Арктические губковые сады выросли на остатках исчезнувшей тысячи лет назад экосистемы

Биологи обнаружили в центральной части Северного Ледовитого океана богатые жизнью губковые сады. Они располагаются на вершинах потухших вулканов, составляющих хребет Лангсета. Местные воды бедны пищей, поэтому губкам приходится использовать наследие гидротермального сообщества, которое существовало здесь более двух тысяч лет назад. Свободноживущие микроорганизмы постепенно разлагают субстрат, состоящий из хитиново-белковых домиков давно погибших червей-сибоглинид, а симбиотические бактерии губок помогают хозяевам усваивать высвобождающуюся в результате органику. Результаты исследования необычного сообщества опубликованы в статье для журнала Nature Communications.

Центральная часть Северного Ледовитого океана бедна жизнью. Постоянный ледяной покров и короткий вегетационный период замедляют развитие местного фитопланктона — основы морских пищевых цепей. Тем не менее, даже здесь существуют своеобразные оазисы с чрезвычайно богатой донной фауной. Один из них расположен на пиках подводного хребта Лангсета, который представляет собой цепочку из трех потухших вулканов — гор Северная, Центральная и Карасика. В 2016 году научная экспедиция на полярном судне «Поларштерн» обнаружила здесь неожиданно плотные скопления губок, растущих на глубине более 585 метров.

Команда биологов под руководством Терезы Марии Морганти (Teresa Maria Morganti) из Института морской микробиологии Общества Макса Планка решила больше узнать о губковых садах хребта Лангсета. Для этого исследователи проанализировали материалы, собранные осенью 2016 года: образцы живых организмов, фотографии и видеозаписи. Оказалось, что в скоплениях доминируют обыкновенные губки (Demospongiae): Geodia parva, G. hentscheli и Stelletta rhaphidiophora. Похожий видовой состав характерен для так называемых геодиевых губковых садов, которые распространены в северных морях на глубине от 150 до 1700 метров и на широте от 40 до 75 градусов северной широты. Геодиевые сообщества на хребте Лангсета стали самыми северными из известных. Они расположены всего в 360 километрах от северного полюса.

Помимо обыкновенных губок, местное сообщество включает менее многочисленные шестилучевые (Hexactinellida) и известковые (Calcarea) губки, в том числе Sarsinella karasikensis — представительницу неизвестного ранее рода, который был описан всего три года назад по материалам экспедиции на «Поларштерне». Интересно, что некоторые шестилучевые губки растут прямо на ветвях более массивных обыкновенных губок. Губковые сады создают среду обитания и для других живых существ. Морганти и ее коллеги обнаружили, что на местных губках растут мшанки из семейства Crisiidae, несколько видов сидячих многощетинковых червей-серпулид (Serpulidae) и восьмилучевые кораллы (Octocorallia). В садах также держатся многочисленные креветки (их плотность составляет одну особь на квадратный метр) и морские звезды с офиурами (две десятых особи на квадратный километр). Плотность обеих групп здесь намного выше, чем на морском дне у подножия потухших вулканов.

Губковые сады на хребте Лангсета занимают около пятнадцати квадратных километров. Плотнее всего заселены плоские участки на вершинах вулканических пиков, на глубинах от 585 метров до 700-750 метров. Губки покрывают половину их поверхности, а на один квадратный метр приходится от семи до одиннадцати экземпляров этих животных. Это рекордные значения для геодиевых сообществ. Дно в таких местах покрыто пятнадцатисантиметровым слоем кремниевых спикул — скелетных элементов губок. Площадь наиболее густых садов невелика — всего около 2,5 квадратных километра. При этом с ростом глубины губковые сообщества постепенно редеют. На глубине от 1000 до 1200 метров на один квадратный метр приходится всего 0,8 губки, а на глубине от 1200 до 3500 метров встречаются лишь единичные экземпляры.

Судя по всему, губки процветают на хребте Лангсета. Средний диаметр представителей трех доминирующих видов составляет здесь семнадцать сантиметров, а влажная биомасса на некоторых участках достигает 66 килограммов на квадратный метр. Среднее значение влажной биомассы губок в садах составляет 21,9 килограмма на квадратный метр. Многие экземпляры активно размножаются почкованием, производя на свет новое поколение губок. При этом живут местные губки очень долго: средний возраст взрослых экземпляров составляет около 300 лет.

Существование богатых жизнью губковых садов в центре Северного Ледовитого океана кажется невероятным. Дело в том, что на первый взгляд здесь просто нет достаточного количества пищи для этого сообщества. Океан над хребтом Лангсета круглый год покрыт льдом, поэтому первичная продукция фитопланктона здесь колеблется от одного до двадцати пяти грамм углерода на квадратный метр в год. Губкам, которые кормятся за счет фильтрации, достается лишь малая ее доля: на дно в виде частиц детрита оседает всего 0,6 грамма органического углерода на квадратный метр в год. Между тем, по расчетам Морганти и ее коллег, губковым садам необходимо 110 грамм органического углерода на квадратный метр в год. Если бы в районе хребта Лангсета располагались гидротермальные источники или холодные просачивания, откуда в воду поступают сероводород или метан соответственно, местные обитатели могли бы кормиться за счет хемосинтезирующих бактерий. Эти микроорганизмы процветают в подобных условиях и производят органику за счет энергии, получаемой от окисления сероводорода и метана. Однако никакой гидротермальной активности или холодных просачиваний в данной местности в наши дни не наблюдается.

Подсказку удалось найти под губковыми садами. Оказалось, что субстрат, покрывающий вершины трех вулканических пиков хребта Лангсета, состоит не только из спикул живущих здесь сегодня губок, но и из обломков трубчатых хитиново-белковых домиков давно умерших червей-сибоглинид (Siboglinidae) из рода Polybrachia. Эти беспозвоночные (которых раньше относили к отдельному типу погонофор) селятся около гидротермальных источников и холодных просачиваний и получают органические вещества за счет симбиоза с хемосинтезирующими бактериями. Сегодня полибрахии не живут на хребте Лангсета. Однако радиоуглеродный анализ их трубок показывает, что они обитали здесь за две-три тысячи лет до губок.

Вероятно, несколько тысяч лет в районе хребта Лангсета находились гидротермальные источники или холодные просачивания, вокруг которых процветало типичное для таких мест сообщество, зависящее от хемосинтезирующих бактерий. Помимо сибоглинид, здесь также обитали другие беспозвоночные, например, специализированные двустворчатые моллюски (их раковины возрастом до семи тысяч лет тоже присутствуют в субстрате под губковыми садами). В какой-то момент выбросы сероводорода или метана прекратились и вся локальная экосистема погибла. Однако она оставила богатое наследие — толстый слой трудноразлагаемых трубок сибоглинид.

Морганти с соавторами предположили, что именно домики давно умерших червей служат основным источником пищи для губковых садов на хребте Лангсета. Анализ стабильных изотопов углерода и азота в тканях местных губок подтвердил эту идею. Их состав больше соответствует трубкам сибоглинид, чем другим вероятным источникам пищи, включая планктон и взвешенные органические частицы.

Разумеется, губки, будучи фильтраторами, не могут самостоятельно извлекать органические вещества из древних трубок. Для этого им приходится полагаться на помощь бактерий. Авторы выяснили, что в тканях трех доминирующих видов губок с хребта Лангсета действительно обитают многочисленные симбиотические бактерии из типа Chloroflexi, способные утилизировать органику, а также перерабатывать соединения азота и серы. Вероятно, живущие в субстрате микроорганизмы постепенно переводят в растворимое состояние хитин, белки и углеводы, из которых состоят трубки сибоглинид. Симбионты губок улавливают эту органику и помогают хозяевам усвоить ее. В пользу данной гипотезы говорит тот факт, что в тканях губок преобладают жирные кислоты, произведенные бактериями. Интересно, что губки в садах медленно ползают по дну, взбаламучивая субстрат. Возможно, так они помогают бактериям добраться до недоступных для них слоев трубок.

Таким образом, губковые сады на хребте Лангсета, вероятно, существуют за счет другого сообщества, которое исчезло тысячи лет назад. Скорее всего, остатки сибоглинид — не единственная пища губок: вероятно, они также усваивают растворенную в воде органику из других источников, фиксируют неорганический углерод с помощью автотрофных и миксотрофных симбионтов, а также улавливают падающий на дно детрит. Тем не менее столь богатая экосистема вряд ли смогла бы существовать без наследия предшественников. Впрочем, следует отметить, что у данной гипотезы есть и слабые места. Например, остается неясным, действительно ли слой трубок сибоглинид достаточно толстый, чтобы обеспечивать губковые сады пищей на протяжении столетий.

Ранее мы рассказывали о том, как экспедиция на ледоколе «Поларштерн» обнаружила на дне моря Уэдделла у берегов Антарктиды самое крупное в мире нерестилище рыб. Оно состоит из примерно 60 миллионов гнезд китовых белокровок и простирается на 240 квадратных километров. Это соответствует площади среднего города — например, Копейска.

Сергей Коленов