Превод Райчо Димков

Хиляди бели раци пасат върху обширно легло от мекотели в студен извор недалеч от брега в Пакистан С любезното съдействие на MARUM, Bremen University

Дейвид Фишер (David Fischer) ни отвежда на едно пътешествие към морското дъно за да научим за студените извори – техните екосистеми, потенциала им като гориво и възможното им въвличане в глобалното затопляне.

Какво представляват студените извори?

Студените извори най-често са оазиси за живота на микроорганизмите и макрофауната върху морското дъно – подобно на хидротермалните отвърстия, където горещата вода избива от няколко километра отдолу вследствие на високото налягане (вж Little, 2010). В противовес на хидротермалните извори обаче, студените извори могат да се срещна на дълбочина от няколко метра до няколко километра, често пъти по протежение на континенталното крайбрежие.

Това са места, където въглеводородите – главно метан, но също така и етан, пропан или даже и нефт –се просмукват от утайката. За разлика от хидротермалните извори, излизащите флуиди (газове и течности) са не по-горещи от околната морска вода и не са непременно под високо налягане.

Тези въглеводороди се получават на няколко километра надолу, върху повърхността на утайката, когато органичната материя се разградиили от високата температура, или от микроорганизмите. Когато се получат много големи количества въглеводороди, или където тектоничен стрес притиска утайките,флуидите излизат над повърхността им през пукнатини и разкъсвания. Флуидите могат да се просмукват с постоянна ниска скорост или пък скоростта може да варира.

Студените извори: дом на живи същества?

В дълбоководните студени извори могат да бъдат намерени някои очарователни същества, вкл. грамадни кръгли червеи, миди, други мекотели и раци. Как се поддържат тези екосистеми? Почти цялото морско дъно служи като дом за микроорганизмите. Поддържането на значително равнище на микрофауната в дълбоки води, където слънчевата светлина не достига, изисква богата на кислород вода и алтернативен енергиен източник, какъвто са въглеводородите. Един такъв източник е метанът, освобождаван при студените извори. Анаеробното окисление на метан (АОМ) е метаболитен процес с краен акцептор сулфат, осъществяван в симбиоза на метан-окисляващи (метанотрофи) архебактерии със сулфатредуциращи бактерии.

Микроорганизми, покриващи студени извори в анокси-участък, където нивото на кислорода във водата е много ниско и не поддържа развитието на макрофауна С любезното съдействие на MARUM, Bremen University

CH₄ + SO₄^2- → HCO_3- + HS^- + H₂O

АОМ става в анокси-зоната на морските утайки стига само там да се срещнат идващият отдолу метан и сулфатът от морската вода. Крайните продукти от АОМ, бикарбонатните и сулфидните йони, се освобождават в околната утайка и порьозната вода (вж речника за всички болдирани термини).

Студените извори често се колонизират в концентричен вид.
С любезното съдействие на BGR, по Sahling et al. (2002)

В местата, където са открити високи концентрации на метан близо до повърхността на утайката (както и в студените извори), произвежданият от микроорганизмите сулфид може да снабдява с гориво цялата екосистема. Колониите от микроорганизми или от представители на фауната могат да бъдат между 100 cm² и няколкостотин кв.м. в диаметър. Където богатата на сулфид порьозна вода напусне морското дъно, там мястото на извора ще бъде колонизирано концентрично около тези петна: най-близко до тях ще бъдат онези организми, които понасят най-високите концентрации на иначе токсичния сулфид (вж илюстрацията по-горе).

Кръглите червеи приемат хемосимбиотичните бактерии в своята трофозома. Това е напречен разрез на Riftia pachyptila, намерена в хидротермалните отвори.
С любезното съдействие на Enduring Resources for Earth Science Education (ERESE)

В основата на тези екосистеми са метанотрофните и тиотрофните бактерии. Някои от тях живеят в хемосимбиоза с миди (метанотрофните бактерии), с други молюски и кръгли червеи (тиотрофните бактерии). Мекотелите дават убежище на бактериите в своите гънки, докато кръглите червеи приютяват батериите в своята трофозома; на свой ред бактериите снабдяват гостоприемника си с органичен въглерод (вж по-горе).

Формиране и съдба на газо- хидратите

Студените извори са интересни не само заради екосистемите, на които те са гостоприемници; те могат много да съдействат за климатичните промени, а също да бъдат ценни нови източници на въглеводороди за задоволяване на нарастващите ни потребности от енергия.Студените извори обикновено показват къде има големи залежи от въглеводороди под пясъчното дъно и те могат да се идентифицират сравнително лесно поради типичната им колонизация от специализирани организми..

Затворена структура на газохидратите С любезното съдействие на IfM-Geomar, Kiel, Germany

Много интересни в този аспект са газообразните хидрати.В тези подобни на лед кристални съединения водните молекули образуват затворена структура около отделните газови молекули (вж фигурата вляво) – при природните газообразни хидрати това е най-вече метан.Газо- хидратите се образуват където порьозната вода е наситена с метан в едни тесни граници от ниска температура и високо налягане – условия, намиращи се само в постоянно замръзнали почви и в морските седименти на дълбочина под около 400 м (вж фигурата по-долу). При нормално атмосферно налягане газо- хидратите са нестабилни и бързо се разграждат до вода и свободен газ.

Газо- хидратите съхраняват големи количества от химически свързана енергия по причина на специфичната си молекулярна структура, един литър газо- хидрат съдържа 0,8 л вода и 164 л метан. Общите енергийни ресурси на газо- хидратите на Земята се оценяват на повече от запасите на всички други познати фосилни горива, взети заедно.

Няколко страни, вкл. САЩ, Япония, Южна Корея, Индия и Китай изследват пътища за безопасно добиване на газо-хидрати, тъй като те не са обикновен материал. По-важно и съществено е обаче да се предотврати разтапянето на газо- хидратите. Глобалното затопляне повишава температурата на океана и това би могло да причини едно широко мащабно топене на газо- хидрати в седимента.

Белите газо-хидрати укрепват седиментите по морското дъно С любезното съдействие на MARUM, Bremen University

Ако те биха се разтопили, освободения в атмосферата метан би реагирал с атмосферния кислород за да се образува СО₂, повишаващ много ефикасно парниковия ефект. Останали неувредени, газо-хидратите действат като стабилизиращ агент спрямо континенталните брегове. Ако се разтопят, бреговете ще се дестабилизират, в резултат на което ще се стигне до огромни подводни свлачища и цунами.

При специфично комбиниране на високо налягане (в дълбоките води) и ниска температура метанът може да кристализира с водата и да образува газо-хидрати, както е означено с фазовата свързваща линия. При по-високи температури и плитководие метанът ще се разтвори във водата.
В океана има и допълнителни усложнения: във водния стълб с увеличаване на дълбочината температурата спада, докато в сеедимента с нарастване на дълбочината температурата се повишава. Точките, при които тези температурни профили пресичат теоретичната фазова връзка, определят дълбочините, на които могат да се открият газо-хидрати (зона на газо-хидратната стабилност).
При това, главно в седимента концентрацията на метан е достатъчно висока за да се образуват газо-хидрати (отбелязани в бяло) – те рядко биват наблюдавани във водния стълб. За отбелязване е, че мащабът в тази диаграма е примерен и може да варира в зависимост от условията
С любезното съдействие на David Fischer, MARUM

Как изучаваме студените извори?

Изучаването на студените извори очевидно е голямо предизвикателство за учените: как могат да се вземат проби, съдържащи газове, вода, утайка и организми от дълбочини на няколко километра под морската повърхност? Първо, трябва да стигнете до мястото за пробовземане – това може да ви отнеме няколко дни с кораб, даже за студените извори върху континенталния шелф, а поддръжката на такъв изследователски съд коства няколко десетки хиляди евро на ден. И като отидете там, как ще стигнете до морското дъно? До 90-те години на миналия век единственият начин беше да спуснете специални прибори на края на дълъг стоманен кабел и да ги извадите щом се напълнят с материал за пробата. Това прави много труден визуалния контрол да се проследи къде приборите достигат дъното.

Нещата драматично се промениха с развитието на усъвършенствана подводна технология, като например дистанционно опериращи средства (ROVs – remotely operated vehicles) и автономни подводни средства (AUVs – autonomous underwater vehicles), оборудвани с множество камери, лампи и уреди за пробовземане. MARUMw1има свой собствен цех за разработка на такива средства и роботи за океански изследвания. Изследователите ги използват за изучаване на студените извори било то за потапянето им в отделни точки за пробовземане или пък за правене на снимки на големи площи за да се получи обобщаваща картина за местонахождението на студения извор. Има да се изследват още много относно развитието и стабилността на студените извори във времето, малко се знае и за организмите, които ги колонизират. Освен това най-важният въпрос относно студените извори е колко метан преминава в океана и впоследствие в атмосферата, кдето той ще допринася за глобалното затопляне. За мене е много вълнуващо да участваш в такова изследване.

MARUM-QUEST 4000m, един ROV- комплект, подходящ за дълбочини до 4000 м, екипиран с многобройни камери, прожектори идруги инструменти за събиране на проби от морското дъно, съдържащи маломерни единични организми с дължина от няколко милиметра С любезното съдействие на MARUM, Bremen University

С благодарност на

Авторът би искал да благодари на Dr Pape (MARUM^w1) за ценните коментари, особено относно газо-хидратите. Освен това, Science in School и авторът благодарят на издателя Inter-Research за разрешението да се използват илюстрациите от Sahling et al. (2002).

Източници

Boetius A (2005) Microfauna-macrofauna interaction in the seafloor: lessons from the tubeworm. PLoS Biology 3(3): e102. doi: 10.1371/journal.pbio.0030102

Little C (2010) Hot stuff in the deep sea. Science in School 16: 14-18. www.scienceinschool.org/2010/issue16/hotstuff

Sahling H et al. (2002) Macrofaunal community structure and sulfide flux at gas hydrate deposits from the Cascadia convergent margin, NE Pacific. Marine Ecology Progress Series 231: 121-138. doi: 10.3354/meps231121

Статията може да бъде снета свободно от уеб-сайта на Inter-Research: www.int-res.com

Източници от интернет

w1 – За да научите повече за MARUM – Центъра за морски екологични науки, независима и финансирана отDFG- изследователска организация към Университета в Бремен, Германия, вижте: www.marum.de

Ресурси

MARUM предлага богат избор от източници и дейности на немски език за учители и ученици, вкл. видеофилми и статии по изследователски теми голям брой школи за прогимназиални и гимназиални ученици в учебните лаборатории на MARUM, курсове за прогимназиални и гимназиални учители, експериментален научно-учебен театър за деца от основните училища и много други. Вижте: www.marum.de/en/entdecken.html

MARUM направи чудесен видео-материал (на английски) за студените извори и метан-хидратите. Вижте www.marum.de/marumTV.html

Освен това MARUM подготви съвместно с Deutsche Forschungsgemeinschaft, серия от филми с по 12 епизодa за своята изследователска работа (DFG Science TV). Епизод шести (само на немски език) разказва за историята на морски мекотели, намерени в студените извори. Вижте http://www.marum.de/marumTV.html

Националното управление за океаните и атмосферата (NOAA) на САЩ предлага множество планове за уроци и учебни дейности върху студените извори за всички възрасти плюс предхождаща информация. Те могат да се свалят от уеб-сайта на NOAA (http://oceanexplorer.noaa.gov) или директно да се използват линковете:

http://tinyurl.com/36zuhfb (‘Windows to the Deep’)

http://tinyurl.com/32f6me6 (‘Expedition to the Deep Slope 2006’)

http://tinyurl.com/35g3qrk (‘Expedition to the Deep Slope 2007’)

За по-обща информация относно газо-хидратите вижте уеб-сайта на MARUM (www.marum.de) или използвайте директния линк: http://tinyurl.com/3xzzpjj

За повече информация по въглеводородите, вкл. газо-хидратите, вижте: van Dijk M (2009) Hydrocarbons: a fossil but not (yet) extinct. Science in School 12: 62-69. www.scienceinschool.org/2009/issue12/energy

Ако прочитането на тази статия ви е доставило удоволствие, може да ви хареса да потърсите и други наши статии на научни теми в Science in School: www.scienceinschool.org/sciencetopics

Роденият в Юлих (Jülich), Германия, Давид Фишер (David Fischer) винаги е бил запленен от науката и морето. След дипломирането си по физическа география, морска геология и биология в Бременския Университет, сега той работи върху докторската си теза по морска екология в MARUM, изследвайки биогеохимията на студените извори. Участвал е в множество изследователски експедиции в Северно море, Балтийско море, Арабско море, централно-източния Атлантик и в Южния океан, близо до Антарктическия полуостров.

Мнение

Ако за вас са любопитни екстремните форми на живот на Земята, тази статия е за вас. Давид Фишер докладва за екзотичните биологични съобщества, живеещи на морското дъно, както и за използването на тази среда.

Езикът е достатъчно лесен за разбиране, с речник за техническите термини. Статията може да бъде използвана по различни учебни предмети (биология, геология, химия) за да насочи към цяла редица от проблеми като: екосистеми, енергиен метаболизъм, хранителни вериги, природни ресурси, седиментни скали, не-възобновяеми енергоизточници, , морска околна среда и биоразнообразие, замърсяване на въздуха и парников ефект, океанографски изследвания, въглеводороди, газо-хидрати или окислително-редукционни реакции. Някои от тези теми (например, екосистеми, енергоизточници) са особено подходящи за интердисциплинарния подход.

Текстът осигурява също така ценна базисна информация за въведение към произхода на живота върху морското дъно, например чрез сравнение с хидротермалните отвори.

В допълнение статията препраща към богати по съдържание уеб-сайтове (MARUM, NOAA), където читателят може да намери по-нататъшна информация и източници (вкл. учебни материали) по темата. Следователно, предлагам допълване на методическата единица с някои от цитираните уеб-източници.

Статията може да бъде също така използвана като изчерпателно упражнение. Възможните въпроси включват:

При анаеробното окисление на метана

1. сулфатът се окислява до сулфид


2. сулфидът се редуцира до сулфат


3. метанът се редуцира до бикарбонат


4. метанът се окислява до бикарбонат.

Газохидратите

1. са съставени от водни молекули, заобиколени от газови молекули


2. са съставени от газови молекули, заобиколени от водни молекули


3. се образуват в условия на висока температура и ниско налягане


4. се образуват в условия на висока температура и високо налягане.

Джулия Реалдон (Giulia Realdon), Италия

---

Препоръки на специалиста: Биология, Химия, Науки за Земята, Морска околна среда, Екосистеми, Енергия, Биоразнообразие, Климатични промени Възраст – над 15 г.