Coś gorącego w oceanie Understand article

Tłumaczenie Jadwiga Schreiber. Jak powstają skamieniałości w rejonie źródeł hydrotermalnych? Crispin Little opisuje w jaki sposób on i jego zespół naukowy to odkrył – poprzez zrobienie własnej skamieniałości.

Łódź podwodna Alvin w
roku 1978, rok po pierwszej
wyprawie do źródeł
hydrotermalnych

Zdjęcie dzięki uprzejmości
OAR / National Undersea
Research Program (NURP);
Woods Hole Oceanographic
Institution

Badania naukowe prowadzone na dnie oceanu to bardzo poważne przedsięwzięcie. Wymaga to specjalistycznego sprzętu jak na przykład podwodnej załogowej łodzi jak słynny Alvin oraz bardzo drogich okrętów oceanograficznych operujących daleko od lądu przez długi okres czasu. Potencjalnymi problemami są nie tylko te techniczne – jak na przykład awaria silnika statku czy poplątanie się podwodnych kabli – ale również te pozostające poza czyjąkolwiek kontrolą: zła pogoda zrujnowała wiele dobrze zaplanowanych rejsów naukowych.

Niektóre z najpowszechniej
występujących zwierząt przy
źródle hydrotermalnym na
Wzniesieniu
Wschodniopacyficznym:
rurkoczółkowce,
„przyźródłowe” ryby i kraby.
„Lśniąca” woda w górnej
części tego zdjęcia
reprezentuje rozmytą granicę
źródeł hydrotermalnych z
wodą morską

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Crispin Little

Praca na grzbietach śródoceanicznym jest tym trudniejsza, że są to najbradziej aktywne geologicznie miejsca na Ziemi. Nowa płyta oceaniczna formowana jest tutaj przez lawę wypływającą na dno oceanu w towarzystwie silnych trzęsień ziemi (zobacz Searle, 2009). Nie tylko to, grzbiety śródoceaniczne to również miejsca intensywnej aktywności hydrotermalnej, gdzie z wysokich mineralnych kominów powstałych na dnie oceaniczynym wytryskają silnie kwaśne ciecze o temperaturze ok. 370 °C. Na takich głębokościach, wysokie ciśnienie podnosi temperaturę wrzenia wody do takiego stopnia, że pozostaje ona cieczą nawet w tych (wysokich) temperaturach.

To wyjątkowo trudno dostępne i ekstremanlne środowisko było miejscem naszego projektu badającego proces powstawania skamieniałości w rejonie oceanicznych źródeł hydrotermalnych. Fakt, że projekt ten to wielkie wyzwanie potwierdził się już zaraz na początku eksperymentu – gdy straciliśmy naszą całą aparaturę badawczą w wyniku silnego wybuchu wulkanu na dnie oceanu.

Dlaczego interesuje nas process powstawiania skamieniałości przy oceanicznych źródłach hydrotermalnych? Głównym celem tych badań jest pogłębienie naszej wiedzy na temat historii ewolucji tych unikalnych grup zwierząt występujących tylko przy źródłach hydrotermalnych. Źródła hydrotermalne oraz ich wyjątkowa fauna zostały po raz pierwszy odkryte w roku 1979 na GrzbiecieKokosowym (grzbiet śródoceaniczny we wschodniej części Oceanu Spokojnego, przyp. tłum). Fakt ten radykalnie zmienił nasz pogląd na różnorodność gatunkową (biologiczna) życia w oceanie. Po części dlatego, że głównym źródłem energii dla tych zwierząt nie jest światło słoneczne a geochemiczna energia gorących skał. Najważniejszym składnikiem tych źródeł jest siarkowodór i wiele zwierząt jak np. rurkoczółkowce i małże, jest pokarmowo zależnych od symbiozujących z nimi bakterii, które utleniają ten siarczek (sole kwasu siarkowodorowego, przyp. tłum.).

Zbieranie przyźródłowych
małż i krabów przy pomocy
jednego z manipulatorów
łodzi podwodnej Alvin

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Crispin Little

Zależność od energii geochemicznej a nie słonecznej być może uchroniła zwierzęta źródeł hydrotermalnych przed zwrotnymi wydarzeniami jakie wystąpiły w naszym środowisku jak np. masowe wymieranie gatunków czy globalne zmiany klimatyczne i które dotknęły istniejące już ekosystemy oparte (tylko) o proces fotosyntezy. Dlatego też, najprawdopodobniej, ewolucyjna historia tych przyźródłowych zwierząt bardzo różni się od ewolucji innych morskich biot (fauna i flora oceanu, przyp.tłum.).

Łódź podwodna Alivn
spuszczana do wody ze
statku badawczego Atlantis

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Dr Peter Auster, NOAA /
OAR / OER / Mountains in
the Sea Expedition 2003

Jedyny bezpośredni dowód tej historii (ewolucji) pochodzi ze skamieniałości. Obecnie jest ich niewiele.Tylko 25 przykładów znanych jest z przeszłych 550 milionów lat. Fundamelnym pytaniem jest dlaczego jest ich tak mało. Na przykład, dlaczego niektóre „stare” źródła hydrotermalne posiadają złoża skamieniałości a inne choć w tym samym „wieku” nie mają ich? Dodatkowo, zwierzęta jak np. kraby czy krewetki, licznie występujące przy niedawno (nowo) powstałych źródłach hydrotermalnych nie pojawiają się w skamieniałościach znalezionych przy (starszych, przyp. tłum) źródłach. Dlaczego tak jest? Czy jest to z powodu niezupełnego zachowania (ich szczątek, przyp. tłum) czy może grupy tych zwierząt nie występowały w przeszłości w rejonie źródeł hydrotermanych?

Aby odpowiedzieć na to pytanie, zdecydowaliśmy się zbadać w jaki sposób zwierzęta nowych źródeł hydrotermalnych (mięczaki, skorupiaki i pierścienice z gromady wieloszczetów, rodziny rurkoczółkowców) ulegają fosylizacji. Do tego celu wybraliśmy Wzniesienie Wschodniopacyficzne(grzbiet śródoceaniczny we wschodniej części Pacifiku, przyp. tłum), 500 mil morskich na południe od Meksyku, gdzie naukowcy badają źródła hydrotermalne już od dwóch dekad.

Crispin Little spowroten na
pokładzie statku badawczego
Atlantis po pierwszym rejsie
łodzą podwodną Alvin w
grudniu 2007. Na statku
być mokrym od zimnej
wody morskiej to jak
tradycja. Podczas nurkowania
w Alvinie, on i jego
współpracownicy zozmieścili
nowe klatki fosylizacyjne
w okolicach źródeł
hydrotermanych. Zostały
one zebrane około rok później

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Crispin Little

Współpracując z kolegami z Instytutu Oceanograficznego w Wood Hole (MA, USA) i z Uniwersytetu w New Hampshire (NH, USA) naszym planem było rozmieścić na dnie oceanu, za pomocą łodzi podwodnej Alvin, specjalnie dla tego eksperymentu sporządzone próbki doświadczalne. Materiał ten umieściliśmy w trzech różnych mikro-habitatach: w „czarno dymiącym” gorącym (do ok 370 °C) kominie źródła hydrotermanlego, w miejscu dyfuzyjnym (granicznym) źródła, gdzie gorące ciecze ze źródła mieszają się z wodą oceanu (temperatura wody ok. 10-40 °C, w tym rejonie żyje większość zwierząt należących do ekosystemu tych źródeł), i w miejscu kontrolnym, z daleka od aktywnych źródeł (temperatura wody ok 3 °C).

Po około roku planowaliśmy spowrotem wyłowić te próbki i zabrać je do analizy w laboratorium w Anglii. Próbki te składały się z identycznych klatek z siatki tytanowej, wewnątrz których znajdowały się różne materiały kontrolne i biologiczne: zasuszone rurkoczółkowce, muszle „przyźródłowych” małż i ślimaków (Littorina littorea) oraz pancerze krewetek tygrisich (Penaeus monodon).

Nasze pierwsze “fosylizujące” klatki umieściliśmy w maju 2005 przy dwóch różnych źródłach hydrotermalnych. Niestety, nasza ciężka praca na nic się nie zdała – klatki te (wraz z całym naszym sprzętem badawczym) uległy zniszczeniu podczas wybuchu podwodnego wulkanu w tym rejonie pod koniec roku 2005, powodującego erupcję lawy oszacowaną na 22 miliony metrów sześciennych. Nasze klatki prawdopodobnie wciąż tam są, przykryte kilkumetrową warstwą bazaltu!

Crispin Little wydobywa parę
„fosylizujących” klatek ze
zbiornika łodzi podowdnej
Alvin (po prawej stronie
widac „ramię” Alvina, którym
zbiera on klatki z dna
oceanu) wyłowionych z 2,5
km głębokości. Po ponad
roku w gorących źródłach
hydrotermalnych z klatek
tych wyrastają kominy
pirytowe (minerał żelaza,
nadsiarczek żelaza, przyp.
tłum)

Zdjęcie dzięki uprzejmości
Crispin Little

Musieliśmy jeszcze raz rozpocząć cały projekt, zbudować nowe klatki i wynegocjować dostępność statku z naszymi amerykańskimi współpracownikami. Na szczęście tym razem odnieśliśmy duży sukces. Rozmieściliśmy nowy komplet klatek przy dwóch różnych źródłach hydrotermalnych w listopadzie 2006 i grudniu 2007 i zebraliśmy je po 373 dniach pierwszą i po 319 dniach drugą. Nasze wyniki są bardzo interesujące i być może pomogą nam odpowiedzieć na pytanie: jak powstają skamieniałości w rejonie źródeł hydrotermalnych. Na przykład, teraz wiemy już, że fosylizacja pozostałości zwierząt zależy od rejonu wokół źródła w jakim one się znajdują.

W naszym eksperymencie proces skamieniałości zachądzący poprzez mineralizację siarczków na materiale biologicznym (rurkoczółkowców, ślimaków (z gat. Littorina littorea) i małż) wystąpił tylko w gorącym rejonie źródła, lub kiedy źródło przeistoczyło się z czasem trwania eksperymentu – z miejsca dyfuzyjnego źródła powstał „czarno dymiący” (gorący, przyp. tłum) komin źródła. Mineralizacja siarczków nie wystąpiła w rejonie dyfuzyjnym źródła, mimo że muszle ślimaków uległy tu znacznemu rozpuszczeniu. Fosylizacja nie zaszła również w miejscu kontrolnym – poza rejonem aktywnych źródeł. Oznaczałoby to, że znalezione przy źródłach skamieniałości reprezentują tylko te organizmy, które żyją w gorącym rejonie tych źródeł.

Zaobserwowaliśmy, że muszle ślimaków i “rurki” po rurkoczółkowach są podatnym podłożem dla powstania pirytu (siarczki żelaza) i taka mineralizacja wystąpiła na muszlach i „rurkach”. Dokładnie takiej mineralizacj spodziewaliśmy się na skamieniałościach pochodzących ze źródeł hydrotermalnych.

Łódź podwodna Alvin
opuszczona do jej
maksymalnej głębokości
4000 m (średnia głębokość
oceanu wynosi 3800 m)

Zdjęcie dzięki uprzejmości
OAR / National Undersea
Research Program (NURP);
Woods Hole Oceanographic
Institution

Odkryliśmy również, że skłonnośc do fosylizacji rurek po rurkoczółkowach i muszli po ślimakach to prawdziwy fenomen. Odzwierciedla on w jakim stopniu różne substancje biologiczne odporne są na rozkład chemiczny w rejonie źródeł hydrotermalnych, gdzie poddane są one wysokiemu ciśnieniu z powodu tak dużych głębokości i działaniu gorących, kwaśnych cieczy wytryskających ze źródła. Pancerze krewetek nie przetrwały w żadnej z 10 klatek, nawet w tych, które były w miejscach kontrolnych (poza źródłem hydrotermanlym). Rurki po rurkoczółkowcach natomiast okazały się wystarczająco odporne na rozkład i utworzyły skamieniałości.

Organiczna warstwa pokrywająca muszle ślimaków (głównie małż), zwana periostracum, zapobiega częściowo ich rozpuszczeniu (rozkładzie). Najrawdopodobniej to muszle z grubymi warstwami periostracalnymi zachowują się w rejonie źródeł, zwłaszcza że perostracum samo może uledz mineralizacji. Domyślamy się, że skorupiaki takie jak kraby czy krewetki występowały w przeszłości w rejonie źrodeł ale nie zdołaly się zachować (i nie pozostawiły po sobie żadnych skamieniałości, przyp. tłum).

Nasze wyniki są zgodne z obserwacjami przeprowadzonymi w starych źródłach hydrotermalnych i pozwalają nam lepiej interpretować skamieniałości organizmów przyźródłowych. Teraz wiemy więcej o tym jak rozwinęła się fauna źródeł hydrotermalnych, gdyż wiemy więcej o rozkładaniu się tych organizmów, włączając w to niezwykle szybki okres folsylizacji – krótszy niż rok.

Ponieważ fosylizajca przy tych źródłach zachodzi tak szybko, wciąż nie rozumiemy do końca etapów powstawania mineralizacji pirytowej na muszlach i rurkach. Dlatego też przyszłe eksperymenty powinny trwać krócej – w interwałach kilku miesięcy. Czy ktoś jest zainteresowany organizacją statku i łodzi podwodnej?

Podziękowania

Artykuł ten został opublikowany w Planeta Ziemia (Planet Earth), w bezpłatnym magazynie o przyrodzie i środowisku naturalnym, wydawanym przez brytyjski Natural Environment Research Council. Zobacz Little (2009).

Jeśli chcesz zapisać sie do Planety Ziemia napisz email na adres requests@nerc.ac.uk.

Download

Download this article as a PDF

References

Author(s)

Dr. Crispin Little jest wykładowcą w Szkole o Ziemi i Środowisku przy Uniwersytecie Leeds w Wielkiej Brytani.


Review

Jest to ciekawy artykuł opisujący badania naukowe w wyjątkowo ekstremanych warunkach środowiska jak źródła hydrotermanle. Odpowiedni jest on dla uczniów w wieku od 12 do 18 lat i może być użyty na lekcjach biologii o tematyce: ekstremalnych środowisk, przystosowaniu organizmów, życiu w kosmosie czy źródłach minerałów. Artykuł ten może być użyty do dyskusji na temat instnienia życia na innych planetach.

Przykładowymi pytaniami sprawdzającymi zrozumienie tego teksu magą być:

  1. Jakie organizmy żyją w rejonie źródeł hydrotermanych?
  2. W jaki sposób organizmy mogą przetrwać na takich głębokościach bez światła słonecznego?
  3. Czym odżywiają sie te zwierzęta?
  4. Jakiego rodzaju minerały można znaleźć w pobliżu źródeł hydrotermanlych?

Wielodyscyplinarny aspekt opisanych tu badań naukowych sprawia, że artykuł ten jest bardzo przydatny do dyskusji o tym jak naprawdę funkcjonują badania naukowe.


Eric Demoncheaux, Wielka Brytania




License

CC-BY-NC-ND