Чем вызваны выбросы углеводородных газов на дне океана? Зачем животные образуют симбиозы с метанокисляющими бактериями? В чем состоит уникальность процесса окисления метана в Черном море? На эти и другие вопросы отвечает доктор биологических наук Николай Пименов.

После открытия глубоководных гидротерм (горячих источников) в 1977 году интерес исследователей стали вызывать любые разгрузки на дне океана, причем как на больших глубинах, так и на мелководье. Пошел огромный цикл работ по попыткам выявить высачивания на дне океана. Работали и геологи, и геоакустики, для того чтобы найти новые высачивания, причем необязательно гидротермальные. И очень быстро было найдено, что не только гидротермальные растворы разгружаются на дне океана, но сегодня насчитываются уже тысячи точек выбросов углеводородных газов.

Связано это с разным происхождением. Это может быть, особенно на мелководье, результатом активной деятельности микроорганизмов — метанобразующих архей (это очень специфическая группа, которая использует низкомолекулярные органические вещества, образованные за счет разложения крупных молекул, и результатом становится образование метана).

Там, где много осадка, где идет активная продукция органического вещества, не менее активно идет и деструкция этого органического вещества с образованием метана. Поэтому сегодня прибрежные районы часто газонасыщенны. Где-то формируются восходящие потоки таких газов в водную толщу, причем бывает и диффузионное, и струйное высачивание, и заканчивается это выбросом метана в виде пузырькового газа — струйные газовыделения в водную толщу.

Рекомендуем по этой теме:
2560
Термофильные микроорганизмы

Встречаются такие выбросы и на больших глубинах. Там не так много осадочного вещества, активность метаногенов невысока, но тем не менее, как правило, такие высачивания приурочены к вулканическим зонам. Там метан имеет совсем другое происхождение: он связан с образованием высокотемпературного метана в глубинных слоях Земли и с выходом метана, не связанного с микроорганизмами, с выбросами его через осадочную толщу, или непосредственно в таких твердых породах формируются каналы с выбросом его в придонные слои водной толщи. Как и в случае с гидротермальными разгрузками, стало ясно, что выброс углеводородных газов — это прекрасный субстрат для микробного сообщества: они легко утилизируют и метан, и некоторые его гомологи и формируют сообщества и на больших, и на малых глубинах. На больших глубинах это связано с грязевым вулканизмом. Если вулкан перекрыт мощным осадочным слоем, когда идет разгрузка вулкана, активная работа, то говорят о том, что это грязевой вулкан, идет выброс газов. Обычно это формируется особой структурой, которую можно искать с помощью современных систем акустического зондирования. И, действительно, в разных точках океана это известно.

Но главное, что здесь интересно для микробиологов, — то, что все стартовые процессы, связанные с наработкой биомассы, вызваны деятельностью микроорганизмов, потому что напрямую ни метан, ни другие углеводородные газы никто, кроме микробов, использовать не может. Формирование их биомассы — это приток сюда следующих элементов трофической цепи, которые уже потребляют этих микробов. И аналогично гидротермам эти микроорганизмы в условиях метановых сипов, то есть высачиваний, проникли в клетки животных. Поэтому здесь аналогично гидротермальным системам тоже присутствуют животные с симбионтами внутри тканей — именно внутри тканей, не на поверхности.

Это особые формы червей, двустворчатые моллюски — организмы, которые развиваются за счет симбиоза с бактериями.

В данном случае можно говорить о метанокисляющих бактериях, они научились проникать в жаберные ткани, в трофосомы — специальные органы червей, там развиваться и обеспечивать необходимым органическим веществом своих хозяев.

Если говорить о прибрежных зонах, то и здесь формируются подобные сообщества. В прибрежных зонах мы обычно говорим о покмарках — это углубления на поверхности дна, формирование которых связано с высачиванием газа. Покмарки встречаются в Балтийском море, очень мощные газовые высачивания известны в Черном море. Сегодня совершенно очевидно, что метан используется не только на поверхности земли — он очень активно используется и морскими микроорганизмами в зонах его высачивания. Эта активность приводит к формированию уникальных сообществ (причем не только микробных, а туда входят и высшие организмы), которые способны использовать метан.

Один из примеров таких масштабных высачиваний газа — северо-западный шельф Черного моря. Там на свале глубин обнаружены десятки струйных газовыделений, причем это не просто выход газа с поверхности дна, а это специальные постройки — они напоминают гидротермальные, но отличаются по химическому составу, в их основе в основном карбонат кальция. Когда их начали исследовать, то оказалось, что формирование таких построек — это результат активности микроорганизмов. Причем в Черном море разгрузка газа происходит в анаэробной зоне, то есть там, где кислорода нет. В Черном море только верхние сто метров (на континентальном склоне это может быть и 160, и 170 метров) — это кислородный слой, а глубже появляется сероводород — это анаэробная зона, и в нее выходят струи газа.

Эти районы стали классическими для исследования недавно обнаруженного процесса анаэробного окисления метана. Процесс с точки зрения термодинамики уникальный, поскольку долгое время считалось, что микробы не способны окислять метан в анаэробных условиях. Оказалось, что этот процесс существует, сейчас выявлены и его возбудители. Для морских систем это в основном консорциум, состоящий из метаногенов и сульфатредуцирующих бактерий. Метаногены — это условно, сейчас их называют метанотрофные («поедающие метан») археи. Но по своим характеристикам эти организмы очень близки к метаногенам, просто они осуществляют реакцию не образования, а окисления метана, а сульфатредукторы подхватывают водород, который образует эти организмы. И сегодня такие метановые сипы Черного моря — это классический объект для исследования анаэробного окисления метана, процесса, который, я думаю, в будущем станет востребован в биотехнологии.

Сегодня это фундаментальные исследования. Не все в этом процессе еще понятно до конца, но тем не менее я думаю, что в ближайшие годы будут новые успехи и достижения в этой области, потому что до сих пор выделить чистые культуры метанотрофных архей не удалось. Но при этом существуют накопительные культуры, и процесс уже научились поддерживать и в лабораторных условиях, и в биореакторах.

Черное море — один из классических примеров разгрузки струйных газовыделений, но, поскольку кислорода вокруг нет, здесь нет никаких животных, кроме микроорганизмов. А там, где выходы метана происходят в кислородную воду, формируются уникальные сообщества микроорганизмов и организмов, которые используют микробов внутри своих тканей, для того чтобы они поставляли им органическое вещество из таких неудобных субстратов, как метан.