Das Leben wird traditionell von der Energie der Sonne angetrieben, aber Tiefseeorganismen haben keinen Zugang zu Sonnenlicht, so dass biologische Gemeinschaften um hydrothermale Öffnungen von Nährstoffen abhängen müssen, die in den staubigen chemischen Ablagerungen und hydrothermalen Flüssigkeiten, in denen sie leben, gefunden werden. Zuvor gingen benthische Ozeanographen davon aus, dass diese Organismen von Meeresschnee abhängig waren, wie es Tiefseeorganismen sind. Dies würde sie vom Pflanzenleben und damit von der Sonne abhängig machen., Einige hydrothermale Entlüftungsorganismen verbrauchen diesen „Regen“, aber mit nur einem solchen System wären Lebensformen spärlich. Im Vergleich zum umgebenden Meeresboden weisen hydrothermale Entlüftungszonen jedoch eine Dichte von Organismen auf, die 10.000-bis 100.000-mal größer ist.
Die hydrothermalen Lüftungsöffnungen werden als eine Art chemosynthetischer Ökosysteme (CBE) anerkannt, in denen die primäre Produktivität durch chemische Verbindungen als Energiequellen anstelle von Licht (Chemoautotrophie) gefördert wird. Hydrothermale Entlüftungsgemeinschaften sind in der Lage, solch große Mengen an Leben zu erhalten, weil Entlüftungsorganismen von chemosynthetischen Bakterien für Nahrung abhängig sind., Das Wasser aus der hydrothermalen Entlüftung ist reich an gelösten Mineralien und unterstützt eine große Population chemoautotropher Bakterien. Diese Bakterien verwenden Schwefelverbindungen, insbesondere Schwefelwasserstoff, eine Chemikalie, die für die meisten bekannten Organismen hochgiftig ist, um organisches Material durch den Prozess der Chemosynthese zu produzieren.,
Biologische communitiesEdit
Das ökosystem so gebildet ist darauf angewiesen, auf den Fortbestand des hydrothermal vent field, als die primäre Quelle der Energie, die unterscheidet sich von den meisten Oberflächen Leben auf der Erde, die auf solar-Energie., Obwohl oft gesagt wird, dass diese Gemeinschaften unabhängig von der Sonne existieren, sind einige der Organismen tatsächlich von Sauerstoff abhängig, der von photosynthetischen Organismen produziert wird, während andere anaerob sind.,
Eine dichte Fauna (Kiwa anomurans und Vulcanolepas-ähnliche Stalking barnacles) in der Nähe von East Scotia Ridge vents
Riesige Rohrwürmer (Riftia pachyptila) cluster um Lüftungsschlitze in den Galapagos Rift
Die chemosynthetischen Bakterien wachsen zu einer dicken Matte, die andere Organismen wie Amphipoden und Copepoden anzieht, die direkt auf den Bakterien grasen., Größere Organismen wie Schnecken, Garnelen, Krabben, Röhrenwürmer, Fische (insbesondere Aal, Halsabschneider, Ophidiiforms und Symphurus thermophilus) und Tintenfische (insbesondere Vulcanoctopus hydrothermalis) bilden eine Nahrungskette von Raubtier-und Beutebeziehungen über den Primärverbrauchern. Die Hauptfamilien von Organismen, die rund um Meeresbodentlüftungen vorkommen, sind Anneliden, Pogonophorane, Gastropoden und Krebstiere, wobei große Muscheln, Vestimentiferanwürmer und „augenlose“ Garnelen den Großteil der nichtmikrobiellen Organismen ausmachen.
Siboglinid Röhrenwürmer, die bis über 2 m (6.,6 ft) hoch in der größten Art, bilden oft einen wichtigen Teil der Gemeinschaft um eine hydrothermale Entlüftung. Sie haben keinen Mund oder Verdauungstrakt und nehmen wie parasitäre Würmer Nährstoffe auf, die von den Bakterien in ihrem Gewebe produziert werden. Pro Unze Tubenwurmgewebe werden etwa 285 Milliarden Bakterien gefunden. Tubeworms haben rote Federn, die Hämoglobin enthalten. Hämoglobin verbindet sich mit Schwefelwasserstoff und überträgt es auf die im Wurm lebenden Bakterien. Im Gegenzug nähren die Bakterien den Wurm mit Kohlenstoffverbindungen., Zwei der Arten, die eine hydrothermale Entlüftung bewohnen, sind Tevnia jerichonana und Riftia pachyptila. Eine entdeckte Gemeinschaft, genannt „Aal Stadt“, besteht überwiegend aus dem Aal Dysommina rugosa. Obwohl Aale keine Seltenheit sind, dominieren Wirbellose typischerweise hydrothermale Öffnungen. Aal Stadt liegt in der Nähe von Nafanua Vulkankegel, Amerikanisch-Samoa.
Bereits 1993 waren mehr als 100 Gastropodenarten in hydrothermalen Öffnungen bekannt. Über 300 neue Arten wurden an hydrothermalen Entlüftungsöffnungen entdeckt, viele von ihnen „Schwesterarten“ zu anderen, die in geografisch getrennten Entlüftungsbereichen gefunden wurden., Es wurde vorgeschlagen, dass, bevor die nordamerikanische Platte den mittelozeanischen Grat überschritt, im östlichen Pazifik eine einzige biogeographische Entlüftungsregion gefunden wurde. Die anschließende Barriere zu reisen begann die evolutionäre Divergenz der Arten an verschiedenen Orten. Die Beispiele der konvergenten Evolution zwischen verschiedenen hydrothermalen Öffnungen gesehen wird als wichtige Unterstützung für die Theorie der natürlichen Selektion und der Evolution als Ganzes gesehen.
Obwohl das Leben in diesen Tiefen sehr spärlich ist, sind schwarze Raucher die Zentren ganzer Ökosysteme., Sonnenlicht ist nicht vorhanden, so dass viele Organismen – wie Archaeen und Extremophile – die Wärme, Methan und Schwefelverbindungen, die von schwarzen Rauchern bereitgestellt werden, durch einen Prozess namens Chemosynthese in Energie umwandeln. Komplexere Lebensformen wie Muscheln und Knollenwürmer ernähren sich von diesen Organismen. Die Organismen an der Basis der Nahrungskette lagern auch Mineralien in der Basis des schwarzen Rauchers ab und vervollständigen so den Lebenszyklus.
Eine Art phototrophes Bakterium wurde in der Nähe eines schwarzen Rauchers vor der Küste Mexikos in einer Tiefe von 2.500 m (8.200 ft) gefunden., Kein Sonnenlicht dringt so weit ins Wasser ein. Stattdessen verwenden die Bakterien, die zur Familie der Chlorobiaceae gehören, das schwache Glühen des schwarzen Rauchers für die Photosynthese. Dies ist der erste in der Natur entdeckte Organismus, der ausschließlich ein anderes Licht als Sonnenlicht für die Photosynthese verwendet.
In der Nachbarschaft schwarzer Raucher werden ständig neue und ungewöhnliche Arten entdeckt., Der Pompeji-Wurm Alvinella pompejana, der Temperaturen von bis zu 80 °C standhalten kann, wurde in den 1980er Jahren gefunden, und ein schuppenfußiger Gastropode Chrysomallon Squamiferum im Jahr 2001 während einer Expedition zum hydrothermalen Entlüftungsfeld Kairei im Indischen Ozean. Letzteres verwendet Eisensulfide (Pyrit und Greigit) für die Struktur seiner Hautsklerite (gehärtete Körperteile) anstelle von Calciumcarbonat. Es wird angenommen, dass der extreme Druck von 2500 m Wasser (ungefähr 25 Megapascal oder 250 Atmosphären) eine Rolle bei der Stabilisierung von Eisensulfid für biologische Zwecke spielt., Diese Panzerung dient wahrscheinlich als Verteidigung gegen die giftigen Radula (Zähne) von Raubschnecken in dieser Gemeinschaft.
Im März 2017 berichteten Forscher über Hinweise auf möglicherweise die ältesten Lebensformen der Erde. Mutmaßliche versteinerte Mikroorganismen wurden in hydrothermalen Entlüftungsausfällen im Nuvvuagittuq-Gürtel von Quebec, Kanada, entdeckt, die möglicherweise bereits vor 4.280 Milliarden Jahren gelebt haben, nicht lange nachdem sich die Ozeane vor 4.4 Milliarden Jahren gebildet hatten und nicht lange nach der Bildung der Erde vor 4.54 Milliarden Jahren.,
Tier-bakterielle Symbiose
Hydrothermale Entlüftungsökosysteme haben enorme Biomasse und Produktivität; Dies beruht jedoch auf den symbiotischen Beziehungen, die sich an den Entlüftungsöffnungen entwickelt haben. Tiefsee-hydrothermale Entlüftungsökosysteme unterscheiden sich von ihren Flachwasser-und terrestrischen hydrothermalen Gegenstücken aufgrund der Symbiose, die zwischen makro-wirbellosen Wirten und chemoautotrophen mikrobiellen Symbionten in ersteren auftritt. Da Sonnenlicht keine Tiefsee-hydrothermalen Öffnungen erreicht, können Organismen in Tiefsee-hydrothermalen Öffnungen keine Energie von der Sonne erhalten, um Photosynthese durchzuführen., Stattdessen ist das mikrobielle Leben, das an hydrothermalen Öffnungen gefunden wird, chemosynthetisch; Sie fixieren Kohlenstoff, indem sie Energie von Chemikalien wie Sulfid verwenden, im Gegensatz zu Lichtenergie von der Sonne. Mit anderen Worten, der Symbiont wandelt anorganische Moleküle (H2S, CO2, O) in organische Moleküle um, die der Wirt dann als Nahrung verwendet. Sulfid ist jedoch eine extrem giftige Substanz für die meisten Menschen auf der Erde. Aus diesem Grund waren die Wissenschaftler erstaunt, als sie 1977 zum ersten Mal hydrothermale Lüftungsöffnungen fanden, die voller Leben waren., Was entdeckt wurde, war die allgegenwärtige Symbiose von Chemoautotrophen, die in (Endosymbiose) den Kiemen der Entlüftungstiere leben; der Grund, warum vielzelliges Leben die Toxizität von Entlüftungssystemen überleben kann. Wissenschaftler untersuchen daher jetzt, wie die mikrobiellen Symbionten bei der Sulfidentgiftung helfen (wodurch der Wirt die ansonsten toxischen Bedingungen überleben kann). Die Arbeit an der Mikrobiomfunktion zeigt, dass wirtsassoziierte Mikrobiome auch für die Entwicklung, Ernährung, Abwehr von Raubtieren und Entgiftung von Wirten wichtig sind., Im Gegenzug versorgt der Wirt den Symbiont mit Chemikalien, die für die Chemosynthese benötigt werden, wie Kohlenstoff, Sulfid und Sauerstoff.
In den frühen Stadien der Untersuchung des Lebens an hydrothermalen Öffnungen gab es unterschiedliche Theorien über die Mechanismen, durch die vielzellige Organismen Nährstoffe aus diesen Umgebungen gewinnen konnten und wie sie unter solchen extremen Bedingungen überleben konnten. 1977 wurde die Hypothese aufgestellt, dass die chemoautotrophen Bakterien an hydrothermalen Öffnungen dafür verantwortlich sein könnten, zur Ernährung von Muscheln beizutragen.,
Schließlich wurde 1981 verstanden, dass die Nahrungsaufnahme von Riesentubenwürmern als Folge chemoautotropher bakterieller Endosymbionten erfolgte. Als Wissenschaftler das Leben an hydrothermalen Öffnungen weiter untersuchten, wurde verstanden, dass symbiotische Beziehungen zwischen Chemoautotrophen und wirbellosen Makrofauna-Arten allgegenwärtig waren. Zum Beispiel wurde 1983 bestätigt, dass Muschelkiemengewebe bakterielle Endosymbionten enthält; 1984 wurden auch Bathymodiolidmuscheln und Vesicomyidmuscheln gefunden, die Endosymbionten tragen.,
Die Mechanismen, durch die Organismen ihre Symbionten erwerben, unterscheiden sich jedoch ebenso wie die metabolischen Beziehungen. Zum Beispiel haben Tubenwürmer keinen Mund und keinen Darm, aber sie haben ein „Trophosom“, wo sie sich mit der Ernährung befassen und wo ihre Endosymbionten gefunden werden. Sie haben auch eine leuchtend rote Wolke, mit der sie Verbindungen wie O, H2S und CO2 aufnehmen, die die Endosymbionten in ihrem Trophosom füttern., Bemerkenswert ist, dass die Tubenwürmer Hämoglobin (was übrigens der Grund für die leuchtend rote Farbe der Wolke ist) in der Lage ist, Sauerstoff ohne Störung oder Hemmung von Sulfid zu tragen, obwohl Sauerstoff und Sulfid typischerweise sehr reaktiv sind. Im Jahr 2005 wurde entdeckt, dass dies aufgrund von Zinkionen möglich ist, die den Schwefelwasserstoff in den Tubenwürmern Hämoglobin binden, wodurch verhindert wird, dass das Sulfid mit dem Sauerstoff reagiert. Es reduziert auch das Tubenwürmergewebe vor der Exposition gegenüber dem Sulfid und versorgt die Bakterien mit dem Sulfid, um eine Chemoautotrophie durchzuführen., Es wurde auch entdeckt, dass Tubenwürmer CO2 auf zwei verschiedene Arten metabolisieren können und je nach Bedarf zwischen den beiden wechseln können, wenn sich die Umweltbedingungen ändern.
1988 bestätigte die Forschung thiotrophe (Sulfid-oxidierende) Bakterien in Alvinochonca hessleri, einer großen Vent-Molluske. Um die Toxizität von Sulfid zu umgehen, wandeln Muscheln es zuerst in Thiosulfat um, bevor sie es zu den Symbionten übertragen. Bei beweglichen Organismen wie Alvinocarid-Garnelen müssen sie oxische (sauerstoffreiche) / anoxische (sauerstoffarme) Umgebungen verfolgen, da sie in der Umgebung schwanken.,
Organismen, die am Rande von hydrothermalen Entlüftungsfeldern leben, wie Pektinide Jakobsmuscheln, tragen auch Endosymbionten in ihren Kiemen, und infolgedessen ist ihre Bakteriendichte im Vergleich zu Organismen, die näher an der Entlüftung leben, gering. Die Abhängigkeit der Jakobsmuschel vom mikrobiellen Endosymbiont zur Gewinnung ihrer Ernährung wird jedoch auch verringert.
Darüber hinaus haben nicht alle Wirtstiere Endosymbionten; Einige haben Episymbionts-Symbionten, die auf dem Tier leben, im Gegensatz zu innerhalb des Tieres., Garnelen, die in Lüftungsöffnungen im Mittelatlantikkamm gefunden wurden, wurden einst als Ausnahme von der Notwendigkeit einer Symbiose für das Überleben von Makroinvertebraten in Lüftungsöffnungen angesehen. Das änderte sich 1988, als entdeckt wurde, dass sie Episymbionten tragen. Seitdem wurde festgestellt, dass auch andere Organismen an den Lüftungsöffnungen Episymbionten tragen, wie Lepetodrilis fucensis.
Während einige Symbionten Schwefelverbindungen reduzieren, sind andere als „Methanotrophe“ bekannt und reduzieren Kohlenstoffverbindungen, nämlich Methan., Bathmodiolid Muscheln sind ein Beispiel für einen Wirt, der methanotrophe Endosymbionten enthält; letztere treten jedoch meist in kalten Sickern im Gegensatz zu hydrothermalen Öffnungen.
Während die im Tiefsee vorkommende Chemosynthese es Organismen ermöglicht, ohne Sonnenlicht im unmittelbaren Sinne zu leben, verlassen sie sich technisch immer noch auf die Sonne, um zu überleben, da Sauerstoff im Ozean ein Nebenprodukt der Photosynthese ist., Wenn jedoch die Sonne plötzlich verschwinden würde und die Photosynthese auf unserem Planeten nicht mehr stattfindet, könnte das Leben in den hydrothermalen Tiefsee-Lüftungsöffnungen Jahrtausende lang andauern (bis der Sauerstoff erschöpft ist).
Theorie des hydrothermalen Ursprungs von lifeEdit
Die chemische und thermische Dynamik in hydrothermalen Öffnungen macht solche Umgebungen thermodynamisch für chemische Evolutionsprozesse sehr geeignet., Daher ist der thermische Energiefluss ein permanenter Wirkstoff und es wird angenommen, dass er zur Entwicklung des Planeten beigetragen hat, einschließlich der präbiotischen Chemie.
Günter Wächtershäuser schlug die Eisen-Schwefel-Welttheorie vor und schlug vor, dass das Leben an hydrothermalen Öffnungen entstanden sein könnte. Wächtershäuser schlug vor, dass eine frühe Form des Stoffwechsels der Genetik vorausging. Mit Stoffwechsel meinte er einen Zyklus chemischer Reaktionen, die Energie in einer Form freisetzen, die durch andere Prozesse genutzt werden kann.,
Es wurde vorgeschlagen, dass die Aminosäuresynthese tief in der Erdkruste stattgefunden haben könnte und dass diese Aminosäuren anschließend zusammen mit hydrothermalen Flüssigkeiten in kühlere Gewässer geschossen wurden, wo niedrigere Temperaturen und das Vorhandensein von Tonmineralien die Bildung von Peptiden und Protozellen gefördert hätten. Dies ist eine attraktive Hypothese wegen der Fülle von CH4 (Methan) und NH3 (Ammoniak), die in hydrothermalen Entlüftungsregionen vorhanden sind, ein Zustand, der nicht von der primitiven Atmosphäre der Erde bereitgestellt wurde., Eine wesentliche Einschränkung dieser Hypothese ist die mangelnde Stabilität organischer Moleküle bei hohen Temperaturen, aber einige haben vorgeschlagen, dass das Leben außerhalb der Zonen mit der höchsten Temperatur entstanden wäre. Es gibt zahlreiche Arten von Extremophilen und anderen Organismen, die derzeit unmittelbar um Tiefseeventile leben, was darauf hindeutet, dass dies in der Tat ein mögliches Szenario ist.,
Experimentelle Forschung und Computermodellierung zeigen, dass die Oberflächen von Mineralpartikeln in hydrothermalen Öffnungen ähnliche katalytische Eigenschaften wie Enzyme haben und in der Lage sind, aus dem gelösten CO2 im Wasser einfache organische Moleküle wie Methanol (CH3OH) und Ameisensäure (HCO2H) zu erzeugen.
Es wird angenommen, dass alkalische hydrothermale Öffnungen (weiße Raucher) aufgrund ihrer pH-Bedingungen für aufkommendes Leben besser geeignet sind als schwarze Raucher.,
The Deep Hot Biosphere >
Zu Beginn seiner 1992 erschienenen Arbeit The Deep Hot Biosphere bezog sich Thomas Gold auf Ozeanöffnungen, um seine Theorie zu stützen, dass die unteren Ebenen der Erde reich an lebendem biologischem Material sind, das seinen Weg an die Oberfläche findet. Er erweitert seine Ideen in dem Buch the Deep Hot Biosphere.,
Ein Artikel über die abiogene Kohlenwasserstoffproduktion in der Februar-Ausgabe 2008 des Science Journal verwendete Daten aus Experimenten im hydrothermalen Feld Lost City, um zu berichten, wie die abiotische Synthese von Kohlenwasserstoffen mit niedriger Molekularmasse aus Mantel abgeleitetem Kohlendioxid in Gegenwart von ultramafischen Gesteinen, Wasser und moderaten Wärmemengen auftreten kann.