Oceaniczne wypływy: węglowodorowy ekosystem morski Understand article

Tłumaczenie Jadwiga Schreiber. David Fischer zabiera nas na wycieczkę po dnie morskim by zapoznać nas ze zjawiskiem oceanicznych wypływów – ich ekosystemem, ich potencjałem energetycznym oraz ich możliwym wpływem na globalne ociepłenie.

Tysiące białych krabów na
dywanie z małż, które
osiedliły się przy
oceanicznym wypływie koło
wybrzeża Pakistanu (Ocean
Indyjski)

Zdjęcie dzięki uprzejmości
MARUM, Bremen University

Co to są oceaniczne wypływy?

Oceaniczne wypływy (przypis tłumacza: ang. cold seeps) funkcjonują jako oazy dla specificznych mikroorganizmów i żadko spotykanych bezkręgowców. Podobny ekosystem tworzą gorące kominy (źródła) hydrotermalne, gdzie gorąca woda wytryska pod wysokim ciśnienem z dna oceanu (zobacz Little, 2010). W przeciwieństwie do kominów hydrotermalnych, które występują tylko bardzo głęboko (na głębokości kilku kilometrów), oceaniczne wypływy występują na różnych głębokościach wody – od kilku metórow do kilku kilometrów głębokości, często wzdłuż granicy kontynentów.

W miejsach tych węglowodory, najczęściej metan ale również etan, propan czy nawet oleje (przypis tłumacza: wyższe węglowodory) wyciekają (w formie płynnej i gazowej) z sedymentu morskiego do otaczającej go wody. Mają one podobną temperaturę do wody morskiej i nie koniecznie wydostają się pod ciśnieniem co odróżnia je od wspomnianych wyżej kominów hydrotermalnych.

Węglowodory powstają w bardzo głębokich warstwach osadu morskiego (kilka kilometrów od powierzchni sedymentu) z materii organicznicznej rozłożonej przez mikroorganizmy lub pod wpływem bardzo wysokiej temperatury. Nagromadzenie się zbyt dużej ich ilości w sedymencie lub zbyt duże napięcie tektoniczne powoduje erupcję tych substancji do wody przez pęknięcia i szczeliny w dnie morskim. Proces ten jest ciągły natomiat jego tempo może być różne i ulegać zmianie (w obrębie tego samego wypływu).

Życie w ocenicznych wypływach – kto czuje się dobrze w takim środowisku?

W warunkach beztlenowych
tylko mikroorgnizmy mogą
zadomowić się w rejonie
oceanicznych wypływów.
Takie warunki są zbyt ubogie
np. dla bezkręgowców

Zdjęcie dzięki uprzejmości
MARUM, Bremen University

Wiele fascynujących zwierząt żyje w rejonie oceanicznych wypływów jak np. żadko spotykane pierścienice (głównie z gromady wieloszczetów, rząd rurkoczułkowców np. Riftia pachyptila (giant tube worms)), małże i kraby. Co jednak umożliwia życie w tak ekstremalnym ekosystemie?

Niemal całe dno morskie (oceaniczne) pokryte jest ogromną liczbą przeróżnych mikroorganizmów. Ale aby na tak dużych głębokościach morskich, gdzie promienie słoneczne nie docierają i gdzie jest zimno, mogły żyć rownież większe (przypis tłumacza: niż mikroorganiymy) zwierzęta jak np. bezkręgowce, woda musi zawierać tlen (przypis tłumacza: z innego procesu niż fotosynteza) i mikroorganizmy muszą mieć dostęp do innych (przypis tłumacza: niż swiatło) źródeł energii. Dlatego w takich warunkach dobrą alternatywą mogą być węglowodorys.

Metan (przypis tłumacza: najprostszy węglowodór) uwalniany w rejonie oceanicznych wypływów, może zostać wykorzystany jako źródło energii przez bardzo wąsko wyspecjalizowane mirkoorganizmy. Zjawisko to określa się jako beztlenowe utlenianie metanu (anaerobic oxidation methane AOM). Jest to proces metaboliczny przeprowadzany przez archebakterie, utleniające metan (metanotrofiym – zobacz „słowniczek”), symbiozujące z bakteriami siarkowymi redukującymi siarczany. W procesie tym siarczan jest ostatecznym akceptorem elektronów.

CH4 + SO42- → HCO3- + HS + H2O

AOM zachodzi przy dnie morskim, w warunkach beztlenowych, gdzie metan wydostający się z sedymentu morskiego spotyka się z siarczanami występującymi w wodzie morskiej. Produktami końcowymi tego procesu (reakcji redoks) są jony wodorowęglanu i siarczku, osadzające się w sedymencie morskim i tzw. wodzie porowej (zobacz “słowniczek”).

Okolice oceanicznych wypływów zamieszkiwane są prze mikoorganizmy w gradiencie ich chemicznej wrażliwości np. na metan czy siarczki (kliknij aby powiekszyć zdjęcie
Zdjęcie dzięki uprzejmości BGR, zobacz Sahling et al. (2002)

W rejonie oceanicznych wypływów gdzie ilość uwalniającego się metanu jest stosunkowo duża i jego stężenie jest wysokie, produkowany przez mikroorganizmy siarczek jest wstanie zapewnić funkcjonowanie całego ekosystemu. Jednak takie środowisko mogą zamieszkiwać tylko takie organizmy które tolerują wysokie stężenia siarczku – jest ich niewiele. Dla większości organizmów wysokie stężenia siarczku są silnie toksyczne (zwróć uwagę na zdjęcie w górnej cześci strony). Zasięg takiego metano-siarczkowego ekosystemu może byc różny: od 100 cm2 do 100 m2 powierzchni.

Rurkoczułkowce prowadzą
tzw. chemosymbioze z bakteriami w specjalnie do tego przystosowanym narządzie w ciele bezkręgowca – trofosomie. Na ilustracji przedstawiony jest schematyczny przekrój przez Rifita pachyptila, występującej przy źródłach hydrotermalnych (kliknij aby powiekszyć zdjęcie.

Zdjęcie dzięki uprzejmości Enduring Resources for Earth Science Education (ERESE)

Zatem podstawą oceanicznych wypływów są bakterie metanowe i siarkowe. Niektóre z nich żyja w tzw. chemosymbiosie z małżami (bakterie metanowe) lub z rurkoczułkowcami (bakterie siarkowe). U małż bakterie zamieszkują skrzela gospodarza a u rurkoczułkowców zagęszczają się one w tzw. trofosomie (specjalnym narządzie przekształconym z układu pokarmowego). W symbiozie tej bezkręgowce zapewniają bakteriom bezpieczne warunki życia a bakterie zaopatrują gospodarza w organiczne związki węgla (niezbędne do życia).

Powstawanie i rola gazohydratów

Oceaniczne wypływy są nie tylko interesujące ze względu na ich unikalny ekosystem. Dodatkowo mogą one również wpłynąć na procesy przyczyniające się do zmiany klimatu a ich znacząca rola w produkcji węglowodórow może w przyszłości stanowić bardzo ważne źródło energii dla zaspokojenia naszych, ciągle wzrastających, potrzeb energetycznych. Obecnie oceaniczne wypływy, poprzez ich charakterystyczny i unikatowy ekosystem są łatwe do zidentifikowania i służą jako indykatory dużych nagromadzeń węglowodorów w sedymencie morskim.

Klatrat – podstawowa
struktura gazohydratów

Zdjęcie dzięki uprzejmości
IfM-Geomar, Kiel, Niemcy

Jednym z najbrardziej interesujących aspektów (przypis tłumacza: dużych nagromadzeń węglowodorów w sedymencie) jest tworzenie się podwodnych gazohydratów. Pod względem chemicznym gazohydraty to cząsteczki wody organizujące się w specificzne struktury podobe do kryształów i nazywane klatratami. W przestrzeniach pomiędzy cząsteczkami wody gromadzi się gaz, najczęściej metan (zobacz ilustrację po lewej stronie). Mówiąc obrazowo jest to lód zawierający metan – związek wody i mentanu w stanie stałym. Gazohydraty powstają tylko przy kombinacji bardzo specyficznych warunków – kiedy woda porowa jest wysycona metanem, przy bardzo wysokich ciśnieniach oraz przy niskich temperaturach – takie warunki znajdują się tylko w wiecznej zamarzlinie i w sedymencie morskim (na głębokości poniżej 400 metrów; zobacz ilustrację pod spodem). Ciśnienie atmosferyczne destabilizuje gazohydraty, rozpadające się wtedy na wodę i wolny gaz (metan).

Gazohydrat na kawałku
sedymentu morskiego.
Swoim białym kolorem i stala
formą przypomina lód

Zdjęcie dzięki uprzejmości
MARUM, Bremen University

Gazohydraty mają w sobie ogromny potencjał energetyczny ze względu na ich specificzną strukturę molekularną. Jeden litr gazohydratu zawiera w sobie 0,8 litra wody i aż 164 litrów metanu. Szacuje się, że energia „związana” w gazohydratach na Ziemi jest większa niż całkowita energia pochodząca z wszystich paliw kopalnych razem wziętych.

Wiele krajów włączając USA, Japonię, Korę Południowa, Indie oraz Chiny poszukuje możliwości bezpiecznego (nie jest to proste) wydobywania gazohydratów spod wody by wykorzystać jego wysoki potencjał energetyczny. Jednak jeszcze większym problemem jest prewencja ich topnienia (rozpadu na wodę i metan). Globalne ocieplenie, powodujące wzrost temperatury wody oceanicznej, zwiększa prawdopodobieństwo topnienia gazohydratów w sedymencie oceanicznym i uwolnienia ogromnej ilości metanu do wody morskiej.

Uwolniony metan po przedostaniu się do atmosfery mógłby wejść w reakcję chemiczną z tlenem atmosferycznym w wyniku czego powstający CO2 masowo zwiększyłby efekt cieplarniany. Gazohydraty zgromadzone w sedymencie oceanicznym pełnia bardzo ważna rolę stabilizującą tzw. stok kontynentalny. Topnienie ich może spowodować destabilizację stoku powodując osunięcia podwodnych mas ziemnych i zjawiska tsunami.

Tylko w bardzo specificznych warunkach i przy odpowiedniej kombinacji wysokiego ciśnienia (panującego na wysokich głębokościach morskich) i niskiej temperatury, metan tworzy z cząsteczkami wody tzw. gazohydraty, struktury podobne do kryształu (zwróć uwagę na ograniczony obszar powstawania gazohydratów, znajdujący się pod zieloną linią zaznaczoną na ilustracji, jest to tzw. teoretyczna granica fazowa powstawania gazohydratów). Przy wyższych temperaturach i w płytszych wodach metan nie tworzy takich struktur i rozpuszcza się w wodzie.
W oceanie temperatura wody spada wraz ze wzrostem głębokości, podczas gdy temperatura sedymentu (osadu) morskiego wzrasta wraz ze wzrostem jego głębokości. Te dwa punkty w których profile temperaturowe wody i sedymentu przetną się z teoretyczna granicą fazową (powstawania gazhydratów) wyznaczają zakres głębokości na których gazohydraty mogą występować i są określane jako strefa stabilnych gazhydratów.
Bardzo często stężenie metanu jest dużo wyższe w sedymencie morskim w porównaniu z jego stężeniem w wodzie, dlatego gazohydraty najczęściej zostają zidentifikowane w osadzie (zwróć uwagę na biale smugi zaznaczone w sedymencie reprezentujące gazohydraty

Zdjęcie dzięki uprzejmości David Fischer, MARUM
Wyprodukowane przez
MARUM zdalnie sterowane
urządzenie (remotely
operated device, ROV) do
badania oceanu,
umożliwiające zbieranie
próbek do 4000 metrów
głębokości, wyposażone w
różnorodne kamery,
reflektory oraz
wyspecjalizowane narzędzia
do zbierania próbek z dna
morskiego np.
mikroorganizmów o
wielkości kilku milimetrów

Zdjęcie dzięki uprzejmości
MARUM, Bremen University

Skąd wiemy o istnienu oceanicznych wypływów?

Scharakteryzowanie oceanicznych wypływów nie jest łatwym zadaniem dla naukowców. Zdobycie próbki osadu (wody czy mikroorganizmów) tego podwodnego środowiska jest stosunkowo skomplikowanym wyzwaniem (technicznym). Najpierw trzeba dotrzeć do miejsca ich występowania – statkiem może to zająć nawet kilka dni. Dodatkowo badania oceanicznych wypływów np. a szelfie kontynentalnym kosztują kilkadziesiąt tysięcy Euro na dzień. Następnie trzeba zdobyć próbkę. Ale jak dotrzeć do dna oceanu i zebrać odpowiedni material? Do końca lat 1990-tych jedynym możliwym sposobem było spuszczenie stalowego kabla na końcu którego był pojemnik zbierający próbki zawierające razem z osadem również mikroorganizmy. Dużą wadą tej metody był jednak brak kontroli wizualnej nad tym gdzie próbka została pobrana.

Sytuacja uległa ogromnej zmianie wraz z rozwojem technologii umożliwiającej zaprojektowanie zdalnie sterowanych pojazdów (remotely operated vehicles, ROVs) oraz autonomicznych podwodnych urządzeń (autonomous underwater vehicles, AUVs) wyposażonych w różnego rodzaju kamery, lampy i urządzenia zbierające różnego rodzaju próbki. Organizacja MARUMw1 posiada własną pracownię do projektowania i budowy urządzeń i robotów do badań podwodnych. Urządzenia te zbierają próbki ze ścisle określonych miejsc dna oceanu i robią podwodne zdjęcia, dzięki którym możemy więcej dowiedzieć się o wyglądzie i lokalizacji oceanicznych wypływów.

Wiele aspektów związanych z powstawaniem i funkcjonowaniem oceanicznych wypływów oraz organizmów zamieszkujących to wyjątkowe środowisko jest wciaż nieznanych i wymagają one dalszych badań. Jednym z najważniejszych kwestii do wyjaśnienie pozostaje wciąż pytanie jak dużo metanu przedostaje się do wody i do naszej atmosfery i jak duży (czy w ogóle) ma to wpływ na efekt cieplarniany. Osobiście uważam że jest to bardzo interesujący temat badań i cieszę się że mogę brać czynny udział w poznawaniu tego wyjątkowego ekosystemu morskiego.

Słowniczek

Chemosymbioza: jest to związek simbiozy pomiędzy organizmem wielokomórkowym (tzw. gospodarz), który zapewnia bezpieczne warunki życia swojemu lokatorowi i bakterii (mikroorganizm), która utlenia związki chemiczne by pozyskać energię oraz syntetyzuje węgiel organiczny niezbędny gospodarzowi do życia

Metanotrofizm: mikroorganizm metanotroficzny metabolizuje (utlenia) metan, będący jego jedynym źródłem energii

Woda porowa: woda wypełniająca pory skalne. To także woda która jest utrzymywana w glebie (lub sedymencie morskim) pod wpływem kapilarności między stałymi cząstkami gleby (sedymentu morskiego)

Bakterie siarkowe: wykorzystują siarkę w swoim metabolizmie

Trofosom: wyspecjalizowany organ wewnętrzny w ciele rurkoczułkowca, zamieszkiwany przez bakterie symbotyczne

Podziękowania

Autor składa szczególne podziękowania Dr. Pape (MARUMw1) za pomocne komentarze, głównie dotyczące gazohydratów. „Science in School” oraz autor dziękują również wydawnictwu Inter-Reserach za udostępnienie zdjęć z publikacji Sahling et al. (2002).

Download

Download this article as a PDF

References

  • 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) Coś gorącego w oceanie. Science in School 16: 14-18. www.scienceinschool.org/2010/issue16/hotstuff/polish
  • 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
    • Artykuł ten jest bezpłatnie dostępny na stronie internetowej Inter-Research: www.int-res.com

Web References

  • w1 – Aby dowiedzieć się więcej o organizacji MARUM – Centrum Morskich Badań Naukowych, niezależnej, finansowanej przez DFG (Deutsche Forschungagemeinschaft  – Niemieckie Stowarzyszenie Naukowe) jednostce naukowej przy Uniwersytecie w Bremen odwiedź stronę internetową: www.marum.de

Resources

  • MARUM oferuje szeroki wybór niemieckojęzycznych informacji i materiałów naukowych dla nauczycieli i uczniów szkół min. filmy i artykuły naukowe, duży wybór warsztatów naukowych dla szkół podstawowych i średnich prowadzonych w laboratoriach MARUM, warsztaty dla nauczycieli szkół podstawowych, zajęcia eksperymentalne dla dzieci szkół podstawowych i wiele innych ofert. Odwiedź: www.marum.de/en/entdecken.html
  • Fascynujący film wyprodukowany przez MARUM na temat oceanicznych wypływów i klatratów metanu (w języku angielskim) można zobaczyć na stronie internetowej tej organizacji: www.marum.de/marumTV.html
  • Dodatkowo MARUM wspólnie z DFG (Niemeckie Stowarzyszenie Naukowe) wyprodukował 12 częsciową serię filmową na temat prowadzonych przez DFG badań naukowych (DFG Science TV). Odcinek szósty (tylko w języku niemieckim) opowiada o małżach zamieszkujących oceaniczne wypływy (zobacz: http://www.marum.de/marumTV.html)
  • Amerykańska Krajowa Administracja Oceaniczno-Atmosferyczna (National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA)) oferuje plany lekcynje dla nauczycieli oraz różnorodne dodatkowe materiały dydaktyczne na temat oceanicznych wypływów, dla różnych grup wiekowych uczniów. Odwiedź oficjalną stronę internetową NOAA: http://oceanexplorer.noaa.gov lub wejdź na poniższe strony internetowe:
  • Ogólne informacje na temat gazohydratów są dostępne na stronie internetowej MARUM (www.marum.de) oraz na stronie internetowej: http://tinyurl.com/3xzzpjj
  • Dodatkowe informacje na temat węglowodanów i gazohydratów można znaleźć w publikacji: van Dijk M (2009) Hydrocarbons: a fossil but not (yet) extinct. Science in School 12: 62-69. www.scienceinschool.org/2009/issue12/energy

Author(s)

David Fischer, urodzony w Jülich (Niemcy), od zawsze fascynował się nauką i oceanem. Po skonczeniu studiów na kierunach: geografii fizycznej, geologii morskiej oraz biologii na Uniwersytecie w Bremen (Niemcy), rozpoczął pracę doktorską na kierunku geologii morskiej w instytucie MARUM. Tematem jego pracy jest badanie biologicznych i geochemicznych właściwości oceanicznych wypływów. David Fischer uczestniczył w wielu wyprawach naukowych po Morzu Północnym, Bałtyckim, Arabskim oraz po środkowo-wschodnim Atlantyku i oceanie Południowym w pobliżu Półwyspu Antarktycznego.


Review

Czy jesteś ciekawy jak wygląda życie na Ziemi w wyjątkowo ekstremalnych warunkach? Jeśli tak to ten artykuł może Cię zainteresować. David Fischer opisuje unikalny ekosystem istniejący na dnie morza i w jaki sposób można go zbadać.

Artykuł ten jest w przystępnym języku a załączony „słowniczek” wyjaśnia trudniejsze pojęcia naukowe. Artykuł ten może zostać wykorzystany podczas różnych zajęć szkolnych (na lekcjach biologii, chemii czy nauki o Ziemi) do omówienia tematów takich jak: ekosystem, energia metaboliczna, łańcuch pokarmowy, źródła naturalne, skały osadowe, nieodnawialne źródła energii, środowisko morskie oraz różnorodność gatunkowa, zanieczyszczenie powietrza, efekt cieplarniany, badania oceanograficzne, węglowodory, klatraty czy reakcje redoks. Niektóre z tych tematów (np. ekosystem, źródła energii) mogą również zostać zastosowane w interdyscyplinarnych metodach nauczania.

Artykuł ten wprowadza również podstawowe informacje dotyczące powstania i funkcjonowania życia na dnie morskim, posługując się np. porównaniem oceanicznych wypływów ze źródłami hydrotermalnymi.

Dodatkowo, artykuł ten powołuje się na bardzo bogate w informacje strony internetowe (np. organizacji MARUM, NOAA), gdzie czytelnik znajdzie dodatkowe informacje i źródła oraz marterialy dydaktyczne dotyczące tego tematu. Serdecznie zapraszamy i zachęcamy nauczycieli do skorzystania z dostępnych materiałów w internecie by urozmaicić zajęcia lekcyjne.

Artykuł ten może również zostać użyty jako ćwiczenie rozumienia tematu (tekstu). Przykładowe pytania mogłyby być nastepujące:

W procesie beztlenowego utleniania metanu

  1. siarczan jest utleniany do siarczków
  2. siarczek jest redukowany do siarczanu
  3. metan jest redukowany do wodorowęglanów
  4. metan jest utleniany do wodorowęglanów.

Gazohydraty

  1. składają się z cząsteczek wody otoczonych cząsteczkami gazu
  2. składają się z cząsteczek gazu otoczonych cząsteczkami wody
  3. powstają w warunkach wysokiej temperatury i niskiego ciśnienia
  4. powstają w warunkach wysokiej temperatury i wysokiego ciśnienia.

Giulia Realdon, Wlochy




License

CC-BY-NC-ND