Глубоко под поверхностью океана бактерии и существа, питающиеся питательными веществами, выходящими из гидротермальных источников, столкнулись с внезапной волной вулканического осадка, что привело к их удушью.
Четыре месяца спустя Маркус Чакнова, тогда студент, специализирующийся на морской биологии и геологии в Университете Орегона, наткнулся на массивные залежи пепла во время исследовательского круиза с Орегонским институтом морской биологии Университета Орегона, Университетом Род-Айленда и Университетом Западного Вашингтона.
Осадок был deposited в 2022 году, когда подводный вулкан Хунга выбросил 37-мильный шлейф в атмосферу — крупнейшее извержение, наблюдаемое в современную спутниковую эпоху. Донный осадок предоставил уникальную возможность изучить влияние перемещения осадков на глубоководную жизнь.
«Это была чрезвычайно редкая возможность», — говорит Чакнова, ныне аспирант кафедры наук о Земле. «Наблюдение за массовым перемещением подводного осадка — это то, что мало изучено».
С помощью профессора наук о Земле Томаса Джакетти и 16 других исследователей со всего мира Чакнова проанализировал собранные им образцы и стал ведущим автором статьи, изучающей геологические и биологические последствия переноса вулканического осадка — значительное достижение для начинающего аспиранта, говорит Джакетти.
Исследование, опубликованное в апреле в Geochemistry, Geophysics, Geosystems, проливает свет на последствия такой деятельности, как глубоководная добыча полезных ископаемых, которая может взмучивать осадок на дне океана.
Многие исследователи связались с Чакновой, пытаясь получить его образцы, говорит Джакетти. «У нас были учёные из всех часовых поясов», — говорит Чакнова, добавляя, что для его исследования потребовались знания специалистов в области геохимии, микропалеонтологии, морской биологии и других дисциплин.
«Я был действительно впечатлён Маркусом с точки зрения управления этой огромной толпой учёных», — добавляет Джакетти.
После сбора образцов с океанского дна первой задачей Чакновы было проверить, что пепел действительно пришёл из вулкана Хунга. Подводный вулкан, расположенный в 40 милях от главного острова Тонга, полинезийского архипелага в южной части Тихого океана, оставил значительное количество осадка, который вымывался на берега островов, удалённых более чем на 100 километров.
Когда вулкан выбрасывает шлейф высоко в атмосферу, требуется время, чтобы весь пепел упал обратно на Землю и оседал на дне океана. По мере того как пепел дрейфует к морскому дну, ветер и океанские течения толкают его всё дальше и дальше от места первоначального извержения.
«Одному зерну осадка потребуется несколько недель или месяцев, чтобы достичь дна океана. Это как лист, падающий с дерева. Из-за ветра он может оказаться в совершенно другом месте», — говорит Джакетти.
Вернувшись в кампус, Чакнова взял свои образцы в лабораторию, чтобы проанализировать состав мелкозернистой пыли и сопоставить его с осадком, найденным рядом с местом извержения. Осадок различался по размеру и форме; некоторые частицы были острыми, как бритва, в то время как другие были гладкими и сферическими.
«В некоторых местах отложения были очень толстыми, около метра-полутора в толщину», — говорит Джакетти. «Большая часть его состоит из очень мелких зёрен, менее 100 микрон. Это примерно размер вашего волоса».
Чакнова обнаружил, что большая часть осадка пришла со стенок и склонов вулканической кальдеры и была унесена плотностными течениями, подобно лавине снега в Каскадных горах зимой.
Взрыв вулкана привёл к выбросу огромных залежей осадка и тепла непосредственно в поверхностный слой океана. Скользящий осадок был настолько мощным, что сломал несколько подводных кабелей, оставив на дне океана крошечные каньоны, говорит Джакетти.
Исследователи использовали эту информацию, чтобы определить скорость всплеска, сравнив время извержения с моментом, когда было прервано питание из-за обрыва кабелей.
Используя компьютерные программы для моделирования движения и динамики океана, Чакнова планирует составить карту пути упавшего пепла через океан. Его будущие исследования могут иметь серьёзные последствия для того, как учёные смотрят на движение вулканического пепла в океане, говорит Джакетти.
В глубоководном океане, где солнечный свет не проникает, организмам на морском дне не хватает энергии для фотосинтеза. Вместо этого глубоководные микробы используют метан или аммиак, просачивающийся из гидротермальных источников, в качестве замены солнечной энергии. Этот процесс называется хемосинтезом — и недавние исследования показали, что он гораздо важнее для биоразнообразия океана, чем считалось ранее.
Около 90% морских организмов живут на дне океана, согласно Всемирному фонду дикой природы. После извержения эти организмы оказались погребёнными под слоями осадка, лишившись кислорода, необходимого для дыхания. Хотя подвижные виды, такие как черви и анемоны, показали способность выбираться из глубоких захоронений, быстрый приток пепла оказался для них слишком сильным.
Кроме того, многие виды, обитающие на дне океана, являются «фильтраторами суспензии», то есть они питаются, захватывая органический мусор, взвешенный в воде, и фильтруя его через жабры. «Со всем перемещённым осадком эти организмы захватывают только осадок», — говорит Чакнова. «Это засорит их жабры, засорит их кишечник, и это окажет драматическое влияние на их способность создавать энергию».
Чакнова предсказывает, что нарушения естественных жизненных укладов произошли не только на глубоководном дне океана. Вулканический пепел от извержения вызвал цветение жизни в виде планктона на поверхности моря. Однако в конечном итоге этот пепел опустился и отложился на коралловых рифах Тонга, о чём свидетельствуют первые результаты попытки Чакновы отследить вулканический пепел в океане.
Воздействие извержения выходит за рамки биоразнообразия океана. По данным Группы Всемирного банка, натуральное рыболовство является жизненно важной частью жизни в Тонга; по оценкам, 82% семей Тонга занимаются рыболовством на рифах. Кроме того, морской туризм составляет более 7% валового внутреннего продукта страны.
«Хотя это извержение произошло на дне океана, существует цепочка как положительных, так и отрицательных последствий», — говорит Чакнова. «Негативные последствия выходят далеко за рамки потери электроэнергии или Wi-Fi из-за подводных кабелей. Это средства к существованию некоторых людей. Им нужна рыба в пищу. Рыболовство невероятно важно для экономической и продовольственной безопасности Тонга».
Хотя ограничения, связанные с COVID, помешали Чакнове посетить Королевство Тонга для проведения исследований, он смог связаться с тонганскими учёными, включая Тааниэлу Кула, который возглавляет Геологическую службу Тонга.
«Кула получил все наши данные и образцы», — говорит Чакнова, который планирует продолжить использование вулканических образцов для изучения подводных течений. Он подчёркивает важность того, чтобы пойти дальше и избежать так называемой «парашютной науки».
«Это когда колониальные нации приезжают в другие страны с меньшим научным финансированием и проводят исследования, не развивая взаимовыгодных долгосрочных отношений с местными учёными», — говорит он. «Развитие международных научных отношений — это просто. Поддерживать эти отношения после завершения исследований гораздо сложнее».
По мере того как мир переходит к более экологичному будущему, растёт спрос на минералы, используемые для производства возобновляемых источников энергии и электромобилей. Массивные залежи металлов, таких как медь и кобальт, можно найти в картофелеподобных шарах, погребённых под дном океана.
Многие небольшие островные государства Тихого океана, такие как Тонга, были предложены частным компаниям, которые представляют это как огромную возможность для экономического бума.
«Область, где мы собрали осадок, находится в королевстве Тонга, и мы обнаружили, что они очень богаты минералами», — говорит Чакнова. «Многие компании заинтересованы в добыче этих минералов, и поэтому этот район, принадлежащий Королевству Тонга, будет выставлен на торги в ближайшие годы для глубоководной добычи полезных ископаемых».
Хотя глубоководная добыча полезных ископаемых до сих пор не одобрена для коммерческого использования, учёные и специалисты из Гражданского форума Тонга, Третичного института Тупоу в Тонга и учреждений по всему миру выразили обеспокоенность тем, что было проведено недостаточно исследований, чтобы предвидеть её потенциальное воздействие на биоразнообразие океана.
При добыче подводных минералов перемещение материала может создать шлейфы осадка, которые оседают в течение длительного времени. Подобно извержению вулкана, эти шлейфы могут засорять жабры и хоронить организмы. Научные статьи, подобные статье Чакновы, имеют решающее значение для понимания потенциальных последствий глубоководной добычи полезных ископаемых на перемещение осадка и последующее воздействие на морскую жизнь, говорит Джакетти.