فتحة حرارية مائية

الفتحات الحرارية المائية هي شقوق في قاع البحر تتدفق منها المياه الساخنة بفعل النشاط الحراري الأرضي . وتوجد عادةً بالقرب من المناطق البركانية النشطة، والمناطق التي تتباعد فيها الصفائح التكتونية عند سلاسل منتصف المحيط ، وأحواض المحيطات ، والبؤر الساخنة . ^{[ 1 ]} ويؤدي انتشار السوائل الحرارية المائية في جميع أنحاء المحيطات العالمية عند مواقع الفتحات النشطة إلى تكوين أعمدة حرارية مائية. أما الرواسب الحرارية المائية فهي عبارة عن صخور ورواسب خامات معدنية تتشكل بفعل الفتحات الحرارية المائية.

توجد الفتحات الحرارية المائية نتيجةً للنشاط الجيولوجي للأرض ووجود كميات كبيرة من المياه على سطحها وداخل قشرتها. تحت سطح البحر، قد تُشكّل هذه الفتحات تضاريس تُعرف باسم "المدخنات السوداء" أو "المدخنات البيضاء"، والتي تُزوّد ​​محيطات العالم بمجموعة واسعة من العناصر، مُساهمةً بذلك في الكيمياء الحيوية البحرية العالمية . بالمقارنة مع معظم أعماق البحار، تُعدّ المناطق المحيطة بالفتحات الحرارية المائية أكثر إنتاجية بيولوجيًا، وغالبًا ما تضمّ مجتمعات معقدة تتغذى على المواد الكيميائية المُذابة في سوائل هذه الفتحات. تُشكّل البكتيريا والعتائق الكيميائية التركيب الموجودة حول الفتحات الحرارية المائية قاعدة السلسلة الغذائية ، داعمةً كائنات حية متنوعة، بما في ذلك الديدان الأنبوبية العملاقة ، والمحار، والبلح البحري ، والروبيان. يُعتقد بوجود فتحات حرارية مائية نشطة على قمر أوروبا التابع لكوكب المشتري وقمر إنسيلادوس التابع لكوكب زحل ، ^{[ 2 ] [ 3 ]} ويُعتقد أيضًا بوجود فتحات حرارية مائية قديمة على سطح المريخ . ^{[ 1 ] [ 4 ]}

يُعتقد أن الفتحات الحرارية المائية كانت عاملاً مهماً في بدء نشأة الحياة وبقاء أشكال الحياة البدائية . وقد أظهرت الدراسات أن ظروف هذه الفتحات تدعم تخليق جزيئات حيوية. وتشير بعض الأدلة إلى أن بعض الفتحات، مثل الفتحات الحرارية المائية القلوية أو تلك التي تحتوي على _ثاني أكسيد الكربون فوق الحرج ، تُعدّ أكثر ملاءمة لتكوين هذه الجزيئات العضوية . ومع ذلك، لا يزال أصل الحياة موضوعاً مثيراً للجدل، وتوجد العديد من وجهات النظر المتضاربة بشأنه.

تتشكل الفتحات الحرارية المائية في أعماق المحيط عادةً على طول سلاسل الجبال في منتصف المحيط ، مثل سلسلة جبال شرق المحيط الهادئ وسلسلة جبال منتصف المحيط الأطلسي . هذه مواقع تتباعد فيها صفيحتان تكتونيتان وتتشكل فيها قشرة أرضية جديدة. ^{[ 5 ]}

يتكون الماء المتدفق من الفتحات الحرارية المائية في قاع البحر في معظمه من مياه البحر التي تُسحب إلى النظام الحراري المائي بالقرب من البنية البركانية عبر الصدوع والرواسب المسامية أو الطبقات البركانية، بالإضافة إلى بعض المياه الصهارية المنبعثة من الصهارة الصاعدة . ^{[ 1 ]} أما على اليابسة، فإن غالبية المياه المتداولة داخل أنظمة الفومارول والينابيع الحارة هي مياه الأمطار والمياه الجوفية التي تسربت إلى النظام الحراري المائي من السطح، ولكنها تحتوي أيضًا عادةً على جزء من المياه المتحولة والمياه الصهارية والمحاليل الملحية الرسوبية التكوينية المنبعثة من الصهارة. وتختلف نسبة كل منها من موقع لآخر.

على النقيض من درجة حرارة الماء المحيطة التي تبلغ حوالي 2 درجة مئوية (36 درجة فهرنهايت) عند هذه الأعماق، يخرج الماء من هذه الفتحات عند درجات حرارة تتراوح بين 60 درجة مئوية (140 درجة فهرنهايت) ^{[ 6 ]} وتصل إلى 464 درجة مئوية (867 درجة فهرنهايت) . ^{[ 7 ] [ 8 ]} ونظرًا لارتفاع الضغط الهيدروستاتيكي عند هذه الأعماق، قد يوجد الماء إما في حالته السائلة أو كسائل فوق حرج عند هذه الدرجات. ^{[ 5 ]} تبلغ النقطة الحرجة للماء (النقي) 375 درجة مئوية (707 درجة فهرنهايت) عند ضغط 218 ضغطًا جويًا .         

مع ذلك، يؤدي إدخال الملوحة إلى السائل إلى رفع النقطة الحرجة إلى درجات حرارة وضغوط أعلى. تبلغ النقطة الحرجة لمياه البحر (3.2% وزناً  من كلوريد الصوديوم) 407 درجة مئوية (765 درجة فهرنهايت) و298.5 بار، ^{[ 9 ]} وهو ما يعادل عمقًا يبلغ حوالي 2960 مترًا (9710 قدمًا) تحت مستوى سطح البحر. وبناءً على ذلك، إذا انبعث سائل حراري مائي ذو ملوحة 3.2 % وزناً من كلوريد الصوديوم من فتحات حرارية عند درجة حرارة أعلى من 407 درجة مئوية (765 درجة فهرنهايت) وضغط أعلى من 298.5 بار، فإنه يكون فوق الحرج. علاوة على ذلك، فقد تبين أن ملوحة سوائل الفتحات الحرارية تتفاوت بشكل كبير بسبب انفصال الطور في القشرة الأرضية. ^{[ 10 ]} تقع النقطة الحرجة للسوائل ذات الملوحة المنخفضة عند درجات حرارة وضغوط أقل من تلك الخاصة بمياه البحر، ولكنها أعلى من تلك الخاصة بالماء النقي. على سبيل المثال، سائل فتحة حرارية بملوحة 2.24% وزناً من كلوريد الصوديوم. تبلغ نسبة ملوحة كلوريد الصوديوم (NaCl) النقطة الحرجة عند 400 درجة مئوية (752 درجة فهرنهايت) وضغط 280.5 بار. لذا، يمكن أن يكون الماء المتدفق من أشد أجزاء بعض الفتحات الحرارية المائية سخونةً سائلاً فوق حرج ، يمتلك خصائص فيزيائية تقع بين خصائص الغاز والسائل . ^{[ 7 ] [ 8 ]}             

توجد أمثلة على التسرب فوق الحرج في عدة مواقع. ففي منطقة سيستر بيك (حقل كومفورتليس كوف الحراري المائي، 4°48′ جنوبًا 12°22′ غربًا / 4.800° جنوبًا 12.367° غربًا / -4.800؛ -12.367 ، بعمق 2996 مترًا أو 9829 قدمًا )، تُطلق سوائل بخارية منخفضة الملوحة ذات طورين منفصلين . لم يُلاحظ أن التسرب المستمر فوق حرج، ولكن حقنة قصيرة بدرجة حرارة 464 درجة مئوية (867 درجة فهرنهايت) كانت أعلى بكثير من الظروف فوق الحرجة. وفي موقع قريب، يُدعى تيرتل بيتس، وُجد أن سائلًا منخفض الملوحة يُطلق عند درجة حرارة 407 درجة مئوية (765 درجة فهرنهايت) ، وهي أعلى من النقطة الحرجة للسائل عند تلك الملوحة. أظهر موقع تهوية في حوض كايمان يسمى بيبي ، وهو أعمق موقع حراري مائي معروف في العالم على عمق حوالي 5000 متر (16000 قدم) تحت مستوى سطح البحر، تهوية فوق حرجة مستدامة عند 401 درجة مئوية (754 درجة فهرنهايت) و2.3% وزناً من كلوريد الصوديوم. ^{[ 11 ]}          

على الرغم من رصد الظروف فوق الحرجة في العديد من المواقع، إلا أنه لم يُعرف بعد ما هي الأهمية، إن وجدت، للتهوية فوق الحرجة من حيث الدوران الحراري المائي، وتكوين الرواسب المعدنية، والتدفقات الجيوكيميائية أو النشاط البيولوجي.

تبدأ المراحل الأولية لتكوين مدخنة الفتحات الحرارية بترسب معدن الأنهيدريت . ثم تترسب كبريتيدات النحاس والحديد والزنك في فجوات المدخنة، مما يقلل من مساميتها بمرور الوقت. وقد سُجل نمو الفتحات الحرارية بمعدل 30 سم ( قدم واحدة) يوميًا. [12] وكشفت دراسة ^{استكشافية أُجريت} في أبريل 2007 للفتحات الحرارية ^في أعماق البحار قبالة سواحل فيجي أن هذه الفتحات تُعد مصدرًا هامًا للحديد المذاب (انظر دورة الحديد ). ^{[ 13 ]}  

تُشكّل بعض الفتحات الحرارية المائية هياكل مداخن أسطوانية الشكل تقريبًا. تتشكل هذه الهياكل من معادن تذوب في سائل الفتحة. عندما يلامس الماء شديد السخونة مياه البحر القريبة من التجمد، تترسب المعادن لتُشكّل جزيئات تُساهم في ارتفاع هذه المداخن. قد يصل ارتفاع بعض هذه الهياكل إلى 60 مترًا (200 قدم) . ^{[ 14 ]} ومن الأمثلة على هذه الفتحات الشاهقة "غودزيلا"، وهو هيكل يقع في قاع المحيط الهادئ العميق بالقرب من ولاية أوريغون، وقد ارتفع إلى 40 مترًا (130 قدمًا) قبل أن ينهار عام 1996. ^{[ 15 ]}    

المدخنون السود

المدخنة السوداء أو الفتحة الحرارية في أعماق البحار هي نوع من الفتحات الحرارية المائية الموجودة في قاع البحر ، وعادةً ما توجد في منطقة الأعماق المتوسطة (مع أعلى نسبة انتشار في أعماق تتراوح بين 2500 و3000 متر ) ، ولكنها توجد أيضًا في أعماق أقل وفي أعماق أكبر في منطقة الأعماق السحيقة . ^{[ 1 ]} تظهر هذه الفتحات على شكل هياكل سوداء تشبه المداخن، تنبعث منها سحابة من المواد السوداء. عادةً ما تنبعث من المدخنات السوداء جزيئات تحتوي على مستويات عالية من المعادن الكبريتية، أو الكبريتيدات. تتشكل المدخنات السوداء في حقول تمتد لمئات الأمتار عندما تتدفق المياه شديدة السخونة من باطن قشرة الأرض عبر قاع المحيط (قد تصل درجة حرارة المياه إلى أكثر من 400 درجة مئوية ). ^{[ 1 ]} هذه المياه غنية بالمعادن الذائبة من القشرة الأرضية، وأبرزها الكبريتيدات . عند ملامستها لمياه المحيط الباردة، تترسب العديد من المعادن، مُشكّلةً بنيةً سوداء تُشبه المدخنة حول كل فتحة. وتزداد سماكة هذه المداخن بفعل التوصيل الحراري الذي يُحفّز التبلور. ^{[ 16 ]} ويمكن أن تتحول كبريتيدات المعادن المترسبة إلى رواسب ضخمة من خامات الكبريتيد مع مرور الوقت. وتتميز بعض الفوهات الحرارية السوداء على طول قطاع جزر الأزور من سلسلة جبال منتصف المحيط الأطلسي بغناها الاستثنائي بالمعادن ؛ فعلى سبيل المثال، تحتوي السوائل الحرارية المائية من حقل رينبو فينت على ما يصل إلى 24000 ميكرومول من الحديد المذاب . ^{[ 17 ]}     

اكتُشفت المدخنات السوداء لأول مرة عام 1979 في سلسلة جبال شرق المحيط الهادئ على يد علماء من معهد سكريبس لعلوم المحيطات خلال مشروع RISE . ^{[ 18 ]} وقد رُصدت باستخدام الغواصة ألفين التابعة لمعهد وودز هول لعلوم المحيطات . والآن، بات من المعروف وجود المدخنات السوداء في المحيطين الأطلسي والهادئ ، على عمق متوسط ​​يبلغ 2100 متر (6900 قدم) . أما أقصى المدخنات السوداء شمالًا فهي مجموعة من خمس مدخنات تُعرف باسم قلعة لوكي ، ^{[ 19 ]} اكتشفها علماء من جامعة بيرغن عام 2008 عند خط عرض 73° شمالًا ، على سلسلة جبال منتصف المحيط الأطلسي بين غرينلاند والنرويج . وتكتسب هذه المدخنات السوداء أهمية خاصة لوجودها في منطقة أكثر استقرارًا من قشرة الأرض، حيث تقل القوى التكتونية، وبالتالي تقل حقول الفتحات الحرارية المائية . ^{[ 20 ]} تقع أعمق المدخنات السوداء المعروفة في العالم في خندق كايمان ، على عمق 5000 متر (3.1 ميل) تحت سطح المحيط. ^{[ 21 ]}    

المدخنون البيض

تنبعث من فتحات تهوية المدخنات البيضاء معادن فاتحة اللون، مثل تلك التي تحتوي على الباريوم والكالسيوم والسيليكون . كما تميل هذه الفتحات إلى إطلاق أعمدة ذات درجة حرارة منخفضة ، ربما لأنها عادةً ما تكون بعيدة عن مصدر الحرارة. ^{[ 1 ]}

قد تتعايش المدخنات السوداء والبيضاء في نفس الحقل الحراري المائي، لكنها تمثل عمومًا فتحات قريبة (مُقربة) وبعيدة (بعيدة) عن منطقة التدفق الصاعد الرئيسية، على التوالي. ومع ذلك، تتوافق المدخنات البيضاء في الغالب مع المراحل المتضائلة لهذه الحقول الحرارية المائية، حيث تصبح مصادر الحرارة الصهارية أكثر بُعدًا عن المصدر تدريجيًا (بسبب تبلور الصهارة) وتصبح السوائل الحرارية المائية مُهيمنة عليها مياه البحر بدلًا من المياه الصهارية. وتكون السوائل المعدنية من هذا النوع من الفتحات غنية بالكالسيوم، وتُشكل في الغالب رواسب غنية بالكبريتات (مثل الباريت والأنهيدريت ) والكربونات . ^{[ 1 ]}

تُعدّ الأعمدة الحرارية المائية كيانات سائلة تظهر عند انبعاث السوائل الحرارية المائية إلى عمود الماء العلوي في مواقع الفتحات الحرارية المائية النشطة. ^{[ 22 ]} ونظرًا لأن السوائل الحرارية المائية عادةً ما تحمل خصائص فيزيائية (مثل درجة الحرارة والكثافة ) وكيميائية (مثل الرقم الهيدروجيني ، وجهد الأكسدة والاختزال ، والأيونات الرئيسية) تختلف عن مياه البحر ، فإن الأعمدة الحرارية المائية تُجسّد تدرجات فيزيائية وكيميائية تُعزز أنواعًا عديدة من التفاعلات الكيميائية، بما في ذلك تفاعلات الأكسدة والاختزال وتفاعلات الترسيب . ^{[ 22 ]}

تتميز سوائل الفتحات الحرارية المائية بدرجات حرارة تتراوح بين 40 و400  درجة مئوية، وهي أعلى بكثير من درجة حرارة مياه قاع المحيط (حوالي 4  درجات مئوية). هذا يعني أن كثافة السائل الحراري المائي أقل من كثافة مياه البحر المحيطة، وبالتالي يرتفع عبر عمود الماء بفعل الطفو ، مُشكلاً عمودًا حراريًا مائيًا. ولذلك، تُعرف المرحلة التي يرتفع خلالها العمود الحراري المائي عبر عمود الماء بمرحلة "العمود الطافي". ^{[ 22 ]} خلال هذه المرحلة، تُولد قوى القص بين العمود الحراري المائي ومياه البحر المحيطة تدفقًا مضطربًا يُسهل اختلاط نوعي السوائل، مما يُخفف تدريجيًا العمود الحراري المائي بمياه البحر. ^{[ 22 ]} في النهاية، ستؤدي التأثيرات المُجتمعة للتخفيف والارتفاع إلى مياه البحر العلوية الأكثر دفئًا (الأقل كثافة) إلى أن يصبح العمود الحراري المائي متعادل الطفو على ارتفاع معين فوق قاع البحر. ولذلك، تُعرف هذه المرحلة من تطور العمود الحراري المائي بمرحلة "العمود غير الطافي". ^{[ 22 ]} بمجرد أن يصبح عمود الدخان متعادل الطفو، فإنه لا يستطيع الاستمرار في الصعود عبر عمود الماء، ويبدأ بدلاً من ذلك في الانتشار جانبياً في جميع أنحاء المحيط، وقد يمتد ذلك على مسافة عدة آلاف من الكيلومترات. ^{[ 23 ]}

تحدث التفاعلات الكيميائية بالتزامن مع التطور الفيزيائي للأعمدة الحرارية المائية. في حين أن مياه البحر سائل مؤكسد نسبيًا، فإن سوائل الفتحات الحرارية المائية عادةً ما تكون مختزلة. ^{[ 22 ]} ونتيجة لذلك، تتفاعل المواد الكيميائية المختزلة ، مثل غاز الهيدروجين وكبريتيد الهيدروجين والميثان وأيونات الحديد الثنائي ( Fe²⁺ ⁾ والمنغنيز الثنائي (Mn²⁺ ⁾ ، الشائعة في العديد من سوائل الفتحات، عند اختلاطها بمياه البحر. في السوائل ذات التركيزات العالية من كبريتيد _{الهيدروجين} ، تترسب أيونات المعادن الذائبة، مثل الحديد ^{الثنائي} والمنغنيز ^{الثنائي،} بسهولة على شكل معادن كبريتيد المعادن ذات اللون الداكن (انظر "المدخنات السوداء"). ^{[ 22 ]} علاوة على ذلك، يتأكسد الحديد ^{الثنائي} والمنغنيز ^{الثنائي} الموجودان داخل العمود الحراري المائي في النهاية لتكوين معادن هيدروكسيد الحديد والمنغنيز غير القابلة للذوبان . ^{[ 24 ]} لهذا السبب، يُقترح أن يشير مصطلح "المجال القريب" الحراري المائي إلى منطقة عمود الدخان الحراري المائي التي تخضع لأكسدة نشطة للمعادن، بينما يشير مصطلح "المجال البعيد" إلى منطقة عمود الدخان التي حدثت فيها أكسدة كاملة للمعادن. ^{[ 23 ]}

الكيمياء الحيوية للمحيطات

تمثل الأعمدة الحرارية المائية آليةً مهمةً تؤثر من خلالها الأنظمة الحرارية المائية على الكيمياء الحيوية البحرية . تُطلق الفتحات الحرارية المائية مجموعةً واسعةً من المعادن النزرة في المحيط، بما في ذلك الحديد والمنغنيز والكروم والنحاس والزنك والكوبالت والنيكل والموليبدينوم والكادميوم والفاناديوم والتنغستن ، [ 26 ] والعديد منها له وظائف بيولوجية . [ 27 ] تتحكم ^العديد من ^{العمليات} الفيزيائية والكيميائية في مصير ^{هذه المعادن} بمجرد إطلاقها في عمود الماء. استنادًا إلى النظرية الديناميكية الحرارية ، من المفترض أن يتأكسد أيون الحديد ^{الثنائي} (Fe²⁺) والمنغنيز الثنائي (Mn²⁺ ^{) في مياه} البحر لتكوين رواسب هيدروكسيد (أوكسي) معدنية غير قابلة للذوبان؛ ومع ذلك، فإن تكوين معقدات مع المركبات العضوية وتكوين الغرويات والجسيمات النانوية يمكن أن يُبقي هذه العناصر الحساسة للأكسدة والاختزال معلقةً في المحلول بعيدًا عن موقع الفتحة. ^{[ 22 ] [ 24 ]}

غالبًا ما يكون الحديد والمنغنيز من بين المعادن ذات أعلى تركيزات في سوائل الفتحات الحرارية المائية الحمضية، ^{[ 26 ]} وكلاهما ذو أهمية بيولوجية، لا سيما الحديد، الذي يُعدّ عنصرًا غذائيًا محدودًا في البيئات البحرية. ^{[ 27 ]} لذلك، قد يُشكّل انتقال الحديد والمنغنيز لمسافات بعيدة عبر التكوين المعقد العضوي آليةً مهمةً لدورة المعادن في المحيطات. ^{[ 23 ]} بالإضافة إلى ذلك، تُزوّد ​​الفتحات الحرارية المائية المحيطات بتركيزات كبيرة من معادن نزرة أخرى ذات أهمية بيولوجية، مثل الموليبدينوم، الذي ربما كان له دورٌ هامٌ في التطور الكيميائي المبكر لمحيطات الأرض وفي نشأة الحياة (انظر "نظرية الأصل الحراري المائي للحياة"). ^{[ 26 ] [ 28 ]} مع ذلك، يُمكن أن تؤثر رواسب الحديد والمنغنيز أيضًا على الكيمياء الحيوية للمحيطات عن طريق إزالة المعادن النزرة من عمود الماء. تمتص الأسطح المشحونة لمعادن (أوكسي) هيدروكسيد الحديد بفعالية عناصر مثل الفوسفور والفاناديوم والزرنيخ والمعادن الأرضية النادرة من مياه البحر؛ لذلك، على الرغم من أن الأعمدة الحرارية المائية قد تمثل مصدراً صافياً للمعادن مثل الحديد والمنغنيز في المحيطات، إلا أنها قد تستنزف أيضاً معادن أخرى ومغذيات غير معدنية مثل الفوسفور من مياه البحر، مما يمثل مستودعاً صافياً لهذه العناصر. ^{[ 24 ]}

لطالما اعتُبرت الحياة مدفوعةً بالطاقة الشمسية، لكن الكائنات الحية في أعماق البحار لا تصلها أشعة الشمس، لذا تعتمد المجتمعات البيولوجية حول الفتحات الحرارية المائية على العناصر الغذائية الموجودة في الرواسب الكيميائية الغبارية والسوائل الحرارية المائية التي تعيش فيها. سابقًا، افترض علماء المحيطات القاعية أن كائنات الفتحات تعتمد على الثلج البحري ، كما هو الحال مع كائنات أعماق البحار. وهذا من شأنه أن يجعلها تعتمد على النباتات وبالتالي على الشمس. صحيح أن بعض كائنات الفتحات الحرارية المائية تستهلك هذا "المطر"، لكن مع وجود نظام كهذا فقط، ستكون أشكال الحياة نادرة. ومع ذلك، بالمقارنة مع قاع البحر المحيط، تتميز مناطق الفتحات الحرارية المائية بكثافة كائنات حية أكبر من 10,000 إلى 100,000 مرة.

تُعرف الفتحات الحرارية المائية بأنها نوع من النظم البيئية الكيميائية التركيبية ، حيث تُغذى الإنتاجية الأولية بالمركبات الكيميائية كمصادر للطاقة بدلاً من الضوء ( التغذية الكيميائية الذاتية ). ^{[ 29 ]} وتستطيع مجتمعات الفتحات الحرارية المائية استدامة هذا الكم الهائل من الكائنات الحية لأن الكائنات الحية فيها تعتمد على البكتيريا الكيميائية التركيبية في غذائها. وتتميز مياه الفتحات الحرارية المائية بغناها بالمعادن الذائبة، مما يدعم أعدادًا كبيرة من البكتيريا الكيميائية ذاتية التغذية. وتستخدم هذه البكتيريا مركبات الكبريت، وخاصة كبريتيد الهيدروجين ، وهو مادة كيميائية شديدة السمية لمعظم الكائنات الحية المعروفة، لإنتاج مواد عضوية من خلال عملية التخليق الكيميائي . ^{[ 30 ]}

إن تأثير الفتحات الحرارية على البيئة الحية يتجاوز الكائنات الحية التي تعيش حولها، حيث أنها تعمل كمصدر مهم للحديد في المحيطات، مما يوفر الحديد للعوالق النباتية. ^{[ 31 ]}

المجتمعات البيولوجية

يُعدّ كبريتيد فيغيروا ، الذي يعود إلى العصر الجوراسي المبكر في كاليفورنيا، أقدم سجل مؤكد لمجتمع بيولوجي "حديث" مرتبط بفتحة حرارية مائية . ^{[ 32 ]} يعتمد النظام البيئي المتشكل على استمرار وجود حقل الفتحات الحرارية المائية كمصدر رئيسي للطاقة، وهو ما يختلف عن معظم أشكال الحياة على سطح الأرض، التي تعتمد على الطاقة الشمسية . ومع ذلك، على الرغم من شيوع الاعتقاد بأن هذه المجتمعات موجودة بشكل مستقل عن الشمس، فإن بعض الكائنات الحية تعتمد في الواقع على الأكسجين الذي تنتجه الكائنات الحية التي تقوم بعملية التمثيل الضوئي، بينما يعيش البعض الآخر في ظروف لاهوائية .

تنمو البكتيريا الكيميائية التركيبية لتشكل طبقة سميكة تجذب كائنات حية أخرى، مثل البرمائيات والقشريات ، التي تتغذى على البكتيريا مباشرةً. وتشكل الكائنات الحية الأكبر حجمًا، مثل القواقع والروبيان وسرطان البحر والديدان الأنبوبية والأسماك (وخاصةً سمك الأنقليس وسمك الأنقليس ذي الحلق المقطوع وسمك الأنقليس ذي الشكل الثماني وسمك الأنقليس ذي الشكل الحراري ) والأخطبوطات (ولا سيما الأخطبوط الحراري المائي )، سلسلة غذائية من علاقات المفترس والفريسة فوق المستهلكين الأوليين. أما العائلات الرئيسية للكائنات الحية الموجودة حول فتحات قاع البحر فهي الديدان الحلقية والبطنيات والقشريات، حيث تشكل ذوات الصدفتين الكبيرة والديدان البرمائية والروبيان عديم العيون الجزء الأكبر من الكائنات غير الميكروبية.

تُشكل ديدان الأنابيب من فصيلة سيبوغلينيد ، التي قد يصل طولها إلى أكثر من مترين (6.6 قدم) في أكبر أنواعها، جزءًا هامًا من البيئة المحيطة بالفتحات الحرارية المائية. وهي لا تمتلك فمًا أو قناة هضمية، ومثل الديدان الطفيلية، تمتص العناصر الغذائية التي تنتجها البكتيريا الموجودة في أنسجتها. ويُقدر عدد البكتيريا في كل أونصة من نسيج دودة الأنابيب بحوالي 285 مليار بكتيريا. تتميز ديدان الأنابيب بخصلات حمراء تحتوي على الهيموجلوبين ، الذي يتحد مع كبريتيد الهيدروجين وينقله إلى البكتيريا التي تعيش داخل الدودة. في المقابل، تُغذي البكتيريا الدودة بمركبات الكربون. ومن بين الأنواع التي تسكن الفتحات الحرارية المائية، نوعان هما تيفنيا جيريشونانا وريفتيا باتشيبتيلا . ويتكون مجتمع مكتشف، يُطلق عليه اسم " مدينة الثعابين "، بشكل أساسي من ثعبان البحر ديسومينا روغوزا . وعلى الرغم من أن ثعابين البحر ليست نادرة، إلا أن اللافقاريات هي التي تهيمن عادةً على الفتحات الحرارية المائية. تقع مدينة إيل بالقرب من المخروط البركاني نافانوا ، في ساموا الأمريكية . ^{[ 33 ]}  

في عام ١٩٩٣، كان معروفًا وجود أكثر من ١٠٠ نوع من الرخويات في الفتحات الحرارية المائية. ^{[ ٣٤ ]} وقد تم اكتشاف أكثر من ٣٠٠ نوع جديد في هذه الفتحات، ^{[ ٣٥ ]} والعديد منها "أنواع شقيقة" لأنواع أخرى موجودة في مناطق فتحات منفصلة جغرافيًا. وقد طُرحت فرضية مفادها أنه قبل أن تتجاوز صفيحة أمريكا الشمالية سلسلة جبال منتصف المحيط ، كانت هناك منطقة جغرافية حيوية واحدة للفتحات الحرارية المائية في شرق المحيط الهادئ. ^{[ ٣٦ ]} وقد أدى الحاجز اللاحق أمام التنقل إلى بدء التباعد التطوري للأنواع في مواقع مختلفة. وتُعتبر أمثلة التطور التقاربي التي لوحظت بين الفتحات الحرارية المائية المتميزة دعمًا رئيسيًا لنظرية الانتقاء الطبيعي والتطور ككل. ^{[ ٣٧ ]}

على الرغم من ندرة الحياة في هذه الأعماق، تُعدّ المدخنات السوداء مراكز أنظمة بيئية متكاملة . ونظرًا لانعدام ضوء الشمس، تقوم العديد من الكائنات الحية، كالعتائق والكائنات المحبة للظروف القاسية ، بتحويل الحرارة والميثان ومركبات الكبريت التي توفرها المدخنات السوداء إلى طاقة من خلال عملية تُسمى التخليق الكيميائي . وتتغذى أشكال الحياة الأكثر تعقيدًا، كالمحار والديدان الأنبوبية ، على هذه الكائنات. كما تقوم الكائنات الحية في قاعدة السلسلة الغذائية بترسيب المعادن في قاعدة المدخنة السوداء، مُكملةً بذلك دورة الحياة .

تم اكتشاف نوع من البكتيريا ذاتية التغذية الضوئية يعيش بالقرب من مدخنة سوداء قبالة سواحل المكسيك على عمق 2500 متر (8200 قدم) . لا يخترق ضوء الشمس هذه المياه إلى هذا العمق. وبدلاً من ذلك، تستخدم هذه البكتيريا، التي تنتمي إلى عائلة الكلوروبيا ، التوهج الخافت المنبعث من المدخنة السوداء في عملية التمثيل الضوئي . وهذا هو أول كائن حي يُكتشف في الطبيعة يستخدم ضوءًا غير ضوء الشمس حصريًا في عملية التمثيل الضوئي. ^{[ 38 ]}  

تُكتشف أنواع جديدة ونادرة باستمرار في محيط الفوهات الحرارية السوداء. فقد عُثر على دودة بومبي (Alvinella pompejana )، القادرة على تحمل درجات حرارة تصل إلى 80 درجة مئوية (176 درجة فهرنهايت) ، في ثمانينيات القرن الماضي، بينما اكتُشف حلزون القدم الحرشفية ( Chrysomallon squamiferum ) لأول مرة عام 2001 خلال رحلة استكشافية إلى حقل فتحات كايري الحرارية المائية في المحيط الهندي . يستخدم هذا الحلزون كبريتيدات الحديد ( البيريت والجريجيت) في بناء صفائحه الجلدية الصلبة (أجزاء الجسم المتصلبة)، بدلاً من كربونات الكالسيوم . ويُعتقد أن الضغط الهائل الناتج عن 2500 متر من الماء (حوالي 25 ميجاباسكال أو 250 ضغط جوي ) يلعب دورًا في تثبيت كبريتيد الحديد لأغراض بيولوجية. وربما تُشكل هذه الصفائح المدرعة وسيلة دفاع ضد أسنان القواقع المفترسة السامة في تلك البيئة.     

في مارس 2017، أفاد باحثون باكتشاف أدلة على وجود أقدم أشكال الحياة على وجه الأرض . فقد عُثر على كائنات دقيقة متحجرة في رواسب الفتحات الحرارية المائية في حزام نوفواغيتوك في كيبيك، كندا ، والتي ربما عاشت منذ 4.280 مليار سنة ، أي بعد فترة وجيزة من تكوّن المحيطات قبل 4.4 مليار سنة ، وبعد فترة وجيزة من تكوّن الأرض قبل 4.54 مليار سنة. ^{[ 39 ] [ 40 ] [ 41 ]}

التكافل بين الحيوانات والبكتيريا

تتميز النظم البيئية للفتحات الحرارية المائية بكتلة حيوية وإنتاجية هائلة، لكن هذا يعتمد على العلاقات التكافلية التي تطورت في هذه الفتحات. وتختلف النظم البيئية للفتحات الحرارية المائية في أعماق البحار عن نظيراتها في المياه الضحلة واليابسة، وذلك بسبب التكافل الذي يحدث بين اللافقاريات الكبيرة المضيفة والكائنات الميكروبية ذاتية التغذية الكيميائية في الأولى. ^{[ 42 ]} ولأن ضوء الشمس لا يصل إلى الفتحات الحرارية المائية في أعماق البحار، لا تستطيع الكائنات الحية فيها الحصول على الطاقة من الشمس للقيام بعملية التمثيل الضوئي. وبدلاً من ذلك، فإن الحياة الميكروبية الموجودة في هذه الفتحات كيميائية التركيب؛ فهي تثبت الكربون باستخدام الطاقة من مواد كيميائية مثل الكبريتيد، بدلاً من الطاقة الضوئية من الشمس. بعبارة أخرى، يحول الكائن التكافلي الجزيئات غير العضوية (H₂S _، CO₂ _، O₂) إلى جزيئات عضوية يستخدمها المضيف كمصدر للغذاء. ومع ذلك، يُعد الكبريتيد مادة شديدة السمية لمعظم أشكال الحياة على الأرض. لهذا السبب، اندهش العلماء عندما اكتشفوا لأول مرة فتحات حرارية مائية تعج بالحياة عام 1977. فقد اكتشفوا التكافل الواسع النطاق بين الكائنات الكيميائية ذاتية التغذية التي تعيش داخل خياشيم حيوانات هذه الفتحات ( التكافل الداخلي )؛ وهو ما يفسر قدرة الكائنات متعددة الخلايا على البقاء في ظل سمية هذه الفتحات. ولذلك، يدرس العلماء الآن كيف تساعد هذه الكائنات الدقيقة المتكافلة في إزالة سمية الكبريتيد (مما يسمح للكائن المضيف بالبقاء على قيد الحياة في الظروف السامة). وتُظهر الدراسات التي أُجريت على وظائف الميكروبيوم أن الميكروبيومات المرتبطة بالكائن المضيف مهمة أيضًا في نمو الكائن المضيف وتغذيته ودفاعه ضد المفترسات وإزالة السموم. وفي المقابل، يزود الكائن المضيف الكائن المتكافل بالمواد الكيميائية اللازمة للتخليق الكيميائي، مثل الكربون والكبريتيد والأكسجين.

في المراحل الأولى لدراسة الحياة في الفتحات الحرارية المائية، تباينت النظريات حول الآليات التي تمكّن الكائنات متعددة الخلايا من الحصول على المغذيات من هذه البيئات، وكيفية بقائها على قيد الحياة في مثل هذه الظروف القاسية. في عام 1977، طُرحت فرضية مفادها أن البكتيريا الكيميائية ذاتية التغذية في الفتحات الحرارية المائية قد تكون مسؤولة عن المساهمة في النظام الغذائي للمحاريات ثنائية الصدفة التي تتغذى بالترشيح. ^{[ 43 ]}

أخيرًا، في عام 1981، اتضح أن حصول الديدان الأنبوبية العملاقة على الغذاء يتم نتيجةً لوجود بكتيريا تكافلية داخلية ذاتية التغذية كيميائيًا. ^{[ 44 ] [ 45 ] [ 46 ]} ومع استمرار العلماء في دراسة الحياة في الفتحات الحرارية المائية، تبين أن العلاقات التكافلية بين الكائنات ذاتية التغذية كيميائيًا وأنواع اللافقاريات الكبيرة منتشرة على نطاق واسع. فعلى سبيل المثال، في عام 1983، تم تأكيد احتواء أنسجة خياشيم المحار على بكتيريا تكافلية داخلية؛ ^{[ 47 ]} وفي عام 1984، وُجد أن بلح البحر من نوع باثيموديوليد وبلح البحر من نوع فيسيكوميد يحملان أيضًا بكتيريا تكافلية داخلية. ^{[ 48 ] [ 49 ]}

مع ذلك، تختلف الآليات التي تكتسب بها الكائنات الحية متعايشاتها، وكذلك العلاقات الأيضية. فعلى سبيل المثال، لا تمتلك الديدان الأنبوبية فمًا ولا أمعاءً، لكنها تمتلك "تروفوسومًا"، وهو المكان الذي تتغذى فيه وتوجد فيه متعايشاتها الداخلية. كما تمتلك أيضًا ريشة حمراء زاهية، تستخدمها لامتصاص مركبات مثل الأكسجين وكبريتيد الهيدروجين _وثاني أكسيد الكربون _، التي تغذي المتعايشات الداخلية في تروفوسومها. ومن اللافت للنظر أن هيموجلوبين الديدان الأنبوبية (وهو بالمناسبة سبب اللون الأحمر الزاهي للريشة) قادر على حمل الأكسجين دون تداخل أو تثبيط من الكبريتيد، على الرغم من أن الأكسجين والكبريتيد عادةً ما يكونان شديدي التفاعل. في عام 2005، اكتُشف أن هذا ممكن بفضل أيونات الزنك التي ترتبط بكبريتيد الهيدروجين في هيموجلوبين الديدان الأنبوبية، وبالتالي تمنع الكبريتيد من التفاعل مع الأكسجين. كما أنه يقلل من تعرض أنسجة الديدان الأنبوبية للكبريتيد، ويوفر للبكتيريا الكبريتيد اللازم لعملية التغذية الكيميائية الذاتية. ^{[ 50 ]} وقد اكتُشف أيضاً أن الديدان الأنبوبية تستطيع استقلاب ثاني أكسيد الكربون _{بطريقتين} مختلفتين، ويمكنها التبديل بينهما حسب الحاجة مع تغير الظروف البيئية. ^{[ 51 ]}

في عام 1988، أكدت الأبحاث وجود بكتيريا مؤكسدة للكبريتيد في بلح البحر Alviniconcha hessleri ، وهو نوع كبير من الرخويات التي تعيش في الفتحات الحرارية المائية. ^{[ 52 ]} ولتجنب سمية الكبريتيد، يقوم بلح البحر أولاً بتحويله إلى ثيوسلفات قبل نقله إلى الكائنات المتعايشة. ^{[ 53 ]} أما بالنسبة للكائنات المتحركة مثل روبيان ألفينوكاريد، فيجب عليها تتبع البيئات المؤكسدة (الغنية بالأكسجين) والبيئات اللاهوائية (الفقيرة بالأكسجين) مع تغيرها في البيئة.

تحمل الكائنات الحية التي تعيش على حافة حقول الفتحات الحرارية المائية، مثل محار الإسكالوب البكتيني، بكتيريا تكافلية داخلية في خياشيمها، ونتيجة لذلك، تكون كثافة البكتيريا فيها منخفضة مقارنةً بالكائنات الحية التي تعيش بالقرب من الفتحة. ومع ذلك، فإن اعتماد الإسكالوب على البكتيريا التكافلية الداخلية للحصول على غذائه يقلّ أيضًا.

علاوة على ذلك، لا تمتلك جميع الحيوانات المضيفة كائنات تكافلية داخلية؛ فبعضها يمتلك كائنات تكافلية خارجية - أي كائنات تعيش على سطح الحيوان وليس داخله. كان يُعتقد سابقًا أن الروبيان الموجود في الفتحات الحرارية في سلسلة جبال منتصف المحيط الأطلسي يُمثل استثناءً من ضرورة التكافل لبقاء اللافقاريات الكبيرة في هذه الفتحات. تغير هذا الاعتقاد في عام 1988 عندما اكتُشف أنه يحمل كائنات تكافلية خارجية. ^{[ 54 ]} ومنذ ذلك الحين، وُجد أن كائنات حية أخرى في الفتحات الحرارية تحمل كائنات تكافلية خارجية أيضًا، ^{[ 55 ]} مثل Lepetodrilis fucensis. ^{[ 56 ]}

علاوة على ذلك، فبينما تقوم بعض الكائنات التكافلية باختزال مركبات الكبريت، تُعرف كائنات أخرى باسم " الميثانوترافات " وتقوم باختزال مركبات الكربون، وتحديداً غاز الميثان. وتُعد بلح البحر من فصيلة باثموديوليد مثالاً على كائن مضيف يحتوي على كائنات تكافلية داخلية ميثانوترافية؛ إلا أن هذه الأخيرة تتواجد في الغالب في الينابيع الباردة بدلاً من الفتحات الحرارية المائية.

على الرغم من أن عملية التخليق الكيميائي التي تحدث في أعماق المحيط تسمح للكائنات الحية بالعيش دون ضوء الشمس بشكل مباشر، إلا أنها لا تزال تعتمد تقنيًا على الشمس للبقاء على قيد الحياة، لأن الأكسجين في المحيط هو نتاج ثانوي لعملية التمثيل الضوئي. مع ذلك، إذا اختفت الشمس فجأة وتوقفت عملية التمثيل الضوئي على كوكبنا، فإن الحياة في الفتحات الحرارية المائية في أعماق البحار قد تستمر لآلاف السنين (حتى ينضب الأكسجين).

في عام ١٩٤٩، كشف مسحٌ للمياه العميقة عن وجود محاليل ملحية ساخنة بشكل غير طبيعي في الجزء الأوسط من البحر الأحمر . وأكدت دراسات لاحقة في ستينيات القرن الماضي وجود محاليل ملحية ساخنة تصل درجة حرارتها إلى ٦٠ درجة مئوية (١٤٠ درجة فهرنهايت) مصحوبة بطين معدني. وكانت هذه المحاليل الساخنة تنبعث من صدع نشط تحت قاع البحر . ولم تكن ملوحة المياه العالية مواتية للكائنات الحية. ^{[ ٩٠ ]} وتخضع هذه المحاليل الملحية والطين المصاحب لها حاليًا للدراسة كمصدر للمعادن النفيسة والأساسية القابلة للتعدين.  

في يونيو 1976، حصل علماء من معهد سكريبس لعلوم المحيطات على أول دليل على وجود فتحات حرارية مائية تحت سطح البحر على طول صدع غالاباغوس، وهو امتداد من سلسلة جبال شرق المحيط الهادئ ، وذلك خلال رحلة استكشافية على متن سفينة "بلياديس 2" ، باستخدام نظام التصوير العميق لقاع البحر. ^{[ 91 ]} وفي عام 1977، نُشرت أولى الأوراق العلمية حول الفتحات الحرارية المائية ^{[ 92 ]} من قِبل علماء من معهد سكريبس لعلوم المحيطات ؛ حيث نشر الباحث بيتر لونسديل صورًا التقطتها كاميرات مثبتة في أعماق البحار، ^{[ 93 ]} ونشرت طالبة الدكتوراه كاثلين كرين خرائط وبيانات عن شذوذ درجات الحرارة. ^{[ 94 ]} وتم نشر أجهزة إرسال واستقبال في الموقع، الذي أُطلق عليه اسم "كلام-بيك"، لتمكين بعثة استكشافية من العودة في العام التالي لإجراء ملاحظات مباشرة باستخدام غواصة الأبحاث " ألفين" .

رُصدت النظم البيئية الكيميائية التركيبية المحيطة بفتحات غالاباغوس الحرارية المائية تحت سطح البحر لأول مرة بشكل مباشر عام 1977، عندما عاد فريق من الجيولوجيين البحريين، بتمويل من المؤسسة الوطنية للعلوم، إلى مواقع كلامبايك. وكان الباحث الرئيسي للدراسة التي أُجريت باستخدام الغواصة هو جاك كورليس من جامعة ولاية أوريغون . قام كورليس وتيرد فان أندل من جامعة ستانفورد برصد الفتحات ونظامها البيئي وأخذ عينات منهما في 17 فبراير 1977، أثناء الغوص في الغواصة البحثية "دي إس في ألفين " التابعة لمعهد وودز هول لعلوم المحيطات . ^{[ 95 ]} وشمل العلماء الآخرون في الرحلة البحثية ريتشارد (ديك) فون هيرزن وروبرت بالارد من معهد وودز هول لعلوم المحيطات، وجاك دايموند ولويس غوردون من جامعة ولاية أوريغون، وجون إدموند وتانيا أتووتر من معهد ماساتشوستس للتكنولوجيا ، وديف ويليامز من هيئة المسح الجيولوجي الأمريكية ، وكاثلين كرين من معهد سكريبس لعلوم المحيطات . ^{[ 95 ] [ 96 ]} نشر هذا الفريق ملاحظاته حول الفتحات الحرارية والكائنات الحية وتكوين سوائل الفتحات في مجلة ساينس. ^{[ 97 ]} في عام 1979، عاد فريق من علماء الأحياء بقيادة ج. فريدريك غراسلي، الذي كان يعمل آنذاك في معهد وودز هول لعلوم المحيطات ، إلى الموقع نفسه لدراسة المجتمعات البيولوجية التي تم اكتشافها قبل عامين.

اكتُشفت الفتحات الحرارية المائية ذات درجات الحرارة العالية، والمعروفة باسم "المدخنات السوداء"، في ربيع عام 1979 على يد فريق من معهد سكريبس لعلوم المحيطات باستخدام الغواصة ألفين . استكشفت بعثة رايز (RISE) مرتفع شرق المحيط الهادئ عند خط عرض 21° شمالًا بهدف اختبار رسم الخرائط الجيوفيزيائية لقاع البحر باستخدام ألفين ، والعثور على حقل حراري مائي آخر يقع خلف فتحات صدع غالاباغوس. قاد البعثة فريد سبيس وكين ماكدونالد ، وضمّت مشاركين من الولايات المتحدة والمكسيك وفرنسا. ^{[ 18 ]} تم اختيار منطقة الغوص بناءً على اكتشاف تلال من معادن الكبريتيد في قاع البحر من قِبل بعثة سيامكس الفرنسية عام 1978. ^{[ 98 ]}  قبل بدء عمليات الغوص، حدد روبرت بالارد، أحد أعضاء البعثة، شذوذات في درجة حرارة المياه بالقرب من القاع باستخدام مجموعة أدوات مسح عميقة. استهدفت الغطسة الأولى إحدى هذه الشذوذات. في يوم أحد عيد الفصح الموافق 15 أبريل 1979، وخلال غطسة الغواصة ألفين إلى عمق 2600 متر، عثر روجر لارسون وبروس لويينديك على حقل من الفتحات الحرارية المائية ذي مجتمع بيولوجي مشابه لفتحات جزر غالاباغوس. وفي غطسة لاحقة في 21 أبريل، اكتشف ويليام نورمارك وتيري جوتو فتحات ذات درجة حرارة عالية تنبعث منها نفاثات من جزيئات معدنية سوداء من مداخنها، وهي ما تُعرف باسم "المدخنات السوداء". ^{[ 99 ]} بعد ذلك، قام ماكدونالد وجيم أيكن بتركيب مسبار حراري على الغواصة ألفين لقياس درجة حرارة الماء عند فتحات المدخنات السوداء. وقد رصدت هذه القياسات أعلى درجات حرارة سُجلت آنذاك في الفتحات الحرارية المائية في أعماق البحار (380±30  درجة مئوية). ^{[ 100 ]} وكشف تحليل مواد المدخنات السوداء والمداخن التي تغذيها أن رواسب كبريتيد الحديد هي المعادن الشائعة في "الدخان" وجدران المداخن. ^{[ 101 ]} 

في عام 2005، تقدمت شركة نبتون ريسورسز إن إل، وهي شركة تنقيب عن المعادن، بطلب وحصلت على 35000  كيلومتر ^{مربع من} حقوق التنقيب فوق قوس كيرماديك في المنطقة الاقتصادية الخالصة لنيوزيلندا للتنقيب عن رواسب الكبريتيد الضخمة في قاع البحر ، وهو مصدر جديد محتمل لكبريتيدات الرصاص والزنك والنحاس المتكونة من حقول الفتحات الحرارية المائية الحديثة. تم الإعلان في أبريل 2007 عن اكتشاف فتحة في المحيط الهادئ قبالة سواحل كوستاريكا ، أطلق عليها اسم حقل الفتحات الحرارية المائية ميدوسا (نسبة إلى ميدوسا ذات الشعر الأفعواني في الأساطير اليونانية ). ^{[ 102 ]} كان حقل أشادزي الحراري المائي (13 درجة شمالاً على سلسلة جبال منتصف المحيط الأطلسي، على ارتفاع -4200 متر) أعمق حقل حراري مائي معروف بدرجة حرارة عالية حتى عام 2010، عندما اكتشف فريق من العلماء من مختبر الدفع النفاث التابع لناسا ومؤسسة وودز هول لعلوم المحيطات عمودًا حراريًا مائيًا ينبعث من موقع بيبي ^{[ 103 ]} ( 18°33′ شمالاً 81°43′ غرباً / 18.550° شمالاً 81.717° غرباً / 18.550؛ -81.717 ، على ارتفاع -5000 متر) . يقع هذا الموقع على امتداد مرتفع ميد-كايمان الذي يبلغ طوله 110 كيلومترات، والذي يتميز بتوسعه البطيء للغاية، ضمن حوض كايمان . ^{[ 104 ]} في أوائل عام 2013، تم اكتشاف أعمق الفتحات الحرارية المائية المعروفة في البحر الكاريبي على عمق يقارب 5000 متر (16000 قدم) . ^{[ 105 ]}    

يدرس علماء المحيطات البراكين والفتحات الحرارية المائية في سلسلة جبال خوان دي فوكا وسط المحيط حيث تتحرك الصفائح التكتونية مبتعدة عن بعضها البعض. ^{[ 106 ]}

يجري حاليًا استكشاف الفتحات الحرارية المائية وغيرها من المظاهر الحرارية الأرضية في خليج كونسبسيون، باجا كاليفورنيا سور، المكسيك. ^{[ 107 ]}

تنتشر الفتحات الحرارية المائية على طول حدود الصفائح الأرضية، مع إمكانية وجودها أيضًا في مواقع داخل الصفائح، مثل البراكين النشطة. وبحلول عام 2009، كان هناك ما يقارب 500 حقل معروف من الفتحات الحرارية المائية النشطة تحت سطح البحر، حيث رُصد نصفها تقريبًا بالعين المجردة في قاع البحر، بينما يُشتبه في وجود النصف الآخر بناءً على مؤشرات عمود الماء و/أو رواسب قاع البحر. ^{[ 108 ]}

تعرّف روجر وآخرون (2012) ^{[ 109 ]} على ما لا يقل عن 11 منطقة جغرافية حيوية لأنظمة الفتحات الحرارية المائية:

1. مقاطعة سلسلة جبال منتصف المحيط الأطلسي ،
2. مقاطعة إيست سكوتيا ريدج ،
3. مقاطعة شمال شرق المحيط الهادئ المرتفعة ،
4. مقاطعة مرتفعات شرق المحيط الهادئ الوسطى،
5. مقاطعة جنوب شرق المحيط الهادئ المرتفعة،
6. جنوب صفيحة إيستر الصغيرة ،
7. مقاطعة المحيط الهندي،
8. أربع مقاطعات في غرب المحيط الهادئ وغيرها الكثير.

أدت الفتحات الحرارية المائية، في بعض الحالات، إلى تكوين موارد معدنية قابلة للاستغلال عبر ترسب رواسب الكبريتيد الضخمة في قاع البحر . ويُعدّ منجم ماونت إيزا ، الواقع في كوينزلاند ، أستراليا ، مثالًا ممتازًا على ذلك. ^{[ 110 ]} وتزخر العديد من الفتحات الحرارية المائية بالكوبالت والذهب والنحاس والمعادن الأرضية النادرة الضرورية للمكونات الإلكترونية. ^{[ 111 ]} ويُعتقد أن الفتحات الحرارية المائية في قاع البحر الأركي قد شكّلت تكوينات حديدية شريطية من نوع ألغوما ، والتي كانت مصدرًا لخام الحديد . ^{[ 112 ]}

في الآونة الأخيرة، اتجهت شركات التنقيب عن المعادن، مدفوعةً بارتفاع أسعار المعادن الأساسية خلال منتصف العقد الأول من الألفية الثانية، إلى استخراج الموارد المعدنية من الحقول الحرارية المائية في قاع البحر. ومن الناحية النظرية، يُمكن تحقيق تخفيضات كبيرة في التكاليف. ^{[ 113 ]}

في دول مثل اليابان ، حيث تُستمد الموارد المعدنية في المقام الأول من الواردات الدولية، ^{[ 114 ]} يوجد توجه خاص نحو استخراج الموارد المعدنية من قاع البحر. ^{[ 115 ]} وقد نفذت  الشركة الوطنية اليابانية للنفط والغاز والمعادن (JOGMEC) أول عملية تعدين "واسعة النطاق" في العالم لرواسب المعادن في الفتحات الحرارية المائية خلال شهري أغسطس وسبتمبر 2017. استخدمت الشركة سفينة الأبحاث هاكوري في هذه العملية. أُجري التعدين في حقل فتحات "إيزينا" ضمن حوض أوكيناوا ، وهو حوض خلفي نشط حراريًا مائيًا ، ويضم 15 حقل فتحات مؤكدة وفقًا لقاعدة بيانات فتحات إنترريدج.

تخوض شركتان حاليًا المراحل الأخيرة من استخراج الكبريتيدات الضخمة من قاع البحر. شركة نوتيلوس مينيرالز في مراحل متقدمة من بدء الاستخراج من رواسب سولوارا في أرخبيل بسمارك ، بينما شركة نبتون مينيرالز في مرحلة مبكرة مع رواسب رامبل 2 ويست الواقعة في قوس كيرماديك ، بالقرب من جزر كيرماديك . وتقترح الشركتان استخدام تقنيات مُعدّلة. نجحت نوتيلوس مينيرالز، بالشراكة مع بلاسر دوم (التي أصبحت الآن جزءًا من باريك جولد )، في عام 2006 في إعادة أكثر من 10  أطنان مترية من الكبريتيدات الضخمة المستخرجة إلى السطح باستخدام قواطع أسطوانية مُعدّلة مُثبّتة على مركبة غاطسة تعمل عن بُعد، وهو إنجاز عالمي غير مسبوق. ^{[ 116 ]} وفي عام 2007، نجحت نبتون مينيرالز في استعادة عينات من رواسب الكبريتيدات الضخمة باستخدام مضخة شفط مُعدّلة من صناعة النفط مُثبّتة على مركبة غاطسة تعمل عن بُعد، وهو أيضًا إنجاز عالمي غير مسبوق. ^{[ 117 ]}

للتعدين المحتمل في قاع البحر آثار بيئية، بما في ذلك أعمدة الغبار الناتجة عن آلات التعدين والتي تؤثر على الكائنات الحية التي تتغذى بالترشيح، ^{[ 111 ]} وانهيار أو إعادة فتح الفتحات، وإطلاق غاز الميثان ، أو حتى حدوث انهيارات أرضية تحت سطح المحيط. ^{[ 118 ]}

هناك أيضًا آثار بيئية محتملة ناجمة عن الأدوات المستخدمة في استخراج المعادن من هذه النظم البيئية للفتحات الحرارية المائية، بما في ذلك التلوث الضوضائي والإضاءة الاصطناعية. يتطلب استخراج المعادن من هذه النظم استخدام أدوات تعدين مغمورة في قاع البحر، بما في ذلك المركبات التي يتم تشغيلها عن بُعد تحت الماء ، بالإضافة إلى سفن الدعم السطحية. ^{[ 119 ]} لا محالة، سينتج عن تشغيل هذه الآلات مستوى معين من الضوضاء، مما يمثل مشكلة للكائنات الحية في الفتحات الحرارية المائية، لأنها تعيش على عمق يصل إلى 12000 قدم تحت سطح المحيط، وبالتالي فهي لا تتعرض إلا لقليل من الصوت. ^{[ 119 ]} ونتيجة لذلك، تطورت هذه الكائنات الحية لتمتلك أعضاء سمعية شديدة الحساسية، لذا فإن أي زيادة مفاجئة في الضوضاء، كتلك التي تُحدثها آلات التعدين، قد تُلحق الضرر بهذه الأعضاء السمعية وتؤذي الكائنات الحية في الفتحات. ^{[ 119 ]} من المهم أيضًا مراعاة أن العديد من الدراسات أظهرت أن نسبة كبيرة من الكائنات القاعية تتواصل باستخدام أصوات منخفضة التردد للغاية؛ لذا، فإن زيادة مستويات الضوضاء المحيطة في قاع البحر قد تحجب التواصل بين هذه الكائنات وتغير أنماط سلوكها. ^{[ 119 ]} وكما تُسبب أدوات التعدين في أعماق البحار تلوثًا ضوضائيًا، فإنها تُنتج أيضًا مصادر إضاءة من صنع الإنسان في قاع البحر (من أدوات التعدين) وعلى سطح المحيط (من سفن الدعم السطحية). تعيش الكائنات الحية في هذه الأنظمة الحرارية المائية في المنطقة المظلمة من المحيط، وقد تكيفت مع ظروف الإضاءة المنخفضة جدًا. أظهرت الدراسات التي أُجريت على روبيان أعماق البحار أن الأضواء الكاشفة المستخدمة في قاع البحر لدراسة هذه الأنظمة قد تُسبب تلفًا دائمًا في شبكية العين، ^{[ 119 ]} مما يستدعي إجراء المزيد من البحوث حول المخاطر المحتملة على الكائنات الحية الأخرى في هذه الأنظمة. إضافةً إلى المخاطر التي تُهدد كائنات أعماق البحار، تستخدم سفن الدعم السطحية إضاءة ليلية من صنع الإنسان . ^{[ 119 ]} أظهرت الأبحاث أن هذا النوع من الإضاءة على سطح المحيط قد يُربك الطيور البحرية ويُسبب لها حوادث سقوط، حيث تطير باتجاه الضوء المُصنّع وتُصاب بالإرهاق أو تصطدم بأجسام من صنع الإنسان، مما يؤدي إلى إصابتها أو نفوقها. ^{[ 119 ]} يجب مراعاة كل من الكائنات المائية والبرية عند تقييم الآثار البيئية لاستخراج المعادن من الفتحات الحرارية المائية.

هناك ثلاث عمليات لمعالجة مخلفات التعدين، تُعرف باسم إطلاق الرواسب الجانبية، وعملية نزح المياه، وتحول الرواسب أو اضطرابها، والتي من المتوقع حدوثها في عمليات التعدين في أعماق البحار، وقد تؤدي إلى تراكم سحابة من الرواسب، مما قد يكون له آثار بيئية كبيرة. إطلاق الرواسب الجانبية هو عملية تحدث في قاع البحر، وتتضمن نقل المواد من قاع البحر بواسطة المركبات الموجهة عن بُعد (ROV) المغمورة، ومن المرجح أن تُساهم في تكوين سحابات من الرواسب في قاع البحر. ^{[ 119 ]} وتتلخص فكرة إطلاق الرواسب الجانبية في قيام المركبات الموجهة عن بُعد (ROV) بالتخلص من المواد غير القيّمة اقتصاديًا على جانب موقع التعدين قبل نقل المواد الكبريتية إلى السفينة الداعمة على السطح. والهدف من هذه العملية هو تقليل كمية المواد المنقولة إلى السطح وتقليل التلوث البري. ^{[ 119 ]} أما عملية نزح المياه فهي عملية لمعالجة مخلفات التعدين، ومن المرجح أن تُساهم في تكوين سحابات من الرواسب من السطح. تُطلق طريقة التخلص من نفايات المناجم مياهًا من السفينة، ربما تكون قد جُمعت أثناء استخراج ونقل المواد من قاع البحر إلى السطح. أما المساهمة الثالثة في تكوين سحابة الرواسب فهي اضطراب الرواسب وإطلاقها. وترتبط هذه المساهمة من نفايات التعدين بشكل رئيسي بنشاط التعدين في قاع البحر، المصاحب لحركة المركبات الموجهة عن بُعد (ROVs) والاضطراب المدمر لقاع البحر كجزء من عملية التعدين نفسها. ^{[ 119 ]}

تتمثل المخاوف البيئية الرئيسية الناتجة عن عمليات استخراج النفايات هذه، والتي تُسهم في تكوين عمود الرواسب، في انبعاث المعادن الثقيلة وزيادة كميات الرواسب المنبعثة. ويرتبط انبعاث المعادن الثقيلة بشكل أساسي بعملية نزح المياه التي تتم على متن السفينة عند سطح الماء. ^{[ 119 ]} وتكمن المشكلة الرئيسية المرتبطة بنزح المياه في أنها لا تقتصر على إعادة مياه البحر إلى عمود الماء فحسب، بل تشمل أيضًا المعادن الثقيلة مثل النحاس والكوبالت، التي تُستخرج من المواد الموجودة في قاع البحر، والتي تختلط أيضًا بالمياه المنبعثة. يتمثل القلق البيئي الأول المرتبط بانبعاث المعادن الثقيلة في احتمالية تغيير التركيب الكيميائي للمحيط في تلك المنطقة المحددة من عمود الماء. أما القلق الثاني، فيتمثل في أن بعض المعادن الثقيلة المنبعثة قد تكون سامة للكائنات الحية التي تعيش في تلك المنطقة، وكذلك للكائنات التي تمر عبر موقع التعدين. ^{[ 119 ]} ترتبط المخاوف المتعلقة بزيادة إطلاق الرواسب بشكل رئيسي بعمليتي نفايات التعدين الأخريين، وهما الرواسب الجانبية واضطراب رواسب قاع البحر. ويتمثل الشاغل البيئي الرئيسي في اختناق الكائنات الحية في الأسفل نتيجة إعادة توزيع كميات كبيرة من الرواسب إلى مناطق أخرى في قاع البحر، مما قد يهدد أعداد الكائنات الحية التي تعيش في تلك المنطقة. كما يمكن أن تؤثر إعادة توزيع كميات كبيرة من الرواسب على عمليات التغذية وتبادل الغازات بين الكائنات الحية، مما يشكل تهديدًا خطيرًا لها. وأخيرًا، يمكن أن تزيد هذه العمليات أيضًا من معدل الترسيب في قاع البحر، مما ينتج عنه حد أدنى متوقع يبلغ 500  متر لكل 1-10  كيلومترات. ^{[ 119 ]}

تبذل الشركتان المذكورتان أعلاه جهودًا كبيرة حاليًا لضمان فهم الآثار البيئية المحتملة لتعدين قاع البحر فهمًا دقيقًا، وتطبيق تدابير رقابية قبل بدء عمليات الاستغلال. ^{[ 120 ]} ومع ذلك، يُمكن القول إن هذه العملية قد تعثرت بسبب التوزيع غير المتناسب لجهود البحث بين النظم البيئية للفتحات الحرارية المائية؛ فالنظم البيئية للفتحات الحرارية المائية الأكثر دراسة وفهمًا لا تُمثل تلك المستهدفة بالتعدين. ^{[ 121 ]}

بُذلت محاولات سابقة لاستغلال المعادن من قاع البحر. شهدت الستينيات والسبعينيات من القرن الماضي نشاطًا مكثفًا (وإنفاقًا كبيرًا) في استخراج عقيدات المنغنيز من سهول الأعماق السحيقة ، مع تفاوت في درجات النجاح. ومع ذلك، يُظهر هذا أن استخراج المعادن من قاع البحر ممكن، بل وممكن منذ فترة. استُخدم تعدين عقيدات المنغنيز كغطاء لمحاولة وكالة المخابرات المركزية الأمريكية (CIA) المعقدة عام 1974 لانتشال الغواصة السوفيتية الغارقة K-129 باستخدام سفينة Glomar Explorer ، التي صممها هوارد هيوز خصيصًا لهذه المهمة . ^{[ 122 ]} عُرفت العملية باسم مشروع أزوريان ، وربما كان غطاء تعدين عقيدات المنغنيز من قاع البحر بمثابة الحافز الذي دفع شركات أخرى لمحاولة القيام بذلك.

كانت حماية الفتحات الحرارية المائية موضوع نقاش حاد أحيانًا في الأوساط العلمية المتخصصة في علوم المحيطات على مدى العشرين  عامًا الماضية. ^{[ 123 ]} وقد أشير إلى أن العلماء قد يكونون هم الأكثر تسببًا في الضرر لهذه الموائل النادرة نسبيًا. ^{[ 124 ] [ 125 ]} وقد بُذلت محاولات للتوصل إلى اتفاقيات بشأن سلوك العلماء الذين يدرسون مواقع هذه الفتحات، ولكن على الرغم من وجود مدونة سلوك متفق عليها، إلا أنه لا يوجد اتفاق دولي رسمي ملزم قانونًا. ^{[ 126 ]}

استخراج المعادن

يُعدّ التعدين في أعماق البحار أحد أهمّ المواضيع التي تُناقش في سياق الحفاظ على النظم البيئية للفتحات الحرارية المائية . ^{[ 127 ]} هناك أربعة موارد معدنية رئيسية قيد الدراسة للاستخراج التجاري: عقيدات المنغنيز ، والقشور الغنية بالكوبالت ، ورواسب الكبريتيد الضخمة في قاع البحر، وعقيدات الفوسفوريت. ^{[ 127 ]} تُشكّل رواسب الكبريتيد الضخمة في قاع البحر المحيطة بالفتحات الحرارية المائية محورًا أساسيًا للنقاش. وكما ذُكر سابقًا، تُنتج المدخنات السوداء كميات وفيرة من الكبريتيدات، لا سيما من خلال إنتاج كبريتيدات الحديد ، وتحديدًا البيريت . ^{[ 92 ]} يؤدي إنتاج الكبريتيد هذا إلى ترسبات عالية منه في العديد من المدخنات السوداء. ^{[ 128 ]} ويتمحور النقاش حول الحفاظ على هذه النظم حول الموازنة بين إمكانيات الاستخدام المستدام للكبريتيد المُستخرج حديثًا وآثار استخراجه تجاريًا عبر التعدين في أعماق البحار. ^{[ 128 ]}

لا تزال آثار الاستخراج التجاري للمعادن من أعماق البحار غير معروفة إلى حد كبير نظرًا للطبيعة الديناميكية للغاية للنظام البيئي للفتحات الحرارية المائية. ^{[ 127 ]} يعتمد تعدين نظام بيئي نشط للفتحات الحرارية المائية في أعماق البحار على إعادة استيطان البكتيريا الكيميائية التركيب، وبالتالي استمرار تدفق سائل الفتحات الحرارية المائية باعتباره المصدر الرئيسي للطاقة الحرارية المائية . ^{[ 119 ]} من الصعب جدًا تكوين فكرة عن آثار التعدين على سائل الفتحات الحرارية المائية لعدم وجود دراسات واسعة النطاق. ^{[ 119 ]} مع ذلك، أُجريت دراسات حول إعادة استيطان هذه النظم البيئية للفتحات بعد الدمار البركاني. ^{[ 129 ]} ومن خلال هذه الدراسات، يمكننا فهم الآثار المحتملة للتدمير الناتج عن التعدين ، وقد تبين أن الأمر يستغرق من 3 إلى 5 سنوات حتى تعيد البكتيريا استيطان المنطقة، وحوالي 10 سنوات حتى تعود الحيوانات الضخمة. ^{[ 129 ]} كما وُجد أن هناك تحولًا في تكوين الأنواع في النظام البيئي مقارنةً بما قبل التدمير، ووجود أنواع دخيلة. ^{[ 119 ]} يُشكل هذا التحول في التنوع البيولوجي تحدياتٍ لبعض الأنواع المُهددة بالانقراض بشدة والتي تزدهر في بيئة أعماق البحار القاسية، مثل الرخويات . ^{[ 130 ]} مع ذلك، لا تزال هناك حاجة إلى مزيد من البحث حول آثار التعدين المُستدام للصخور الحرارية المائية في قاع البحر على إعادة استيطان الأنواع. وقد اقتُرحت الفتحات الحرارية المائية الضحلة أيضًا كنموذج مُحتمل لتغير المناخ في البيئات القاسية، وتحديدًا من خلال تتبع التغيرات التي تطرأ على الكائنات الحية شديدة التخصص الموجودة محليًا في الفتحة. ^{[ 131 ]} تُعد التأثيرات الرئيسية لتغير المناخ ، مثل تحمض المحيطات وارتفاع درجة الحرارة وترسب المعادن الثقيلة ، على النظم البيئية المحلية للفتحات الحرارية المائية، من المجالات ذات الأهمية لهذه النماذج. ^{[ 131 ]} ويُعد تأثير التعدين في أعماق البحار على فعالية هذه النماذج مجالًا يستحق الاهتمام في المستقبل.

من الطرق الشائعة لتحديد أعمار الفتحات الحرارية المائية تحديد عمر معادن الكبريتيد (مثل البيريت ) والكبريتات (مثل الباريت ). ^{[ 132 ] [ 133 ] [ 134 ] [ 135 ] [ 136 ]} تشمل طرق التأريخ الشائعة التأريخ الإشعاعي ^{[ 132 ] [ 133 ]} والتأريخ بالرنين المغناطيسي الإلكتروني . ^{[ 134 ] [ 135 ] [ 136 ]} لكل طريقة من طرق التأريخ قيودها وافتراضاتها وتحدياتها الخاصة. تشمل التحديات العامة نقاء المعادن المستخرجة العالي المطلوب للتأريخ، والنطاق العمري لكل طريقة تأريخ، والتسخين فوق درجات حرارة الإغلاق الذي يمحو أعمار المعادن الأقدم، وتعدد مراحل تكوين المعادن مما ينتج عنه خليط من الأعمار. في البيئات ذات المراحل المتعددة لتكوين المعادن ، يعطي التأريخ بالرنين المغناطيسي الإلكتروني عمومًا متوسط ​​عمر المعدن الكلي، بينما تميل التواريخ الإشعاعية إلى أعمار المراحل الأحدث بسبب تحلل النوى الأصلية . وهذا يفسر سبب اختلاف أعمار العينات التي تُحددها الطرق المختلفة، وسبب احتواء المدخنة الحرارية المائية نفسها على عينات ذات أعمار مختلفة. ^{[ 135 ] [ 136 ] [ 137 ]}

على الرغم من أن بعض علماء الكيمياء الحيوية الجيولوجية، مثل روجرز وآخرون (2012) ^{[ 138 ]} ، قد حددوا مواقع الفتحات الحرارية المائية، إلا أن مواقع تكوينات هذه الفتحات المعروفة في أعماق البحار لا تزال غير مفهومة تمامًا. فقاع المحيط لم يُستكشف بشكل كافٍ، إذ لا تتجاوز نسبة المناطق المعروفة منه 1% ^{[ 139 ]} . ويدرك معظم العلماء حاليًا أن معظم الفتحات الحرارية المائية تتشكل على طول سلاسل الجبال في منتصف المحيط ^{[ 140 ] [ 141 ].} ويُعد موقع هذه الأنظمة مهمًا لفهم تكوينها، حيث تدور معظم النظريات المقبولة حول النشاط الزلزالي، لا سيما بالقرب من المناطق البركانية ^{[ 142 ] .}

أدى النشاط الزلزالي خلال التصدع القاري في العصرين الباليوسيني والإيوسيني إلى ثوران الغازات والسوائل والرواسب من لب الأرض. ^{[ 143 ]} وقد أدى هذا الحدث التداخلي إلى تكوين فوهات كبيرة تقع فوق طبقات صخرية متداخلة. الطبقات الصخرية المتداخلة هي طبقات من الصخور النارية حيث تتخلل الصهارة بين طبقات الصخور الطبقية الموجودة. ^{[ 144 ]} تُعد هذه الفوهات الكبيرة في قاع البحر تجمعات من الفتحات الحرارية المائية. تشمل السمات المميزة لهذه الفتحات طبقات رسوبية مائلة إلى الداخل، وسدودًا وأنابيبًا وبريشات من الحجر الرملي. تُصنف هذه السمات على أنها تداخلات تحت بركانية، والتي تؤدي إلى نشاط حراري مائي. ^{[ 145 ]} استخدمت دراسة بيانات الانعكاس الزلزالي ثنائية الأبعاد لتوصيف هياكل هذه الأنظمة، الغائرة في فوهات ذات شكل جانبي قمعي. ^{[ 146 ]} تُعرف هذه التراكيب عادةً باسم المداخن، وهي تتشكل فوق سطح الفتحات الحرارية. تتفاعل القشرة المحيطية ومياه البحر لتشكيل هذه الأنظمة، وتُغير التركيب الكيميائي المحلي، وتُكوّن رواسب غنية بمختلف المعادن. ^{[ 140 ]} يُتيح الترسيب الفريد للمعادن والتغيرات الكيميائية المحلية بدورها ظروفًا مواتية لحياة الكائنات المحبة للحرارة وغيرها من الكائنات الحية.

• التولد التلقائي – نشوء الحياة من مادة غير حية 
• بركة المحلول الملحي – تراكم المحلول الملحي في منخفض قاع البحر 
• فتحات إنديفور الحرارية المائية – مجموعة من الفتحات الحرارية المائية في المحيط الهادئ 
• الكائنات المتطرفة – كائنات قادرة على العيش في بيئات قاسية. صفحات تعرض أوصافًا مختصرة لأهداف إعادة التوجيه. 
• التخليق الكيميائي لكبريتيد الهيدروجين - نظام لتوليد الطاقة يُستخدم في الفتحات الحرارية المائية
• حقل المدينة المفقودة الحراري المائي
• جبل ماجيك (كولومبيا البريطانية) – حقل فتحات حرارية مائية في شمال شرق المحيط الهادئ 
• 9° شمالاً – منطقة الفتحات الحرارية المائية على سلسلة جبال شرق المحيط الهادئ في المحيط الهادئ 
• جبل بيتو البحري – جبل بحري في المحيط الهادئ شمال شمال غرب جزيرة إيستر 
• بركان تحت الماء – فتحات أو شقوق تحت الماء في سطح الأرض يمكن أن تنفجر منها الصهارة 
• رواسب خام الكبريتيد الضخمة البركانية المنشأ ، والمعروفة أيضًا باسم رواسب VMS – رواسب خام كبريتيد المعادن 
• التعدين في أعماق البحار