Как глубоководные черви помогают удерживать природные газы во льду

Природные газовые гидраты — кристаллические решётки из молекул воды, связанных водородными связями, которые заключают в себе небольшие углеводородные молекулы — на океанском дне представляют собой как потенциальный ускоритель изменения климата, так и один из крупнейших источников энергии на Земле. Останутся ли огромные объёмы природного газа надёжно запертыми в кристаллических гидратных «клетках» или будут высвобождены в океан, потенциально превратившись в парниковые газы атмосферы, может частично зависеть от необычного симбиоза на морском дне между червями и их микробными соседями.

Исследователи из NYU Tandon School of Engineering обнаружили, что естественная экосистема, включающая веерных червей (Sabellidae, Annelida), а также как выделяющих, так и поглощающих тепло бактерий (Archaea), потребляющих метан, инкапсулированный гидратами в глубоководных средах, играет ключевую роль в поддержании равновесия, сохраняющего гидраты замёрзшими.

Изучая влияние, которое могут оказывать на динамическую стабильность гидратных отложений небольшие колебания температуры, исследователи под руководством Райана Хартмана обнаружили, что веерные черви, процветающие вокруг кристаллических гидратов, избирательно потребляя выделяющих тепло бактерий-метанотрофов, метаболизирующих метан, сдерживают потенциальное таяние этих кристаллических структур из-за экзотермического метаболизма микробов.

В новом исследовании, опубликованном в Energy & Fuels, учёные смоделировали эту экосистему, решив соответствующие уравнения энергетического баланса и кинетики диссоциации гидрата метана. Они проанализировали скорость диссоциации — скорость, с которой замёрзшие гидраты распадаются на молекулярные компоненты — и обнаружили, что симбиоз между метаногенами (бактериями, производящими метан), метанотрофами и веерными червями действительно стабилизирует гидраты метана на глубинах, где кристаллы подвергаются воздействию океана и его живых организмов.

Последствия этого открытия значительны, поскольку огромные количества метана (от 200 до 500 гигатонн CH₄), которые спонтанно образуются из воды и небольших гидрофобных молекул при определённых температуре и давлении, хранятся в виде гидратов в океанах по всему миру.

Чтобы изучить, как потепление океанов может нарушить этот хрупкий баланс, команда объединила исторические данные о температуре океана и оценки запасов газовых гидратов со своей моделью. Их выводы предполагают, что гидратные отложения на глубинах до 560 метров ниже уровня моря уже могут быть под угрозой, даже если температура океана перестанет расти, а зона стабильности гидрата метана будет отступать на большую глубину по мере потепления океана.

Кроме того, сокращение популяции червей может ослабить сдерживающее влияние на скорость роста метанотрофов, и последующее их чрезмерное разрастание будет генерировать избыточное количество тепла, дополнительно дестабилизируя гидраты. С другой стороны, увеличение активности метаногенных микробов сделает систему более эндотермической и, следовательно, усилит устойчивость к температурным колебаниям вблизи фазовой границы гидрата метана.