Hydrothermale bronnen: wat zijn ze en hoe ontstaan ze op de zeebodem?
Ontdek hydrothermale bronnen: hoe ze op de zeebodem ontstaan, zwarte en witte smokers, unieke ecosystemen en het leven dat dankzij geothermische energie floreert.
Hydrothermale openingen (vaak kortweg hydrothermale bronnen of warmwaterbronnen op de zeebodem genoemd) zijn plaatsen waar geothermische energie uit de aarde direct in de oceaan ontsnapt via een opening in de zeebodem. Koud zeewater sijpelt in de poreuze gesteenten van de zeebodem, wordt verhit door onderliggende magma of hete gesteentelagen, reageert chemisch met het gesteente en stijgt als heet, mineralrijk water weer naar boven. Door het grote drukverschil op de zeebodem kan water bij honderden graden Celsius voorkomen zonder te koken.
Hoe ontstaan ze?
Hydrothermale bronnen ontstaan vooral in gebieden met actieve geologie, zoals bij mid-oceanische ruggen (waar de zeebodem uit elkaar gaat), subductiezones en plekken met vulkanische activiteit. Proces in het kort:
- Koud zeewater infiltreert in scheuren en poreus gesteente.
- Het water komt in aanraking met heet gesteente of magma en wordt sterk verhit.
- Door de hitte lossen metalen en zwavelverbindingen op in het water.
- Het hete, opgeloste water stijgt op en komt via openingen terug in de zee; bij contact met het koude zeewater precipiteren mineralen en bouwen schoorstenen en afzettingen op.
Chemie en typen bronnen
De samenstelling en temperatuur van de uitstromende vloeistof bepalen het uiterlijk en de naam van de bron. De heetste bronnen (tot ~400 °C) bevatten veel opgeloste metalen en zwavel en kleuren het uitstromende water zwart; deze worden black smokers genoemd. Er bestaan ook zogenaamde 'white smokers' met koelere, melkachtige, meestal silica- of bariumsamenstellingen. Daarnaast zijn er alkalische bronnen zoals het Lost City-veld, die ontstaan door serpentinisatie (reactie tussen water en olivijnhoudend gesteente) en vooral waterstof en methaan produceren in plaats van veel zwavel.
Leven rond de bronnen
Hydrothermale openingen vormen unieke ecosystemen die vrijwel volledig onafhankelijk zijn van zonlicht. In plaats van fotosynthese staat hier chemotroof leven centraal: micro-organismen (zoals archaea en bacteriën) halen energie uit chemische stoffen in het hete water — bijvoorbeeld door zwavelverbindingen te oxideren — en zetten daarmee koolstof om in organische stof (chemosynthese). Deze microben vormen de basis van een voedselweb dat grotere organismen ondersteunt, waaronder reusachtige kokerwormen, mussels en kokkels, garnalen en vele andere eukaryoten. Sommige dieren leven in symbiose met chemosynthetische microben in hun weefsel.
Betekenis voor wetenschap en mens
- Oorsprong van het leven: Omdat zulke ecosystemen energie leveren zonder zonlicht, suggereren veel onderzoekers dat de vroegst bekende levensvormen zouden kunnen zijn ontstaan in of nabij soortgelijke omgevingen op de jonge aarde.
- Biotechnologie: Enzymen van microben uit deze extreem hete en chemisch agressieve omgeving zijn interessant voor industriële toepassingen omdat ze goed werken bij hoge temperaturen en in agressieve chemicaliën.
- Mijnbouw en milieu: Hydrothermale afzettingen bevatten vaak concentraties metalen (koper, zink, goud) en worden onderzocht als potentiële bronnen voor diepzeemijnbouw — dit roept belangrijke ecologische en ethische vragen op over schade aan unieke ecosystemen.
- Klimaat en geochemie: Vrijkomende stoffen zoals methaan en waterstof kunnen lokale en mogelijk globale geochemische cycli beïnvloeden.
Op land vergelijkbare verschijnselen
Waar warmte uit de ondergrond op het land ontsnapt, zien we vaak hete bronnen, geisers of fumarolen. Deze verschijnselen zijn in wezen het landmatige equivalent van hydrothermale uitstromen, hoewel de samenstelling en de temperatuurverschillen kunnen variëren.
Bescherming en onderzoek
Hydrothermale ecosystemen zijn kwetsbaar en moeilijk toegankelijk — onderzoek vereist speciaal deep-seaapparatuur zoals bemande duikvaartuigen en ROV's. Bescherming van deze gebieden vraagt internationale samenwerking: enerzijds vanwege hun wetenschappelijke waarde en unieke biodiversiteit, anderzijds vanwege de toenemende belangstelling voor hun minerale rijkdom. Begrip van hun functie, biodiversiteit en gevoeligheid is essentieel om keuzes over gebruik en bescherming goed te kunnen maken.
Een hydrothermale vent
Kokerwormen krijgen energie van bacteriën die in hun pluimen leven.
Symphurus hydrophilus , een platvis die alleen leeft in de buurt van hydrothermale bronnen.
Biologische gemeenschappen
Diepzeeorganismen hebben geen toegang tot zonlicht, zodat zij afhankelijk zijn van voedingsstoffen in de chemische afzettingen en hydrothermale vloeistoffen waarin zij leven. Vergeleken met de omringende zeebodem is de dichtheid van organismen in de zones met hydrothermale ontluchtingen echter 10.000 tot 100.000 maal groter.
Hydrothermale boorgatgemeenschappen kunnen zo'n grote hoeveelheid leven in stand houden omdat boorgatorganismen voor hun voedsel afhankelijk zijn van chemosynthetische bacteriën. Deze bacteriën gebruiken zwavelverbindingen, met name waterstofsulfide, een chemische stof die zeer giftig is voor de meeste bekende organismen, om organisch materiaal te produceren via het proces van chemosynthese.
De chemosynthetische bacteriën groeien uit tot een dikke mat die andere organismen aantrekt, zoals amfipoden en roeipootkreeftjes, die de bacteriën rechtstreeks afgrazen. Grotere organismen zoals slakken, garnalen, krabben, reuzenkokerwormen, vissen en octopussen vormen een voedselketen van roofdier- en prooirelaties boven de primaire consumenten.
De belangrijkste groepen organismen rond zeebronventilatoren zijn wormen, buikpotigen en schaaldieren, waarbij grote tweekleppigen en "oogloze" garnalen het leeuwendeel uitmaken van de niet-microbiële organismen.
Kokerwormen vormen een belangrijk deel van de gemeenschap rond een hydrothermale vent. Zij absorberen voedingsstoffen rechtstreeks in hun weefsels. Er zijn ongeveer 285 miljard bacteriën per ons kokerwormweefsel.
Kokerwormen hebben rode pluimen die hemoglobine bevatten. Hemoglobine verbindt waterstofsulfide en geeft het door aan de bacteriën die in de worm leven. In ruil daarvoor voeden de bacteriën de worm met koolstofverbindingen.
Andere voorbeelden van de unieke fauna die dit ecosysteem bewoont, zijn de buikpotige Crysomallon squamiferum, een slakkensoort met een voet die verstevigd is met schubben van ijzer en organisch materiaal, en de "Pompeïworm" Alvinella pompejana, die bestand is tegen temperaturen tot 80°C (176°F).
Er zijn meer dan 300 nieuwe soorten ontdekt bij hydrothermale bronnen, waarvan vele "zustersoorten" zijn van andere soorten in geografisch gescheiden gebieden. Er wordt wel beweerd dat voordat de Noordamerikaanse plaat de Mid-Atlantische Rug omspande, er één biogeografisch ventgebied was in het oostelijk deel van de Stille Oceaan. De daaropvolgende reisbarrière heeft geleid tot de evolutionaire divergentie van soorten op verschillende locaties. De voorbeelden van convergente evolutie tussen verschillende hydrothermale bronnen worden gezien als een belangrijke ondersteuning voor de theorie van natuurlijke selectie en evolutie in het algemeen.
Een soort fototrofe bacterie is aangetroffen in de buurt van een black smoker voor de kust van Mexico op een diepte van 2.500 m (8.200 ft). Zo ver in het water dringt geen zonlicht door. In plaats daarvan gebruiken de bacteriën, die tot de familie der Chlorobiaceae behoren, de zwakke gloed van de black smoker voor fotosynthese. Dit is het eerste in de natuur ontdekte organisme dat voor de fotosynthese uitsluitend gebruik maakt van ander licht dan zonlicht.
Vragen en antwoorden
V: Wat is een hydrothermale opening?
A: Een hydrothermale opening is een opening in de zeebodem van de aarde waardoor geothermische energie ontsnapt.
V: Wat gebeurt er als zeewater een hydrothermale opening binnenkomt?
A: Zeewater komt een hydrothermale opening binnen, wordt erg heet en stijgt op.
V: Wat zijn zwarte rokers?
A: De heetste bronnen bevatten veel zwarte chemicaliën en worden zwarte rokers genoemd.
V: Wat zijn witte rokers?
A: Wetenschappers hebben minder witte rokers dan zwarte rokers gevonden.
V: Welke andere geothermische kenmerken zijn er op het land?
A: Als er zich geothermische kenmerken op het land bevinden, zijn het meestal warmwaterbronnen, geisers of fumarolen.
V: Welke organismen leven er in de buurt van hydrothermale bronnen?
A: Veel archaea en bacteriën leven in de buurt van hydrothermale bronnen, waar reuzenkokerwormen, schelpdieren en garnalen en veel andere eukaryoten leven.
V: Wat denken wetenschappers over de vroegst bekende levensvormen?
A: Wetenschappers geloven dat de vroegst bekende levensvormen in de buurt van hydrothermale bronnen geleefd zouden hebben.
Zoek in de encyclopedie