Введение

Горячий источник, гидротермальный источник или геотермальный источник – это источник, образованный выходом на поверхность Земли геотермально нагретых грунтовых вод. Нагрев грунтовых вод происходит либо за счет близко расположенных очагов магмы (расплавленной породы), либо в результате циркуляции через разломы к горячим породам в глубине земной коры. Вода горячих источников часто содержит большое количество растворенных минералов. Химический состав горячих источников варьируется от кислых сульфатных источников с pH до 0,8, до щелочных хлоридных источников, насыщенных кремнеземом, и бикарбонатных источников, насыщенных углекислым газом и карбонатными минералами. Некоторые источники также содержат значительное количество растворенного железа. Минералы, выносимые на поверхность горячими источниками, часто служат основой для существования сообществ экстремофилов – микроорганизмов, адаптированных к экстремальным условиям, и существует гипотеза, что жизнь на Земле могла возникнуть именно в горячих источниках. Люди используют горячие источники для купания, отдыха и медицинских целей на протяжении тысячелетий. Однако некоторые из них настолько горячи, что погружение в них может быть опасным, вызывая ожоги и, потенциально, смерть.

Химия

Поскольку нагретая вода способна удерживать больше растворенных веществ, чем холодная, вода, выходящая из горячих источников, часто имеет очень высокое содержание минералов, включая кальций, литий и даже радий. Общая химическая композиция горячих источников варьируется от щелочного хлорида до кислотного сульфата, бикарбоната и богатых железом, каждый из которых представляет собой крайний тип в диапазоне возможных химических составов горячих источников. Горячие источники с алкальными хлоридами питаются гидротермальными флюидами, которые образуются при взаимодействии подземных вод, содержащих растворенные соли хлорида, с силикатными породами при высокой температуре. Эти источники имеют почти нейтральный pH, но насыщены диоксидом кремния (SiO2). Растворимость диоксида кремния сильно зависит от температуры, поэтому при охлаждении он осаждается в виде гейзерита – разновидности опала (опал A: SiO2·nH2O). Этот процесс достаточно медленный, чтобы гейзерит не осаждался сразу вокруг жерла, а формировал невысокую, широкую платформу на некотором расстоянии от отверстия источника. Кислотные сульфатные горячие источники питаются гидротермальными флюидами, богатыми сероводородом (H2S), который окисляется с образованием серной кислоты (H2SO4). В результате pH флюида может снижаться до значений, равных 0,8. Кислота взаимодействует с горными породами, превращая их в глинистые минералы, оксидные минералы и остатки диоксида кремния. Бикарбонатные горячие источники питаются гидротермальными флюидами, образующимися при взаимодействии углекислого газа (CO2) и подземных вод с карбонатными породами. Когда флюиды достигают поверхности, CO2 быстро высвобождается, а карбонатные минералы осаждаются в виде травертина, поэтому бикарбонатные горячие источники обычно формируют высокие рельефные структуры вокруг своих отверстий. Железосодержащие источники характеризуются наличием микробных сообществ, которые производят скопления окисленного железа из железа, содержащегося в гидротермальных флюидах, питающих источник. Некоторые горячие источники производят флюиды, химический состав которых находится между этими крайними значениями. Например, смешанные кислотно-сульфатно-хлоридные горячие источники являются промежуточными между кислотными сульфатными и щелочными хлоридными источниками и могут образовываться при смешивании кислотно-сульфатных и щелочных хлоридных флюидов. Они отлагают гейзерит, но в меньших количествах, чем щелочные хлоридные источники.

Потоки

Тепловые источники различаются по дебиту – от самых незначительных "просачиваний" до настоящих рек горячей воды. Иногда давление настолько велико, что вода выстреливает вверх в виде гейзера или фонтана.

Экосистемы

В горячих источниках часто обитают сообщества микроорганизмов, приспособленных к жизни в горячей, богатой минералами воде. К ним относятся термофилы – тип экстремофилов, процветающих при высоких температурах, между… Далее от источника, где вода успела остыть и частично выпала в осадок минералы, условия становятся благоприятными для организмов, адаптированных к менее экстремальным условиям. Это приводит к смене микробных сообществ по мере удаления от источника, что в некотором отношении напоминает последовательные этапы эволюции ранней жизни. Например, в бикарбонатном горячем источнике сообщество организмов непосредственно вокруг источника доминирует в нитевидных термофильных бактериях, таких как Aquifex и другие представители Aquificales, которые окисляют сульфид и водород для получения энергии, необходимой для их жизнедеятельности. Далее от источника, где температура воды опускается ниже , поверхность покрыта толстыми микробными матами толщиной , в которых преобладают цианобактерии, такие как Spirulina, Oscillatoria и Synechococcus, а также зеленые серные бактерии, такие как Chloroflexus. Все эти организмы способны к фотосинтезу, хотя зеленые серные бактерии в процессе фотосинтеза производят серу, а не кислород. Еще дальше от источника, при температурах ниже , создаются благоприятные условия для сложного сообщества микроорганизмов, включающего Spirulina, Calothrix, диатомовые водоросли и другие одноклеточные эукариоты, а также насекомых и простейших, питающихся ими. По мере приближения температуры к температуре окружающей среды появляются высшие растения. Щелочно-хлоридные горячие источники демонстрируют аналогичную смену сообществ организмов, с различными термофильными бактериями и археями в самых горячих частях источника. Кислотно-сульфатные горячие источники демонстрируют несколько иную последовательность микроорганизмов, в которой доминируют кислотоустойчивые водоросли (например, представители Cyanidiophyceae), грибы и диатомовые водоросли. Железосодержащие горячие источники содержат сообщества фотосинтезирующих организмов, которые окисляют восстановленное (железо(II)) железо в окисленное (железо(III)) железо. Горячие источники – это надежный источник воды, обеспечивающий богатую химическую среду, включая восстановленные химические соединения, которые микроорганизмы могут окислять в качестве источника энергии.

Гипотеза о горячих источниках

В отличие от "черных курильщиков" (гидротермальных источников на дне океана), горячие источники, подобные наземным гидротермальным полям Камчатки, производят жидкости с подходящим pH и температурой для ранних клеток и биохимических реакций. Растворенные органические соединения были обнаружены в горячих источниках Камчатки. Они испытывают циклы увлажнения и высыхания, которые способствуют образованию биополимеров, которые затем инкапсулируются в везикулы после регидратации. Воздействие солнечного УФ-излучения на окружающую среду способствует синтезу мономерных биомолекул. Ионный состав и концентрация горячих источников (K, B, Zn, P, O, S, C, Mn, N и H) идентичны цитоплазме современных клеток и, возможно, цитоплазме LUCA или ранней клеточной жизни, согласно филогеномному анализу. Недавние экспериментальные исследования в горячих источниках подтверждают эту гипотезу. Они показывают, что жирные кислоты самоорганизуются в мембранные структуры и инкапсулируют синтезированные биомолекулы при воздействии УФ-света и многократных циклов увлажнения-высыхания в слабощелочных или кислотных горячих источниках, что не произошло бы в условиях соленой воды, поскольку высокие концентрации ионных растворенных веществ там препятствовали бы образованию мембранных структур. Дэвид Димер и Брюс Дамер отмечают, что эти гипотетические пребиотические среды напоминают воображаемый Чарльзом Дарвином "теплый маленький пруд". Исследователи предполагают, что пирофосфит мог использоваться ранней клеточной жизнью для хранения энергии и, возможно, был предшественником пирофосфата. Фосфиты, присутствующие в горячих источниках, могли объединяться в пирофосфит в горячих источниках в процессе циклов увлажнения-высыхания. Как и щелочные гидротермальные источники, горячий источник Хакуба Хаппо подвергается серпентинизации, что позволяет предположить, что метаногенные микроорганизмы, возможно, возникли в подобных средах обитания.

Ограничения

Проблема гипотезы о происхождении жизни в горячих источниках заключается в низкой растворимости фосфата в воде. Пирофосфат мог присутствовать внутри протоклеток, однако все современные формы жизни используют пирофосфат для запасания энергии. Ки предполагает, что пирофосфат мог начать использоваться после появления ферментов. Другая проблема состоит в том, что солнечное ультрафиолетовое излучение и частые столкновения могли бы препятствовать обитаемости ранней клеточной жизни в горячих источниках. Метаболические пути пока не продемонстрированы в этих условиях. Метаболические реакции пути Вуда-Льюнгдаля и обратного цикла Кребса были воспроизведены в кислых условиях и при термофильных температурах в присутствии металлов, что согласуется с наблюдениями о том, что РНК наиболее стабильна при кислом pH.

История

Горячие источники доставляют людям удовольствие на протяжении тысяч лет. Известно, что даже макаки расширили свой северный ареал обитания в Японии, используя горячие источники для защиты от холода. Горячие источники (онсен) используются в Японии как минимум две тысячи лет, традиционно для поддержания чистоты и расслабления, но все чаще – благодаря их целебным свойствам. В гомеровскую эпоху Греции (ок. 1000 г. до н.э.) ванны служили преимущественно для гигиены, но к временам Гиппократа (ок. 460 г. до н.э.) горячим источникам приписывали целебную силу. Популярность горячих источников колебалась на протяжении веков, но в настоящее время они пользуются популярностью во всем мире.

Терапевтическое применение

Из-за как фольклора, так и предполагаемой лечебной ценности, приписываемой некоторым горячим источникам, они часто являются популярными туристическими направлениями и местами размещения реабилитационных клиник для людей с ограниченными возможностями. Однако научное обоснование терапевтического купания в горячих источниках остаётся неясным. Горячие ванны для лечения отравления свинцом были распространены и, по сообщениям, весьма эффективны в XVIII и XIX веках, что, возможно, было связано с диурезом (увеличенным выделением мочи) от пребывания в горячей воде, который способствовал выведению свинца; улучшением питания и изоляцией от источников свинца; а также повышенным потреблением кальция и железа. В исследованиях спа-терапии сообщалось о значительном улучшении состояния пациентов с ревматоидным артритом и анкилозирующим спондилитом, однако эти исследования имеют методологические недостатки, такие как очевидная невозможность проведения плацебо-контролируемых исследований (в которых пациент не знает, получает ли он лечение). В результате терапевтическая эффективность лечения горячими источниками остаётся под вопросом.

Этикет

Обычаи и правила посещения различаются в зависимости от горячего источника. Общепринято, что купающимся следует мыться перед погружением в воду, чтобы не загрязнять её (с мылом или без него). Во многих странах, таких как Япония, требуется посещать горячие источники обнажёнными, включая купальные костюмы. Зачастую для мужчин и женщин предусмотрены отдельные помещения или время посещения, однако существуют и смешанные онсены. В некоторых странах, если это общественный горячий источник, посещение в купальных костюмах обязательно.

Примеры

Горячие источники есть во многих местах и на всех континентах мира. К странам, известным своими горячими источниками, относятся Китай, Коста-Рика, Венгрия, Исландия, Иран, Япония, Новая Зеландия, Бразилия, Перу, Сербия, Южная Корея, Тайвань, Турция и Соединенные Штаты, но горячие источники есть и во многих других местах: Горячие источники Рио-Хондо на севере Аргентины, широко известные с 1918 года, когда доклад профессора химии классифицировал их как одни из самых электролитических минеральных вод в мире, стали одними из самых посещаемых на Земле. Курорт Качеута – еще один известный горячий источник в Аргентине. В Европе источники с самыми высокими температурами находятся во Франции, в небольшой деревне под названием Шо-Айг. Расположенные в самом сердце французского вулканического региона Овернь, тридцать природных горячих источников в Шо-Айг имеют температуру от до более чем . Самый горячий из них, "Source du Par", имеет температуру . Горячие воды, протекающие под деревней, обеспечивают отопление домов и церкви с XIV века. Шо-Айг (Канталь, Франция) – курортный город, известный с времен Римской империи лечением ревматизма. Карбонатные водоносные горизонты в предгорных тектонических условиях могут содержать важные термальные источники, даже если они расположены в районах, обычно не характеризующихся высоким региональным тепловым потоком. В этих случаях, когда термальные источники расположены вблизи или вдоль побережья, надземные и/или подводные термальные источники представляют собой отток морских грунтовых вод, протекающих через локальные трещины и объемы карстовых пород. Это относится к источникам, расположенным в самой юго-восточной части региона Апулия (Южная Италия), где несколько серосодержащих и теплых вод вытекают в частично затопленных пещерах вдоль Адриатического побережья, снабжая исторические курорты Санта-Чезарея-Терме. Эти источники известны с древних времен (Аристотель в III веке до н.э.), а физико-химические характеристики их термальных вод частично зависят от колебаний уровня моря. Одним из потенциальных резервуаров геотермальной энергии в Индии являются термальные источники Таттапани в штате Мадхья-Прадеш. Богатые кремнеземом отложения, обнаруженные в Нили Патере, вулканической кальдере в Сиртисе-Майоре на Марсе, предположительно являются остатками потухшей системы горячих источников.