Mariana Trench

Các nhà khoa học đã xác định được một vị trí mới trên rãnh Mariana (nơi đáy biển ở độ sâu khoảng 11 km) có thể tranh ngôi vị vô địch với Challenger Deep, điểm được xem là thấp nhất trên bề mặt trái đất hiện nay. Điểm cực sâu này được các nhà khoa học gọi là HMRG Deep, nằm cách Challenger Deep 200 km về phía đông, dọc theo rãnh Mariana ở tây Thái Bình Dương. Các nhà khoa học Hawaii (Mỹ) đã khám phá ra nó trong một dự án lập bản đồ đáy biển bằng phương pháp định vị hồi âm, được thực hiện từ năm 1997 đến năm 2001. Việc đo đạc chính xác độ sâu của nó hiện rất khó thực hiện, nhưng theo các nhà nghiên cứu, nó cũng phải xấp xỉ với Challenger Deep. Rãnh Mariana là vùng sâu nhất trên Thái Bình Dương, nằm ở ranh giới giữa hai mảng thạch quyển: mảng Philippines ở phía đông và mảng Thái Bình Dương. Khi chúng trôi giạt, mảng Thái Bình Dương bị chìm xuống dưới mảng Philippines. Sự chuyển dịch này đã tạo cho rãnh Mariana độ sâu khổng lồ đó. Rãnh Mariana, còn gọi là vực Mariana hay vũng Mariana, là rãnh đại dương sâu nhất đã biết, và điểm sâu nhất của nó là nơi sâu nhất trong lớp vỏ Trái Đất. Nó nằm trên phần đáy của khu vực tây bắc Thái Bình Dương, về phía đông quần đảo Mariana. Điểm sâu nhất có tọa độ 11°21' Bắc và 142°12' Đông. Rãnh Mariana kéo dài tới gần Nhật Bản. Rãnh này là ranh giới nơi hai mảng kiến tạo gặp nhau, là khu vực lún xuống ở đó mảng Thái Bình Dương bị lún xuống dưới mảng Philippines. Rãnh có chiều dài khoảng 2.550 km (1.580 dặm) nhưng chiều rộng trung bình chỉ vào khoảng 69 km (43 dặm). Phần đáy của rãnh này thấp dưới mực nước biển một khoảng cách lớn hơn nhiều khi so với đỉnh Everest ở trên mực nước biển.

Độ sâu tối đa của rãnh này là 10.971 m (35.994 ft) dưới mực nước biển theo phép đo gần đây nhất. Khi tính đến vĩ độ của nó và sự lồi ra ở khu vực xích đạo của Trái Đất thì nó nằm ở khoảng cách 6.366,4 km tính từ tâm Trái Đất. Bắc Băng Dương, có độ sâu chỉ khoảng 4-4,5 km, nhưng tính từ đáy của nó thì lại ở khoảng cách chỉ xấp xỉ 6.352,8 km từ tâm Trái Đất, tức gần tâm Trái Đất hơn so với điểm sâu nhất của rãnh Mariana 13,6 km. Nó được tàu Challenger II của Hải quân Hoàng gia Anh khảo sát lần đầu tiên năm 1951, do đó người ta đã đặt tên cho phần sâu nhất của rãnh Mariana là vực thẳm Challenger. Sử dụng kỹ thuật phản xạ sóng âm, tàuChallenger II đã đo được độ sâu 5.960 sải (10.900 m) tại tọa độ 11°19' Bắc và 142°15' Đông. Âm thanh này đã được thực hiện lặp lại với tai nghe để nghe tín hiệu trở lại do sóng âm phản xạ ngược trở lại khi gặp đáy biển. Do việc đo thời gian của máy thu âm thanh phản xạ, một phần cần thiết của quá trình này, đã được thực hiện bằng tay để ngắt đồng hồ bấm giờ nên người ta đã cẩn thận trừ đi một thang đo (20 sải) khi chính thức báo cáo độ sâu lớn nhất là 5.940 sải (10.863 m). Năm 1957, tàu Vityaz của Nga báo cáo độ sâu 11.034 m (36.201 ft), cho chỗ lõm sâu hoắm Mariana; sự đo đạc này đã không được thực hiện lặp lại nên khó có thể coi là chính xác. Năm 1962, tàu hải quân Spencer F. Bairdcủa Mỹ báo cáo độ sâu lớn nhất là 10.915 m (35.810 ft).

Năm 1984, Nhật Bản gửi tàu Takuyo, một tàu khảo sát chuyên nghiệp hóa cao tới rãnh Mariana để thu thập dữ liệu bằng cách sử dụng các máy thu sóng âm phản xạ nhiều tia và hẹp; họ báo cáo độ sâu cực đại là 10.924 m (35.840 ft) (cũng có báo cáo là 10.920±10 m. Các phép đo chính xác nhất đã được thực hiện trên máy dò Kaiko của người Nhật vào ngày 24 tháng 3 năm1995 cho kết quả 10.911 m (35.798 ft). Trong cuộc lặn không có tiền lệ, tàu ngầm thăm dò của Hải quân Mỹ là Bathyscaphe Trieste đã xuống tới đáy vào lúc 1:06 trưa ngày 23 tháng 1năm 1960 với trung úy hải quân Don Walsh và kỹ sư Jacques Piccard. Quả cầu sắt được sử dụng để làm bì, với xăng để tạo sức nổi. Các hệ thống trên boong tàu chỉ tới độ sâu 37.800 ft (11.521 m), nhưng sau đó đã được sửa lại là 10.916 m (35.813 ft). Ở dưới đáy Walsh và Piccard đã rất ngạc nhiên khi phát hiện thấy các sinh vật như cá bơn dài khoảng 30 cm, cũng như tôm. Theo Piccard thì "đáy biển dường như sáng và sạch sẽ, là một vùng hoang vu chỉ có tảo cát". Tại đáy của rãnh Mariana thì nước tạo ra một áp lực tới 1.086 barơ (108,6 MPa hay 15.751 psi). Vào ngày 1 tháng 6 năm 2009, tàu Kilo RV Moana (là tàu mẹ của chiếc tàu ngầm Nereus) đã sử dụng hệ thống định vị dưới mặt nước bằng sóng siêu âm Simrad EM120 (300-11.000 m) lập nên bản đồ ngay tại vực thẵm Challenger với độ sâu tìm được là 10.971 m (35.994 ft), độ chính xác hơn lần cũ 0,2% (sai số khoảng ± 11 m). Năm 2003, các nhà khoa học đã tìm được dọc theo rãnh Mariana một số khu vực có độ sâu như vực thẵm Challenger và thậm chí có thể sâu hơn.

Vào ngày 26/3 năm 2012, đạo diễn Hollywood James Cameron cúi khom người trong một khoang tàu ngầm chật hẹp ở ngoài khơi Thái Bình Dương. Trong khoảng thời gian hai tiếng rưỡi, Cameron đã điều khiển con tàu Deepsea Challenger xuống độ sâu 10.898 mét và thiết lập một kỷ lục thế giới mới về lặn một mình. Ông đã lặn đến nơi sâu nhất của đại dương: Rãnh Mariana. Cameron chỉ là người thứ ba chiêm ngưỡng quang cảnh hoang vu như trên Mặt Trăng ở đáy rãnh. May mắn cho chúng ta là ông đã đem theo máy quay ba chiều. Những thước phim ông quay lại cho thấy những sinh vật biển đáng kinh ngạc từ dưới biển cho đến tận đáy rãnh. Những hình ảnh này đã được các nhà khoa học trên khắp thế giới nghiên cứu kỹ để tìm hiểu xem phải làm sao sống được ở dưới đáy biển sâu. Đây là nỗ lực mới nhất của con người trong hành trình 200 năm khám phá nơi sâu nhất dưới đáy biển – nơi cuối cùng trên Trái Đất mà chúng ta chưa biết được. Ở dưới đáy rãnh sâu như Rãnh Mariana, nước biển lạnh giá, không có ánh sáng còn áp lực có thể nghiền nát mọi thứ. Ấy vậy mà, sự sống vẫn có thể tồn tại được và chúng ta chỉ mới bắt đầu hiểu được tại sao. Cho đến cuối thế kỷ 19 thì nhân loại vẫn còn biết rất ít về đại dương. Dân gian và thần thoại sáng tạo ra hình ảnh những con quái vật biển khủng khiếp còn nhà văn khoa học viễn tưởng Jules Verne của Pháp đã tưởng tượng rằng ở giữa lòng đại dương có ‘sự sống khổng lồ từ thời đại khác’. Nhưng đa số các nhà khoa học cho rằng bóng tối và sự lạnh lẽo khiến đáy biển là nơi không thể sống được. Vào thời đại Victoria ở nước Anh, nhà khoa học Edward Forbes đã nạo vét biển Aegae và phát hiện ra rằng càng xuống sâu thì càng có ít sinh vật. Ông đã đi đến kết luận rằng không có sự sống bên ngoài độ sâu 550 mét.

Giờ đây, mọi người đều biết rằng đáy biển dường như có rất nhiều sự sống. Cuối năm 2014, ông Jeffrey Drazen tại Đại học Hawaii ở Honolulu đã dẫn đầu một cuộc thám hiểm đến Rãnh Mariana. Nhóm của ông đã sử dụng năm thiết bị di chuyển điều khiển từ xa để khám phá phần sâu nhất của rãnh cũng như dọc theo vách rãnh. Ông đã rất ngạc nhiên khi thấy sự phong phú và đa dạng của sự sống dọc theo vách rãnh. Thách thức đầu tiên đối với các sinh vật khi chúng sống ở đáy biển là bóng tối hoàn toàn. Một số loài có đôi mắt khổng lồ để bắt được những tia sáng dù là mờ nhất. Một số khác đã từ bỏ chức năng của thị giác và dựa vào xúc giác cũng như sự rung động để cảm nhận con mồi. Có những loài có khả năng tự phát sáng nhờ một quá trình gọi là phát sáng sinh học. Ánh sáng này có thể dùng để thu hút con mồi hay bạn tình. Bóng tối cũng gây ra một vấn đề nữa. Không có ánh sáng mặt trời cũng đồng nghĩa với việc không có tảo hay cây cỏ nào để cung cấp cho chuỗi thức ăn. Do đó, thức ăn dưới đáy biển rất hiếm hoi. Các sinh vật dưới đáy phải dựa vào xác phân hủy của các sinh vật khác từ phía tầng nước trên chìm xuống sau khi chết. Nguồn xác phân hủy dồi dào có lẽ là lý do tạo ra hệ sinh thái phong phú mà Drazen tìm thấy ở Rãnh Mariana. Đôi khi xác một con cá voi là một đại tiệc cho các sinh vật dưới đáy. Có loài cá làm hang phía trong xác và ăn từ trong ra ngoài trong khi loài sâu ăn xương thì tiêu thụ phần xương. Ngoài ra cũng có các loài săn mồi nhưng loài bọt biển bóng bàn (ping-pong tree sponge) sử dụng những chiếc xiên nhọn để đâm xuyên con mồi. Chính đặc điểm vật lý dưới đáy biển khiến nó trở thành môi trường chết chóc. Nhiệt độ lạnh giá trong khoảng -1 cho đến 4 độ C ở hầu hết các nơi. Đáng sợ hơn nữa, áp lực lên đến tám tấn mỗi inch - tức là nhiều hơn mức sức ép bình thường ở trên mặt biển một ngàn lần.

Sự kết hợp giữa giá lạnh và áp lực đã có những tác động lạ lùng lên cơ thể các sinh vật. Tất cả tế bào ở động vật đều được bao quanh bởi một lớp màng bằng chất béo. Lớp màng này phải ở dạng lỏng để truyền tín hiệu thần kinh và giúp cho quá trình trao đổi chất bên trong và bên ngoài tế bào. Điều kiện dưới đáy biển sẽ làm cho lớp màng này cô đặc lại. Do đó, các động vật dưới đáy phải điều chỉnh lớp màng này sao cho chúng luôn ở dạng lỏng. Chúng làm điều này bằng cách tích trữ nhiều mỡ không bão hòa - một nhóm các hóa chất trong đó có dầu thực vật - trong lớp màng này. Không chỉ lớp màng tế bào. Áp lực cũng tác động làm tê liệt các protein, tức các phân tử lớn chịu trách nhiệm phần lớn các hoạt động bên trong tế bào, chẳng hạn như chuyển hóa thức ăn thành năng lượng. Để có thể hoạt động được, các protein phải được tự do thay dổi hình dạng và kích thước nhưng điều này rất khó thực hiện trong môi trường có áp lực cao. Chuyến đi của đạo diễn James Cameron đã phát hiện được rất nhiều sinh vật dưới đáy biển. Đối với đa số chúng ta thì những sinh vật này hoàn toàn khác thường. Máy quay của tàu ngầm đã ghi hình lại được những động vật trôi nổi như loài giáp xác chân hai loại có hình dạng giống như loài tôm. Mặc dù đa phần các loài sinh vật trôi nổi trên đại dương chỉ dài khoảng 3cm nhưng những loài tìm thấy ở khe Challenger Deep lại dài đến hơn một foot. Loài sinh vật xuất hiện nhiều nhất trong đoạn phim được Cameron quay lại là loài trùng lỗ, tức là những sinh vật đơn bào khổng lồ. Chúng sinh sống ở những ở lớp đất dưới đáy biển trên khắp thế giới, bao gồm ở những nơi môi trường cực kỳ khắc nghiệt. Đoạn băng này cũng cho thấy các sinh vật giống như một loạt những vật hình que chôn vùi trong cát. Nhưng các nhà khoa học đã nhanh chóng nhận ra chúng là dưa chuột biển: một loài giống như sâu với cơ thể dai và chùm xúc tu gần miệng. Nhưng cho dù có phát hiện nào đi nữa thì phát hiện mang tính đột phá nhất về sự sống dưới đáy đại dương có lẽ những sinh vật mà chúng ta không nhìn thấy được thậm chí với cả máy quay có độ phân giải cao của James Cameron: vi khuẩn. Phân tích cấu trúc gien của vi khuẩn cho thấy chúng có thể sinh tồn bằng cách tiêu thụ các khí như methane và hydrogen vốn thoát ra từ đáy biển khi các mảng kiến tạo địa chất ở cả hai phía của rãnh Mariana cọ xát vào nhau. Môi trường dưới đáy biển sâu như thế là một trong những nơi được cho là khởi thủy sự sống trên Trái đất. Do đó, các vi khuẩn ở rãnh Mariana sẽ giúp chúng ta hiểu được sự sống bắt đầu như thế nào.

On 26 March 2012, film director James Cameron was hunched in the cramped cabin of a submersible, far out in the Pacific ocean. His vessel, the Deepsea Challenger, looked a bit like a lime-green cigar. Over the course of two and a half hours, Cameron piloted the submersible down to a depth of 10,898 m, setting a new world record for a solo descent. He had reached the deepest part of the ocean, the Mariana Trench. Cameron was only the third person to look upon the desolate, almost lunar landscape at the bottom of the trench. Fortunately for the rest of us, he took 3D Hi-Definition cameras with him on the dive. The films he captured show that remarkable sea life exists all the way to the bottom. They are being pored over by scientists around the world, in a bid to figure out what it takes to live in the ocean's depths. Cameron's dive is the latest step in a 200-year journey to the deepest depths of the sea, the last unexplored frontier on Earth. At the bottom of trenches like the Mariana, the water is freezing cold, there is no light, and the pressure is pulverising. Yet somehow, life endures, and we are only just beginning to learn how it does so. Until the late 1800s, little was known about the oceans. Folklores and myths conjured up images of terrifying sea monsters like the Norwegian kraken, and the science fiction author Jules Verne imagined that the heart of the ocean could contain "huge specimens of life from another age". But most scientists thought the darkness and cold would make the deep sea uninhabitable. The idea that the deeps were a muddy desert devoid of life had been around for centuries. The Greek philosopher Socrates, who lived 2400 years ago, apparently said: "Everything is corroded by the brine, and there is no vegetation worth mentioning, and scarcely any degree of perfect formation, but only caverns and sand and measureless mud, and tracts of slime." In the Victorian era, this idea was championed by a scientist called Edward Forbes. He dredged the Aegean Sea and found that the deeper he looked, the fewer organisms he discovered. He concluded that life ceased to exist beyond 550 m.

It now seems the deeps are teeming with life. In late 2014,Jeffrey Drazen of the University of Hawaiʻi at Mānoa in Honolulu led an expedition to the Mariana Trench. His team used five remotely-operated vehicles to explore the deepest parts of the trench, as well as along the trench walls. He was surprised by the amount and diversity of life on the walls of the trench. The first challenge animals encounter as they move deeper is the complete darkness. Some deep-sea fishes, like the stout blacksmelt, have giant eyes to capture the faintest glimmers. Others have abandoned vision. The tripodfish, named for its elongated fins that allow it to perch on the sea floor, relies on touch and vibrations to sense its prey. Still others emit their own light by a process known as bioluminescence. These lights can be used as headlights, as in lanternfish, or to attract mates or prey. The darkness also causes a second problem. Lack of sunlight means no algae or plants to support the food chain, so food is scarce. Deep-sea animals must survive on the decaying scraps of dead organisms from the upper layers of the ocean, which sink to the bottom. A rich supply of this stuff might account for the rich ecosystem Drazen found in the Mariana Trench. "It is possible that the trenches are funnelling detritus food down," he says. Occasionally the scavengers are treated to a dead whale, which provides an enormous feast. Hagfish burrow into such carcasses and eat them from the inside out, while bonewormseat the bones themselves. And there are hunters, too: theping-pong tree sponge uses sharp spikes to impale its prey. But it's the physical properties of the deep sea that make it lethal. It is frigid: in most places, temperatures are between -1 and 4°C. Worse, the pressure is a crushing eight tonnes per square inch, about a thousand times the standard atmospheric pressure at sea level. It's like being crushed to death in a freezer.

"The extreme cold and high pressures of the ocean trenches would make the fat in your cell membranes solid, just like butter in a refrigerator," says Drazen. So deep-sea animals must adapt their membranes to keep them liquid. They do this by having lots of unsaturated fats – the group of chemicals that includes vegetable oil - in their membranes. These remain liquid at low temperatures and keep the membranes loose. It's not just cell membranes. Pressure also has a crippling effect on proteins, the huge molecules that do much of the work in our cells, such as breaking down food for energy. To function, proteins must be free to change their size and shape, for instance becoming larger. This is difficult under pressure, says Drazen. "A simple analogy is blowing up a balloon. It's easy in air, but try doing it at the bottom of a swimming pool." The submersible's cameras picked up crustaceans called amphipods, which look a lot like shrimp. But whereas most of the ocean's amphipods are around 3cm long, those in the Challenger Deep were over a foot long. They are the deepest examples of "gigantism" captured in the deep ocean. A piezolyte called scyllo-inositol was found in their cells, and may help them survive the pressure. The animals that appeared most frequently on the tapes were foraminifera: giant single-celled organisms a bit like oversized amoebas. Foraminifera are little-known, but incredibly common. They live in the sediment on sea beds throughout the world, including some thoroughly inhospitable places. Normally, foraminifera build hard shells of calcium carbonate to protect themselves. Then they can poke out their long, sticky arms and snag food. However the intense pressures at the bottom of Challenger Deep dissolve minerals, so they can't build their shells. Their analysis of the bacteria's genes shows that they can feed off reduced sulphur and carbon dioxide. Others may feed on gases like methane and hydrogen, which are belched out of the sea bed when the tectonic plates on either side of the Mariana Trench move against one another. Such deep-sea environments are one of the main contenders for the birthplace of life on Earth. As a result, the bacteria of the Mariana Trench could help us understand how life began.