Hidrotermālie avoti: definīcija, melnie dūmvadi un dzīve ap tiem
Hidrotermālā atvere ir atvērums Zemes dibenā, pa kuru izplūst ģeotermālā enerģija. Jūras ūdens ieplūst caur plaisām, saskarē ar karstām klintīm tas kļūst ļoti karsts, ķīmiskās vielas no iegrimušā klints izšķīst ūdenī, un karstais, bagātais šķīdums paceļas atpakaļ virzienā uz virsmu. Spiediens lielos dziļumos novērš ūdens vārīšanos pat pie ļoti augstām temperatūrām — dažkārt tuvu 400 °C.
Melnie dūmvadi un balto dūmaku veidošanās
Karstie šķīdumi, paceļoties no zemūdens avotiem, satiek aukstāku okeāna ūdeni. Ja šķīdums nes daudz daļiņu — galvenokārt metālu sulfīdus — tie nokrīt un veido tumšas, cilindriskas struktūras, ko sauc par melnajiem dūmvadiem. To „dūmi” ir tumši, jo satur smagas, tumšas minerālvielas. Zinātnieki ir atklājuši arī mazāk piemērus, ko mēdz dēvēt par balto dūmaku — šajās vietās izdalās cita veida minerāli (piem., bārija, kalcija savienojumi), kas rada gaišāku, balti peldošu mākoni.
Hidrotermālie avoti uz sauszemes
Ja līdzīgi procesi notiek tuvāk virsmai vai uz sauszemes, siltuma izplūde izpaužas kā karstie avoti, geizeri vai fumaroles. Šajās vietās ūdens vai tvaiks nāk no zemes, bieži saturot minerālus un gāzes (piemēram, sēra savienojumus), un tās ir populāras tūristu un ģeoterapijas objektu vietas.
Dzīvība ap hidrotermālajiem avotiem
Ap hidrotermālajiem avotiem, it īpaši zem ūdens, dzīvo daudz mikroskopisku un lielāku organismu. Šos ekosistēmas nepārtur saules gaisma, bet gan ķīmiskās vielas — organisko vielu ražošana notiek, izmantojot chemosintēzi, ko veic arhejas un baktērijas. Šīs mikroorganismu kopienas kalpo kā barības avots un energetisks pamats sarežģītākām dzīves formām.
- Starptautiski pazīstami iemītnieki ir milzu cauruļveida tārpi, kas dzīvo simbiozē ar chemosintētiskām baktērijām.
- Tuvumā atrodami arī gliemenes, garneles un daudzi citi eikarioti, kuri adaptējušies augstam spiedienam, temperatūras svārstībām un ķīmiskai videi.
Daudzi no šiem organismiem izmanto īpašas adaptācijas — termorozturīgas olbaltumvielas, simbiotiskas baktēriju kopienas un ķermeņa formas, kas ļauj maksimāli izmantot vietējo ķīmiju.
Nozīme zinātnē un cilvēku interese
Hidrotermālie avoti ir nozīmīgi vairāku iemeslu dēļ:
- Bioloģiskā daudzveidība: tie nav tikai „melnas krāsas dūmi” — tie ir unikālas ekosistēmas ar organismiem, kurus nevar atrast citur.
- Pirmsdzīvības teorijas: tiek uzskatīts, ka pirmās zināmās dzīvības formas varētu būt radušās šādu avotu tuvumā, jo tie nodrošina enerģiju un ķīmiskas vielas, kas nepieciešamas organisko molekulu sintezē.
- Biotehnoloģija: ekstremofilu enzīmi un vielmaiņas ceļi var būt noderīgi medicīnā, rūpniecībā un pētniecībā.
- Resursi un draudi: melnie dūmvadi satur metālus un sulfīdus, kas piesaista interesi par dziļūdens ieguvi. Tomēr rūpnieciska darbība var nopietni ietekmēt šīs rūpīgi līdzsvarotās ekosistēmas.
Hidrotermālie avoti joprojām ir aktīvi pētniecības objekti: zinātnieki izmanto dziļūdens robotus, kapsulas un ierīces, lai pētītu ķīmiju, mikrobioloģiju un makroorganismus šajās ekstrēmās vietās. Pētījumi palīdz saprast, kādzīve var funkcionēt bez saules enerģijas, kā arī sniedz ieskatu par iespējamām dzīvības formām uz citiem debesu ķermeņiem.
Hidrotermālā atvere
Caurulītes tārpi enerģiju iegūst no baktērijām, kas dzīvo to plēvēs.
Symphurus hydrophilus - plakanzivs, kas dzīvo tikai hidrotermālo avotu tuvumā.
Bioloģiskās kopienas
Dziļo jūru organismiem nav pieejama saules gaisma, tāpēc tiem ir jābūt atkarīgiem no barības vielām, kas atrodas ķīmiskajās nogulsnēs un hidrotermālajos ūdeņos, kuros tie dzīvo. Tomēr, salīdzinot ar apkārtējo jūras dibenu, hidrotermālo izplūdes atveru zonās organismu blīvums ir 10 000 līdz 100 000 reižu lielāks.
Hidrotermālo avotu kopienas spēj uzturēt tik milzīgu dzīvības daudzumu, jo avotu organismi ir atkarīgi no ķīmiski sintezējošām baktērijām, kas nodrošina barību. Šīs baktērijas izmanto sēra savienojumus, jo īpaši sērūdeņraža sulfīdu - ķīmisku vielu, kas ir ļoti toksiska lielākajai daļai zināmo organismu, lai ķīmiskās sintēzes procesā iegūtu organiskas vielas.
Ķīmosintētiskās baktērijas izaug biezā paklājā, kas piesaista citus organismus, piemēram, amfipodus un kopepodus, kuri tiešā veidā ganās uz baktērijām. Lielāki organismi, piemēram, gliemeži, garneles, krabji, milzu cauruļtārpiņi, zivis un astoņkāji, veido barības ķēdi, kurā plēsoņa un upura attiecības pastāv virs primārajiem patērētājiem.
Galvenās organismu grupas ap jūras gultnes ventilācijas atverēm ir tārpi, gliemeži un vēžveidīgie, bet lielāko daļu nemikrobiālo organismu veido lielās gliemenes un garneles "bez acīm".
Cauruļveida tārpi ir nozīmīga hidrotermālā izplūdes atveres kopienas daļa. Tās absorbē barības vielas tieši savos audos. Vienā gramā cauruļvāku audu ir aptuveni 285 miljardi baktēriju.
Cauruļtārpiem ir sarkani plēves plēvītes, kas satur hemoglobīnu. Hemoglobīns apvieno sērūdeņradi un nodod to tārpa iekšienē dzīvojošajām baktērijām. Savukārt baktērijas baro tārpu ar oglekļa savienojumiem.
Citi unikālās faunas piemēri, kas apdzīvo šo ekosistēmu, ir gliemezis Crysomallon squamiferum - gliemežu suga ar kāju, kuras kāju pastiprina no dzelzs un organiskiem materiāliem izgatavotas zvīņas, un "Pompeju tārps" Alvinella pompejana, kas spēj izturēt temperatūru līdz pat 80 °C (176 °F).
Hidrotermālajos avotos ir atklātas vairāk nekā 300 jaunas sugas, daudzas no tām ir "māsas sugas" citām sugām, kas dzīvo ģeogrāfiski nošķirtās avotu teritorijās. Ir izteikts pieņēmums, ka pirms Ziemeļamerikas plātnes pārbīdīšanas pāri Vidusatlantiskajai grēdai Klusā okeāna austrumu daļā atradās viens bioģeogrāfisks ūdens izplūdes vietu reģions. Turpmākā ceļošanas barjera aizsāka sugu evolūcijas atšķirību dažādās vietās. Konverģences evolūcijas piemēri, kas novēroti starp dažādiem hidrotermālajiem avotiem, tiek uzskatīti par galveno atbalstu dabiskās atlases teorijai un evolūcijai kopumā.
Mehiko piekrastē 2500 m dziļumā ir atrasta fototrofas baktērijas suga, kas dzīvo netālu no melnās kūpinātavas, kas atrodas pie Meksikas krastiem, 8200 pēdu dziļumā. Tik tālu ūdeņos neiekļūst saules gaisma. Tā vietā šīs baktērijas, kas pieder Chlorobiaceae dzimtas dzimtas pārstāvjiem, fotosintēzei izmanto vāju melnā dūmvada spīdumu. Šis ir pirmais dabā atklātais organisms, kas fotosintēzei izmanto tikai citu gaismu, nevis saules gaismu.
Jautājumi un atbildes
J: Kas ir hidrotermālā atvere?
A: Hidrotermālā atvere ir atvērums Zemes dibenā, pa kuru izplūst ģeotermālā enerģija.
J: Kas notiek, kad jūras ūdens iekļūst hidrotermālajā atverē?
A: Jūras ūdens iekļūst hidrotermālajā atverē, kļūst ļoti karsts un paceļas.
J: Kas ir melnie dūmvadi?
A: Karstākajos avotos ir daudz melnu ķīmisko vielu, un tos sauc par melnajiem dūmvadiem.
J: Kas ir baltie dūmvadi?
A: Zinātnieki ir atklājuši mazāk balto dūmaku nekā melno dūmaku.
J: Kādas vēl ģeotermālās īpašības ir sauszemē?
A: Ja ģeotermālie objekti atrodas uz sauszemes, tie parasti ir karstie avoti, geizeri vai fumaroles.
J: Kādi organismi dzīvo hidrotermālo avotu tuvumā?
A: Daudzas arhejas un baktērijas dzīvo hidrotermālo avotu tuvumā, kur dzīvo milzu cauruļveida tārpi, gliemenes un garneles, kā arī daudzi citi eikarioti.
J: Ko zinātnieki uzskata par senākajām zināmajām dzīvības formām?
A: Zinātnieki uzskata, ka pirmās zināmās dzīvības formas, domājams, ir dzīvojušas hidrotermālo avotu tuvumā.
