Respiradero hidrotermal

Una fuente hidrotermal o respiradero hidrotermal es una fisura en el lecho marino de la que se descarga agua calentada geotérmicamente. Se encuentran comúnmente cerca de lugares volcánicamente activos, áreas donde las placas tectónicas se están separando en centros de expansión, cuencas oceánicas y puntos calientes. Los depósitos hidrotermales son rocas y depósitos de minerales formados por la acción de los 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 características llamadas fumadoras negras o fumadoras blancas. En relación con la mayoría 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 forman la base de la cadena alimentaria y sustentan diversos organismos, incluidos los gusanos tubulares gigantes, las almejas, las lapas y los camarones. Se cree que existen fumarolas hidrotermales activas en la luna Europa de Júpiter y la luna Encelado de Saturno, y se especula que alguna vez existieron fumarolas hidrotermales antiguas en Marte.

Propiedades físicas

Los respiraderos hidrotermales en las profundidades del océano se forman típicamente a lo largo de las dorsales oceánicas, como la Dorsal del Pacífico Oriental y la Dorsal del Atlántico Medio. Estos son lugares donde dos placas tectónicas divergen y se forma una nueva corteza.

El agua que sale de las fumarolas hidrotermales del lecho marino consiste principalmente en agua de mar que ingresa al sistema hidrotermal cerca del edificio volcánico a través de fallas y sedimentos porosos o estratos volcánicos, más algo de agua magmática liberada por el magma que emerge. En los sistemas hidrotermales terrestres, la mayoría 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 suele contener una porción de agua metamórfica, agua magmática y agua sedimentaria. salmuera formativa que es liberada por el magma. La proporción de cada uno varía de un lugar a otro.

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 los 60 °C (140 °F) hasta los 464 °C (867 °F). 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 de 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, lo que corresponde a una profundidad de ~2960 m (9710 pies) por debajo del nivel del mar. En consecuencia, si un fluido hidrotermal con una salinidad de 3,2 wt. % NaCl 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.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 2,24 wt. 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, con propiedades físicas entre las de un gas y las de un líquido.

Se encuentran ejemplos de ventilación supercrítica en varios sitios. Sister Peak (Campo hidrotermal Comfortless Cove, 4°48′S 12°22′W, profundidad 2996 mo 9829 pies) ventila fluidos de tipo vapor separados en fases de baja salinidad. 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, ventila 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 conocido más profundo del mundo a ~ 5000 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.

Aunque se han observado condiciones supercríticas en varios sitios, aún no se sabe qué importancia tiene, si es que tiene alguna, la ventilación supercrítica en términos de circulación hidrotermal, formación de depósitos minerales, flujos geoquímicos o actividad biológica.

Las etapas iniciales de una chimenea de ventilación comienzan con la deposición del mineral anhidrita. Los sulfuros de cobre, hierro y zinc luego se precipitan en los huecos de la chimenea, haciéndola menos porosa con el transcurso del tiempo. Se han registrado crecimientos de ventilación del orden de 30 cm (1 pie) por día. Una exploración de 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).

Fumadores negros y fumadores blancos

Algunos respiraderos hidrotermales forman estructuras de chimenea 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 congelada, los minerales se precipitan para formar partículas que se suman a la altura de las pilas. Algunas de estas estructuras de chimenea pueden alcanzar alturas de 60 m. Un ejemplo de un respiradero tan imponente fue "Godzilla", una estructura en el lecho marino profundo del Océano Pacífico cerca de Oregón que se elevó a 40 m antes de que se derrumbara en 1996.

Una fumarola negra o respiradero de aguas profundas es un tipo de respiradero hidrotermal que se encuentra en el lecho marino, típicamente en la zona batial (con la mayor frecuencia en profundidades de 2500 m a 3000 m), pero también en profundidades menores y más profundas en la zona abisal.. 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. Las fumarolas negras 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 los 400 °C).Esta agua es rica en minerales disueltos de la corteza, sobre todo sulfuros. Cuando entra en contacto con el agua fría del océano, precipitan muchos minerales, formando una estructura negra similar a una chimenea alrededor de cada ventilación. Los sulfuros metálicos depositados pueden convertirse con el tiempo en depósitos masivos de mineral de sulfuro. Algunos ahumadores 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.

Los fumadores negros fueron descubiertos por primera vez en 1979 en East Pacific Rise por científicos de Scripps Institution of Oceanography durante el Proyecto RISE. Fueron observados utilizando el vehículo de inmersión profunda ALVIN de la Institución Oceanográfica Woods Hole. Ahora, se sabe que existen fumadores negros en los océanos Atlántico y Pacífico, a una profundidad promedio de 2100 metros. Los fumadores negros más septentrionales son un grupo de cinco llamado Castillo de Loki, descubierto en 2008 por científicos de la Universidad de Bergen a 73°N, en la Cordillera del Atlántico Medio entre Groenlandia y Noruega. Estas fumarolas negras son interesantes porque se encuentran en un área más estable de la corteza terrestre, donde las fuerzas tectónicas son menores y, en consecuencia, los campos de fumarolas hidrotermales son menos comunes.Las fumarolas negras conocidas más profundas del mundo se encuentran en Cayman Trough, 5.000 m (3,1 millas) por debajo de la superficie del océano.

Las rejillas de ventilación de los ahumadores blancos emiten minerales de tonos más claros, como los que contienen bario, calcio y silicio. Estos respiraderos también tienden a tener penachos de temperatura más baja, probablemente porque generalmente están distantes de su fuente de calor.

Los fumadores blancos y negros pueden coexistir en el mismo campo hidrotermal, pero generalmente representan respiraderos proximales (cercanos) y distales (distantes) a la zona principal de flujo ascendente, respectivamente. Sin embargo, los humos blancos corresponden principalmente a etapas menguantes de tales 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 se vuelven dominados por agua de mar en lugar de agua magmática. Los fluidos mineralizantes de este tipo de respiraderos son ricos en calcio y forman predominantemente depósitos ricos en sulfato (es decir, barita y anhidrita) y carbonato.

Biología de los respiraderos hidrotermales

Tradicionalmente, se ha considerado que la vida es 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. Previamente, los oceanógrafos bénticos asumieron que los organismos de los respiraderos dependían de la nieve marina, como lo son los organismos de aguas profundas. Esto los dejaría dependientes de la vida vegetal y, por lo tanto, del sol. Algunos organismos de respiraderos hidrotermales consumen esta "lluvia", pero con solo un sistema de este tipo, las formas de vida serían escasas. Sin embargo, en comparación con el lecho marino circundante, las zonas de ventilación hidrotermal tienen una densidad de organismos de 10 000 a 100 000 veces mayor.

Los respiraderos hidrotermales se reconocen como un tipo de ecosistemas basados ​​en quimiosintéticos (CBE) donde la productividad primaria es alimentada por compuestos químicos como fuentes de energía en lugar de luz (quimioautotrofia). Las comunidades de respiraderos hidrotermales son capaces de sustentar cantidades tan grandes de vida porque los organismos de los respiraderos dependen de las bacterias quimiosintéticas para alimentarse. El agua del respiradero hidrotermal es rica en minerales disueltos y alberga una gran población de bacterias quimioautotróficas. Estas bacterias usan compuestos de azufre, particularmente sulfuro de hidrógeno, un químico altamente tóxico para la mayoría de los organismos conocidos, para producir material orgánico a través del proceso de quimiosíntesis.

Comunidades biológicas

El ecosistema así formado depende de la existencia continua del campo de ventilación hidrotermal como fuente principal de energía, que difiere de la mayoría de la vida en la superficie de 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 los organismos fotosintéticos, mientras que otros son anaeróbicos.

Las bacterias quimiosintéticas crecen en una estera gruesa que atrae a otros organismos, como anfípodos y copépodos, que se alimentan directamente de las bacterias. Los organismos más grandes, como caracoles, camarones, cangrejos, gusanos tubícolas, peces (especialmente angulas, anguilas degolladas, ophidiiformes y Symphurus thermophilus ) y pulpos (especialmente Vulcanoctopus hydrothermalis ), forman una cadena alimenticia de relaciones de depredador y presa por encima de los consumidores primarios. Las principales familias de organismos que se encuentran alrededor de los respiraderos del fondo marino son los anélidos, los pogonóforos, los gasterópodos y los crustáceos, con grandes bivalvos, gusanos vestimentíferos y camarones "sin ojos" que constituyen la mayor parte de los organismos no microbianos.

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 del gusano tubícola. Los gusanos tubulares 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 nutren al gusano con compuestos de carbono. Dos de las especies que habitan en un respiradero hidrotermal son Tevnia jerichonana y Riftia pachyptila. Una comunidad descubierta, denominada "Ciudad de la anguila", consiste predominantemente en la anguila Dysommina rugosa.. Aunque las anguilas no son infrecuentes, los invertebrados suelen dominar los respiraderos hidrotermales. Eel City se encuentra cerca del cono volcánico de Nafanua, Samoa Americana.

En 1993, ya se sabía que había más de 100 especies de gasterópodos en fuentes hidrotermales. Se han descubierto más de 300 especies nuevas en los respiraderos hidrotermales, muchas de ellas "especies hermanas" de otras que se encuentran en áreas de respiraderos separadas geográficamente. Se ha propuesto que antes de que la placa de América del Norte pasara por encima de la dorsal oceánica, se encontraba una sola región de ventilación biogeográfica en el Pacífico oriental. La barrera posterior para viajar inició la divergencia evolutiva de las especies en diferentes lugares. Los ejemplos de evolución convergente vistos entre distintos respiraderos hidrotermales se consideran un apoyo importante para la teoría de la selección natural y de la evolución en su conjunto.

Aunque la vida es muy escasa a estas profundidades, las fumarolas negras 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 a través de un proceso llamado quimiosíntesis. Formas de vida más complejas, como almejas y gusanos tubícolas, se alimentan de estos organismos. Los organismos en la base de la cadena alimenticia también depositan minerales en la base del fumador negro, completando así el ciclo de vida.

Se ha encontrado una especie de bacteria fototrófica viviendo cerca de un fumador negro en la costa de México a una profundidad de 2500 m (8200 pies). Ninguna luz solar penetra tan lejos en las aguas. En cambio, las bacterias, parte de la familia de las clorobiáceas, usan el tenue resplandor del humo negro para la fotosíntesis. Este es el primer organismo descubierto en la naturaleza que usa exclusivamente una luz diferente a la luz del sol para la fotosíntesis.

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 pie escamoso Chrysomallon squamiferumen 2001 durante una expedición al campo de ventilación hidrotermal Kairei del Océano Índico. 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 2500 m de agua (aproximadamente 25 megapascales o 250 atmósferas) desempeña un papel en la estabilización del sulfuro de hierro con fines biológicos. Este blindaje probablemente sirve como defensa contra la rádula venenosa (dientes) de los caracoles depredadores en esa comunidad.

En marzo de 2017, los investigadores reportaron evidencia de posiblemente las formas de vida más antiguas de la Tierra. Se descubrieron microorganismos fosilizados putativos en precipitados de respiraderos hidrotermales en el cinturón Nuvvuagittuq de Quebec, Canadá, que pueden haber vivido hace 4280 millones de años, no mucho después de que se formaron los océanos hace 4400 millones de años y no mucho después de la formación de la Tierra. Hace 4.540 millones de años.

Simbiosis animal-bacteriana

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 difieren de sus contrapartes hidrotermales terrestres y de aguas poco profundas debido a la simbiosis que ocurre entre los huéspedes macroinvertebrados y los simbiontes microbianos quimioautótrofos en los primeros. Dado que la luz del sol 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 el carbono mediante el uso de energía de productos químicos como el sulfuro, a diferencia de la energía de la luz del sol. En otras palabras, el simbionte convierte moléculas inorgánicas (H ₂ S, CO ₂, O) a moléculas orgánicas que luego el huésped utiliza como alimento. Sin embargo, el sulfuro es una sustancia extremadamente tóxica para la mayoría 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 omnipresente de los quimioautótrofos que viven en (endosimbiosis) las branquias de los animales de los respiraderos; la razón por la que 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 de sulfuro (por lo tanto, permiten que el huésped sobreviva a las condiciones 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. En cambio,

En las primeras etapas del estudio de la vida en los respiraderos hidrotermales, existían diferentes teorías sobre los mecanismos por 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 los respiraderos hidrotermales podrían ser responsables de contribuir a la dieta de los bivalvos que se alimentan en suspensión.

Finalmente, en 1981, se entendió que la adquisición de la nutrición del gusano tubícola gigante se produjo como resultado de endosimbiontes bacterianos quimioautotróficos. A medida que los científicos continuaron estudiando la vida en los respiraderos hidrotermales, se entendió que las relaciones simbióticas entre los quimioautótrofos y las especies de invertebrados de la macrofauna eran omnipresentes. Por ejemplo, en 1983, se confirmó que el tejido de las branquias de las almejas contenía endosimbiontes bacterianos; en 1984 también se descubrió que los mejillones batymodiolid y las almejas vesicomyid portan endosimbiontes.

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 tienen un "trofosoma", que es donde se ocupan de la nutrición y donde se encuentran sus endosimbiontes. También tienen un penacho 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 de la pluma) 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 debido a los iones de zinc que se unen al sulfuro de hidrógeno en la hemoglobina de los gusanos tubícolas, evitando así que el sulfuro reaccione con el oxígeno. También reduce el tejido de los gusanos tubulares de la exposición al sulfuro y proporciona a las bacterias el sulfuro para realizar la quimioautotrofia. También se ha descubierto que los gusanos tubícolas 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.

En 1988, la investigación confirmó bacterias tiotróficas (oxidantes de sulfuro) en Alvinochonca hessleri, un molusco de ventilación grande. Para eludir la toxicidad del sulfuro, los mejillones primero lo convierten en tiosulfato antes de llevárselo a los simbiontes. En el caso de organismos móviles como los camarones alvinocaridos, deben rastrear ambientes óxicos (ricos en oxígeno) / anóxicos (pobres en oxígeno) a medida que fluctúan en el ambiente.

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.

Además, no todos los animales huéspedes tienen endosimbiontes; algunos tienen episimbiontes: simbiontes que viven en el animal en lugar de vivir dentro del animal. Los camarones que se encuentran en los respiraderos de la Cordillera del Atlántico Medio alguna vez se consideraron una excepción a la necesidad de la simbiosis para la supervivencia de los macroinvertebrados en los respiraderos. Eso cambió en 1988 cuando se descubrió que portaban episimbiontes. Desde entonces, se ha descubierto que otros organismos en los respiraderos también portan episimbiontes, como Lepetodrilis fucensis.

Además, mientras que algunos simbiontes reducen los compuestos de azufre, otros se conocen como "metanótrofos" y reducen los compuestos de carbono, a saber, el metano. Los mejillones bathmodiolid son un ejemplo de un huésped que contiene endosimbiontes metanotróficos; sin embargo, estos últimos ocurren principalmente en filtraciones frías en lugar de fuentes hidrotermales.

Si bien la quimiosíntesis que ocurre en las profundidades del océano permite que los organismos vivan 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).

Teoría del origen hidrotermal de la vida

La dinámica química y térmica en los respiraderos hidrotermales hace que estos 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.

Günter Wächtershäuser propuso la teoría del mundo de hierro y azufre y sugirió que la vida podría haberse originado en los respiraderos hidrotermales. Wächtershäuser propuso que una forma temprana de metabolismo era anterior a la genética. Por metabolismo entendía un ciclo de reacciones químicas que liberan energía en una forma que puede ser aprovechada por otros procesos.

Se ha propuesto que la síntesis de aminoácidos podría haber ocurrido en las profundidades de la corteza terrestre y que estos aminoácidos fueron lanzados posteriormente junto con los fluidos hidrotermales hacia aguas más frías, donde las temperaturas más bajas y la presencia de minerales arcillosos habrían fomentado la formación de péptidos y protocélulas. Esta es una hipótesis atractiva debido a la abundancia de CH ₄ (metano) y NH ₃ (amoníaco) presentes en las regiones de fuentes hidrotermales, una condición que no proporcionó 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.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 un escenario posible.

La investigación experimental y el modelado por computadora indican que las superficies de las partículas minerales dentro de los respiraderos hidrotermales tienen propiedades catalíticas similares a las de las enzimas y pueden crear moléculas orgánicas simples, como metanol (CH ₃ OH) y ácido fórmico (HCO ₂ H), a partir de la CO2 disuelto _en el agua.

Se cree que los respiraderos hidrotermales alcalinos (fumadores blancos) podrían ser más adecuados para la vida emergente que los humeantes negros debido a sus condiciones de pH.

La profunda biosfera caliente

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 encuentra su camino hacia la superficie. Amplió aún más sus ideas en el libro The Deep Hot Biosphere.

Un artículo sobre la producción de hidrocarburos abiogénicos en la edición de febrero de 2008 de la revista Science usó datos de experimentos en el campo hidrotermal de Lost City para informar cómo la síntesis abiótica de hidrocarburos de baja masa molecular a partir del dióxido de carbono derivado del manto puede ocurrir en presencia de rocas ultramáficas, agua y cantidades moderadas de calor.

Descubrimiento y exploración

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. Las salmueras y los lodos asociados se encuentran actualmente bajo investigación como fuente de metales básicos y preciosos explotables.

En junio de 1976, los científicos de la Institución Scripps de Oceanografía obtuvieron la primera evidencia de respiraderos hidrotermales submarinos a lo largo del Rift de Galápagos, un espolón del East Pacific Rise, en la expedición Pleiades II, utilizando el sistema de imágenes del fondo marino Deep-Tow. En 1977, científicos de la Institución Scripps de Oceanografía publicaron los primeros artículos científicos sobre fumarolas hidrotermales ; el científico investigador Peter Lonsdale publicó fotografías tomadas con cámaras remolcadas a gran profundidad, y la estudiante de doctorado Kathleen Crane publicó mapas y datos de anomalías de temperatura. Se desplegaron transpondedores en el sitio, que recibió el sobrenombre de "Clam-bake", para permitir que una expedición regresara al 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 financiado por la Fundación Nacional de Ciencias regresó 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).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 Oregón, John Edmond y Tanya Atwater del Instituto de Tecnología de Massachusetts, Dave Williams del Servicio Geológico de EE. UU. y Kathleen Crane del Instituto Scripps de Oceanografía. Este equipo publicó sus observaciones de los respiraderos, los organismos y la composición de los fluidos de los respiraderos en la revista Science. En 1979, un equipo de biólogos dirigido por J. Frederick Grassle, en ese momento en el 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 de la Institución Scripps de Oceanografía utilizando el sumergible Alvin. La expedición RISE exploró East Pacific Rise a 21° N con el objetivo de probar el mapeo geofísico del fondo del mar con el Alvin y encontrar otro campo hidrotermal más allá de los respiraderos de Galápagos Rift. La expedición estuvo dirigida por Fred Spiess y Ken Macdonald e incluyó participantes de EE. UU., México y Francia. La región de buceo fue seleccionada en base al descubrimiento de montículos de minerales de sulfuro en el fondo del mar por parte de la expedición francesa CYAMEX en 1978. 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 paquete de instrumentos profundamente remolcado. La primera inmersión estaba dirigida a una de esas anomalías. El domingo de Pascua, 15 de abril de 1979, durante una inmersión de Alvin a 2600 metros, Roger Larson y Bruce Luyendyk encontraron un campo de fumarolas hidrotermales con una comunidad biológica similar a las fumarolas 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 de las chimeneas; los fumadores negros. 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. Este observó las temperaturas más altas registradas entonces en los respiraderos hidrotermales de aguas profundas (380±30 °C). 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.

En 2005, Neptune Resources NL, una empresa de exploración de minerales, solicitó y obtuvo 35 000 km de derechos de exploración sobre el Arco de Kermadec en la Zona Económica Exclusiva de Nueva Zelanda para explorar depósitos de sulfuro masivo en el lecho marino, una nueva fuente potencial de plomo, zinc y cobre. sulfuros formados a partir de modernos campos de ventilación hidrotermal. En abril de 2007 se anunció el descubrimiento de un respiradero en el Océano Pacífico frente a la costa de Costa Rica, llamado campo de respiradero hidrotermal Medusa (en honor a la Medusa de pelo de serpiente de la mitología griega). El campo hidrotermal Ashadze (13°N en el Mid- Atlantic Ridge, elevación -4200 m) fue el campo hidrotermal de alta temperatura más profundo conocido hasta 2010, cuando una columna hidrotermal que emanaba del sitio de Beebe ( 18°33′N 81°43′W, elevación -5000 m) fue detectado por un grupo de científicos del Laboratorio de Propulsión a Chorro de la NASA y la Institución Oceanográfica Woods Hole. Este sitio está ubicado en el Mid-Cayman Rise de 110 km de largo y de expansión ultralenta dentro de Cayman Trough. 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).

Los oceanógrafos están estudiando los volcanes y los respiraderos hidrotermales de la dorsal oceánica Juan de Fuca, donde las placas tectónicas se están alejando unas de otras.

Actualmente se están explorando fuentes hidrotermales y otras manifestaciones geotérmicas en la Bahía de Concepción, Baja California Sur, México.

Distribución

Los respiraderos hidrotermales se distribuyen a lo largo de los límites de las placas de la Tierra, aunque también se pueden encontrar en ubicaciones dentro de la placa, como volcanes de puntos calientes. A partir de 2009, había aproximadamente 500 campos de respiraderos hidrotermales submarinos activos conocidos, con aproximadamente la mitad observados visualmente en el fondo marino y la otra mitad sospechosa a partir de indicadores de columna de agua y/o depósitos en el fondo marino. La oficina del programa InterRidge alberga una base de datos global para las ubicaciones de los campos de respiraderos hidrotermales submarinos activos conocidos.

Distribución de fuentes hidrotermales. Este mapa fue creado haciendo uso de la base de datos InterRidge ver.3.3.

Rogers et al. (2012) reconocieron al menos 11 provincias biogeográficas de sistemas de fuentes hidrotermales:

1. provincia de la dorsal mesoatlántica,
2. provincia de East Scotia Ridge,
3. norte de la provincia de East Pacific Rise,
4. provincia central de East Pacific Rise,
5. sur de la provincia de East Pacific Rise,
6. al sur de la Microplaca de Pascua,
7. provincia del Océano Índico,
8. cuatro provincias en el Pacífico occidental y mucho más.

Explotación

Los respiraderos hidrotermales, en algunos casos, han llevado a la formación de recursos minerales explotables a través de la deposición de depósitos masivos de sulfuro en el lecho marino. El yacimiento de Mount Isa ubicado en Queensland, Australia, es un excelente ejemplo. Muchos respiraderos hidrotermales son ricos en cobalto, oro, cobre y metales de tierras raras esenciales para los componentes electrónicos. 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.

Recientemente, las empresas de exploración de minerales, impulsadas por la actividad de precios elevados 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 en el lecho marino. Reducciones significativas de costos son, en teoría, posibles.

En países como Japón, donde los recursos minerales se derivan principalmente de las importaciones internacionales, existe un impulso particular para la extracción de recursos minerales del fondo marino. La Corporación Nacional de Petróleo, Gas y Metales de Japón (JOGMEC) llevó a cabo la primera extracción "a gran escala" del mundo de depósitos minerales de fuentes hidrotermales entre agosto y 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 ventilación 'Izena hole/cauldron' dentro de la cuenca de arco posterior hidrotermalmente activa conocida como Okinawa Trough, que contiene 15 campos de ventilación confirmados según la base de datos de InterRidge Vents.

Actualmente, dos empresas se encuentran en las últimas etapas para comenzar a extraer sulfuros masivos (SMS) del fondo marino. Nautilus Minerals se encuentra en etapas avanzadas para comenzar la extracción de su depósito Solwarra, en el archipiélago de Bismarck, y Neptune Minerals se encuentra 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 más de 10 toneladas métricas de SMS extraído a la superficie utilizando cortadores de tambor modificados montados en un ROV, una primicia mundial. 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.

La minería potencial del fondo marino tiene impactos ambientales que incluyen penachos de polvo de la maquinaria minera que afectan a los organismos que se alimentan por filtración, el colapso o la reapertura de respiraderos, la liberación de clatrato de metano o incluso deslizamientos de tierra suboceánicos. Las dos empresas mencionadas anteriormente están realizando una gran cantidad de trabajo para garantizar que los posibles impactos ambientales de la minería del fondo marino se comprendan bien y se implementen medidas de control antes de que comience la explotación. 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 entendidos no son representativos de los objetivos de la minería.

Se han hecho intentos en el pasado para explotar minerales del lecho marino. Las décadas de 1960 y 1970 vieron una gran actividad (y gasto) en la recuperación de nódulos de manganeso de las llanuras abisales, con diversos grados de éxito. Sin embargo, esto demuestra que la recuperación de minerales del lecho marino es posible y ha sido posible durante algún tiempo. La extracción de nódulos de manganeso sirvió como historia de tapadera para el elaborado intento en 1974 por parte de la CIA de levantar el submarino soviético hundido K-129, utilizando el Glomar Explorer, un barco construido especialmente para la tarea por Howard Hughes. La operación se conoció como Proyecto Azorian, y la historia de portada de la extracción de nódulos de manganeso en el fondo marino puede haber servido como impulso para impulsar a otras compañías a intentarlo.

Conservación

La conservación de los respiraderos hidrotermales ha sido objeto de discusiones acaloradas en la comunidad oceanográfica durante los últimos 20 años. Se ha señalado que puede ser que quienes causen el mayor daño a estos hábitats bastante raros sean los científicos. 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, todavía no existe un acuerdo internacional formal y legalmente vinculante.