Całe ekosystemy głębinowych kominów hydrotermalnych mogą być zasilane energią chemiczną zamiast światłem
Kilometry pod powierzchnią oceanu nie dociera światło słoneczne, a mimo to wokół kominów hydrotermalnych mogą istnieć bardzo produktywne zbiorowiska zwierząt. Podstawę ich sieci pokarmowych tworzą chemoautotroficzne bakterie i archeony. Wykorzystują energię uwalnianą podczas utleniania zredukowanych związków pochodzących z płynów hydrotermalnych — między innymi siarkowodoru, wodoru czy metanu — i zużywają ją do wiązania CO₂ w materię organiczną. Część żyje swobodnie, a część jako symbionty zwierząt. Odkrycie takich ekosystemów w 1977 roku zmieniło wyobrażenie o tym, skąd biosfera może czerpać energię.
Ekosystem bez promieni Słońca
Na głębokości kilku kilometrów ocean jest stale ciemny. Fotosynteza nie może więc lokalnie zasilać pierwotnej produkcji wokół dna tak jak przy powierzchni. Gdy w 1977 roku badacze zobaczyli bogate skupiska zwierząt przy kominach hydrotermalnych, stanowiło to biologiczną zagadkę. Odpowiedź kryła się w mikroorganizmach. Płyny wypływające ze skorupy są bogate w zredukowane związki chemiczne, a po zmieszaniu z utlenioną wodą morską tworzą ogromne różnice potencjału chemicznego — gotowe źródło energii dla metabolizmu.
Chemosynteza zamiast fotosyntezy
Chemoautotrofy nie potrzebują światła, aby pozyskiwać energię. Utleniają związki nieorganiczne, na przykład siarkowodór, wodór czy zredukowane formy żelaza, a uzyskaną energię wykorzystują do wiązania dwutlenku węgla i budowy komórek. Pod tym względem pełnią ekologiczną funkcję analogiczną do roślin: wprowadzają węgiel nieorganiczny do sieci pokarmowej. Różni się źródło energii. Zamiast fotonów wykorzystują reakcje chemiczne możliwe dzięki kontaktowi gorących, zredukowanych płynów z chłodną, bardziej utlenioną wodą.
Mikroby jako fundament zwierzęcego świata
Wiele charakterystycznych zwierząt z kominów hydrotermalnych polega bezpośrednio na chemosyntetycznych symbiontach. Bakterie mogą żyć na powierzchni ciała, w skrzelach lub wyspecjalizowanych tkankach gospodarza. Zwierzę dostarcza im substraty, a otrzymuje związki organiczne. W innych przypadkach mikroorganizmy rosną swobodnie jako maty i są zjadane. Bez lokalnej produkcji mikrobiologicznej biomasa wokół wielu kominów byłaby znacznie mniejsza, bo opad materii organicznej z powierzchni oceanu jest ograniczony.
Geologia staje się biologią
Kominy są miejscem bezpośredniego połączenia procesów geologicznych z metabolizmem. Woda morska krąży przez spękaną skorupę, nagrzewa się i reaguje ze skałami, po czym wraca niosąc związki chemiczne. Mikroorganizmy wykorzystują nierównowagę powstałą podczas mieszania tych płynów z wodą morską. Skład skał i temperatura wpływają więc na to, jakie substraty są dostępne i jakie grupy mikrobów dominują. Ekosystem staje się w pewnym sensie biologicznym przedłużeniem geochemii dna oceanu.
Czy to naprawdę ekosystem niezależny od Słońca
Popularne sformułowanie wymaga zastrzeżenia. Lokalna produkcja pierwotna może być napędzana geochemią, ale część akceptorów elektronów, na przykład tlen i azotany w wodzie morskiej, ma pośredni związek z procesami powierzchniowymi i fotosyntezą. Ponadto do głębin dociera materia organiczna z góry. Dlatego lepiej mówić, że podstawowa produkcja przy kominach nie wymaga lokalnego światła słonecznego, niż że cały ekosystem jest absolutnie odłączony od biosfery powierzchniowej.
Dlaczego odkrycie było tak ważne
Do lat 70. bogate ekosystemy kojarzono z dostępem do światła lub z dopływem materii wyprodukowanej gdzie indziej przez fotosyntezę. Kominy hydrotermalne pokazały w spektakularny sposób, że produkcja biologiczna może być zasilana energią reakcji skał, wody i gazów. To rozszerzyło definicję miejsc potencjalnie nadających się do życia także poza Ziemią: jeśli istnieje woda i utrzymująca się nierównowaga chemiczna, światło gwiazdy nie musi być jedynym możliwym źródłem energii dla biosfery.