Глубоководные просторы океана

Введение

Самый нижний слой в океане – донные отложения.

Глубокое море определяется как глубина океана, где начинает угасать свет, приблизительно на глубине или в точке перехода от континентальных шельфов к континентальным склонам. Условия в глубоком море характеризуются сочетанием низких температур, темноты и высокого давления. Глубокое море считается наименее изученным биомом Земли, поскольку экстремальные условия затрудняют доступ и исследование этой среды. Организмы, обитающие в глубоком море, обладают разнообразными адаптациями для выживания в этих условиях. Они могут выживать, используя различные способы питания, включая падаль, хищничество и фильтрацию, при этом многие организмы питаются морским снегом. Морской снег – это органический материал, опускающийся из верхних слоев воды в глубокое море. В 1960 году батискаф «Триест» опустился на дно Марианской впадины вблизи Гуама, на глубину 10 916 метров – самое глубокое известное место в любом океане. Если бы гора Эверест была погружена туда, ее вершина оказалась бы более чем на 2 километров ниже поверхности. После вывода «Триеста» из эксплуатации, японский дистанционно управляемый аппарат (ROV) «Кайко» был единственным аппаратом, способным достигать этой глубины, пока не был потерян в море в 2003 году. В мае и июне 2009 года гибридный ROV «Нерей» вернулся в Challenger Deep для серии из трех погружений на глубины, превышающие 10 900 метров.

Свет

Естественный свет не проникает в глубины океана, за исключением верхних слоев мезопелагиали. Поскольку фотосинтез невозможен, растения и фитопланктон не могут существовать в этой зоне, а так как они являются первичными продуцентами почти всех экосистем Земли, жизнь в этой части океана должна зависеть от источников энергии извне. За исключением районов вблизи гидротермальных источников, эта энергия поступает с органическими веществами, опускающимися из фотической зоны. Опускающиеся органические вещества состоят из частиц водорослей, детрита и других форм биологического мусора, которые в совокупности называются «морским снегом».

Давление

Поскольку давление в океане увеличивается примерно на 1 атмосферу на каждые 10 метров глубины, многие морские организмы испытывают экстремальное давление. До недавнего времени научное сообщество не располагало подробной информацией о воздействии давления на большинство глубоководных организмов, так как обнаруженные экземпляры поднимались на поверхность мертвыми или погибающими, и наблюдать за ними в условиях давления, в которых они обитали, было невозможно. С разработкой ловушек, оснащенных специальной камерой для поддержания давления, стало возможным извлекать из глубин моря неповрежденных крупных метазоан в хорошем состоянии.

Соленость

Соленость в глубинах океана удивительно постоянна и составляет около 35 промилле. Существуют некоторые незначительные различия в солености, но ни одно из них не имеет существенного экологического значения, за исключением относительно изолированных морей, таких как Средиземное и Красное моря.

Температура

Две области с наибольшим градиентом температуры в океанах — это зона перехода между поверхностными и глубинными водами, термоклин, и переход между глубоким морским дном и потоками горячей воды в гидротермальных источниках. Толщина термоклинов варьируется от нескольких сотен метров до почти тысячи метров. Ниже термоклина глубинная вода холодная и гораздо более однородна. Термоклины наиболее выражены в тропиках, где температура эпипелагической зоны обычно превышает 20 °C. От основания эпипелагической зоны температура понижается на протяжении нескольких сотен метров до 5 или 6 °C на глубине 1000 метров. Дальнейшее снижение температуры происходит до дна, но с гораздо меньшей скоростью. Холодная вода образуется в результате опускания плотных поверхностных вод в полярных регионах. В гидротермальных источниках температура воды, выходящей из "черных курильщиков", может достигать 400 °C (она не закипает из-за высокого гидростатического давления), но в пределах нескольких метров она может опуститься до 2–4 °C.

Биология

Регионы ниже эпипелагического разделены на дополнительные зоны, начиная с батиальной зоны (также считается континентальным склоном), которая простирается от 200 до 3000 метров ниже уровня моря и по сути является переходной, содержащей элементы как с шельфа выше, так и с бездны ниже. Ниже этой зоны глубокое море состоит из абиссальной зоны, которая встречается между глубинами океана 3000 и 6000 метров, и хадальной зоны (6000 – 11000 метров). Пища состоит из опадающего органического вещества, известного как "морской снег", и туш, происходящих из продуктивной зоны выше, и является скудной как с точки зрения пространственного, так и временного распределения. Вместо того, чтобы полагаться на газ для плавучести, многие глубоководные виды имеют желеобразную плоть, состоящую в основном из гликозаминогликанов, что обеспечивает им очень низкую плотность. Также среди глубоководных кальмаров распространено сочетание желеобразной ткани с плавательной камерой, заполненной целомической жидкостью, состоящей из метаболического отхода – хлорида аммония, который легче окружающей воды. Средневодные рыбы обладают специальными адаптациями для преодоления этих условий – они мелкие, обычно не превышают ; у них замедленный метаболизм и неспециализированная диета, они предпочитают сидеть в засаде, ожидая пищи, а не тратить энергию на ее поиски. У них удлиненное тело со слабыми, водянистыми мышцами и скелетными структурами. У них часто имеются вытянутые, сочлененные челюсти с загнутыми внутрь зубами. Из-за редкого распределения и отсутствия света трудно найти партнера для размножения, и многие организмы являются гермафродитами. Поскольку света так мало, у рыб глаза больше обычных, трубчатой формы и состоят только из палочек. Поле зрения, направленное вверх, позволяет им высматривать силуэты потенциальной добычи. Однако и рыбы-хищники обладают адаптациями для преодоления хищничества. Эти адаптации в основном связаны с уменьшением силуэтов, формой камуфляжа. Два основных метода достижения этого – уменьшение площади тени за счет бокового сжатия тела и противоосвещение с помощью биолюминесценции. Рыбы-фонарики обладают и тем, и другим, а также фотофорами, которые они используют для обнаружения глазного блеска у других рыб (см. tapetum lucidum). Организмы в глубоком море почти полностью зависят от опускающегося живого и мертвого органического вещества, которое падает примерно на 100 метров в день. Кроме того, только около 1–3% продукции с поверхности достигает морского дна, в основном в виде морского снега. Также встречаются крупные падения пищи, такие как туши китов, и исследования показали, что они могут происходить чаще, чем считается в настоящее время. Существует множество падальщиков, которые питаются в основном или полностью большими водопадами, и расстояние между тушами китов оценивается всего в 8 километров. Кроме того, есть ряд фильтраторов, которые питаются органическими частицами с помощью щупалец, например Freyella elegans. Морские бактериофаги играют важную роль в круговороте питательных веществ в глубоководных отложениях. Они чрезвычайно многочисленны (от 5×1012 до 1×1013 фагов на квадратный метр) в отложениях по всему миру. Несмотря на такую изоляцию, глубоководные организмы все же пострадали от взаимодействия человека с океанами. Лондонская конвенция направлена на защиту морской среды от сброса отходов, таких как осадок сточных вод и радиоактивные отходы. Исследование показало, что в одном регионе с 2007 по 2011 год произошло сокращение глубоководных кораллов, что связывают с глобальным потеплением и окислением океана, а биоразнообразие, по оценкам, находится на самом низком уровне за 58 лет. Окисление океана особенно вредно для глубоководных кораллов, поскольку они состоят из арагонита, легкорастворимого карбоната, и потому что они особенно медленно растут и потребуют годы для восстановления. Глубоководный трал также наносит ущерб биоразнообразию, уничтожая глубоководные места обитания, формирование которых может занять годы. Еще одна деятельность человека, которая изменила биологию глубоководья, – добыча полезных ископаемых. Одно исследование показало, что на одном участке добычи популяции рыб сократились через шесть месяцев и через три года, а через двадцать шесть лет популяции вернулись к тому же уровню, что и до нарушения.

Regions below the epipelagic are divided into further zones, beginning with the bathyal zone (also considered the continental slope) which spans from 200 to 3000 meters below sea level and is essentially transitional, containing elements from both the shelf above and the abyss below. Below this zone, the deep sea consists of the abyssal zone which occurs between the ocean depths of 3000 and 6000 meters and the hadal zone (6000 – 11,000 meters). Food consists of falling organic matter known as 'marine snow' and carcasses derived from the productive zone above, and is scarce both in terms of spatial and temporal distribution. Instead of relying on gas for their buoyancy, many deep sea species have jelly like flesh consisting mostly of glycosaminoglycans, which provides them with very low density. It is also common among deep water squid to combine the gelatinous tissue with a flotation chamber filled with a coelomic fluid made up of the metabolic waste product ammonium chloride, which is lighter than the surrounding water. The midwater fish have special adaptations to cope with these conditions—they are small, usually being under ; they have slow metabolisms and unspecialized diets, preferring to sit and wait for food rather than waste energy searching for it. They have elongated bodies with weak, watery muscles and skeletal structures. They often have extendable, hinged jaws with recurved teeth. Because of the sparse distribution and lack of light, finding a partner with which to breed is difficult, and many organisms are hermaphroditic. Because light is so scarce, fish often have larger than normal, tubular eyes with only rod cells. Their upward field of vision allows them to seek out the silhouette of possible prey. Prey fish however also have adaptations to cope with predation. These adaptations are mainly concerned with reduction of silhouettes, a form of camouflage. The two main methods by which this is achieved are reduction in the area of their shadow by lateral compression of the body, and counter illumination via bioluminescence. Flashlight fish have this plus photophores, which combination they use to detect eyeshine in other fish (see tapetum lucidum). Organisms in the deep sea are almost entirely reliant upon sinking living and dead organic matter which falls at approximately 100 meters per day. In addition, only about 1 to 3% of the production from the surface reaches the sea bed mostly in the form of marine snow. Larger food falls, such as whale carcasses, also occur and studies have shown that these may happen more often than currently believed. There are many scavengers that feed primarily or entirely upon large food falls and the distance between whale carcasses is estimated to only be 8 kilometers. In addition, there are a number of filter feeders that feed upon organic particles using tentacles, such as Freyella elegans. Marine bacteriophages play an important role in cycling nutrients in deep sea sediments. They are extremely abundant (between 5×1012 and 1×1013 phages per square meter) in sediments around the world. Despite being so isolated deep sea organisms have still been harmed by human interaction with the oceans. The London Convention aims to protect the marine environment from dumping of wastes such as sewage sludge and radioactive waste. A study found that at one region there had been a decrease in deep sea coral from 2007 to 2011, with the decrease being attributed to global warming and ocean acidification, and biodiversity estimated as being at the lowest levels in 58 years. Ocean acidification is particularly harmful to deep sea corals because they are made of aragonite, an easily soluble carbonate, and because they are particularly slow growing and will take years to recover. Deep sea trawling is also harming the biodiversity by destroying deep sea habitats which can take years to form. Another human activity that has altered deep sea biology is mining. One study found that at one mining site fish populations had decreased at six months and at three years, and that after twenty six years populations had returned to the same levels as prior to the disturbance.

Химиосинтез

Существует ряд видов, которые не используют растворенное органическое вещество в качестве основного источника пищи. Эти виды и сообщества встречаются у гидротермальных источников в зонах рифтовой активности морского дна. Одним из примеров является симбиотические отношения между трубчатым червём Рифтией и хемосинтезирующими бактериями. Именно хемосинтез поддерживает сложные сообщества, которые можно обнаружить вокруг гидротермальных источников. Эти сложные сообщества – одна из немногих экосистем на планете, не зависящих от солнечного света для получения энергии.

Адаптация к гидростатическому давлению

Глубоководные рыбы обладают различными адаптациями в своих белках, анатомических структурах и метаболических системах, чтобы выжить в глубинах океана, где обитателям приходится выдерживать огромное гидростатическое давление. Хотя другие факторы, такие как доступность пищи и избежание хищников, также важны, глубоководные организмы должны обладать способностью поддерживать хорошо регулируемую метаболическую систему в условиях высокого давления. Чтобы приспособиться к экстремальной среде, эти организмы развили уникальные характеристики. Белки в значительной степени подвержены влиянию повышенного гидростатического давления, поскольку в ходе реакций гидратации и дегидратации при формировании связей происходит изменение организации воды. Это связано с тем, что большинство взаимодействий фермент-лиганд формируются посредством заряженных или полярных незаряженных взаимодействий. Поскольку гидростатическое давление влияет как на сворачивание и сборку белков, так и на ферментативную активность, глубоководные виды должны претерпевать физиологические и структурные адаптации для сохранения функциональности белков при высоком давлении. Актин – это белок, необходимый для различных клеточных функций. α-актин служит основным компонентом мышечного волокна и высоко консервативен у множества различных видов. Некоторые глубоководные рыбы развили устойчивость к давлению благодаря изменениям в механизме действия их α-актина. У некоторых видов, обитающих на глубине более 5000 м, *C. armatus* и *C. yaquinae* имеют специфические замены в активных центрах α-актина, который является основным компонентом мышечного волокна. Предполагается, что эти специфические замены – Q137K и V54A у *C. armatus* или I67P у *C. yaquinae* – играют важную роль в устойчивости к давлению. Было обнаружено, что в актинах глубоководных рыб содержится больше солевых мостиков, чем в актинах рыб, обитающих в верхних слоях моря. Благодаря способности TMAO защищать белки от дестабилизирующего действия высокого гидростатического давления, осмолитная регуляция является важной адаптацией для глубоководных рыб, позволяющей им выдерживать высокое гидростатическое давление. Глубоководные организмы обладают молекулярными адаптациями, позволяющими им выживать и процветать в глубинах океана. У морского слизня Марианской впадины обнаружена модификация гена остеокальцина (burlap), характеризующаяся преждевременным завершением транскрипции гена. Это распространенное заблуждение, основанное на утверждении Джорджа Э. Р. Дикона, опубликованном в 1953 году в журнале *Journal of Navigation*, и в значительной степени связано с ограниченным объемом доступной в то время батиметрической информации о дне океана. Аналогичная идея о том, что на Луне побывало больше людей, чем в самой глубокой точке океана, также является проблематичной и опасной. Даже в мезопелагиали давление становится слишком высоким для традиционных методов исследования, что требует применения альтернативных подходов к изучению глубин океана. Камерные станции с приманкой, небольшие пилотируемые подводные лодки и ROV (дистанционно управляемые аппараты) – это три метода, используемые для исследования глубин океана. Из-за сложности и высокой стоимости исследования этой зоны текущие знания ограничены. Давление увеличивается примерно на одну атмосферу на каждые 10 метров глубины, что означает, что в некоторых районах глубокого моря давление может превышать 1000 атмосфер. Это не только значительно затрудняет достижение больших глубин без механической помощи, но и создает серьезные трудности при изучении любых организмов, которые могут обитать в этих районах, поскольку их клеточная химия будет адаптирована к такому огромному давлению.

Deep sea fish have different adaptations in their proteins, anatomical structures, and metabolic systems to survive in the Deep sea, where the inhabitants have to withstand great amount of hydrostatic pressure. While other factors like food availability and predator avoidance are important, the deep sea organisms must have the ability to maintain well regulated metabolic system in the face of high pressures. In order to adjust for the extreme environment, these organisms have developed unique characteristics. Proteins are affected greatly by the elevated hydrostatic pressure, as they undergo changes in water organization during hydration and dehydration reactions of the binding events. This is due to the fact that most enzyme ligand interactions form through charged or polar non charge interactions. Because hydrostatic pressure affects both protein folding and assembly and enzymatic activity, the deep sea species must undergo physiological and structural adaptations to preserve protein functionality against pressure. Actin is a protein that is essential for different cellular functions. The α actin serves as a main component for muscle fiber, and it is highly conserved across numerous different species. Some Deep sea fish developed pressure tolerance through the change in mechanism of their α actin. In some species that live in depths greater than 5000m, C. armatus and C. yaquinae have specific substitutions on the active sites of α Actin, which serves as the main component of muscle fiber. These specific substitutions, Q137K and V54A from C. armatus or I67P from C. yaquinae are predicted to have importance in pressure tolerance. It was found that deep sea fish have more salt bridges in their actins compared to fish inhabiting the upper zones of the sea. Due to the ability of TMAO being able to protect proteins from high hydrostatic pressure destabilizing proteins, the osmolyte adjustment serves are an important adaptation for deep sea fish to withstand high hydrostatic pressure. Deep sea organisms possess molecular adaptations to survive and thrive in the deep oceans. Mariana hadal snailfish developed modification in the Osteocalcin(burlap) gene, where premature termination of the gene was found. This is a common misconception based on a 1953 statement by George E. R. Deacon published in the Journal of Navigation, and largely refers to the scarce amount of seafloor bathymetry available at the time. The similar idea that more people have stood on the moon than have been to the deepest part of the ocean is likewise problematic and dangerous. Pressures even in the mesopelagic become too great for traditional exploration methods, demanding alternative approaches for deep sea research. Baited camera stations, small manned submersibles, and ROVs (remotely operated vehicles) are three methods utilized to explore the ocean's depths. Because of the difficulty and cost of exploring this zone, current knowledge is limited. Pressure increases at approximately one atmosphere for every 10 meters meaning that some areas of the deep sea can reach pressures of above 1,000 atmospheres. This not only makes great depths very difficult to reach without mechanical aids, but also provides a significant difficulty when attempting to study any organisms that may live in these areas as their cell chemistry will be adapted to such vast pressures.