Hidrotermalni vrelci - podvodni geotermalni izviri in ekosistemi
Hidrotermalni ventil je odprtina v morskem dnu Zemlje, skozi katero uhaja geotermalna energija. Morska voda vstopi vanj, se segreje v vročem skorjnem ali magmatskem okolju in se pod pritiskom dvigne nazaj na dno. V najvročjih izvirih so v izstopajočem izplunu pogosto raztopljeni kovinski sulfidi in drugi minerali, zaradi česar se nad nekaterimi pojavijo temni oblaki — ti se imenujejo črni dimniki. Obstajajo tudi svetlejši, manj vroči izbruhi, ki jih raziskovalci imenujejo »beli dimniki«; ti vsebujejo manj kovinskih sulfidi in več baritov, silikatov ali drugih lažjih mineralov. Toplota na površju Zemlje uhaja iz notranjosti tudi drugod: na kopnem kot običajni vroči izviri, gejzirji ali fumarole.
Nastanek in kemija hidrotermalnih vrelcev
Hidrotermalni vrelci se najpogosteje pojavljajo vzdolž srednjeoceanskih razpok (npr. srednjeoceanski grebeni), pa tudi v bak-ark bazenih, gorskokoronskih območjih in ob vulkanskih otokih. Morska voda pronica skozi razpoke v skorji, se segreje v stiku z vročim magmatskim materialom, raztopi minerale iz kamnin in se nato povrne na dno kot mineralno bogat, pogosto močno vroč (do približno 350–400 °C) in pod pritiskom raztopljen izplun. Po ohladitvi se nekateri minerali izločijo in tvorijo značilne dimniške »dimnike« iz sulfidnih ali karbonatnih skladb.
Ekosistemi in življenje okoli vrelcev
V bližini hidrotermalnih vrelcev uspevajo posebni ekosistemi, ki so neodvisni od sončne svetlobe. Mikroorganizmi, predvsem arheje in bakterije, izkoriščajo kemijsko energijo iz raztopljenih snovi (npr. vodikovega sulfida) v procesu, imenovanem kemosinteza. Ti primarni proizvajalci tvorijo hrano in energijo, ki jo nato uporabljajo višje oblike življenja.
- Navadne prebivalke so velikanski cevni črvi (npr. Riftia), ki nimajo ust, ampak gostijo simbiotične bakterije,
- različne školjke, ki prav tako gostijo bakterije v svojih tkivih,
- kozice in raki, ribe, polži ter številni drugi evkarionti in brezvretenčarji,
- ter specializirane zajedavske in plenilske vrste, prilagojene na ekstremne pogoje.
Najstarejše znane oblike življenja na Zemlji so morda nastale v podobnih pogojih, zato hidrotermalni vrelci zanimajo raziskovalce, ki proučujejo izvor življenja in možnosti za življenje na drugih planetih.
Pomen za znanost in človeka
- Hidrotermalni vrelci so naravni laboratoriji za proučevanje ekstremofilnih organizmov in njihove biokemije (npr. encimi, ki delujejo pri visokih temperaturah).
- So pomembni za globalne biogeokemične cikle — prinašajo na dno kovine in elemente, ki vplivajo na kemijo oceana.
- V dimnikih se kopičijo ekonomsko zanimive kovine (npr. bakra, cinka, zlata), zato so tarča razprav o možnem globokomorskem rudarjenju.
- Raziskave hidrotermalnih polj prispevajo tudi k boljšemu razumevanju vulkanskih in tektonskih procesov.
Grožnje in varstvo
Ekosistemi okoli hidrotermalnih vrelcev so ranljivi in občutljivi na motnje. Glavne grožnje vključujejo:
- možno globokomorsko rudarjenje, ki bi lahko uničilo habitat in dolgotrajno spremenilo biološke skupnosti,
- onesnaževanje in širjenje tujih vrst ali mikroorganizmov z raziskovalnimi plovili,
- spremembe v globokomorskih tokovih ali kemičnem ravnovesju zaradi podnebnih sprememb, ki lahko vplivajo na razpoložljivost kemijskih hranil.
Zaradi omejene regeneracijske sposobnosti teh okolij strokovnjaki zahtevajo previden pristop, omejevanje škodljivih posegov in vzpostavitev morskih zaščitenih območij okoli ranljivih naplavin.
Raziskovanje
Hidrotermalne vrelce so prvič neposredno opazovali s podmornimi raziskovalnimi plovili v 70. letih 20. stoletja; od takrat je področje napredovalo z uporabo daljinsko vodenih vozil (ROV), avtonomnih plovil (AUV), laboratorijev na krovu in senzorjev za merjenje kemije, temperature in biološke sestave. Znanstveniki zbirajo vzorce vode, usedlin, mikroorganizmov in makroorganizmov ter izvajajo poskuse v laboratorijih, da bi razumeli fizikalne, kemične in biološke procese, ki poganjajo te edinstvene ekosisteme.
Hidrotermalni vrelci tako predstavljajo ključne točke povezovanja geologije, kemije in biologije v globokem oceanu — so okna v notranjost Zemlje in v zgodnjo evolucijo življenja, obenem pa zahtevajo premišljeno varovanje pred grožnjami modernega sveta.
Hidrotermalni ventil
Cevni črvi pridobivajo energijo iz bakterij, ki živijo v njihovih pljučih.
Symphurus hydrophilus , ploska riba, ki živi le v bližini hidrotermalnih vrelcev.
Biološke skupnosti
Globokomorski organizmi nimajo dostopa do sončne svetlobe, zato so odvisni od hranilnih snovi v kemičnih usedlinah in hidrotermalnih tekočinah, v katerih živijo. V primerjavi z okoliškim morskim dnom pa je gostota organizmov na območjih hidrotermalnih izvirov od 10.000 do 100.000-krat večja.
Skupnosti hidrotermalnih izvirov lahko vzdržujejo tako velike količine življenja, ker so organizmi izvirov odvisni od kemosintetičnih bakterij, ki jim zagotavljajo hrano. Te bakterije uporabljajo žveplove spojine, zlasti vodikov sulfid, kemikalijo, ki je zelo strupena za večino znanih organizmov, za proizvodnjo organskih snovi v procesu kemosinteze.
Kemosintetične bakterije se razrastejo v gosto preprogo, ki privablja druge organizme, kot so dvoživke in kopepodi, ki se pasejo neposredno na bakterijah. Večji organizmi, kot so polži, kozice, rakovice, orjaški cevni črvi, ribe in hobotnice, tvorijo prehranjevalno verigo odnosov med plenilci in plenom nad primarnimi potrošniki.
Glavne skupine organizmov v okolici vrelcev na morskem dnu so črvi, polži in raki, med nemikrobnimi organizmi pa prevladujejo velike školjke in kozice brez oči.
Cevni črvi so pomemben del skupnosti v okolici hidrotermalnega vrelca. Hranila absorbirajo neposredno v svoja tkiva. Na eno unčo tkiva cevnega črva je približno 285 milijard bakterij.
Cevne črve odlikujejo rdeči pljuči, ki vsebujejo hemoglobin. Hemoglobin združuje vodikov sulfid in ga prenaša na bakterije, ki živijo v črvu. Bakterije v zameno črva hranijo z ogljikovimi spojinami.
Drugi primeri edinstvene favne, ki živi v tem ekosistemu, so polž Crysomallon squamiferum, vrsta polža z nogo, ojačano z luskami iz železa in organskih materialov, ter "pompeijski črv" Alvinella pompejana, ki je sposoben prenesti temperature do 80 °C.
V hidrotermalnih vrelcih so odkrili več kot 300 novih vrst, od katerih so mnoge "sestrske" drugim vrstam na geografsko ločenih območjih vrelcev. Predlagano je bilo, da je pred tem, ko je severnoameriška plošča prevrnila srednjeatlantski greben, v vzhodnem Pacifiku obstajalo eno samo biogeografsko območje odprtin. Kasnejša ovira za potovanje je sprožila evolucijsko razhajanje vrst na različnih lokacijah. Primeri konvergentne evolucije med različnimi hidrotermalnimi vrelci veljajo za glavno podporo teoriji naravne selekcije in evolucije kot celote.
V bližini črnega dimnika ob mehiški obali na globini 2500 m so našli vrsto fototrofne bakterije, ki je živela v bližini črnega dimnika na globini 8200 čevljev. Tako globoko v vodo ne prodre sončna svetloba. Namesto tega bakterije iz družine Chlorobiaceae za fotosintezo uporabljajo šibek sij črnega dimnika. To je prvi odkriti organizem v naravi, ki za fotosintezo uporablja izključno svetlobo, ki ni sončna.
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je hidrotermalni ventil?
O: Hidrotermalni ventil je odprtina v morskem dnu Zemlje, skozi katero uhaja geotermalna energija.
V: Kaj se zgodi, ko morska voda vstopi v hidrotermalno odprtino?
O: Morska voda vstopi v hidrotermalno odprtino, postane zelo vroča in se dvigne.
V: Kaj so črni dimniki?
O: V najbolj vročih vrelcih je veliko črnih kemikalij, zato jih imenujemo črni dimniki.
V: Kaj so beli dimniki?
O: Znanstveniki so našli manj belih kot črnih kadilcev.
V: Katere druge geotermalne značilnosti najdemo na kopnem?
O: Če so geotermalne značilnosti na kopnem, so to običajno vroči izviri, gejzirji ali fumarole.
V: Kateri organizmi živijo v bližini hidrotermalnih vrelcev?
O: V bližini hidrotermalnih vrelcev živijo številne arheje in bakterije, v katerih živijo velikanski cevni črvi, školjke in kozice ter številni drugi evkarionti.
V: Kaj znanstveniki menijo o najzgodnejših znanih oblikah življenja?
O: Znanstveniki menijo, da naj bi najzgodnejše znane oblike življenja živele v bližini hidrotermalnih vrelcev.
