есть способ получения органики путём окисления водорода, метана, сероводорода и некоторых других, совершенно несъедобных для животных, веществ. Хемосинтез (открытый в конце XIX в. русским микробиологом Сергеем Виноградским) оказался тем «краеугольным камнем», на котором основано существование уникальных глубоководных экосистем. По некоторым данным, до 80% найденных там видов животных являются эндемиками гидротермальных зон, то есть в иных условиях существовать они не могут.

Довольно быстро выяснилось, что хемосинтетические экосистемы на дне океана распространены очень широко, причем приурочены они в основном к зонам подводной вулканической активности. Именно там, в геологически неспокойных участках дна, наиболее вероятно формирование «чёрных курильщиков». Есть они и на дне Северного Ледовитого океана, например, в районе хребта Гаккеля. Есть и у берегов Антарктиды. Кроме гидротермальных источников, на дне океана имеются и другие «полигоны» для хемосинтетических экосистем. К ним относятся, например, так называемые холодные «метановые выходы (сипы)» (methane seeps), через которые на поверхность морского дна поступает метан. (Такого же рода сипы известны не только в океане; они открыты на дне озера Байкал).  

Вулканическая активность Берингова моря

В последние годы российские океанологи интенсивно изучают гидротермы и сипы Берингова моря, расположенного на границе между Тихим и Северным Ледовитым океанами. История их исследования охватывает чуть более сорока лет. Впервые вулканическая активность на дне Берингова моря была зарегистрирована в 1981 г. В 1984 г. был открыт подводный массив Вулканологов, а также действующий подводный вулкан Пийпа, находящийся в его центре, но существование там хемосинтетических экосистем оставалось неизвестным вплоть до 1990 г., когда они были обнаружены на склонах вулкана Пийпа с помощью обитаемых подводных аппаратов «Мир». Вулкан этот находится в 75 км от острова Беринга и в 335 км от побережья Камчатки, и получил своё название в честь отечественного вулканолога Бориса Пийпа (1906–1966). Его верхняя точка расположена на глубине 368 м, географические координаты: 55° 445 N, 167° 263 E (это широта таких городов, как Москва и Омск). Подножие вулкана располагается на приличной глубине около 4200 м. Имеются геологические датировки, показывающие, что вулкан Пийпа сформировался на рубеже миоцена и плиоцена, то есть около 5.5-6.0 миллионов лет тому назад.

Чуть позже в западной части Берингова моря (Корякское нагорье) были обнаружены области с аномально высокой концентрацией метана, что предполагало существование там метановых сипов. Соответствующие сообщества животных были обнаружены только в 2018 г. В этих районах обитают особые виды двустворчатых моллюсков, образующие симбиоз с хемосинтезирующими бактериями. Родственные им моллюски были известны из других участков Мирового океана, где расположены метановые сипы.

Хотя последний раз вулкан Пийпа извергался около 7000 лет назад, его можно назвать не окончательно потухшим, а крепко спящим. Геологическая активность в его ближайших окрестностях не прекратилась. Об этом свидетельствуют гидротермальные источники, расположенные на его склонах. Температура воды, поступающая из них на поверхность, достигает 132° С. Эта вода богата метаном, составляющим до 98% содержимого газовых пузырей, а также двуокисью углерода (CO₂), сероводородом (H₂S) и этаном (C₂H₆). Самое подходящее место для процветания хемотрофных бактерий и всех, кто ими питается. Кстати говоря, вулкан Пийпа – единственный в своём роде в российских территориальных водах. Населяющие его хемотрофные сообщества интересны ещё и тем, что относятся к одним из самых мелководных в мировом масштабе: они располагаются на глубинах 368–495 м. Аналогичные экосистемы Корякского склона обнаружены на глубинах между 356 и 906 м.

Много лет после открытия склоны вулкана Пийпа не посещались биологическими экспедициями. Только в 2016 г. работы по изучению местных экосистем были возобновлены. С 2016 по 2021 гг. несколько рейсов для изучения вулкана Пийпа и его обитателей совершило российское исследовательское судно «Академик М.А. Лаврентьев», оборудованное телеуправляемым подводным зондом Comanche 18, произведённым в Великобритании. Этот робот способен не только делать снимки подводных ландшафтов, но, используя специальный захват-манипулятор, доставлять на борт судна пробы грунта и населяющей его фауны.

Кто живёт на вулкане Пийпа

В нынешнем году был опубликован специальный выпуск международного научного журнала «Deep-Sea Research II», полностью посвящённый описанию полученных в рейсах «Академика Лаврентьева» результатов. Большая часть статей этого выпуска написана отечественными специалистами, детально изучившими различные аспекты систематики, распространения и экологии обитателей горячих источников и метановых сипов Берингова моря. Хотя изучение этих подводных оазисов ещё не завершено, уже можно подвести некоторые промежуточные итоги. Так, в гидротермах района вулкана Пийпа обнаружено 130 видов макро- и мегафауны, из которых около четверти ранее были неизвестны науке, а шесть впервые отмечаются для Берингова моря (для сравнения, в 1990 г. удалось обнаружить всего лишь около тридцати видов крупных животных). Девять из найденных видов рассматриваются зоологами как виды, специфичные именно для гидротермальных экосистем, неспособные обитать в иных условиях. В их число входят моллюски (брюхоногие и двустворчатые), представители нескольких отрядов ракообразных, а также многощетинковые черви.

Авторы исследования отмечают, что обнаруженные 130 видов – совсем не предел, и общее видовое богатство фауны вулкана Пийпа ещё предстоит выяснить. Об этом говорит хотя бы то, что на снимках, полученных подводным зондом, присутствуют животные, в том числе довольно крупные, которые ещё не попали в руки ученых. Видеть мы их видим, а вот доставить их в лабораторию для детального изучения пока не удалось.

Как отмечают специалисты, в общем никаких серьёзных качественных изменений в структуре сообществ по сравнению с наблюдениями 1990 г. не произошло. Экосистемы остаются стабильными, с присутствием одних и тех же доминирующих видов. Одним из самых интересных обитателей подводного оазиса вулкана Пийпа является двустворчатый моллюск Calyptogena pacifica Dall, 1891. Этот вид широко распространён в северной части Тихого океана, как вдоль берегов Северной Америки, так и Евразии. В подводных оазисах Берингова моря располагается крайняя северная точка обитания не только этого вида, но и всего подсемейства Pliocardiinae, к которому он относится. Calyptogena pacifica называют «живым индикатором метановых выходов и гидротерм». В специальных клетках жабр этого моллюска, называемых бактериоцитами, содержатся тиосимбиотрофные бактерии, и моллюски существуют за счет органики, синтезируемой данными микробами. Взамен бактерии получают от своего «хозяина» необходимые для их жизнедеятельности сульфиды, кислород и углекислый газ. Подобное межвидовое «сотрудничество» характерно для многих видов морских беспозвоночных, живущих в «чёрных курильщиках» и тому подобных местах. Например, есть целые группы морских червей, полностью перешедшие на подобный тип питания и потому утратившие кишечник, то есть неспособные принимать и усваивать пищу, как это типично для их «нормальных» родственников. Это строение настолько необычно, что первые исследователи считали их представителями особого типа, названного погонофорами (Pogonophora). Современные молекулярно-генетические исследования показали, что погонофоры – это те же многощетинковые черви, только очень сильно изменившие свою морфологию, экологию и физиологию, как раз вследствие перехода к питанию за счёт симбионтов.

Метановые выходы Корякского нагорья

Ещё богаче оказались сообщества метановых выходов на склонах Корякского нагорья. Это холодные источники, температура воды которых почти не отличается от нормальной температуры воды на данной глубине. В ходе исследований было зарегистрированы 335 видов морских животных (и опять, конечно же, это число далеко не окончательное, возможно, даже «вершина айсберга»). Помимо упомянутой выше двустворки Calyptogena pacifica, морские биологи обнаружили здесь обитание разнообразных морских звёзд, офиур (представителей особого класса, относящегося к типу иглокожих), многощетинковых червей, актиний, нематод, разнообразных моллюсков и членистоногих. При этом на разных глубинах, в интервале между 400 и 700 м, видовой состав фауны менялся, виды, доминирующие на одних глубинах, постепенно уступали место другим. Интересно, что число видов не уменьшалось с глубиной, как это обычно для океана (аналогично высотной поясности на суше, где чем выше в горы, тем меньше число видов животных и растений), а возрастало. Так, на глубине 647–695 м видовое богатство сообществ метановых сипов составило 265 видов, в то время как на глубинах около 400 м удалось зарегистрировать только 33–34 вида. Исследователи объясняют это тем, что с глубиной уменьшается поступление органического вещества («пищи») из фотической зоны, но при этом увеличивается его продукция за счёт хемосинтетических микробов, что и создает подобный «обратный» рост.

Метановые выходы Корякского нагорья и ассоциированная с ними хемотрофная биота располагаются примерно на 61° северной широты, что является (пока что) самым северным из известных в мире местонахождений подобного типа. Это создаёт уникальные возможности для исследований отечественных океанологов и морских биологов.

Как неоднократно подчёркивают авторы процитированных мною публикаций, работа по изучению подводных оазисов Берингова моря по-настоящему только началась. Одна из использованных мной статей заканчивается следующим выводом, намечающим дальнейшие пути исследований:

***

Винарский Максим Викторович, д.б.н., профессор, зав. Лабораторией макроэкологии и биогеографии беспозвоночных СПбГУ и главный научный сотрудник Санкт-Петербургского филиала Института истории естествознания и техники РАН. Лауреат премии «Просветитель» в номинации «Естественные и точные науки» за книгу «Евангелие от LUCA. В поисках родословной животного мира». Специально для GoArctic.

Список использованных литературных источников

Кафанов А.И., Кудряшов В.А. Морская биогеография. М.: Наука, 2000. http://ashipunov.me/shipunov/school/books/kafanov2000_morskaja_biogeogr.djvu

Крылова Е.М., Колпаков Е.В. Живые индикаторы метановых выходов и гидротерм // Природа. 2019. № 6. См. https://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/435253/Zhivye_indikatory_metanovykh_vykhodov_i_gidroterm

Anderson T.R., Rice T. Deserts on the sea floor: Edward Forbes and his azoic hypothesis for a lifeless deep ocean. Endeavour. 2007. V. 30, № 4. P. 131–137.

German C.R., Ramirez-Llodra E., Baker M.C. et al. Deep-Water Chemosynthetic Ecosystem Research during the Census of Marine Life Decade and Beyond: A Proposed Deep-Ocean Road Map. PLOS ONE. 2011. V. 6, № e23259. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0023259

Mordukhovich V.V., Krylova E.M., Dando P.R. Seeps and vents of the Bering Sea. Deep-Sea Research II. 2023. V. 209, № 105290. https://doi.org/10.1016/j.dsr2.2023.105290

Rybakova E., Krylova E., Mordukhovich V. et al.  Mega- and macrofauna of the hydrothermally active submarine Piip Volcano (the southwestern Bering Sea). Deep-Sea Research II. 2023a. V. 208, № 105268.  https://doi.org/10.1016/j.dsr2.2023.105268

Rybakova E., Krylova E., Mordukhovich V. et al. Methane seep communities on the Koryak slope in the Bering Sea. Deep-Sea Research II. 2023b. V. 206, № 105203.  https://doi.org/10.1016/j.dsr2.2022.105203

Zograf Y., Mordukhovich V. New genus of Ironidae (Nematoda, Enoplida) from Piip volcano (the Bering Sea). PeerJ. 2022. 10: e12946. Doi: 10.7717/peerj.12946