Hydrothermale bronnen

leven wordt traditioneel gezien als aangedreven door energie van de zon, maar diepzeeorganismen hebben geen toegang tot zonlicht, zodat biologische gemeenschappen rond hydrothermale bronnen afhankelijk moeten zijn van nutriënten in de stoffige chemische afzettingen en hydrothermale vloeistoffen waarin ze leven. Eerder veronderstelden bentische oceanografen dat ventorganismen afhankelijk waren van mariene sneeuw, zoals diepzeeorganismen dat zijn. Dit zou hen afhankelijk maken van het plantenleven en dus de zon., Sommige hydrothermale organismen verbruiken deze “regen”, maar met alleen zo ‘ n systeem, zouden levensvormen schaars zijn. In vergelijking met de omringende zeebodem hebben hydrothermale ontluchtingszones echter een dichtheid van 10.000 tot 100.000 keer groter.

de hydrothermale openingen worden erkend als een type op chemosynthetische gebaseerde ecosystemen (CBE) waar de primaire productiviteit wordt gevoed door chemische verbindingen als energiebron in plaats van licht (chemoautotrofie). Hydrothermale ontluchtingsgemeenschappen kunnen zulke grote hoeveelheden leven in stand houden omdat ontluchtingsorganismen afhankelijk zijn van chemosynthetische bacteriën voor voedsel., Het water uit de hydrothermale opening is rijk aan opgeloste mineralen en ondersteunt een grote populatie chemoautotrofe bacteriën. Deze bacteriën gebruiken zwavelverbindingen, in het bijzonder waterstofsulfide, een chemische stof die zeer giftig is voor de meeste bekende organismen, om organisch materiaal te produceren door middel van het proces van chemosynthese.,belangrijkste artikelen: Diepzeegemeenschappen, vroegst bekende levensvormen, geiser § Biology of geisers, Hot spring § Biota in hot springs, and Hydrothermal Vent Microbial Communities

het aldus gevormde ecosysteem is afhankelijk van het voortbestaan van het hydrothermal vent field als de primaire energiebron, die verschilt van de meeste oppervlakte leven op aarde, die gebaseerd is op op zonne-energie., Hoewel vaak wordt gezegd dat deze gemeenschappen onafhankelijk van de zon bestaan, zijn sommige organismen eigenlijk afhankelijk van zuurstof geproduceerd door fotosynthetische organismen, terwijl andere anaërobe zijn.,

De chemo-synthetisch bacteriën groeien tot een dikke mat die aantrekkelijk is voor andere organismen, zoals vlokreeftjes en kreeftjes, die grazen op de bacteriën rechtstreeks op., Grotere organismen, zoals slakken, garnalen, krabben, kokerwormen, vissen (vooral paling, snijdende paling, ophidiiformen en Symphurus thermophilus), en octopussen (met name Vulcanoctopus hydrothermalis), vormen een voedselketen van roofdier-en prooidierelaties boven de primaire consumenten. De belangrijkste families van organismen gevonden rond zeebodem openingen zijn anneliden, pogonophorans, buikpotigen, en schaaldieren, met grote tweekleppigen, vestimentiferan wormen, en “oogloze” garnalen die het grootste deel van de niet-microbiële organismen.

siboglinide buiswormen, die tot meer dan 2 m (6.,6 ft) hoog in de grootste soorten, vormen vaak een belangrijk deel van de gemeenschap rond een hydrothermale vent. Ze hebben geen mond of spijsverteringskanaal, en net als parasitaire wormen, absorberen voedingsstoffen geproduceerd door de bacteriën in hun weefsels. Ongeveer 285 miljard bacteriën worden gevonden per ounce van tubeworm Weefsel. Buiswormen hebben rode pluimen die hemoglobine bevatten. Hemoglobine combineert met waterstofsulfide en draagt het over aan de bacteriën die in de worm leven. In ruil daarvoor voeden de bacteriën de worm met koolstofverbindingen., Twee van de soorten die een hydrothermale bron bewonen zijn Tevnia jerichonana en Riftia pachyptila. Een ontdekte gemeenschap, genaamd “paling City”, bestaat voornamelijk uit de paling Dysommina rugosa. Hoewel paling niet ongewoon is, domineren ongewervelde dieren meestal hydrothermale openingen. Eel City is gelegen in de buurt van nafanua vulkanische kegel, Amerikaans-Samoa.

in 1993 kwamen al meer dan 100 buikpotigen voor in hydrothermale openingen. Meer dan 300 nieuwe soorten zijn ontdekt in hydrothermale openingen, waarvan velen “zustersoorten” zijn voor anderen die in geografisch gescheiden ventilatiegebieden worden gevonden., Er is voorgesteld dat voordat de Noord-Amerikaanse plaat de mid-oceanische rug overschreed, er één biogeografische vent regio was gevonden in de oostelijke Stille Oceaan. De daaropvolgende barrière om te reizen begon de evolutionaire divergentie van soorten op verschillende locaties. De voorbeelden van convergente evolutie gezien tussen verschillende hydrothermale openingen wordt gezien als belangrijke ondersteuning voor de theorie van natuurlijke selectie en van evolutie als geheel.

hoewel het leven op deze dieptes zeer schaars is, zijn zwarte rokers de centra van hele ecosystemen., Zonlicht bestaat niet, dus veel organismen – zoals archaea en extremofielen – zetten de warmte, methaan en zwavelverbindingen van zwarte rokers om in energie door middel van een proces genaamd chemosynthese. Complexere levensvormen, zoals kokkels en buiswormen, voeden zich met deze organismen. De organismen aan de basis van de voedselketen leggen ook mineralen af in de basis van de zwarte roker, waardoor de levenscyclus wordt voltooid.

een soort fototrofe bacterie is gevonden in de buurt van een zwarte roker voor de kust van Mexico op een diepte van 2.500 m., Geen zonlicht dringt zo ver het water in. In plaats daarvan gebruiken de bacteriën, die deel uitmaken van de Chlorobiaceae familie, de zwakke gloed van de zwarte roker voor fotosynthese. Dit is het eerste organisme dat in de natuur is ontdekt en dat uitsluitend een ander licht dan zonlicht gebruikt voor fotosynthese.

nieuwe en ongewone soorten worden voortdurend ontdekt in de buurt van zwarte rokers., De Pompeiiworm Alvinella pompejana, die bestand is tegen temperaturen tot 80 °C (176 °F), werd gevonden in de jaren 1980, en een schilferige voetpatiënt Chrysomallon squamiferum in 2001 tijdens een expeditie naar de Indische Oceaan kairei hydrothermal vent veld. Deze laatste gebruikt ijzersulfiden (pyriet en greigiet) voor de structuur van zijn huidsclerieten (verharde lichaamsdelen), in plaats van calciumcarbonaat. De extreme druk van 2500 m water (ongeveer 25 megapascal of 250 atmosferen) zou een rol spelen bij het stabiliseren van ijzersulfide voor biologische doeleinden., Deze bepantsering dient waarschijnlijk als verdediging tegen de giftige radula (tanden) van roofslakken in die gemeenschap.

in maart 2017 rapporteerden onderzoekers bewijs van mogelijk de oudste levensvormen op aarde. Vermoedelijk werden gefossiliseerde micro-organismen ontdekt in hydrothermale precipitaten in de Nuvvuagittuq Belt van Quebec, Canada, die mogelijk al 4,280 miljard jaar geleden hebben geleefd, niet lang nadat de oceanen 4,4 miljard jaar geleden waren gevormd, en niet lang na de vorming van de aarde 4,54 miljard jaar geleden.,

dier-bacteriële symbiosedit

hydrothermale ventrecosystemen hebben een enorme biomassa en productiviteit; maar dit berust op de symbiotische relaties die zich in de openingen hebben ontwikkeld. Door de symbiose die optreedt tussen macro-ongewervelde gastheren en chemoautotrofe microbiële symbionten in de eerste, verschillen de hydrothermale systemen van de diepzee van hun ondiepe en terrestrische hydrothermale tegenhangers. Omdat zonlicht geen hydrothermale bronnen in de diepzee bereikt, kunnen organismen in hydrothermale bronnen in de diepzee geen energie van de zon verkrijgen om fotosynthese uit te voeren., In plaats daarvan, is het microbiële leven dat bij hydrothermale openingen wordt gevonden chemosynthetisch; zij fixeren koolstof door energie van chemische producten zoals sulfide te gebruiken, in tegenstelling tot lichte energie van de zon. Met andere woorden, de symbiont zet anorganische moleculen (H2S, CO2, O) om in organische moleculen die de gastheer vervolgens als voeding gebruikt. Sulfide is echter een uiterst giftige stof voor het meeste leven op aarde. Om deze reden waren wetenschappers verbaasd toen ze voor het eerst hydrothermale bronnen vol leven vonden in 1977., Wat werd ontdekt was de alomtegenwoordige symbiose van chemoautotrofen die in (endosymbiose) de kieuwen van de ontluchtingsdieren leven; de reden waarom meercellig leven in staat is om de toxiciteit van ontluchtingssystemen te overleven. Wetenschappers bestuderen daarom nu hoe de microbiële symbionten helpen bij de ontgifting van sulfide (waardoor de gastheer de anders toxische omstandigheden kan overleven). Het werk aan microbiome functie toont aan dat gastheer-geassocieerde microbiomes ook belangrijk in gastheerontwikkeling, voeding, defensie tegen roofdieren, en ontgifting zijn., In ruil daarvoor voorziet de gastheer de symbiont van chemicaliën die nodig zijn voor chemosynthese, zoals koolstof, sulfide en zuurstof.

In de vroege stadia van de studie van het leven aan hydrothermale bronnen, waren er verschillende theorieën over de mechanismen waardoor meercellige organismen in staat waren om voedingsstoffen uit deze omgevingen te verwerven, en hoe ze in staat waren om te overleven in dergelijke extreme omstandigheden. In 1977, werd verondersteld dat de chemoautotrophic bacteriën bij hydrothermale openingen verantwoordelijk zouden kunnen zijn voor het bijdragen aan het dieet van opschorting die tweekleppigen voeden.,

ten slotte werd in 1981 begrepen dat de voedingsacquisitie van reuzentubeworm plaatsvond als gevolg van chemoautotrofe bacteriële endosymbionten. Aangezien wetenschappers het leven in hydrothermale openingen bleven bestuderen, werd begrepen dat symbiotische relaties tussen chemoautotrophs en macrofauna ongewervelde soorten alomtegenwoordig waren. Zo werd in 1983 bevestigd dat het kieuwweefsel van mosselen bacteriële endosymbionten bevatte; in 1984 bleken ook bathymodiolide mosselen en vesicomyide mosselen endosymbionten te dragen.,

de mechanismen waarmee organismen hun symbionten verkrijgen verschillen echter, evenals de metabole relaties. Bijvoorbeeld, buiswormen hebben geen mond en geen darmen, maar ze hebben een “trofosoom”, dat is waar ze omgaan met voeding en waar hun endosymbionts worden gevonden. Zij hebben ook een heldere rode pluim, die zij aan opnamesamenstellingen zoals O, H2S, en CO2 gebruiken, die de endosymbionts in hun trofosome voeden., Opmerkelijk is dat de buiswormen hemoglobine (die overigens is de reden voor de heldere rode kleur van de Pluim) is in staat om zuurstof te dragen zonder interferentie of remming van sulfide, ondanks het feit dat zuurstof en sulfide zijn meestal zeer reactief. In 2005 werd ontdekt dat dit mogelijk is door zinkionen die het waterstofsulfide binden in de buiswormen hemoglobine, waardoor het sulfide niet reageert met de zuurstof. Het vermindert ook het buiswormenweefsel van blootstelling aan het sulfide en voorziet de bacteriën van het sulfide om chemoautotrofie uit te voeren., Men heeft ook ontdekt dat buiswormen CO2 op twee verschillende manieren kunnen metaboliseren, en tussen de twee zo nodig kunnen afwisselen aangezien milieuvoorwaarden veranderen.in 1988 bevestigde onderzoek thiotrofische (sulfide-oxiderende) bacteriën in Alvinochonca hessleri, een grote vent weekdier. Om de toxiciteit van sulfide te omzeilen, zetten mosselen het eerst om in thiosulfaat voordat ze het overdragen aan de symbionten. In het geval van beweeglijke organismen zoals alvinocaride garnalen, moeten ze oxische (zuurstofrijke) / anoxische (zuurstofarme) omgevingen volgen als ze fluctueren in de omgeving.,

organismen die aan de rand van hydrothermale vullingen leven, zoals pectinide sint-jakobsschelpen, dragen ook endosymbionten in hun kieuwen, waardoor hun bacteriële dichtheid laag is ten opzichte van organismen die dichter bij de vullingen leven. De afhankelijkheid van de sint-jakobsschelp van de microbiële endosymbiont voor het verkrijgen van hun voeding wordt daardoor echter ook verminderd.

bovendien hebben niet alle gastheren endosymbionten; sommige hebben episymbionts—symbionten die op het dier leven in tegenstelling tot in het dier., Garnalen gevonden in ventilatieopeningen in de Mid-Atlantische Rug werden ooit beschouwd als een uitzondering op de noodzaak van symbiose voor het overleven van macro-invertebraten in ventilatieopeningen. Dat veranderde in 1988 toen ze ontdekt werden episymbionts te dragen. Sindsdien zijn er ook andere organismen gevonden die episymbionts dragen, zoals Lepetodrilis fucensis.

bovendien, terwijl sommige symbionten zwavelverbindingen verminderen, staan andere bekend als “methanotrofen” en verminderen koolstofverbindingen, namelijk methaan., Bathmodiolide mosselen zijn een voorbeeld van een gastheer die methanotrofe endosymbionts bevat; echter, de laatste komen meestal voor in koude sijpelingen in tegenstelling tot hydrothermale openingen.hoewel chemosynthese in de diepe oceaan organismen in staat stelt om in de onmiddellijke zin van het woord zonder zonlicht te leven, zijn ze technisch gezien nog steeds afhankelijk van de zon om te overleven, aangezien zuurstof in de oceaan een bijproduct is van fotosynthese., Echter, als de zon plotseling zou verdwijnen en fotosynthese niet meer op onze planeet zou plaatsvinden, zou het leven in de hydrothermale openingen in de diepzee millennia kunnen doorgaan (totdat de zuurstof was uitgeput).

Theory of hydrothermal origin of lifeEdit

de chemische en thermische dynamica in hydrothermal vents maakt dergelijke omgevingen zeer geschikt thermodynamisch voor chemische evolutieprocessen plaatsvinden., Daarom, thermische energie flux is een permanente agent en wordt verondersteld te hebben bijgedragen aan de evolutie van de planeet, met inbegrip van prebiotische chemie.Günter Wächtershäuser stelde de ijzer-zwavel wereldtheorie voor en suggereerde dat het leven zou kunnen zijn ontstaan uit hydrothermale bronnen. Wächtershäuser stelde voor dat een vroege vorm van metabolisme ouder was dan genetica. Met metabolisme bedoelde hij een cyclus van chemische reacties die energie vrijgeven in een vorm die kan worden benut door andere processen.,er is gesuggereerd dat aminozuursynthese diep in de aardkorst had kunnen plaatsvinden en dat deze aminozuren vervolgens samen met hydrothermale vloeistoffen in koeler water werden opgespoten, waar lagere temperaturen en de aanwezigheid van kleimineralen de vorming van peptiden en protocellen zouden hebben bevorderd. Dit is een aantrekkelijke hypothese vanwege de aanwezigheid van CH4 (methaan) en NH3 (ammoniak) in hydrothermale ontluchtingsgebieden, een toestand die niet werd geleverd door de primitieve atmosfeer van de aarde., Een belangrijke beperking aan deze hypothese is het gebrek aan stabiliteit van organische molecules bij hoge temperaturen, maar sommigen hebben gesuggereerd dat het leven buiten de zones van hoogste temperatuur zou zijn ontstaan. Er zijn talrijke soorten extremofielen en andere organismen die momenteel direct rond diepzeeopeningen leven, wat erop wijst dat dit inderdaad een mogelijk scenario is.,

experimenteel onderzoek en computermodellering tonen aan dat de oppervlakken van minerale deeltjes in hydrothermale openingen vergelijkbare katalytische eigenschappen hebben als enzymen en in staat zijn eenvoudige organische moleculen, zoals methanol (CH3OH) en mierenzuur (HCO2H), te creëren uit het opgeloste CO2 in het water.

Er wordt aangenomen dat alkalische hydrothermale bronnen (witte rokers) geschikter zijn voor nieuw leven dan zwarte rokers vanwege hun pH-condities.,aan het begin van zijn artikel The Deep Hot Biosphere uit 1992 verwees Thomas Gold naar oceaanopeningen ter ondersteuning van zijn theorie dat de lagere niveaus van de aarde rijk zijn aan levend biologisch materiaal dat zijn weg naar het oppervlak vindt. Hij breidde zijn ideeën verder uit in het boek The Deep Hot Biosphere.,

een artikel over de productie van abiogene koolwaterstoffen in het februari 2008 nummer van Science journal gebruikte gegevens van experimenten op het hydrothermale veld van Lost City om te rapporteren hoe de abiotische synthese van koolwaterstoffen met lage moleculaire massa uit koolstofdioxide afkomstig van mantels kan optreden in de aanwezigheid van ultramafische rotsen, water en matige hoeveelheden warmte.