Los respiraderos hidrotermales son fisuras en el fondo marino de las que se descarga agua calentada geotermalmente . Se encuentran comúnmente cerca de lugares volcánicamente activos, áreas donde las placas tectónicas se están separando en las dorsales oceánicas , cuencas oceánicas y puntos críticos . [1] Los depósitos hidrotermales son rocas y depósitos de minerales formados por la acción de respiraderos hidrotermales.
Los respiraderos hidrotermales existen porque la Tierra es geológicamente activa y tiene grandes cantidades de agua en su superficie y dentro de su corteza. Bajo el mar, pueden formar formas llamadas fumadores negros o fumadores blancos. En comparación con la mayor parte de las profundidades marinas, las áreas alrededor de los respiraderos hidrotermales son biológicamente más productivas y a menudo albergan comunidades complejas alimentadas por los productos químicos disueltos en los fluidos de los respiraderos. Las bacterias quimiosintéticas y las arqueas que se encuentran alrededor de los respiraderos hidrotermales forman la base de la cadena alimentaria y sustentan diversos organismos, incluidos gusanos tubulares gigantes , almejas, lapas y camarones. Se cree que existen respiraderos hidrotermales activos en Europa , la luna de Júpiter , y Encelado , la luna de Saturno , [2] [3] y se especula que alguna vez existieron respiraderos hidrotermales antiguos en Marte . [1] [4]
Se ha planteado la hipótesis de que los respiraderos hidrotermales fueron un factor importante en el inicio de la abiogénesis y la supervivencia de la vida primitiva .
Los respiraderos hidrotermales en las profundidades del océano generalmente se forman a lo largo de las dorsales en medio del océano , como la Dorsal del Pacífico Oriental y la Dorsal del Atlántico Medio . Estos son lugares donde dos placas tectónicas divergen y se está formando una nueva corteza.
El agua que surge de los respiraderos hidrotermales del fondo marino consiste principalmente en agua de mar atraída hacia el sistema hidrotermal cerca del edificio volcánico a través de fallas y sedimentos porosos o estratos volcánicos, además de algo de agua magmática liberada por el magma ascendente . [1] En los sistemas hidrotermales terrestres, la mayor parte del agua que circula dentro de los sistemas de fumarolas y géiseres es agua meteórica más agua subterránea que se ha filtrado hacia el sistema térmico desde la superficie, pero también comúnmente contiene una porción de agua metamórfica , agua magmática. y salmuera de formación sedimentaria que es liberada por el magma. La proporción de cada uno varía de un lugar a otro. [ cita necesaria ]
En contraste con la temperatura ambiente del agua de aproximadamente 2 °C (36 °F) a estas profundidades, el agua emerge de estos respiraderos a temperaturas que van desde 60 °C (140 °F) [5] hasta 464 °C (867 °F). [6] [7] Debido a la alta presión hidrostática a estas profundidades, el agua puede existir en forma líquida o como fluido supercrítico a tales temperaturas. El punto crítico del agua (pura) es 375 °C (707 °F) a una presión de 218 atmósferas .
Sin embargo, la introducción de salinidad en el fluido eleva el punto crítico a temperaturas y presiones más altas. El punto crítico del agua de mar (3,2 % en peso de NaCl) es 407 °C (765 °F) y 298,5 bares, [8] correspondiente a una profundidad de ~2960 m (9710 pies) bajo el nivel del mar. En consecuencia, si un fluido hidrotermal con una salinidad de 3,2 wt. % NaCl se ventila por encima de 407 °C (765 °F) y 298,5 bares, es supercrítico. Además, se ha demostrado que la salinidad de los fluidos de ventilación varía ampliamente debido a la separación de fases en la corteza. [9] El punto crítico para los fluidos de menor salinidad se encuentra en condiciones de temperatura y presión más bajas que las del agua de mar, pero más altas que las del agua pura. Por ejemplo, un fluido de ventilación con un peso de 2,24. El % de salinidad de NaCl tiene el punto crítico a 400 °C (752 °F) y 280,5 bares. Así, el agua que emerge de las partes más calientes de algunas fuentes hidrotermales puede ser un fluido supercrítico , poseyendo propiedades físicas entre las de un gas y las de un líquido . [6] [7]
Se encuentran ejemplos de ventilación supercrítica en varios sitios. Sister Peak (campo hidrotermal de Comfortless Cove, 4 ° 48′S 12 ° 22'W / 4.800°S 12.367°W / -4.800; -12.367 , profundidad 2.996 mo 9.829 pies) ventila vapor de baja salinidad separado en fases -fluidos tipo. No se encontró que la ventilación sostenida fuera supercrítica, pero una breve inyección de 464 °C (867 °F) estuvo muy por encima de las condiciones supercríticas. Se descubrió que un sitio cercano, Turtle Pits, ventilaba fluido de baja salinidad a 407 °C (765 °F), que está por encima del punto crítico del fluido a esa salinidad. Un sitio de ventilación en Cayman Trough llamado Beebe , que es el sitio hidrotermal más profundo conocido del mundo a ~5.000 m (16.000 pies) por debajo del nivel del mar, ha mostrado una ventilación supercrítica sostenida a 401 °C (754 °F) y 2,3% en peso de NaCl. [10]
Aunque se han observado condiciones supercríticas en varios sitios, aún no se sabe qué importancia, si la tiene, tiene la ventilación supercrítica en términos de circulación hidrotermal, formación de depósitos minerales, flujos geoquímicos o actividad biológica. [ cita necesaria ]
Las etapas iniciales de una chimenea de ventilación comienzan con la deposición del mineral anhidrita . Los sulfuros de cobre , hierro y zinc precipitan en los huecos de la chimenea, haciéndola menos porosa con el tiempo. Se han registrado crecimientos de respiraderos del orden de 30 cm (1 pie) por día. [11] Una exploración realizada en abril de 2007 de los respiraderos de aguas profundas frente a la costa de Fiji encontró que esos respiraderos son una fuente importante de hierro disuelto (ver ciclo del hierro ). [12]
Algunos respiraderos hidrotermales forman estructuras de chimeneas aproximadamente cilíndricas. Estos se forman a partir de minerales que se disuelven en el fluido de ventilación. Cuando el agua sobrecalentada entra en contacto con el agua de mar casi helada, los minerales se precipitan para formar partículas que aumentan la altura de las chimeneas. Algunas de estas estructuras de chimeneas pueden alcanzar alturas de 60 m. [13] Un ejemplo de un respiradero tan imponente fue "Godzilla", una estructura en el fondo marino profundo del Océano Pacífico cerca de Oregón que se elevó a 40 m antes de caer en 1996. [14]
Un fumador negro o respiradero de aguas profundas es un tipo de respiradero hidrotermal que se encuentra en el fondo marino , típicamente en la zona batial (con mayor frecuencia en profundidades de 2500 a 3000 m), pero también en profundidades menores y más profundas en la zona abisal. . [1] Aparecen como estructuras negras parecidas a chimeneas que emiten una nube de material negro. Los fumadores negros suelen emitir partículas con altos niveles de minerales que contienen azufre o sulfuros. Los humos negros se forman en campos de cientos de metros de ancho cuando el agua sobrecalentada de debajo de la corteza terrestre atraviesa el fondo del océano (el agua puede alcanzar temperaturas superiores a 400 °C). [1] Esta agua es rica en minerales disueltos de la corteza, sobre todo sulfuros . Cuando entra en contacto con el agua fría del océano, muchos minerales se precipitan, formando una estructura negra parecida a una chimenea alrededor de cada respiradero. Los sulfuros metálicos depositados pueden convertirse con el tiempo en depósitos masivos de minerales de sulfuro . Algunos fumadores negros en la parte de las Azores de la Cordillera del Atlántico Medio son extremadamente ricos en contenido de metales , como Rainbow con concentraciones de hierro de 24.000 μM . [15]
Los fumadores negros fueron descubiertos por primera vez en 1979 en la costa del Pacífico Oriental por científicos del Instituto Scripps de Oceanografía durante el Proyecto RISE . [16] Fueron observados utilizando el vehículo de inmersión profunda ALVIN del Instituto Oceanográfico Woods Hole . Ahora se sabe que existen fumadores negros en los océanos Atlántico y Pacífico , a una profundidad promedio de 2.100 m (6.900 pies). Los fumadores negros más al norte son un grupo de cinco llamado Castillo de Loki , [17] descubierto en 2008 por científicos de la Universidad de Bergen a 73°N , en la Cordillera del Atlántico Medio entre Groenlandia y Noruega . Estos fumadores negros son interesantes porque se encuentran en una zona más estable de la corteza terrestre, donde las fuerzas tectónicas son menores y, en consecuencia, los campos de fuentes hidrotermales son menos comunes. [18] Los fumadores negros más profundos conocidos del mundo se encuentran en Cayman Trough , a 5.000 m (3,1 millas) debajo de la superficie del océano. [19]
Las rejillas de ventilación de los fumadores blancos emiten minerales de tonos más claros, como los que contienen bario , calcio y silicio . Estos respiraderos también tienden a tener columnas de temperatura más baja, probablemente porque generalmente están alejados de su fuente de calor. [1]
Los fumadores blancos y negros pueden coexistir en el mismo campo hidrotermal, pero generalmente representan respiraderos proximales (cercanos) y distales (distantes) de la zona principal de flujo ascendente, respectivamente. Sin embargo, los fumadores blancos corresponden principalmente a etapas menguantes de dichos campos hidrotermales, a medida que las fuentes de calor magmático se alejan progresivamente de la fuente (debido a la cristalización del magma) y los fluidos hidrotermales pasan a estar dominados por agua de mar en lugar de agua magmática. Los fluidos mineralizantes de este tipo de respiradero son ricos en calcio y forman depósitos predominantemente ricos en sulfatos (es decir, barita y anhidrita ) y carbonatos . [1]
Tradicionalmente se ha considerado que la vida está impulsada por la energía del sol, pero los organismos de las profundidades marinas no tienen acceso a la luz solar, por lo que las comunidades biológicas alrededor de los respiraderos hidrotermales deben depender de los nutrientes que se encuentran en los depósitos químicos polvorientos y los fluidos hidrotermales en los que viven. Anteriormente, los oceanógrafos bentónicos asumían que los organismos de las fumarolas dependían de la nieve marina , al igual que los organismos de las profundidades marinas. Esto los haría dependientes de la vida vegetal y, por tanto, del sol. Algunos organismos de respiraderos hidrotermales consumen esta "lluvia", pero con sólo un sistema de este tipo, las formas de vida serían escasas. Sin embargo, en comparación con el fondo marino circundante, las zonas de respiraderos hidrotermales tienen una densidad de organismos entre 10.000 y 100.000 veces mayor. Estos organismos incluyen los cangrejos yeti , que tienen brazos largos y peludos que extienden sobre el respiradero para recolectar comida. [ cita necesaria ]
Los respiraderos hidrotermales son reconocidos como un tipo de ecosistemas de base quimiosintética (CBE) donde la productividad primaria es impulsada por compuestos químicos como fuentes de energía en lugar de luz ( quimioautotrofia ). [20] Las comunidades de respiraderos hidrotermales pueden sustentar cantidades tan grandes de vida porque los organismos de los respiraderos dependen de bacterias quimiosintéticas para alimentarse. El agua del respiradero hidrotermal es rica en minerales disueltos y sustenta una gran población de bacterias quimioautótrofas. Estas bacterias utilizan compuestos de azufre, particularmente sulfuro de hidrógeno , una sustancia química altamente tóxica para la mayoría de los organismos conocidos, para producir material orgánico mediante el proceso de quimiosíntesis .
El impacto de los respiraderos en el medio ambiente va más allá de los organismos que viven a su alrededor, ya que actúan como una fuente importante de hierro en los océanos, proporcionando hierro para el fitoplancton. [21]
El ecosistema así formado depende de la existencia continua del campo de respiraderos hidrotermales como fuente principal de energía, lo que difiere de la mayor parte de la vida superficial en la Tierra, que se basa en la energía solar . Sin embargo, aunque a menudo se dice que estas comunidades existen independientemente del sol, algunos de los organismos en realidad dependen del oxígeno producido por organismos fotosintéticos, mientras que otros son anaeróbicos .
Las bacterias quimiosintéticas crecen formando una gruesa capa que atrae a otros organismos, como anfípodos y copépodos , que se alimentan directamente de las bacterias. Los organismos más grandes, como los caracoles, los camarones, los cangrejos, los gusanos tubulares , los peces (especialmente la anguila , la anguila asesina , los ofidiiformes y Symphurus thermophilus ) y los pulpos (en particular, Vulcanoctopus hydrothermalis ), forman una cadena alimentaria de relaciones de depredador y presa por encima de los consumidores primarios. Las principales familias de organismos que se encuentran alrededor de las respiraderos del fondo marino son los anélidos , los pogonóforos , los gasterópodos y los crustáceos, mientras que los grandes bivalvos , los gusanos vestimentíferos y los camarones "sin ojos" constituyen la mayor parte de los organismos no microbianos. [ cita necesaria ]
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Los gusanos tubulares siboglinidos , que pueden crecer hasta más de 2 m (6,6 pies) de altura en las especies más grandes, a menudo forman una parte importante de la comunidad alrededor de un respiradero hidrotermal. No tienen boca ni tracto digestivo y, al igual que los gusanos parásitos, absorben los nutrientes producidos por las bacterias en sus tejidos. Se encuentran alrededor de 285 mil millones de bacterias por onza de tejido de gusanos tubulares. Los gusanos tubícolas tienen penachos rojos que contienen hemoglobina . La hemoglobina se combina con el sulfuro de hidrógeno y lo transfiere a las bacterias que viven dentro del gusano. A cambio, las bacterias alimentan al gusano con compuestos de carbono. Dos de las especies que habitan en una fuente hidrotermal son Tevnia jerichonana y Riftia pachyptila . Una comunidad descubierta, denominada " Ciudad de la anguila ", está formada predominantemente por la anguila Dysommina rugosa . Aunque las anguilas no son infrecuentes, los invertebrados suelen dominar los respiraderos hidrotermales. Eel City está situada cerca del cono volcánico de Nafanua , Samoa Americana . [22]
En 1993, ya se sabía que más de 100 especies de gasterópodos habitaban en fuentes hidrotermales. [23] Se han descubierto más de 300 nuevas especies en respiraderos hidrotermales, [24] muchas de ellas "especies hermanas" de otras que se encuentran en áreas de respiraderos geográficamente separadas. Se ha propuesto que antes de que la placa de América del Norte superara la dorsal oceánica , se encontraba una única región de respiradero biogeográfico en el Pacífico oriental. [25] La barrera posterior para viajar inició la divergencia evolutiva de especies en diferentes lugares. Los ejemplos de evolución convergente observados entre distintos respiraderos hidrotermales se consideran un importante apoyo a la teoría de la selección natural y de la evolución en su conjunto.
Aunque la vida es muy escasa a estas profundidades, los fumadores negros son el centro de ecosistemas enteros . La luz del sol es inexistente, por lo que muchos organismos, como las arqueas y los extremófilos , convierten el calor, el metano y los compuestos de azufre proporcionados por los fumadores negros en energía mediante un proceso llamado quimiosíntesis . Formas de vida más complejas, como las almejas y los gusanos tubícolas , se alimentan de estos organismos. Los organismos en la base de la cadena alimentaria también depositan minerales en la base del ahumador negro, completando así el ciclo de vida .
Se ha encontrado una especie de bacteria fototrófica viviendo cerca de un fumador negro frente a la costa de México a una profundidad de 2.500 m (8.200 pies). La luz del sol no penetra tan lejos en las aguas. En cambio, las bacterias, que forman parte de la familia Chlorobiaceae , utilizan el tenue brillo del ahumador negro para la fotosíntesis . Este es el primer organismo descubierto en la naturaleza que utiliza exclusivamente una luz distinta a la solar para la fotosíntesis. [26]
Constantemente se descubren especies nuevas e inusuales en el vecindario de los fumadores negros. El gusano de Pompeya, Alvinella pompejana , que es capaz de soportar temperaturas de hasta 80 °C (176 °F), se encontró en la década de 1980, y un gasterópodo de patas escamosas, Chrysomallon squamiferum, en 2001 durante una expedición a la zona hidrotermal de Kairei en el Océano Índico. campo de ventilación . Este último utiliza sulfuros de hierro ( pirita y greigita) para la estructura de sus escleritos dérmicos (partes del cuerpo endurecidas), en lugar de carbonato de calcio . Se cree que la presión extrema de 2.500 m de agua (aproximadamente 25 megapascales o 250 atmósferas ) desempeña un papel en la estabilización del sulfuro de hierro con fines biológicos. Esta armadura probablemente sirve como defensa contra la rádula (dientes) venenosa de los caracoles depredadores de esa comunidad.
En marzo de 2017, los investigadores informaron evidencia de posiblemente las formas de vida más antiguas de la Tierra . Se descubrieron supuestos microorganismos fosilizados en precipitados de respiraderos hidrotermales en el cinturón Nuvvuagittuq de Quebec, Canadá , que pueden haber vivido hace 4.280 mil millones de años , no mucho después de que los océanos se formaran hace 4.4 mil millones de años , y no mucho después de la formación de la Tierra. Hace 4,54 mil millones de años. [27] [28] [29]
Los ecosistemas de respiraderos hidrotermales tienen una enorme biomasa y productividad, pero esto se basa en las relaciones simbióticas que han evolucionado en los respiraderos. Los ecosistemas de respiraderos hidrotermales de aguas profundas se diferencian de sus homólogos hidrotermales terrestres y de aguas poco profundas debido a la simbiosis que se produce entre los huéspedes macroinvertebrados y los simbiontes microbianos quimioautótrofos en los primeros. [30] Dado que la luz solar no llega a los respiraderos hidrotermales de aguas profundas, los organismos en los respiraderos hidrotermales de aguas profundas no pueden obtener energía del sol para realizar la fotosíntesis. En cambio, la vida microbiana que se encuentra en los respiraderos hidrotermales es quimiosintética; fijan carbono utilizando energía de sustancias químicas como el sulfuro, a diferencia de la energía luminosa del sol. En otras palabras, el simbionte convierte moléculas inorgánicas (H 2 S, CO 2 , O) en moléculas orgánicas que el huésped luego utiliza como alimento. Sin embargo, el sulfuro es una sustancia extremadamente tóxica para la mayor parte de la vida en la Tierra. Por esta razón, los científicos quedaron asombrados cuando encontraron por primera vez respiraderos hidrotermales llenos de vida en 1977. Lo que se descubrió fue la simbiosis ubicua de quimioautótrofos que viven en ( endosimbiosis ) las branquias de los animales de los respiraderos; la razón por la cual la vida multicelular es capaz de sobrevivir a la toxicidad de los sistemas de ventilación. Por lo tanto, los científicos ahora están estudiando cómo los simbiontes microbianos ayudan en la desintoxicación del sulfuro (permitiendo así que el huésped sobreviva en condiciones que de otro modo serían tóxicas). El trabajo sobre la función del microbioma muestra que los microbiomas asociados al huésped también son importantes en el desarrollo, la nutrición, la defensa contra los depredadores y la desintoxicación del huésped. A cambio, el huésped proporciona al simbionte las sustancias químicas necesarias para la quimiosíntesis, como carbono, sulfuro y oxígeno. [ cita necesaria ]
En las primeras etapas del estudio de la vida en los respiraderos hidrotermales, había diferentes teorías sobre los mecanismos mediante los cuales los organismos multicelulares podían adquirir nutrientes de estos ambientes y cómo podían sobrevivir en condiciones tan extremas. En 1977, se planteó la hipótesis de que las bacterias quimioautótrofas de las fuentes hidrotermales podrían ser responsables de contribuir a la dieta de los bivalvos que se alimentan en suspensión. [31]
Finalmente, en 1981, se entendió que la adquisición de nutrición del gusano tubícola gigante se producía como resultado de endosimbiontes bacterianos quimioautótrofos. [32] [33] [34] A medida que los científicos continuaron estudiando la vida en los respiraderos hidrotermales, se entendió que las relaciones simbióticas entre quimioautótrofos y especies de invertebrados de macrofauna eran omnipresentes. Por ejemplo, en 1983 se confirmó que el tejido branquial de las almejas contenía endosimbiontes bacterianos; [35] en 1984 también se descubrió que los mejillones batimodiolidos y las almejas vesicomíidas portaban endosimbiontes. [36] [37]
Sin embargo, los mecanismos por los cuales los organismos adquieren sus simbiontes difieren, al igual que las relaciones metabólicas. Por ejemplo, los gusanos tubulares no tienen boca ni intestino, pero sí tienen un "trofosoma", que es donde se ocupan de la nutrición y donde se encuentran sus endosimbiontes. También tienen un penacho de color rojo brillante, que utilizan para absorber compuestos como O, H 2 S y CO 2 , que alimentan a los endosimbiontes en su trofosoma. Sorprendentemente, la hemoglobina de los gusanos tubulares (que por cierto es la razón del color rojo brillante del penacho) es capaz de transportar oxígeno sin interferencia o inhibición del sulfuro, a pesar de que el oxígeno y el sulfuro suelen ser muy reactivos. En 2005, se descubrió que esto es posible gracias a los iones de zinc que unen el sulfuro de hidrógeno en la hemoglobina de los gusanos tubulares, evitando así que el sulfuro reaccione con el oxígeno. También reduce la exposición del tejido de los gusanos tubícolas al sulfuro y proporciona a las bacterias el sulfuro para realizar la quimioautotrofia. [38] También se ha descubierto que los gusanos tubulares pueden metabolizar el CO 2 de dos maneras diferentes y pueden alternar entre las dos según sea necesario a medida que cambian las condiciones ambientales. [39]
En 1988, una investigación confirmó bacterias tiotróficas (oxidantes de sulfuro) en Alviniconcha hessleri , un gran molusco de cloaca. [40] Para evitar la toxicidad del sulfuro, los mejillones primero lo convierten en tiosulfato antes de llevarlo a los simbiontes. [41] En el caso de organismos móviles como el camarón alvinocárido, deben rastrear ambientes óxicos (ricos en oxígeno) / anóxicos (pobres en oxígeno) a medida que fluctúan en el ambiente. [ cita necesaria ]
Los organismos que viven en el borde de los campos de respiraderos hidrotermales, como las vieiras pectínidas, también llevan endosimbiontes en sus branquias y, como resultado, su densidad bacteriana es baja en relación con los organismos que viven más cerca del respiradero. Sin embargo, también se reduce la dependencia de la vieira del endosimbionte microbiano para obtener su nutrición. [ cita necesaria ]
Además, no todos los animales huéspedes tienen endosimbiontes; algunos tienen episimbiontes: simbiontes que viven en el animal y no dentro del mismo. Alguna vez se pensó que los camarones encontrados en los respiraderos de la Cordillera del Atlántico Medio eran una excepción a la necesidad de simbiosis para la supervivencia de los macroinvertebrados en los respiraderos. Eso cambió en 1988 cuando se descubrió que portaban episimbiontes. [42] Desde entonces, se ha descubierto que otros organismos en los respiraderos también portan episimbiontes, [43] como Lepetodrilis fucensis. [44]
Además, mientras algunos simbiontes reducen los compuestos de azufre, otros se conocen como " metanotrofos " y reducen los compuestos de carbono, concretamente el metano. Los mejillones batmodiolidos son un ejemplo de huésped que contiene endosimbiontes metanotróficos; sin embargo, estos últimos ocurren principalmente en filtraciones frías a diferencia de los respiraderos hidrotermales. [ cita necesaria ]
Si bien la quimiosíntesis que se produce en las profundidades del océano permite a los organismos vivir sin luz solar en el sentido inmediato, técnicamente todavía dependen del sol para sobrevivir, ya que el oxígeno en el océano es un subproducto de la fotosíntesis. Sin embargo, si el sol desapareciera repentinamente y la fotosíntesis dejara de ocurrir en nuestro planeta, la vida en los respiraderos hidrotermales de las profundidades marinas podría continuar durante milenios (hasta que se agotara el oxígeno). [ cita necesaria ]
La dinámica química y térmica en los respiraderos hidrotermales hace que dichos entornos sean muy adecuados termodinámicamente para que tengan lugar los procesos de evolución química. Por lo tanto, el flujo de energía térmica es un agente permanente y se supone que ha contribuido a la evolución del planeta, incluida la química prebiótica. [1]
Günter Wächtershäuser propuso la teoría del mundo hierro-azufre y sugirió que la vida podría haberse originado en respiraderos hidrotermales. Wächtershäuser propuso que una forma temprana de metabolismo era anterior a la genética. Por metabolismo se refería a un ciclo de reacciones químicas que liberan energía en una forma que puede ser aprovechada por otros procesos. [45]
Se ha propuesto que la síntesis de aminoácidos podría haber ocurrido en lo profundo de la corteza terrestre y que posteriormente estos aminoácidos fueron disparados junto con fluidos hidrotermales a aguas más frías, donde las temperaturas más bajas y la presencia de minerales arcillosos habrían fomentado la formación de péptidos y protocélulas . [46] Esta es una hipótesis atractiva debido a la abundancia de CH 4 ( metano ) y NH 3 ( amoníaco ) presentes en las regiones de respiraderos hidrotermales, una condición que no era proporcionada por la atmósfera primitiva de la Tierra. Una limitación importante de esta hipótesis es la falta de estabilidad de las moléculas orgánicas a altas temperaturas, pero algunos han sugerido que la vida se habría originado fuera de las zonas de mayor temperatura. [47] Hay numerosas especies de extremófilos y otros organismos que actualmente viven inmediatamente alrededor de los respiraderos de aguas profundas, lo que sugiere que este es de hecho un escenario posible. [ cita necesaria ]
La investigación experimental y los modelos informáticos indican que las superficies de las partículas minerales dentro de los respiraderos hidrotermales tienen propiedades catalíticas similares a las enzimas y son capaces de crear moléculas orgánicas simples, como el metanol (CH 3 OH) y el ácido fórmico (HCO 2 H), a partir de CO 2 disuelto en el agua. [48] [49] [50]
Se cree que los respiraderos hidrotermales alcalinos (fumadores blancos) podrían ser más adecuados para la vida emergente que los fumadores negros debido a sus condiciones de pH. [51] [52]
Sin embargo, esta visión de los respiraderos hidrotermales de las profundidades marinas como un entorno ideal es controvertida ya que los ciclos húmedo-seco y la exposición a la luz ultravioleta están ausentes en estos entornos, que promueven la formación de vesículas membranosas y la síntesis de muchas biomoléculas. [53] [54] [55] Las concentraciones iónicas de los respiraderos hidrotermales difieren del líquido intracelular en la mayor parte de la vida. En cambio, han sugerido que es más probable que los entornos terrestres de agua dulce sean un entorno ideal para la formación de las primeras células. [56] [57] Mientras tanto, los defensores de la hipótesis de los respiraderos hidrotermales de aguas profundas sugieren que la termoforesis en cavidades minerales es un compartimento alternativo para la polimerización de biopolímeros. [58] [59]
Se desconoce cómo la termoforesis dentro de las cavidades minerales podría promover la codificación y el metabolismo. Nick Lane sugiere que la polimerización de nucleótidos en altas concentraciones de nucleótidos dentro de protocélulas autorreplicantes, donde "el hacinamiento molecular y la fosforilación en protocélulas tan confinadas y de alta energía podrían promover potencialmente la polimerización de nucleótidos para formar ARN". [60] El fosfato de acetilo posiblemente podría promover la polimerización en superficies minerales o con baja actividad de agua. [61] Una simulación computacional muestra que la concentración de nucleótidos de la catálisis de nucleótidos de "la vía de la moneda de energía se ve favorecida, ya que la energía es limitante; favorecer esta vía alimenta una mayor síntesis de nucleótidos". La catálisis rápida de nucleótidos de la fijación de CO 2 reduce la concentración de nucleótidos a medida que el crecimiento y la división de las protocélulas son rápidos, lo que luego conduce a la reducción a la mitad de la concentración de nucleótidos, la catálisis de nucleótidos débil de la fijación de CO 2 promueve poco el crecimiento y la división de las protocélulas. [62]
En bioquímica, las reacciones con CO 2 y H 2 producen precursores de biomoléculas que también se producen a partir de la vía del acetil-CoA y el ciclo de Krebs que sustentarían el origen de la vida en respiraderos alcalinos de las profundidades marinas. El acetilfosfato producido a partir de las reacciones es capaz de fosforilar ADP a ATP, [63] con una síntesis máxima que se produce con alta actividad de agua y bajas concentraciones de iones, el océano Hadeano probablemente tenía concentraciones de iones más bajas que los océanos modernos. Las concentraciones de Mg 2+ y Ca 2+ en los sistemas hidrotermales alcalinos son más bajas que en el océano. [64] La alta concentración de potasio en la mayoría de las formas de vida podría explicarse fácilmente porque las protocélulas podrían haber desarrollado antiportadores de sodio-hidrógeno para bombear Na + , ya que las membranas lipídicas prebióticas son menos permeables al Na + que al H + . [65] Si las células se originaran en estos entornos, habrían sido autótrofas con una vía de Wood-Ljungdahl y un ciclo de Krebs inverso incompleto. [66] El modelado matemático de la síntesis orgánica de ácidos carboxílicos a lípidos, nucleótidos, aminoácidos y azúcares, y las reacciones de polimerización son favorables en los respiraderos hidrotermales alcalinos. [67]
Al comienzo de su artículo de 1992 The Deep Hot Biosphere , Thomas Gold se refirió a los respiraderos oceánicos en apoyo de su teoría de que los niveles inferiores de la Tierra son ricos en material biológico vivo que llega a la superficie. [68] Amplió aún más sus ideas en el libro The Deep Hot Biosphere . [69]
Un artículo sobre la producción de hidrocarburos abiogénicos en la edición de febrero de 2008 de la revista Science utilizó datos de experimentos en el campo hidrotermal de Ciudad Perdida para informar cómo la síntesis abiótica de hidrocarburos de baja masa molecular a partir de dióxido de carbono derivado del manto puede ocurrir en presencia de rocas ultramáficas, agua. y cantidades moderadas de calor. [70]
En 1949, un estudio de aguas profundas informó salmueras anormalmente calientes en la parte central del Mar Rojo . Trabajos posteriores en la década de 1960 confirmaron la presencia de salmueras salinas calientes a 60 °C (140 °F) y lodos metalíferos asociados. Las soluciones calientes emanaban de una grieta activa en el fondo marino . El carácter altamente salino de las aguas no era hospitalario para los organismos vivos. [71] Las salmueras y los lodos asociados se están investigando actualmente como fuente de metales básicos y preciosos explotables.
En junio de 1976, científicos del Instituto Scripps de Oceanografía obtuvieron la primera evidencia de respiraderos hidrotermales submarinos a lo largo del Rift de Galápagos, un espolón de la Dorsal del Pacífico Oriental , en la expedición Pléyades II , utilizando el sistema de imágenes del fondo marino Deep-Tow. [72] En 1977, los primeros artículos científicos sobre respiraderos hidrotermales fueron publicados [73] por científicos del Instituto Scripps de Oceanografía ; El científico investigador Peter Lonsdale publicó fotografías tomadas con cámaras remolcadas profundamente, [74] y la estudiante de doctorado Kathleen Crane publicó mapas y datos de anomalías de temperatura. [75] Se desplegaron transpondedores en el lugar, que recibió el sobrenombre de "Clam-bake", para permitir que una expedición regresara el año siguiente para realizar observaciones directas con el DSV Alvin .
Los ecosistemas quimiosintéticos que rodean los respiraderos hidrotermales submarinos del Rift de Galápagos se observaron directamente por primera vez en 1977, cuando un grupo de geólogos marinos financiados por la Fundación Nacional de Ciencias regresaron a los sitios de Clambake. El investigador principal del estudio sumergible fue Jack Corliss de la Universidad Estatal de Oregón . Corliss y Tjeerd van Andel de la Universidad de Stanford observaron y tomaron muestras de los respiraderos y su ecosistema el 17 de febrero de 1977, mientras buceaban en el DSV Alvin , un sumergible de investigación operado por la Institución Oceanográfica Woods Hole (WHOI). [76] Otros científicos en el crucero de investigación incluyeron a Richard (Dick) Von Herzen y Robert Ballard de WHOI, Jack Dymond y Louis Gordon de la Universidad Estatal de Oregon, John Edmond y Tanya Atwater del Instituto Tecnológico de Massachusetts , Dave Williams del Instituto Geológico de EE. UU. Survey y Kathleen Crane del Instituto de Oceanografía Scripps . [76] [77] Este equipo publicó sus observaciones de los respiraderos, los organismos y la composición de los fluidos de los respiraderos en la revista Science. [78] En 1979, un equipo de biólogos dirigido por J. Frederick Grassle, en ese momento en WHOI , regresó al mismo lugar para investigar las comunidades biológicas descubiertas dos años antes.
Los respiraderos hidrotermales de alta temperatura, los "fumadores negros", fueron descubiertos en la primavera de 1979 por un equipo del Instituto Scripps de Oceanografía utilizando el sumergible Alvin . La expedición RISE exploró la Dorsal del Pacífico Oriental en 21° N con el objetivo de probar el mapeo geofísico del fondo marino con el Alvin y encontrar otro campo hidrotermal más allá de los respiraderos del Rift de Galápagos. La expedición estuvo dirigida por Fred Spiess y Ken Macdonald e incluyó participantes de Estados Unidos, México y Francia. [16] La región de buceo fue seleccionada en base al descubrimiento de montículos de minerales de sulfuro en el fondo marino por la expedición francesa CYAMEX en 1978. [79] Antes de las operaciones de buceo, el miembro de la expedición Robert Ballard localizó anomalías en la temperatura del agua cerca del fondo utilizando un barco profundamente remolcado. paquete de instrumentos. La primera inmersión tuvo como objetivo una de esas anomalías. El domingo de Pascua, 15 de abril de 1979, durante una inmersión del Alvin a 2.600 metros, Roger Larson y Bruce Luyendyk encontraron un campo de respiraderos hidrotermales con una comunidad biológica similar a los respiraderos de Galápagos. En una inmersión posterior el 21 de abril, William Normark y Thierry Juteau descubrieron los respiraderos de alta temperatura que emitían chorros de partículas minerales negras desde las chimeneas; los fumadores negros. [80] Después de esto, Macdonald y Jim Aiken instalaron una sonda de temperatura en Alvin para medir la temperatura del agua en las rejillas de ventilación del ahumador negro. Se observaron las temperaturas más altas registradas entonces en las fuentes hidrotermales de aguas profundas (380 ± 30 °C). [81] El análisis del material del ahumador negro y las chimeneas que los alimentaban reveló que los precipitados de sulfuro de hierro son los minerales comunes en el "humo" y las paredes de las chimeneas. [82]
En 2005, Neptune Resources NL, una empresa de exploración minera, solicitó y obtuvo 35.000 km 2 de derechos de exploración sobre el Arco Kermadec en la Zona Económica Exclusiva de Nueva Zelanda para explorar depósitos masivos de sulfuros en el fondo marino , una nueva fuente potencial de plomo . zinc : sulfuros de cobre formados a partir de campos de respiraderos hidrotermales modernos. El descubrimiento de un respiradero en el Océano Pacífico frente a la costa de Costa Rica , llamado campo de respiraderos hidrotermales Medusa (en honor a la Medusa de pelo de serpiente de la mitología griega ), se anunció en abril de 2007. [83] El campo hidrotermal Ashadze (13°N en la Cordillera del Atlántico Medio, elevación -4200 m) fue el campo hidrotermal de alta temperatura más profundo conocido hasta 2010, cuando una columna hidrotermal que emanaba del sitio Beebe [84] ( 18°33′N 81°43′W / 18.550 °N 81.717°W / 18.550; -81.717 , elevación -5000 m) fue detectado por un grupo de científicos del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA y el Instituto Oceanográfico Woods Hole . Este sitio está ubicado en Mid-Cayman Rise, de 110 km de largo y de expansión ultralenta, dentro de Cayman Trough . [85]
A principios de 2013, se descubrieron los respiraderos hidrotermales más profundos conocidos en el Mar Caribe , a una profundidad de casi 5.000 metros (16.000 pies). [86]
Los oceanógrafos están estudiando los volcanes y los respiraderos hidrotermales de la dorsal oceánica de Juan de Fuca , donde las placas tectónicas se están alejando unas de otras. [87]
Actualmente se están explorando respiraderos hidrotermales y otras manifestaciones geotérmicas en la Bahía de Concepción, Baja California Sur, México. [88]
Los respiraderos hidrotermales se distribuyen a lo largo de los límites de las placas terrestres, aunque también se pueden encontrar en ubicaciones intraplacas, como los volcanes de puntos calientes. En 2009, se conocían aproximadamente 500 campos de respiraderos hidrotermales submarinos activos, aproximadamente la mitad de los cuales se observaban visualmente en el fondo marino y la otra mitad se sospechaba a partir de indicadores de columna de agua y/o depósitos en el fondo marino. [89]
Rogers y cols. (2012) [90] reconoció al menos 11 provincias biogeográficas de sistemas de respiraderos hidrotermales:
Los respiraderos hidrotermales, en algunos casos, han llevado a la formación de recursos minerales explotables mediante la deposición de depósitos masivos de sulfuros en el fondo marino . El yacimiento Mount Isa , ubicado en Queensland , Australia , es un excelente ejemplo. [91] Muchos respiraderos hidrotermales son ricos en cobalto , oro , cobre y metales de tierras raras esenciales para los componentes electrónicos. [92] Se considera que la ventilación hidrotermal en el fondo marino del Arcaico formó formaciones de hierro en bandas de tipo Algoma , que han sido una fuente de mineral de hierro . [93]
Recientemente, las empresas de exploración minera, impulsadas por la elevada actividad de precios en el sector de los metales básicos a mediados de la década de 2000, han centrado su atención en la extracción de recursos minerales de los campos hidrotermales del fondo marino. En teoría, es posible lograr importantes reducciones de costes. [94]
En países como Japón , donde los recursos minerales se derivan principalmente de importaciones internacionales, [95] existe un impulso particular para la extracción de recursos minerales del fondo marino. [96] La primera minería a "gran escala" del mundo de depósitos minerales de respiraderos hidrotermales fue llevada a cabo por la Corporación Nacional de Petróleo, Gas y Metales de Japón (JOGMEC) en agosto-septiembre de 2017. JOGMEC llevó a cabo esta operación utilizando el buque de investigación Hakurei . Esta extracción se llevó a cabo en el campo de respiraderos 'Izena Hole/cauldron' dentro de la cuenca de arco posterior hidrotermalmente activa conocida como Okinawa Trough , que contiene 15 campos de respiraderos confirmados según la base de datos InterRidge Vents.
Actualmente, dos empresas se encuentran en las últimas etapas del inicio de la extracción de sulfuros masivos del fondo marino (SMS). Nautilus Minerals se encuentra en etapas avanzadas de inicio de extracción de su depósito de Solwarra, en el archipiélago de Bismarck , y Neptune Minerals está en una etapa anterior con su depósito Rumble II West, ubicado en el Arco de Kermadec , cerca de las Islas Kermadec . Ambas empresas proponen utilizar tecnología existente modificada. Nautilus Minerals, en asociación con Placer Dome (ahora parte de Barrick Gold ), logró en 2006 devolver a la superficie más de 10 toneladas métricas de SMS extraído utilizando cortadores de tambor modificados montados en un ROV, una primicia mundial. [97] En 2007, Neptune Minerals logró recuperar muestras de sedimentos SMS utilizando una bomba de succión modificada de la industria petrolera montada en un ROV, también una primicia mundial. [98]
La posible minería del fondo marino tiene impactos ambientales, incluidas columnas de polvo de la maquinaria minera que afectan a los organismos que se alimentan por filtración, [92] el colapso o la reapertura de respiraderos, la liberación de clatrato de metano o incluso deslizamientos de tierra suboceánicos. [99]
También existen posibles efectos ambientales derivados de las herramientas necesarias para explotar estos ecosistemas de respiraderos hidrotermales, incluida la contaminación acústica y la luz antropogénica. La extracción de sistemas de respiraderos hidrotermales requeriría el uso de herramientas de minería sumergidas en el fondo marino, incluidos vehículos submarinos operados a distancia (ROV), así como embarcaciones de apoyo en la superficie del océano. [100] Inevitablemente, mediante el funcionamiento de estas máquinas, se creará cierto nivel de ruido, lo que presenta un problema para los organismos de los respiraderos hidrotermales porque, como están hasta 12,000 pies debajo de la superficie del océano, experimentan muy poco sonido. [100] Como resultado de esto, estos organismos han evolucionado para tener órganos auditivos altamente sensibles, por lo que si hay un aumento repentino en el ruido, como el creado por la maquinaria minera, existe la posibilidad de dañar estos órganos auditivos y dañar el respiradero. organismos. [100] También es importante considerar que muchos estudios han podido demostrar que un gran porcentaje de organismos bentónicos se comunican utilizando sonidos de muy baja frecuencia; por lo tanto, el aumento de los niveles de ruido ambiental en el fondo marino podría enmascarar la comunicación entre los organismos y alterar los patrones de comportamiento. [100] De manera similar a cómo las herramientas de minería SMS en aguas profundas crean contaminación acústica, también crean fuentes de luz antropogénicas en el fondo marino (de las herramientas de minería) y en la superficie del océano (de los buques de apoyo de superficie). Los organismos en estos sistemas de respiraderos hidrotermales se encuentran en la zona afótica del océano y se han adaptado a condiciones de muy poca luz. Los estudios sobre camarones de aguas profundas han demostrado que los reflectores utilizados en el fondo del mar utilizados para estudiar los sistemas de ventilación pueden causar daño permanente a la retina, [100] lo que justifica más investigaciones sobre el riesgo potencial para otros organismos de ventilación. Además del riesgo que supone para los organismos de las profundidades marinas, los buques de apoyo en superficie utilizan iluminación antropogénica nocturna . [100] Las investigaciones han demostrado que este tipo de iluminación en la superficie del océano puede desorientar a las aves marinas y provocar lluvias radiactivas, donde vuelan hacia la luz antropogénica y se agotan o chocan con objetos fabricados por el hombre, provocando lesiones o la muerte. [100] Se tienen en cuenta tanto los organismos acuáticos como los terrestres al evaluar los efectos ambientales de la minería de respiraderos hidrotermales.
Hay tres procesos de desechos mineros, conocidos como liberación de sedimentos laterales, proceso de deshidratación y desplazamiento o alteración de sedimentos, que se esperarían de los procesos de minería en aguas profundas y podrían resultar en la acumulación de una columna o nube de sedimentos, que puede tener implicaciones ambientales sustanciales. La liberación de sedimentos laterales es un proceso que ocurriría en el fondo marino e implicaría el movimiento de material en el fondo marino por parte de los ROV sumergidos y muy probablemente contribuiría a la formación de columnas de sedimentos en el fondo marino. [100] La idea de la liberación lateral es que los ROV descartarían material económicamente invaluable al costado de la mira minera antes de transportar el material de sulfuro al recipiente de soporte en la superficie. El objetivo de este proceso es reducir la cantidad de material que se transfiere a la superficie y minimizar el material que se transfiere a la superficie. [100] El proceso de deshidratación es un proceso de desechos mineros que muy probablemente contribuiría a la formación de columnas de sedimentos desde la superficie. El método de eliminación de desechos mineros libera agua del barco que pudo haberse obtenido durante la extracción y transporte del material desde el fondo marino hasta la superficie. La tercera contribución a la formación de la pluma o nube de sedimentos sería la perturbación y liberación de sedimentos. Este aporte de residuos mineros está asociado principalmente a la actividad minera en el fondo marino asociada al movimiento de los ROVs y a la perturbación destructiva del fondo marino como parte del propio proceso minero. [100]
Las dos principales preocupaciones ambientales como resultado de estos procesos mineros de desechos que contribuyen a la formación de la columna de sedimentos serían la liberación de metales pesados y el aumento de cantidades de sedimentos liberados. La liberación de metales pesados está asociada principalmente al proceso de deshidratación que tendría lugar a bordo del barco en la superficie del agua. [100] El principal problema asociado con la deshidratación es que no se trata simplemente de la liberación de agua de mar que vuelve a entrar en la columna de agua. Los metales pesados como el cobre y el cobalto que se obtendrían del material extraído del fondo marino también se mezclan con el agua que se libera en la columna de agua. La primera preocupación ambiental asociada con la liberación de metales pesados es que tiene el potencial de cambiar la química del océano dentro de esa zona localizada de la columna de agua. La segunda preocupación sería que algunos de los metales pesados que podrían liberarse puedan tener cierto nivel de toxicidad no sólo para los organismos que habitan esa área sino también para los organismos que pasan por el área del sitio minero. [100] Las preocupaciones en torno al aumento de la liberación de sedimentos están relacionadas principalmente con los otros dos procesos de desechos mineros, el sedimento lateral y la perturbación de los sedimentos del fondo marino. La principal preocupación ambiental sería la asfixia de los organismos que se encuentran debajo como resultado de la redistribución de grandes cantidades de sedimentos a otras áreas del fondo marino, lo que podría amenazar potencialmente a la población de organismos que habitan el área. La redistribución de grandes cantidades de sedimentos también puede afectar los procesos de alimentación y de intercambio de gases entre organismos, lo que supone una grave amenaza para la población. Finalmente, estos procesos también pueden aumentar la tasa de sedimentación en el fondo marino, lo que resulta en un mínimo previsto de 500 m por cada 1 a 10 km. [100]
Actualmente, las dos empresas mencionadas están realizando una gran cantidad de trabajo para garantizar que se comprendan bien los posibles impactos ambientales de la minería del fondo marino y se implementen medidas de control antes de que comience la explotación. [101] Sin embargo, podría decirse que este proceso se ha visto obstaculizado por la distribución desproporcionada del esfuerzo de investigación entre los ecosistemas de respiraderos; Los ecosistemas de respiraderos hidrotermales mejor estudiados y comprendidos no son representativos de aquellos destinados a la minería. [102]
En el pasado se han realizado intentos de explotar minerales del fondo marino. En las décadas de 1960 y 1970 se produjo una gran actividad (y gastos) en la recuperación de nódulos de manganeso de las llanuras abisales , con distintos grados de éxito. Sin embargo, esto demuestra que la recuperación de minerales del fondo marino es posible y lo ha sido desde hace algún tiempo. La extracción de nódulos de manganeso sirvió como tapadera para el elaborado intento de la CIA en 1974 de recuperar el submarino soviético hundido K-129 utilizando el Glomar Explorer , un barco construido expresamente para la tarea por Howard Hughes . [103] La operación se conoció como Proyecto Azorian , y la historia de portada sobre la extracción de nódulos de manganeso en el fondo marino puede haber servido como impulso para impulsar a otras empresas a realizar el intento.
La conservación de los respiraderos hidrotermales ha sido objeto de debates a veces acalorados en la comunidad oceanográfica durante los últimos 20 años. [104] Se ha señalado que puede ser que quienes causen el mayor daño a estos hábitats bastante raros sean científicos. [105] [106] Ha habido intentos de forjar acuerdos sobre el comportamiento de los científicos que investigan los sitios de ventilación, pero, aunque existe un código de práctica acordado, no existe un acuerdo internacional formal y legalmente vinculante. [107]
La conservación de los ecosistemas de los respiraderos hidrotermales después de la extracción de un sistema activo dependería de la recolonización de bacterias quimiosintéticas y, por lo tanto, de la continuación del fluido del respiradero hidrotermal, ya que es la principal fuente de energía hidrotermal . [100] Es muy difícil tener una idea de los efectos de la minería en el fluido del respiradero hidrotermal porque no se han realizado estudios a gran escala. [100] Sin embargo, se han realizado estudios sobre la recolonización de estos ecosistemas de respiraderos después de la destrucción volcánica. [108] A partir de esto podemos desarrollar una idea sobre los efectos potenciales de la destrucción minera , y hemos aprendido que las bacterias tardaron entre 3 y 5 años en recolonizar el área, y alrededor de 10 años para que la megafauna regresara. [108] También se encontró que hubo un cambio en la composición de especies en el ecosistema en comparación con antes de la destrucción, y la presencia de especies inmigrantes. [100] Aunque se necesita más investigación sobre los efectos de la minería SMS sostenida del fondo marino en la recolonización de especies.
Los métodos comunes para determinar las edades de los respiraderos hidrotermales son fechar los minerales de sulfuro (p. ej., pirita ) y sulfato (p. ej., barita ). [109] [110] [111] [112] [113] Los métodos de datación comunes incluyen la datación radiométrica [109] [110] y la datación por resonancia de espín electrónico . [111] [112] [113] Los diferentes métodos de datación tienen sus propias limitaciones, suposiciones y desafíos. Los desafíos generales incluyen la alta pureza de los minerales extraídos necesarios para la datación, el rango de edad de cada método de datación, el calentamiento por encima de las temperaturas de cierre que borra edades de minerales más antiguos y múltiples episodios de formación de minerales que resultan en una mezcla de edades. En entornos con múltiples fases de formación mineral , generalmente, la datación por resonancia de espín electrónico proporciona la edad promedio del mineral en masa, mientras que las fechas radiométricas están sesgadas hacia las edades de fases más jóvenes debido a la desintegración de los núcleos originales . Estos explican por qué diferentes métodos pueden dar diferentes edades a la misma muestra y por qué la misma chimenea hidrotermal puede tener muestras con diferentes edades. [112] [113] [114]
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