hydrotermiske undervannskilder

I midten av bildet er væsken som kommer ut fra kilden. Den er mørk og røykaktig på grunn av høye nivåer av mineraler og sulfider. Mange dyptlevende reker i slekten Chorocaris krabber over skorsteinen, og det er også enkelte krabber av arten Austinograea wiliamsi.
Skjeggbærerne Ridgeia piscesae sitter på overflaten av en hydrotermisk undervannskilde ved Endeavour, en del av Juan de Fuca-ryggen. De er spesielt synlige mot midten av bildet på høyre arm av skorsteinen. Dybden er 2261 meter under havoverflaten.
Skjeggbærere med røde gjeller og hundrevis av trollhummere er del av økosystemet som finnes rundt en svart skorstein i Strawberry Fields, en del av Endeavour hydrotermiske undervannskilder som ligger på Juan de Fuca-ryggen.

Artikkelstart

Hydrotermiske undervannskilder er mineralrikt varmt saltvann og gasser som strømmer ut av sprekker i vulkanske områder på havbunnen i randsonen mellom kontinentalplater. Forholdene er ekstreme, uten lys, og med høyt trykk og høy eller lav temperatur. På slike steder finnes frittlevende bakterier og dyr som i symbiose med andre bakterier lager organiske karbonforbindelser og energi via kjemosyntese.

Faktaboks

Etymologi

gresk hydor – vann; therme - varme

Også kjent som

Hydrotermiske ventiler, hydrotermiske skorsteiner, dyphavsventiler, engelsk «black smokers», «white smokers»

I økosystemer på store havdyp som er selvforsynte og uavhengig av sollys, er bakteriene primærprodusentene og grunnlaget for næringen til det eksotiske dyrelivet som lever der.

Det er to hovedtyper hydrotermiske undervannskilder, svarte skorsteiner og hvite skorsteiner.

Fluks av varme og mineraler fra magma ut i havvannet er viktige i deler av de globale biogeokjemiske syklusene. Hydrotermiske undervannskilder påvirker blant annet forholdet mellom kalsium i kalsiumkarbonat (kalsitt, aragonitt) og magnesium (brucitt) i havvannet.

Tilsvarende terrestriske hydrotermiske systemer er fumaroler, geysirer, og svovelrike sulfaterer, jamfør vulkanen Solfatara i Italia.

Liv under ekstreme forhold

Oppdagelsen av levende organismer i områdene omkring de hydrotermale kildene revolusjonerte tanken om hvordan ekstremofilt liv kan eksistere på Jorden. Der finnes dyr som kan tåle kulde, fullstendig mørke, og giftige kjemiske stoffer.

Det høye trykket på store havdyp gjør at kokepunktet for vann blir flere hundre grader, og trykket stiger med om lag én atmosfære for hver tiende meter ned i dypet (Pascals lov). Trykktolerante (barotolerante arter) tåler høyt trykk, men kan også leve på mindre havdyp, mens trykkelskende (barofile) arter er tilpasset å leve bare ved høyt trykk. Generelt er organismer som lever på store havdyp kuldeelskende (også kalt psykrofile).

Oppdagelsen av hydrotermiske undervannskilder

Med undervannsfartøyet Alvin fant geologer i 1977 svarte skorsteiner og dyreliv ved Galapagosriften i den østlige Stillehavsryggen. Med to forskningsskip fra Woods Hole Oceanographic Institution fortsatte undersøkelsene i 1979.

National Geographic Society laget en film fra forskningstoktet, Dive to the Edge of Creation, som viste en ukjent verden av liv. De fant flere meter lange skjeggormer med rød farge i spissen, kalt «rosehager». Den store veksten kunne ikke skyldes organisk «snø» (marin snø), altså en kontinuerlig dusj med organisk detritus og døde dyr som faller ned vannsøylen og dermed overfører energi fra sonen med lys (fotisk sone) og fotosyntese, ned til mørkesonen (afotisk sone).

Den amerikanske mikrobiologen Colleen Cavanaugh (født 1953) var den første som foreslo at skjeggormene skaffer seg energi fra bakterier som lever i symbiose inne i tubeormene. Disse svoveloksiderende bakteriene skaffer energi ved å bruke oksygen i havvannet til å oksidere hydrogensulfid, og videre blir karbondioksid bundet og redusert til karbohydrater i Calvinsyklus eller revers sitronsyresyklus.

Typer av undervannskilder

Svarte skorsteiner

Svarte skorsteiner (røykere) har surt vann med temperaturer fra 20 °C i ytterkant opptil 400 °C i midten, og inneholder hydrogensulfid, silisium og metallsulfider med jern (pyritt, pyrrhotitt, cubanitt), kobber, sink, mangan og bly.

Når mineralrikt varmt vann møter det omkringliggende havvannet med temperatur 2–4 °C og blir blandet med det, blir det felt ut finpartikulært materiale som bygger opp rør- og kjegleformete skorsteiner, i gjennomsnitt om lag 20 meter høye. De fleste finnes i havdybder fra 1000 til 4000 meter.

I områdene omkring de hydrotermiske feltene med temperatur 2–30 °C er det habitater (leveområder) med mikroorganismer og ekstremt tilpassede dyphavsarter, for eksempel skjeggormer, flerbørstemark, snegler, dyreplankton, muslinger, krepsdyr, og slangestjerner.

Hvite skorsteiner

Hvite skorsteiner (røykere) har mer basisk vann med noe lavere temperatur, maksimalt rundt 250 °C, og ligger i ytterkanten av de hydrotermale områdene. De har et annet mineralinnhold enn sorte skorsteiner, med sulfater i form av anhydritt (kalsiumsulfat), gips, silikatmineraler (serpentin og olivin), silisiumdioksid (SiO2), magnesiumhydroksid (brucitt) og bariumsulfat (barytt).

Kalde ventiler

Kalde ventiler, eller kaldt gassoppkomme, er sprekker med utstrømming av hydrokarboner (olje), hvor metan, hydrogensulfid, hydrogen og karbondioksid lekker ut. På engelsk kalles disse «cold seeps». Vekst av frittlevende bakterier og arkebakterier i tilknytning til gassoppkommene lager oransje, gule eller hvite bakteriematter med metall- og karbonatskorper hvor snegler, muslinger og krepsdyr beiter.

«Kald» i denne sammenheng er lavere temperatur sammenlignet med skorsteinene. Disse oppkommene er ikke direkte avhengig av vulkansk aktivitet og kan finnes spredt på havbunnen. De gir vekstforhold for dyphavsøkosystemer med hydrogensulfidoksiderende eller metanoksiderende bakterier. Det finnes egne metan-sildrehabitater som gir vekstforhold for metanotrofe bakterier.

Kjemosyntese – liv uten lys

På landjorda dannes nesten all næringen til det som lever av planter, altså fototrofe organismer som bruker lys som energikilde. Til forskjell fra dette finnes det mange bakterier som lever på ekstreme steder som bruker kjemiske stoffer som energikilde, og disse kan kalles kjemotrofe. Slik planter har fotosyntese, har disse kjemosyntese. Det finnes mange kjemotrofe bakterier i riket Eubacteria og arkebakterier i riket Archaea som bruker kjemiske stoffer som energikilde.

  • Kjemolitotrofe skaffer seg energi ved å oksidere uorganiske elektrondonorer.
  • Kjemolitoautotrofe er selvforsørgende og vokser på bare uorganiske forbindelser og bruker CO2 som karbonkilde.
  • Kjemoorganotrofe oksiderer organiske stoffer og er heterotrofe.

Lito- (gresk lithos) er en forstavelse som betyr stein, trofe betyr spise (gresk trophe – ernæring) auto- betyr selv, og organo- henviser til organisk.

Energikilder hos kjemotrofe bakterier

Kjemolitotrofe bakterier som lever i biofilm med komplekse næringsnett, både aerobe og anaerobe, får energi ved å frakte elektroner fra elektrondorer i biologiske redoksreaksjoner.

Sulfidoksiderende bakterier frakter elektroner fra hydrogensulfid (H2S, HS-, S2-), metanoksiderende bakterier fra metan (CH4), og hydrogenoksiderende bakterier fra hydrogen (H2). Andre elektrondonorer er ferrojern (Fe2+), og mangan (Mn2+) hos henholdsvis jernoksiderende bakterier og manganoksiderende bakterier, eller ammonium (NH4+) hos nitrifiserende bakterier.

De filamentformede frittlevende kjemoautolitotrofe bakteriene Beggiatoa oksiderer hydrogensulfid til svovelkorn, assimilerer og reduserer karbondioksid i Calvinsyklus, og inngår i oransjefargete bakteriematter i biofilm med andre bakterier.

I nærheten av de varme kildene i Californiabukten lever blant annet den metanproduserende obligat anaerobe og varmeelskende (hypertermofile) kjemoautolitotrofe arkebakterien Methanopyrus som med hydrogen (H2) reduserer CO2 til metan (CH4).

CO2 + 4H2 → CH4 + 2H2O

Hydrogensulfid kan bli produsert av sulfatreduserende bakterier i sedimentene koblet til oksidasjon av metan. Anaerob oksidering av metan gir i tillegg økt alkalitet med utfelling av kalsiumkarbonat (ikaitt). På havbunnen finnes også metan som metanhydrater.

Selv om kjemosyntese er hovedenergikilden, finnes det anaerobe fotosyntetiske svovelbakterier som kan utnytte det geotermiske langbølgede lyset fra smeltet magma som energikilde. Det er denne type liv som muligens kan finnes på jupitermånen Europa, saturnmånen Enceladus, aller andre steder i universet.

Serpentinisering, Wood-Ljungdahl omsetningsvei og livets opprinnelse

Ved alkaliske hydrotermiske ventiler kan det skje serpentinisering med produksjon av molekylært hydrogen. Det er en reaksjon ved høyt trykk og temperatur mellom sjøvann og jernmineraler, olivin (Mg,Fe)2SiO4), magnetitt (Fe3O4), awaruitt (Ni3Fe), samt greigitt (Fe3S4) som finnes i tilknytning til hydrotermiske undervannskilder og anoksiske sedimenter i havet. Serpentinisering gir sprekker som bringer sjøvann i kontakt med magna, mineralrikt sjøvann som deretter strømmer ut av skorsteinene. Noen av de første formene for liv på Jorden var sannsynlig anaerobe, termofile (varmeelskende) kjemolitoautotrofe bakterier i tilknytning til hydrotermiske undervannkilder. Disse kan bruke molekylært hydrogen som energi og elektronkilde, samt Wood-Ljungdahl omsetningsvei for å assimilere og omsette karbondioksid til organiske karbonforbindelser.

Dyr i symbiose med kjemoautotrofe bakterier

Skjeggormer

En av de største samlingene av kjemperørormen som er observert, med anemoner og muslinger i nærheten.
Av .
Lisens: CC BY 2.0

Kjemperørormen Riftia pachyptila er en rørbyggende skjeggorm som lever i tilknytning til svarte skorsteiner i Stillehavet. Kroppen til skjeggormene er laget av kitin og består av en øvre del med rødfargede utvekster (kalt obturaculum), en vingeformet hodelapp (vestimentum) med hjerte, hjerneganglier, og muskler som kan trekke inn den øvre hemoglobindelen, etterfulgt av et langt opptil én til to meter svært rasktvoksende rør. En bakre kroppsregion, ofistosom (gresk. ophiste – bak; soma – kropp), fester den til bunnen hvorfra den også har mulighet til å ta opp nødvendige stoffer.

Skjeggormer mangler munn og fordøyelsesorganer, men lever i symbiose med kjemoautotrofe sulfidoksiderende bakterier. Bakteriene lever i spesielle celler, bakteriocytter, som finnes i en kanal med svampvev inne i rørormen. Bakteriene er ikke i direkte kontakt med vannmassene, og får sine behov dekket av rørormen. Den røde fargen skyldes hemoglobin som frakter oksygen, hydrogensulfid og karbondioksid fram til bakteriene i en sirkulerende hemolymfe pumpet av et hjerte.

Bakterier bruker hydrogensulfid som elektron- og protonkilde, og oksygen som elektron- og protonakseptor. Den frigitte energien bruker bakteriene til å assimilere karbondioksid via enzymet rubisko og i en reduksjon lager karbohydrater i Calvinsyklus og som blir overført til rørormen, og det skjer utfellinger av svovelkorn. Siden prosessen er avhengig av oksygen kan man si at den er sekundært avhengig av produksjon av oksygen fra fotosyntesen, forutsatt at oksygen ikke har en annen opprinnelse. Hydrogensulfid virker giftig for de fleste organismer, men hos disse er det molekylære mekanismer som hindrer forgiftning.

Lamellibrachia lyumesi er en skjeggorm fra Mexicogolfen med kjemoautotrofe sulfidoksiderende bakterier, hvor muslingen Acesta oophaga lever festet til den fremre delen av hunnlige individer hvor den lever av de fettrike eggene som slippes ut av eggsekker.

Flerbørstemark

Ved svarte skorsteiner på den østlige Stillehavsryggen lever flerbørstemarken pompeiiorm (Alvinella pompejana), navn etter Alvin. På ryggen har den hårlignende utvekster fra slimkjertler hvor det er en biofilm med epislonproteobakterier (Epsilonproteobacteria) som episymbionter, blant annet den kjemoautotrofe bakterien Nautilia profundicola, i et anaerobt slimaktig miljø i biofilmen med hydrogen, sulfid og CO2. Bakterien bruker hydrogen (H2) eller maursyre (format) som elektrondonor, svovel (S0) som elektronakseptor som omdannes til hydrogensulfid, og CO2 som karbonkilde. Bakterien kan i tillegg utføre biologisk nitrogenfiksering. Nautilia abyssi er en tilsvarende frittlevende varmeelskende (termofil) kjemolitoautotrof bakterie som lever i tilknytning til varmekilden og assimilerer CO2 i revers sitronsyresyklus.

Andre arter

I tillegg finnes det i tilknytning til de hydrotermiske feltene en mengde andre arter, noen er hvitfargede og blinde. Et par eksempler er dyphavsmuslingen (Bathymodiolus childressi) i familien Mytilidae som i symbiose med metanotrofe bakterier produserer kalsiumkarbonat.

Yetikrabbe (Kiwa hirsuta) finnes der, og er dekket av hår med bakterier.

Foraminiferer i klassen Xenophyophorea er encellede poredyr med mange cellekjerner og kalkskall, for eksempel slekten Syringammina, og er en del av den mellomstore faunaen (meiofaunaen eller meiobentos) på havbunnen på store havdyp.

Dyphavspelagiske arter

I de frie vannmassene over de hydrotermiske ventilene finnes det fisk i batypelagisk sone 1000–3000 meter under havoverflaten, og abyssopelagisk sone 3000–6000 meter under havoverflaten. Noen av dem kan sende ut lys via bioluminescens via stoffet luciferin og enzymet luciferase.

Rosa ventilfisk Thermarces cerberus er funnet i batypelagisk sone ved svarte skorsteiner i det østlige Stillehavet. Hvit stillehavsskate, Bathyraja spinosissima, bruker varmen fra hydrotermiske undervannskilder til inkubering av eggkapsler.

Hvorvidt det finnes hydrotermiske undervannskilder under hadopelagisk sone, oppkalt etter Hades, (6000–11 000 meter under havoverflaten) er ukjent.

Trolig lever det mange nye og ukjente arter i dyphavet, og ved oppstrømsområder og hydrotermiske undervannskilder.

Undersjøiske fjellkjeder med riftsone og hydrotermiske felt

Midthavsrygger, selv om de ikke alltid ligger i midten, er undersjøiske fjellkjeder i randsonen mellom to eller flere kontinentalplater som atskilles og danner spredningsrygger, og hvor lava (putelava) fra magma strømmer opp av sprekkdannelser. Det blir dannet nytt overflateskall (litosfære) på havbunnen (havbunnsspredning) med basalt og gabbro som beveger seg vekk fra riften (fissuren).

Hydrotermiske undervannskilder mottar energi fra vulkansk aktivitet under havbunnen. Saltvann perkolerer (sildrer, siver) gjennom sprekker i havbunnen, blir modifisert og oppvarmet i reaksjon med lava i kontakt med magma og magmakammer. Ved høy temperatur og trykk skjer det en serpentinisering mellom jernsvovelmineraler og sjøvann som gir sprekkdannelser hvor sjøvann kan trenge gjennom.

Det kritiske punktet i sjøvann er 405 °C og trykk 300 bar, noe som kan finnes ved de hydrotermiske feltene dypere enn 3000 meter, hvor det skjer en direkte faseovergang mellom væske og gassfase i sjøvannet, en fase med vanngass, superkritisk sjøvann som kan trenge ned i sprekker og løse opp mineraler.

Oppvarmet havvann løser opp mineraler og sur væske vender tilbake til havbunnen og ut i vannmassene. Økosystemene blir både skapt og ødelagt av den vulkanske aktiviteten i midthavsrygger som vokser og avtar.

Den midtatlantiske ryggen ble oppdaget i Challenger-ekspedisjonen i 1872–1876. Østlige Stillehavsryggen (mellom Stillehavs-, Nord-Amerika-, Rivera-, Cocos- og Naca-platen) går sørover fra Californiabukten hvor den i nærheten av New Zealand møter Stillehavet-Antarktisryggen mellom Stillehavsplaten og Antarktisplaten. Langs den østlige Stillehavsryggen er det flere områder med svarte skorsteiner. I Det indiske hav går de Sørøstindiske-, sørvestindiske- og sentralindiske ryggene.

Det er flere mindre midthavsrygger (spredningsrygger) i riftsoner og subduksjonssoner (synkesoner), hvor man kan lete etter oppstrømsområder og hydrotermiske undervannskilder: Juan De Fuca-, Explorer-, Aden-, Gorda-, Chile-, Gakkelryggen, samt Reykjanes- og Kolbeinsey-ryggen, henholdsvis sør og nord for Island, og Knipovich- og Mohns rygg mellom Grønland og Svalbard. Lokes slott er en hydrotermisk undervannskilde 2350 meter under havoverflaten, oppdaget i 2008, som ligger på den midtatlantiske ryggen mellom Norge og Grønland. Den er foreslått vernet som en dyphavsnasjonalpark. Flere av økosystemene i de hydrotermale feltene kan bli truet av leting etter mineraler på havbunnen.

Norsk forskning

Ved Lokes slott, Lokeslottet, med navn etter Loke, har en dyphavsekspedisjon med forskningsfartøyet G.O. Sars, utstyrt med undervannsfarkoster, ledet fra Universitetet i Bergen, via metagenomanalyse funnet en egen gruppe arkebakterier Lokiarchaeota i tilknytning til en av de mest nordlige svarte skorsteiner man kjenner til.

Flerbørstemarken Paramytha schanderi er en ny art som ble funnet på Lokes slott.

Les mer i Store norske leksikon

Eksterne lenker

Litteratur

  • Boetius Antje: Microfauna–Macrofauna Interaction in the Seafloor: Lessons from the Tubeworm, PLOS Biology 3 (3), march 15, 2005, doi.org/10.1371/journal.pbio.0030102
  • Kongsrud Jon A, Eilertsen Mari H, Alvestad Tom, Kongshavn Katrine, Rapp Hans Tore (2017). New species of Ampharetidae (Annelida: Polychaeta) from the Arctic Loki Castle vent field. Deep Sea Research Part II: Topical Studies in Oceanography 137 (2017) 232–245. doi.org/10.1016/j.dsr2.2016.08.015
  • Minic Zoran & Hervé Guy: Biochemical and enzymological aspects of the symbiosis between the deep-sea tubeworm Riftia pachyptila and its bacterial endosymbiont. Eur. J. Biochem. 271, (2004) 3093–3102; doi:10.1111/j.1432-1033.2004.04248.x

Kommentarer

Kommentaren din publiseres her. Fagansvarlig eller redaktør svarer når de kan.

Du må være logget inn for å kommentere.

eller registrer deg