Гідротермальні джерела, до їх відкриття та вивчення їхніх живих мешканців наприкінці 1970‐х та 1980‐х років, приховували одну з найбільших таємниць океанських глибин: хемосинтез — альтернативу фотосинтезу в темряві.
Раніше вважалося, що життя на Землі повністю залежить від Сонця. Єдиним відомим джерелом енергії для біологічних систем є випромінювання найближчої до Землі зірки. Ця енергія приводить у дію механізм фотосинтезу всередині рослин, водоростей і деяких бактерій, виробляючи їжу, яку потребує все живе. Але потім науковці несподівано натрапили на екосистему, яка благополучно існує в темряві, живлячись не сонячним світлом, а хімічними речовинами.
Хемосинтез здійснюють різноманітні мікроорганізми, які використовують метан і сірководень з гідротермальних джерел для підтримки життєдіяльності. Завдяки окисненню цих сполук вони виробляють енергію, частину якої спрямовують на ріст і поділ, а іншу — на перетворення вуглекислого газу на цукри. Рослини роблять те саме із сонячним світлом, але хемосинтезувальні мікроорганізми займаються цим у темряві. Все, що їм потрібно від світу, де сяє сонце — це вироблений водоростями й рослинами кисень, який розчиняється в океані й занурюється в морську безодню разом із холодними течіями.
Екосистеми з великою кількістю організмів, що утворюються біля гідротермальних джерел, існують завдяки поживним речовинам, які забезпечує хемосинтез. Креветки й краби збирають і поїдають скупчення мікроорганізмів, що ростуть на гідротермальних трубах. Чимало інших тварин не завдають собі клопоту полюванням на бактерії, натомість надаючи мікроорганізмам життєвий простір усередині своїх тіл.
Велетенський трубчастий червʼяк рифтія товстопера (Riftia pachyptila)*, якого побачив Корлісс крізь ілюмінатор «Алвіна», був першою істотою, що розкрила правду про хемосинтез. Наприкінці XIX століття український науковець Сергій Виноградський та німецький учений Вільгельм Пфеффер висунули гіпотезу альтернативного способу отримання енергії, але доказів не навели, адже тоді ще ніхто не знаходив організмів, здатних здійснювати хемосинтез. Невдовзі після відкриття гідротермальних джерел у 1977 році студентка першого курсу аспірантури Гарвардського університету Коллін Кавано прослухала лекцію про трубчастого червʼяка, який не має рота й кишківника. Дізнавшись, що у нього є губчастий орган — трофосома, — що займає ледь не половину майже триметрового тіла й заповнений кристалами сірки, вона дослідила один екземпляр під мікроскопом. Виявилося, цей орган переповнений бактеріями, які окиснюють сірку — чайна ложка тканини червʼяка містить сто мільярдів таких бактерій. Пірʼїни, що стирчать з його трубки — це наповнені червоною кровʼю зябра, які вбирають із морської води все необхідне для бактерій: вуглекислий газ, кисень і сірководень. Ці речовини переносяться кровотоком до трофосоми, де бактерії здійснюють хемосинтез, годуючи червʼяка зсередини. Вочевидь це безпрограшна ситуація — симбіоз, який приносить користь обом партнерам.
Дослідження показали, що істоти, знайдені біля гідротермальних джерел, виробили різні способи підтримки власних колоній мікроорганізмів. Равлик із лускатою ніжкою (гастропод з блискучою мушлею на основі заліза та ніжкою, вкритою сотнями лусочок) має в горлі спеціальний мішечок для мікроорганізмів. Решта його тіла пристосована до цього мікробного вмісту. Відносно велике серце створіння займає 4 % обʼєму тіла. (Якби людське серце мало такі пропорції, то було б розміром з голову*.) Воно перекачує чималу кількість крові крізь великі зябра, що вбирають кисень і сульфіди з гідротермальних рідин. Так равлик задовольняє потреби бактерій, від яких залежить.
Унікальна залізна мушля та вкрита лусочками ніжка дають додаткові підказки, як ці істоти виживають на хімічному й мікробному раціоні. Уперше дослідники побачили їх у 2000 році, та цілком слушно припустили, що металевий екзоскелет сформувався як своєрідний спосіб захисту від зовнішньої небезпеки. (Можливо, луска не дозволяє хижакам, що живуть біля гідротермальних джерел, відгризати мʼяку плоть під нею.) Насправді ж ситуація протилежна: равлики захищаються від внутрішньої загрози, оскільки хемосинтезувальні бактерії не лише забезпечують їх їжею, а й виділяють отруйну для них сірку. Під час ретельного вивчення лусочок цих створінь виявилося, що вони складаються з тисяч наноскопічних каналів, які виконують функцію крихітних вихлопних труб, і виводять сірчисті токсини з організму. Потрапляючи на поверхню, сірка вступає в реакцію із залізом у воді й утворює наночастинки сульфіду заліза, частково у формі піриту («золота дурнів»), надаючи поверхні блиску й чорного забарвлення*. У такий спосіб равлики в осяйній броні виробили протиотруту для захисту від токсинів, які утворюються у них всередині.
На відміну від лускатоногих равликів, гідротермальні креветки роду римікарис безокий (Rimicaris exoculata) не мають спеціального органу, де росли б мікроби. Натомість різноманітні спільноти бактерій розростаються у них на зябрах і в роті. Для забезпечення цих мікроорганізмів усім необхідним у креветок на спині виникло велике око, яке містить зоровий пігмент родопсин. Цей примітивний орган не формує чіткі зображення, проте дає змогу істотам відчувати теплове випромінювання гідротермальних джерел — тьмяне світіння, непомітне для людського зору. Завдяки цьому креветки можуть триматися поблизу труб та гарячих гідротермальних рідин — у місцях, де мікроорганізми отримують постійний приплив необхідних хімічних речовин. Креветки, зі свого боку, харчуються самими бактеріями або продуктами їхньої життєдіяльності.
Створіння, що живуть у гідротермальних джерелах та навколо них, мусять не лише вирощувати мікроорганізми, а й виживати в палючому, токсичному середовищі. До найвитриваліших видів належать черви, які будують липкі трубки прямо на бокових стінах гідротермальних труб. Помпейські черви, названі на честь зруйнованого вулканом давньоримського міста, мають сіре пухнасте покриття з ниткоподібних бактерій — науковці вважають, що саме вони знешкоджують важкі метали та отруйний сірководень у гідротермальних рідинах. Ці істоти, завдовжки трохи менші за тринадцять
сантиметрів, виробляють антибіотик, який нібито знищує небажані мікроби, залишаючи тільки корисні бактерії, що й утворюють захисне покриття. Що ж до палючого жару, досі незрозуміло, наскільки гарячою є вода всередині трубок помпейських червів. Датчики, встановлені в їхній хвостовій частині, показували температуру 60 градусів за Цельсієм. Іноді вона сягала 75 градусів чи навіть вище. Коли дослідники глибин обережно підняли помпейських червів на поверхню в спеціальних контейнерах під тиском, більшість із них загинула після того, як вода всередині нагрілася до 50–55 градусів за Цельсієм. Хай там як, ці черви належать до найбільш теплостійких істот на планеті. Змагатися з ними можуть лише сахарські сріблясті мурахи, які за температури 70 градусів ненадовго вибігають зі своїх нір у пошуках їжі на трупах тварин, що загинули в пісках пустелі.
Пояснення здатності помпейського червʼяка існувати в такому палючому світі криється в молекулярних змінах, закладених у його генах. Організм виробляє білки теплового шоку, які дають змогу клітинам виконувати свою роботу й запобігають руйнуванню життєво важливих сполук у спекотному середовищі. Крім того, він генерує надзвичайно міцні молекули колагену, які не розпадаються під впливом величезного тиску, та напрочуд ефективну форму гемоглобіну, здатну вбирати кисень навіть за малої концентрації.
Ще витривалішими є мікроорганізми, які живуть не всередині тварин, а прямо на трубах гідротермальних джерел. Такими є гіпертермофіли — «любителі» надзвичайно високих температур, що найкраще розвиваються за 80 градусів і вище. У 2003 році Дерек Лавлі й Казем Кашефі з Массачусетського університету в Амхерсті ідентифікували один такий, відомий як «штам 121». Він продовжував ділитися й рости, навіть у печі, розігрітій до 121 градуса за Цельсієм.