Ces formations sont bien plus que de simples geysers sous-marins. Elles participent de riches écosystèmes où des organismes vivants peuvent prospérer dans les conditions les plus hostiles (obscurité, pression extrême, etc.), grâce à la chimiosynthèse : des bactéries et des archées y utilisent l'énergie chimique des composés réduits présents dans les fluides, tels que le sulfure d'hydrogène, le méthane ou l'hydrogène moléculaire, pour produire de la matière organique. Les sources hydrothermales forment ainsi la base des chaînes alimentaires particulières. Ces écosystèmes sont fragiles, localisés et éphémères. 

La découverte des premières sources hydrothermales en 1977 près des îles Galápagos (dorsale du Pacifique Est) par la mission franco-américaine du submersible Alvin fut une surprise totale et a bouleversé les conceptions que l'on avait des conditions propices aux organismes vivants et a même alimenté les hypothèses sur l'origine de la vie et sa possible existence ailleurs dans le Système solaire (comme sur Europe, une lune de Jupiter). Les scientifiques s'attendaient à un désert stérile, mais ils ont trouvé à la place des oasis de vie foisonnante, totalement indépendantes de l'énergie solaire. 

Formation des sources hydrothermales.
On peut distinguer plusieurs étapes dans le processus de formation des sources hydrothermales.

• Infiltration. - L'eau de mer froide s'infiltre dans les fissures de la croûte océanique et est attirée en profondeur par la chaleur du magma présent sous la dorsale.

• Chauffage et réaction. - En s'enfonçant (jusqu'à 2-3 km de profondeur), l'eau se réchauffe considérablement (jusqu'à 400-500°C). Cette chaleur intense et la pression provoquent des réactions chimiques entre l'eau et les roches basaltiques. L'eau se charge en minéraux dissous (sulfures de métaux comme le fer, le zinc, le cuivre), en gaz (dioxyde de carbone, hydrogène sulfuré - H2S) et devient acide.

• Remontée et éjection. - Cette eau surchauffée et chargée en éléments devient moins dense et remonte violemment à travers la croûte océanique.

• Précipitation et construction des cheminées. - À son éjection, au contact de l'eau de mer froide et oxygénée, les minéraux précipitent (se solidifient) pour former des dépôts minéraux solides autour du jet. Ces dépôts construisent peu à peu les structures coniques ou cylindriques que sont les cheminées hydrothermales. Elles peuvent grandir de plusieurs mètres par an.

• Les fumeurs noirs sont le plus célèbres. Ce sont de véritables cheminées qui expulsent un fluide extrêmement chaud (300-400°C), riche en sulfures de fer et d'autres métaux,. Le contact brutal avec l'eau de mer froide provoque la précipitation de particules minérales noires, donnant à l'émission son aspect sombre. Ces structures, constituées au fil du temps par des dépôts minéraux, sont d'importants sites de concentration de cuivre, zinc, fer et parfois d'or et d'argent. Elles abritent aussi une faune adaptée aux températures extrêmes et aux fluides chargés en composés chimiques toxiques.

• Les fumeurs blancs rejettent, quant à eux, des fluides moins chauds (100-300°C), riches en baryum, calcium et silicium. La précipitation des minéraux forme alors un panache clair, d'où leur nom. Leur composition chimique différente conditionne des communautés biologiques particulières, moins exposées aux métaux lourds mais tout autant dépendantes de la chimiosynthèse microbienne. 

• Les systèmes hydrothermaux alcalins, caractérisés par des fluides riches en méthane et en hydrogène, pauvres en métaux, et au pH élevé. Les cheminées formées, construites principalement de carbonates, sont souvent blanches ou crème. Ces environnements ont suscité beaucoup d'intérêt scientifique car les réactions chimiques qui s'y produisent pourraient ressembler à celles ayant favorisé l'émergence des premiers organismes vivants sur Terre. 

• Les sources diffuses ne forment pas de grandes cheminées, mais libèrent doucement des fluides chauds à travers les fissures du plancher océanique. Leur température est généralement inférieure à 100 °C. Elles créent des gradients thermiques et chimiques plus doux, favorisant la présence de tapis bactériens et d'organismes pionniers, souvent autour des zones actives de fumeurs noirs et blancs. Ces écoulements diffus jouent un rôle important dans la dispersion de la chaleur et des éléments dissous dans l'océan.

• Des dégazages et des résurgences riches en dioxyde de carbone, méthane ou sulfure d'hydrogène, peuvent aussi s'observer dans certaines zones volcaniques peu profondes. Les fluides y présentent des propriétés moins extrêmes que dans les dorsales océaniques profondes, mais ils influencent fortement la chimie locale de l'eau et abritent aussi des communautés microbiennes spécialisées.

Autour des fumeurs noirs, l'intensité chimique et thermique favorise des symbioses remarquables. On trouve des vers tubicoles géants (Riftia pachyptila) dépourvus de bouche et d'appareil digestif, qui vivent grâce à des bactéries symbiotiques hébergées dans leurs tissus. Des moules et des palourdes abritent également de telles associations dans leurs branchies. Des crabes blancs et "velus" se nourriraient des bactéries abritées dans leurs poils. D'autres organismes, comme les crevettes et crabes hydrothermaux, broutent directement les biofilms bactériens ou se nourrissent des animaux symbiotiques. Ces communautés sont la plupart du temps densément concentrées, mais limitées à des zones très restreintes où les conditions sont favorables.

Dans les zones de sources diffuses, où les gradients chimiques et thermiques sont plus doux, on observe une plus grande diversité et une structuration écologique graduelle. Les tapis bactériens colonisent les surfaces proches des fissures et servent de nourriture à des invertébrés pionniers. Plus loin, les prédateurs et charognards, tels que les poissons ou les pieuvres, exploitent les concentrations d'invertébrés. La mosaïque de micro-habitats favorise une succession écologique dynamique, dépendante de l'activité hydrothermale.

Les sources alcalines, comme celles du champ de Lost City (dans la dorsale médio-Atlantique), hébergent des communautés différentes. Les micro-organismes y exploitent l'hydrogène et le méthane plutôt que le sulfure, et leur diversité métabolique reflète un écosystème plus proche de ce que l'on suppose être les premiers écosystèmes terrestres. Ces environnements ont une productivité moindre, mais une stabilité plus grande que les champs de fumeurs noirs.

Il est à noter que l'écologie des sources hydrothermales est marquée par leur caractère éphémère. Une cheminée peut s'éteindre en quelques années ou décennies, entraînant la disparition rapide des communautés qui y vivaient. La colonisation de nouvelles sources dépend de la dispersion des larves d'organismes spécialisés, souvent capables de parcourir de longues distances grâce aux courants profonds. Les populations sont donc fragmentées et vulnérables, mais reliées par un réseau d'échanges génétiques à l'échelle des dorsales océaniques.

Importance et enjeux.
Les sources hydrothermales jouent un rôle déterminant dans le bilan thermique et chimique des océans. Elles recyclent l'eau océanique à travers la croûte terrestre et régulent la composition chimique de l'eau de mer sur des échelles de temps géologiques. 

L'environnement chaud, riche en énergie chimique et en éléments divers des sources hydrothermales est l'un des principaux scénarios avancés pour expliquer l'apparition de la vie sur Terre.

Les organismes (bactéries, archées) qui vivent dans ces conditions extrêmes (thermophiles, barophiles) possèdent des enzymes et des molécules uniques (ex. : la Taq polymérase, utilisée en PCR, vient d'une bactérie de source chaude). Elles sont une mine d'or pour la biotechnologie.

Les dépôts massifs de sulfures métalliques (cuivre, zinc, or, argent) formés par les fumeurs suscitent un intérêt économique croissant pour l'exploitation minière des grands fonds, une perspective qui soulève de graves préoccupations environnementales quant à la destruction d'écosystèmes encore mal connus, ou la création de panaches de sédiments toxiques qui étoufferaient la vie alentour. La préservation des sources hydrothermales est devenue un enjeu majeur de la gouvernance internationale des océans.