życie tradycyjnie postrzegane jest jako napędzane energią słoneczną, ale organizmy głębinowe nie mają dostępu do światła słonecznego, więc społeczności biologiczne wokół otworów hydrotermalnych muszą zależeć od składników odżywczych znalezionych w zapylonych osadach chemicznych i cieczach hydrotermalnych, w których żyją. Wcześniej oceanografowie Bentosowi zakładali, że organizmy wentylacyjne są zależne od śniegu morskiego, podobnie jak organizmy głębinowe. To pozostawi je zależne od życia roślin, a tym samym słońca., Niektóre organizmy hydrotermalne pochłaniają ten „deszcz”, ale tylko w takim systemie formy życia byłyby rzadkie. W porównaniu z otaczającym dnem morskim, strefy hydrotermalne mają gęstość organizmów 10,000 do 100,000 razy większą.
kominy hydrotermalne są uznawane za rodzaj ekosystemów opartych na chemosyntetyce (CBE), w których pierwotna wydajność jest napędzana związkami chemicznymi jako źródłami energii zamiast światła (chemoautotrofia). Hydrotermalne społeczności wentylacyjne są w stanie utrzymać tak ogromne ilości życia, ponieważ organizmy wentylacyjne zależą od bakterii chemosyntetycznych dla pożywienia., Woda z otworu hydrotermalnego jest bogata w rozpuszczone minerały i wspiera dużą populację bakterii chemoautotropowych. Bakterie te wykorzystują związki siarki, w szczególności siarkowodór, chemikalia wysoce toksyczne dla większości znanych organizmów, do produkcji materiału organicznego w procesie chemosyntezy.,
społeczności Biologiczneedytuj
tak utworzony ekosystem zależy od dalszego istnienia hydrotermalnego pola wentylacyjnego jako podstawowego źródła energii, które różni się od większości życia powierzchniowego na Ziemi, które opiera się na energii słonecznej.., Jednakże, choć często mówi się, że te społeczności istnieją niezależnie od słońca, niektóre organizmy są w rzeczywistości zależne od tlenu wytwarzanego przez organizmy fotosyntetyczne, podczas gdy inne są beztlenowe.,
Chemosyntetyczne bakterie rosną w grubą matę, która przyciąga inne organizmy, takie jak amfipody i copepody, które pasą się bezpośrednio na bakterie., Większe organizmy, takie jak ślimaki, krewetki, kraby, robaki rurkowe, ryby (zwłaszcza węgorze, węgorze rzeżucha, ophidiiforms i Symphurus thermophilus) i ośmiornice (zwłaszcza Vulcanoctopus hydrotermalis), tworzą łańcuch pokarmowy relacji drapieżników i ofiar powyżej pierwotnych konsumentów. Głównymi rodzinami organizmów występujących wokół otworów na dnie morza są annelids, pogonophorans, ślimaki i skorupiaki, z dużymi małż, vestimentiferan robaki i” eyeless ” krewetki tworzące większość organizmów niemikrobicznych.
robaki z rurki Siboglinid, które mogą rosnąć do ponad 2 m (6.,6 stóp) wysokości u największych gatunków, często stanowią ważną część społeczności wokół otworu hydrotermalnego. Nie mają jamy ustnej ani przewodu pokarmowego i podobnie jak robaki pasożytnicze, absorbują składniki odżywcze wytwarzane przez bakterie w ich tkankach. Około 285 miliardów bakterii znajduje się na Uncji tkanki tubeworm. Tubeworms mają czerwone pióropusze, które zawierają hemoglobinę. Hemoglobina łączy się z siarkowodorem i przenosi go do bakterii żyjących wewnątrz robaka. W zamian bakterie odżywiają robaka związkami węgla., Dwa gatunki zamieszkujące szczelinę hydrotermalną to Tevnia jerichonana i Riftia pachyptila. Jedna z odkrytych społeczności, nazywana „miastem węgorza”, składa się głównie z węgorza Dysommina rugosa. Choć węgorze nie są rzadkością, Bezkręgowce zazwyczaj dominują w otworach hydrotermalnych. Eel City znajduje się w pobliżu stożka wulkanicznego Nafanua w Samoa amerykańskim.
w 1993 roku znanych było już ponad 100 gatunków ślimaków występujących w kominach hydrotermalnych. Ponad 300 nowych gatunków zostały odkryte w kominach hydrotermalnych, wiele z nich „siostrzanych gatunków” do innych znalezionych w geograficznie oddzielonych obszarach wentylacyjnych., Zaproponowano, że zanim płyta północnoamerykańska przekroczyła grzbiet śródoceaniczny, istniał jeden biogeograficzny region wentylacyjny we wschodnim Pacyfiku. Późniejszą barierą dla podróżowania była ewolucyjna rozbieżność gatunków w różnych miejscach. Przykłady ewolucji zbieżnej pomiędzy różnymi otworami hydrotermalnymi są postrzegane jako główne poparcie dla teorii doboru naturalnego i ewolucji jako całości.
chociaż życie na tych głębokościach jest bardzo rzadkie, Czarni palacze są centrami całych ekosystemów., Światło słoneczne nie istnieje, więc wiele organizmów-takich jak archeony i ekstremofile-przekształca ciepło, metan i związki siarki dostarczane przez czarnych palaczy w energię w procesie zwanym chemosyntezą. Bardziej złożone formy życia, takie jak małże i tubeworms, żywią się tymi organizmami. Organizmy u podstawy łańcucha pokarmowego również odkładają minerały do podstawy czarnego palacza, tym samym kończąc cykl życiowy.
gatunek bakterii fototroficznych został znaleziony w pobliżu czarnego palacza u wybrzeży Meksyku na głębokości 2500 m (8200 ft)., Żadne światło słoneczne nie przenika tak daleko do wód. Zamiast tego bakterie z rodziny Chlorobiaceae wykorzystują słabą poświatę czarnego palacza do fotosyntezy. Jest to pierwszy organizm odkryty w przyrodzie, który wykorzystuje wyłącznie światło inne niż światło słoneczne do fotosyntezy.
nowe i nietypowe gatunki są stale odkrywane w sąsiedztwie czarnych palaczy., Robak Pompejański Alvinella pompejana, który jest w stanie wytrzymać temperatury do 80 °C (176 °F), został znaleziony w 1980 roku, a łuskowaty gastropod Chrysomallon squamiferum w 2001 roku podczas ekspedycji na Ocean Indyjski kairei hydrotermal vent field. Ten ostatni używa siarczków żelaza (pirytu i greigitu) do budowy skórnych twardzieli (utwardzonych części ciała), zamiast węglanu wapnia. Uważa się, że ekstremalne ciśnienie 2500 m wody (Około 25 megapaskali lub 250 atmosfer) odgrywa rolę w stabilizacji siarczku żelaza do celów biologicznych., Pancerz ten prawdopodobnie służy jako obrona przed jadowitą radulą (zębami) drapieżnych ślimaków w tej społeczności.
w marcu 2017 roku naukowcy zgłosili dowody prawdopodobnie najstarszych form życia na Ziemi. Przypuszczalne skamieniałe mikroorganizmy zostały odkryte w hydrotermalnych osadach w pasie Nuvvuagittuq w Quebecu w Kanadzie, które mogły żyć już 4.280 miliardów lat temu, nie długo po utworzeniu oceanów 4.4 miliardów lat temu, a nie długo po utworzeniu Ziemi 4.54 miliardów lat temu.,
symbioza zwierzęco-bakteryjna
hydrotermalne ekosystemy wentylacyjne mają ogromną biomasę i produktywność; ale to zależy od symbiotycznych relacji, które wyewoluowały w wentylacjach. Głębokowodne ekosystemy hydrotermalne różnią się od swoich płytko-wodnych i naziemnych odpowiedników hydrotermalnych ze względu na symbiozę, która występuje między gospodarzami makro bezkręgowców i chemoautotroficznymi symbiontami mikrobiologicznymi w pierwszym. Ponieważ światło słoneczne nie dociera do głębinowych otworów hydrotermalnych, organizmy w głębinowych otworach hydrotermalnych nie mogą uzyskać energii słonecznej do przeprowadzenia fotosyntezy., Zamiast tego, życie mikrobiologiczne Znalezione w kominach hydrotermalnych są chemosyntetyczne; utrwalają węgiel za pomocą energii z substancji chemicznych, takich jak siarczek, w przeciwieństwie do energii światła ze słońca. Innymi słowy, symbiont przekształca cząsteczki nieorganiczne (H2S, CO2, O) w cząsteczki organiczne, które gospodarz następnie wykorzystuje jako pożywienie. Jednak siarczek jest niezwykle toksyczną substancją dla większości życia na Ziemi. Z tego powodu naukowcy byli zdumieni, gdy po raz pierwszy odkryli tętniące życiem otwory hydrotermalne w 1977 roku., Odkryto wszechobecną symbiozę chemoautotrofów żyjących w (endosymbiozie) skrzelach zwierząt wentylacyjnych; powodem, dla którego życie wielokomórkowe jest w stanie przetrwać toksyczność systemów wentylacyjnych. Naukowcy badają teraz, w jaki sposób symbionty mikrobiologiczne pomagają w detoksykacji siarczków (dzięki czemu gospodarz może przetrwać w innych toksycznych warunkach). Praca nad funkcją mikrobiomu pokazuje, że mikrobiomy związane z gospodarzem są również ważne w rozwoju gospodarza, odżywianiu, obronie przed drapieżnikami i detoksykacji., W zamian żywiciel dostarcza symbiontowi niezbędne do chemosyntezy substancje chemiczne, takie jak węgiel, siarczek i tlen.
we wczesnych etapach badania życia w kominach hydrotermalnych istniały różne teorie dotyczące mechanizmów, dzięki którym organizmy wielokomórkowe były w stanie pozyskiwać składniki odżywcze z tych środowisk i jak były w stanie przetrwać w tak ekstremalnych warunkach. W 1977 roku postawiono hipotezę, że bakterie chemoautotropowe w kominach hydrotermalnych mogą być odpowiedzialne za przyczynianie się do diety zawiesin karmiących małże.,
wreszcie, w 1981 roku, zrozumiano, że nabycie żywienia olbrzymiego tubeworm nastąpiło w wyniku chemioautotroficznych endosymbiontów bakteryjnych. Gdy naukowcy kontynuowali badania nad życiem w kominach hydrotermalnych, zrozumiano, że symbiotyczne relacje między chemoautotrofami i makrofauną bezkręgowcami są wszechobecne. Na przykład w 1983 r. potwierdzono, że tkanka skrzelowa małży zawiera endosymbionty bakteryjne; w 1984 r. stwierdzono również, że małże batymodiolidowe i vesicomyidowe przenoszą endosymbionty.,
jednak mechanizmy, za pomocą których organizmy nabywają swoje symbionty, różnią się, podobnie jak relacje metaboliczne. Na przykład, tubeworms nie mają jamy ustnej i jelit, ale mają „trofosome”, gdzie zajmują się odżywianiem i gdzie ich endosymbionty znajdują. Mają również jasnoczerwony pióropusz, którego używają do wychwytu związków takich jak O, H2S i CO2, które karmią endosymbionty w ich trofosomie., Co ciekawe, hemoglobina tubeworms (która nawiasem mówiąc jest powodem jasnoczerwonego koloru pióropusza) jest zdolna do przenoszenia tlenu bez zakłóceń lub hamowania z siarczku, pomimo faktu, że tlen i siarczek są zazwyczaj bardzo reaktywne. W 2005 roku odkryto, że jest to możliwe dzięki jonom cynku wiążącym siarkowodór w kanalikach hemoglobiny, zapobiegając w ten sposób reakcji siarczku z tlenem. Zmniejsza również tkanki tubeworms od ekspozycji na siarczek i zapewnia bakteriom siarczek do wykonywania chemoautotrofii., Odkryto również, że tubeworms może metabolizować CO2 na dwa różne sposoby i może zmieniać się między nimi w razie potrzeby, gdy zmieniają się warunki środowiskowe.
w 1988 roku badania potwierdziły obecność bakterii tiotroficznych (utleniających siarczki) u alvinochonca hessleri, dużego mięczaka wentylacyjnego. Aby obejść toksyczność siarczku, małże najpierw przekształcają go w tiosiarczan przed przeniesieniem go do symbiontów. W przypadku organizmów ruchliwych, takich jak krewetki alvinocarid, muszą śledzić środowiska oxic (bogate w tlen) / anoxic (ubogie w tlen), ponieważ wahają się w środowisku.,
organizmy żyjące na krawędzi hydrotermalnych pól wentylacyjnych, takie jak przegrzebki pektynowe, również przenoszą endosymbionty w skrzelach, w wyniku czego ich gęstość bakterii jest niska w stosunku do organizmów żyjących bliżej otworu wentylacyjnego. Jednak zależność przegrzebka od endosymbiontu drobnoustrojów w celu uzyskania ich żywienia jest również zmniejszona.
ponadto nie wszystkie zwierzęta żywicielskie mają endosymbionty; niektóre mają episymbionty—symbionty żyjące na zwierzęciu, a nie wewnątrz zwierzęcia., Krewetki Znalezione w otworach wentylacyjnych w grzbiecie Śródatlantyckim były kiedyś uważane za wyjątek od konieczności symbiozy dla przetrwania makroskrętaków w otworach wentylacyjnych. Zmieniło się to w 1988 roku, kiedy odkryto, że noszą episymbionty. Od tego czasu stwierdzono, że inne organizmy w otworach wentylacyjnych również przenoszą episymbionty, takie jak Lepetodrilis fucensis.
ponadto, podczas gdy niektóre symbionty redukują związki siarki, inne są znane jako „metanotrofy” i redukują związki węgla, a mianowicie Metan., Małże bathmodiolidowe są przykładem żywiciela, który zawiera endosymbionty metanotroficzne; jednak te ostatnie występują głównie w zimnych przesiąknięciach, w przeciwieństwie do otworów hydrotermalnych.
podczas gdy chemosynteza występująca w głębokim oceanie pozwala organizmom żyć bez światła słonecznego w bezpośrednim sensie, technicznie nadal polegają na słońcu, ponieważ tlen w oceanie jest produktem ubocznym fotosyntezy., Jeśli jednak słońce nagle zniknie i fotosynteza przestanie występować na naszej planecie, życie w głębinowych kominach hydrotermalnych może trwać przez tysiąclecia (aż do wyczerpania tlenu).
teoria hydrotermalnego pochodzenia życiaedytuj
dynamika chemiczna i termiczna w hydrotermalnych vents sprawia, że takie środowiska są wysoce odpowiednie termodynamicznie dla procesów ewolucji chemicznej., W związku z tym strumień energii cieplnej jest stałym czynnikiem i przypuszcza się, że przyczynił się do ewolucji planety, w tym chemii prebiotycznej.
Günter Wächtershäuser zaproponował teorię świata żelazowo-siarkowego i zasugerował, że życie mogło powstać w otworach hydrotermalnych. Wächtershäuser zaproponował, że wczesna forma metabolizmu wyprzedziła genetykę. Przez metabolizm miał na myśli cykl reakcji chemicznych, które uwalniają energię w postaci, która może być wykorzystana przez inne procesy.,
zaproponowano, że synteza aminokwasów mogła nastąpić głęboko w skorupie ziemskiej i że aminokwasy te zostały następnie wystrzelone wraz z cieczami hydrotermalnymi do chłodniejszych wód, gdzie niższe temperatury i obecność minerałów gliniastych sprzyjały tworzeniu peptydów i protocellów. Jest to atrakcyjna hipoteza ze względu na obfitość CH4 (metanu) i NH3 (amoniaku) obecnych w hydrotermalnych regionach wentylacyjnych, stan, który nie był zapewniony przez prymitywną atmosferę ziemską., Głównym ograniczeniem tej hipotezy jest brak stabilności cząsteczek organicznych w wysokich temperaturach, ale niektórzy sugerują, że życie powstałoby poza strefami najwyższej temperatury. Istnieje wiele gatunków ekstremofilów i innych organizmów żyjących obecnie bezpośrednio wokół otworów głębinowych, co sugeruje, że jest to rzeczywiście możliwy scenariusz.,
badania eksperymentalne i modelowanie komputerowe wskazują, że powierzchnie cząstek mineralnych wewnątrz otworów hydrotermalnych mają podobne właściwości katalityczne do enzymów i są w stanie tworzyć proste cząsteczki organiczne, takie jak metanol (CH3OH) i kwas mrówkowy (hco2h), z rozpuszczonego CO2 w wodzie.
uważa się, że alkaliczne otwory hydrotermalne (biali palacze) mogą być bardziej odpowiednie do życia Wschodzącego niż Czarni palacze ze względu na ich warunki pH.,
Deep Hot Biosphereedit
na początku swojej pracy z 1992 roku the Deep Hot Biosphere, Thomas Gold odniósł się do otworów oceanicznych na poparcie swojej teorii, że niższe poziomy ziemi są bogate w żywy materiał biologiczny, który znajduje drogę do powierzchni. Swoje idee rozwinął w książce the Deep Hot Biosphere.,
artykuł na temat abiogenicznej produkcji węglowodorów w lutym 2008 roku w czasopiśmie Science wykorzystał dane z eksperymentów na polu hydrotermalnym Lost City do raportu, w jaki sposób abiotyczna synteza węglowodorów o niskiej masie cząsteczkowej z dwutlenku węgla pochodzącego z płaszcza może wystąpić w obecności ultramaficznych skał, wody i umiarkowanych ilości ciepła.