Арктический озерный край

В некоторых кругах существует убеждение, что нам не нужно путешествовать в далекие миры Солнечной системы и за ее пределы, чтобы найти инопланетян. Достаточно бурить глубоко, например, в антарктический лед. Мы уже знаем, что есть озера, и знаем, что там есть жизнь. Однако пока мы находим там то, что хорошо знаем. Некоторые люди думают, что это потому, что мы берем его туда сами.

Подледная среда Антарктиды представляет собой динамичную экосистему, в которой все еще очень загадочные для нас формы жизни, такие как лед, вода и горные породы, образуют сеть сложных взаимодействий. Сохранение первозданной природы подледниковой среды Антарктиды требует тщательного изучения условий.

За этой средой присматривает команда, работающая над проектом SALSA (), который исследует недавно обнаруженный биом в одном из крупнейших известных Западно-антарктические подледниковые озера.

В период с декабря 2018 года по январь 2019 года в рамках проекта SALSA был создан полевой лагерь с пятьюдесятью учеными, бурильщиками и вспомогательным персоналом. Для сбора проб из подледникового озера Мерсера было пробурено более 1200 метров льда. Члены команды добрались до площадки, расположенной примерно в 800 км от Южного полюса, на специализированных тягачах и самолетах, оснащенных лыжами.

Ученые SALSA собрали образцы из озера Мерсера, используя чистую и стерильную систему, разработанную для минимизации микробного и химического загрязнения окружающей среды. Экипаж носит гидрокостюмы Tyvek, более известные время от времени. Все оборудование проходит тщательную очистку. Буровую воду также фильтруют, пропуская через несколько циклов ультрафиолетового облучения для уничтожения микробных загрязнений, затем нагревают для использования горячей воды для создания 1000-метровой скважины до озера (1).

Часть этой растаявшей ледяной воды удаляется из скважины, так что, когда скважина прорывается в озеро, вода из озера может двигаться вверх по скважине. Сверление отверстия занимает примерно 24 часа, а узел остается открытым в течение нескольких дней. Взятие образца или проникновение с помощью камер может занять два или более часа.

Великий Восток

Более половины мировых запасов пресной воды находится в Антарктиде. Большинство из них вморожены в массы льда, а под ними находится целая сложная сеть водоемов и водотоков, называемых озерами и реками (2).

2. Подледниковые озера и реки Антарктиды

Жидкая вода нуждается в более высокой температуре, что является результатом сложной системы взаимодействий глубоко подо льдом, начиная от огромного давления ледяных масс сверху, снижения температуры плавления воды внизу, геотермального тепла изнутри нашей планеты, и, возможно, другая химия и химические процессы, там происходит биохимия, которую мы еще не очень хорошо знаем.

Органический углерод, важный источник пищи для микроорганизмов, присутствует в относительно высокой концентрации, как показали анализы окружающей среды, проникшие за несколько лет до озера Мерсер и связанного с ним подледникового озера Уилланс (3).

3. Микробы из озера Уилланс

Изучение экстремальных условий под антарктическим льдом поднимает гипотезы о возможной внеземной жизни или предположения о том, как земная жизнь могла бы выжить в подобных условиях. По нашим текущим данным, жизнь в ледяные воды Антарктиды носит преимущественно микробиологический характер.

Самым большим и, возможно, самым известным из почти 4 идентифицированных подледниковых озер Антарктиды является озеро Восток (XNUMX). Он расположен на Южном полюсе холода, под Российская научная станция Востоккоторый расположен на высоте 3488 м над уровнем моря. В свою очередь, поверхность этого пресноводного озера находится примерно на 4000 м ниже поверхности льда, что означает, что гипотетическая поверхность воды находится примерно на 500 м ниже уровня моря.

Длина 250 км, ширина в самом широком месте 50 км. Восток занимает площадь 12 500 км² что делает его шестнадцатым по величине озером в мире по площади. При средней глубине 432 м его предполагаемый объем составляет 5400 кмXNUMX.³что делает его шестым по объему. Озеро разделено хребтом на два глубоких бассейна. Глубина жидкой воды над хребтом составляет около 200 м по сравнению с примерно 400 м в Северном бассейне и 800 м в Южном бассейне.

Наличие подледникового озера в этом районе станция Восток была впервые предложена русским географом Андреем Капицей на основе сейсмических зондирований, выполненных во время советских антарктических экспедиций в 1959 и 1964 годах для измерения толщины ледяного покрова. Дальнейшие исследования российских и британских ученых привели к окончательному подтверждению существования озера в 1993 году.

Благодаря ледниковому покрову окружающая среда озера, вероятно, соответствует палеоклиматическим условиям, существовавшим не менее 400 15 лет назад, хотя сама вода в озере могла быть изолирована от 25 до XNUMX миллионов лет.

В феврале 2012 года группа российских ученых пробурила самую длинную в истории ледяную скважину длиной 3768 м и пробила ледяную пластину над поверхностью озера. Первый керн свежезамороженной озерной воды был отобран в январе 2013 г. с глубины 3406 м. Однако, как только лед был пробит во время бурения, вода из нижележащего озера хлынула в скважину, смешавшись с фреоном и керосином, использовавшимися для защитить отверстие от замерзания.

В январе 2015 года была пробурена новая скважина и, по словам российских исследователей, получена безупречная проба воды. Русские планируют сбросить зонд в озеро, чтобы собрать пробы воды и донных отложений со дна. Предполагается, что в жидком слое озера могут быть найдены нетипичные формы жизни. Поскольку в озере Восток может быть среда, которая была отрезана ото льда в течение миллионов лет, теоретически условия могут напоминать условия покрытых льдом океанов на спутнике Юпитера Европе и спутнике Сатурна Энцеладе.

Подмена воды каждые 13,3 тысячи лет

Идею о существовании пресной воды под антарктическими ледниками выдвинул в конце XNUMX века русский ученый Петр Кропоткин. Он утверждал, что огромное давление, оказываемое совокупной массой тысяч вертикальных метров льда, может снизить температуру таяния в самых нижних частях ледника до точки, где лед становится жидкой водой. теория Кропоткиной его разрабатывала российская и советская наука, вплоть до исследований, проведенных на месте уже упомянутым Андреем Капицей.

Когда британские ученые в Антарктиде в начале 70-х годов проводили радиолокационные исследования слоев льда, они обнаружили показания радара в этом месте, которые свидетельствовали о наличии жидкого пресноводного озера подо льдом.

В 1991 году Джефф Ридли, специалист по дистанционному зондированию из Университетского колледжа Лондона, направил высокочастотную систему ERS-1 в центр антарктической ледяной шапки. Данные ERS-1 подтвердили результаты британского исследования 1973 года, но данные не публиковались в Журнале гляциологии до 1993 года.

Космический радар показал, что этот подледниковый резервуар с пресной водой является одним из крупнейших озер в мире и одним из примерно 140 известных на тот момент подледниковых озер в Антарктиде. Российские и британские ученые установили границы озера в 1996 году, объединив различные данные, в том числе данные бортовых радиолокационных наблюдений и космической радиолокационной альтиметрии. Было подтверждено, что озеро содержит большое количество жидкой воды под ледяным покровом протяженностью более 3 километров.

В 2005 году посреди озера был найден остров. Затем, в январе 2006 года, было опубликовано сообщение об открытии подо льдом двух близлежащих озер меньшего размера. Их называли Озеро 90° в.д. и Советское. Предполагается, что эти последовательные озера могут быть связаны сетью подледниковых рек. Центр полярных наблюдений и моделирования считает, что большое количество подледниковых озер Антарктиды хотя бы временно связаны между собой. Из-за различий в напоре воды в отдельных озерах могут быстро образовываться подземные реки, перемещающие большие объемы воды под толщей льда.

Бассейн озера Восток представляет собой тектонический объект между горным хребтом Гамбурцева, подледниковым горным хребтом и регионом, известным как Купол С. Вода озера находится в «колыбели» из отложений толщиной 70 м, которые, как считается, содержат уникальные записи климат и жизнь в Антарктиде до образования ледяной шапки. Подсчитано, что вода в озере была запечатана под толстым ледяным покровом около 15 миллионов лет назад. Первоначально считалось, что озеро представляет собой ту же воду с момента его образования, что дает ему возраст порядка миллиона лет.

Более поздние исследования Робина Белла и Майкла Студингера из Земной обсерватории Ламонта-Доэрти в Колумбийском университете показывают, что вода в озере циклически замерзает и поднимается за счет движения антарктического ледяного щита, а под высоким давлением заменяется водой от таяния других частей. ледяного покрова. Подсчитано, что весь объем этого озера обновляется каждые 13 300 лет, а значит, потенциальная жизнь в нем не старше этого периода.

Средняя температура воды оценивается примерно в -3 ° C, но вода остается жидкой при температуре ниже нормальной точки замерзания из-за высокого давления ледяных масс над озером. Возможно, вода со стороны морского дна нагревается геотермальным теплом недр Земли. Толстый изолирует их от экстремальных морозов в этой части Антарктиды. ледяной покров.

Окружающая среда озера ВостокПо известным нам данным, оно пересыщено азотом и кислородом, при концентрациях около 2,5 л азота и кислорода на кг воды, что в пятьдесят раз больше, чем обычно содержится в обычных пресноводных озерах на поверхности Земли. Считается, что такой высокой концентрации этих газов способствует отвесная масса материкового льда, создающего давление около 1 бар. Кислород и другие газы не только растворяются там в воде, но и удерживаются в структурах, называемых клатратами, которые выглядят как глыбы льда или замерзшего снега.

В апреле 2005 года немецкие, российские и японские исследователи объявили, что озеро испытывает приливы. В зависимости от положения солнца и луны поверхность озера поднимается примерно на 12 мм. На восточном берегу озера находится магнитная аномалия силой 1 микротесла площадью 105 на 75 км. Ученые предполагают, что аномалия может быть вызвана истончением земной коры в этом месте.

Русские бурили, но загрязнили

В 1998 году ученые, работающие на станции Восток, извлекли один из самых длинных ледяных кернов в мире. Объединенная группа из России, Франции и Америки пробурила и проанализировала керн длиной 3623 м. Возраст образцов льда из кернов, пробуренных у поверхности озера, оценивается в 420 000 лет. Однако бурение было намеренно остановлено примерно на 100 м выше предполагаемой границы между ледяным щитом и жидкими водами озера.

Это должно было предотвратить загрязнение озера фреоном и керосином, что предотвратило замерзание скважины. В выкопанном ледяном керне были обнаружены экстремофильные микроорганизмы, которые, как полагают, возникли из замерзшей озерной воды в нижнем ледяном щите, что позволяет предположить, что вода в озере поддерживает жизнь. Ученые предполагают, что озеро может содержать уникальную среду обитания древних бактерий с изолированным пулом микробных генов с характеристиками, которые могли быть разработаны еще 500 000 лет назад.

В ледяном керне, извлеченном из озера Восток, среди прочего, живые микроорганизмы. Эти виды также известны с поверхности. Открытие предполагает наличие глубокой биосферы, использующей геотермальную систему вмещающей породы. Было оптимистично, что микробная жизнь в озере возможна, несмотря на высокое давление, холод, низкую доступность питательных веществ, потенциально высокий уровень кислорода и недостаток солнечного света. Такие условия ожидаются подо льдом луны Европы, Энцелада и других.

В январе 2011 года руководитель российской антарктической экспедиции Валерий Лукин заявил, что его команде осталось пробурить до поверхности воды в озере Восток всего 50 метров. Затем исследователи перешли на новую термобуровую головку с «чистой» силиконовой жидкостью, чтобы пробурить оставшуюся часть пути до Востока. Они объявили, что остановятся прямо над ним, когда датчик на термобуре обнаружит жидкую воду. В этот момент бур необходимо было остановить и вытащить из скважины. Удаление бурового долота снизит давление под ним, втягивая воду в отверстие, которое должно было замерзнуть, создавая ледяную пробку на дне отверстия.

Бурение было остановлено 5 февраля 2011 г. на глубине 3 м, чтобы исследовательская группа могла разгрузить лед до начала антарктического зимнего сезона. Исследователи позволили бурлящим водам озера замерзнуть в скважине, а через несколько месяцев взяли образцы ледяного керна этого новообразованного льда и отправили их в Лабораторию экологической гляциологии и геофизики в Гренобле, Франция, для анализа.

Группа под руководством Скотта О. Роджерса провела секвенирование нуклеиновых кислот (ДНК и РНК). Ученые обнаружили 3507 уникальных последовательностей генов, из которых около 94% были произошло от бактерий, и 6 процентов. от эукариот. В целом таксоны были сходны с организмами из озер, солоноватых вод, морской среды, почвы, ледников, льда, озерных отложений, глубоководных термальных отложений, животных и растений, описанных ранее. Были представлены последовательности аэробных, анаэробных, психрофильных (холодолюбивых), термофильных, галофильных, алкалофильных, ацидофильных, иссушающих, автотрофных и гетеротрофных организмов, включая ряд многоклеточных эукариот.

Однако микробиолог Дэвид Пирс из Университета Нортумбрии в Ньюкасле, Великобритания, сказал, что ДНК, обнаруженная в керне, может быть просто загрязнением, произошедшим в процессе бурения, а не репрезентативным материалом для самого озера Восток. Старые ледяные скважины были сделаны в 90-х годах в поисках данных о прежнем климате Земли, а не о жизни, поэтому буровое оборудование не было тщательно стерилизовано.

Также Сергей Булат, исследователь озера Восток из Санкт-Петербургского института ядерной физики в Гачине, Россия, выразил сомнение в том, что какие-либо клетки или фрагменты ДНК в образцах принадлежали организмам, которые действительно могли существовать в подледниковом озере. Он говорит, что весьма вероятно, что эти образцы сильно загрязнены тканями и микробами из внешнего мира.

Ученые выявили 255 видов загрязнения, но также обнаружили неизвестную бактерию, собранную при первом бурении в 2012 году, которая не соответствовала ни одной международной базе данных, и надеялись, что это может быть уникальный обитатель озера Восток. Однако Владимир Королев, заведующий лабораторией того же учреждения, сказал, что бактерия может быть загрязнителем, который использует керосин, антифриз, используемый во время бурения, в качестве источника энергии. Критики говорят, что никакая ценная информация не может быть получена до тех пор, пока они не протестируют чистые образцы озерной воды, не загрязненные буровым раствором.

В январе 2015 года российская пресса сообщила, что российские ученые проделали новую «чистую» лунку во льду над Востоком с помощью специального 50-килограммового зонда, который должен был собрать один литр воды без антифриза. Прогнозировалось, что вода на дне скважины поднимется на 30-40 м, но на самом деле вода поднялась из озера более чем на 500 м. В октябре того же года работы на то южное лето были приостановлены из-за недостаточного финансирования от федерального правительства России.

Бурение с использованием керосина и фреона, которых россияне уже израсходовали в общей сложности несколько десятков тонн, подвергается критике со стороны некоторых экологических групп и ученых, которые считают, что бурение с использованием горячей воды оказывает более ограниченное воздействие на окружающую среду. Главной проблемой является озеро может загрязниться антифризомкоторый русские использовали, чтобы скважина не замерзла снова.

Ученые из Национального исследовательского совета США высказали мнение, что следует исходить из того, что в озере Восток есть микробная жизнь и что после столь длительной изоляции все формы жизни в озере требуют строгой защиты от загрязнения. Антарктическая коалиция и Южноокеанская коалиция утверждали, что российский метод бурения был ошибкой, которая угрожала подледниковым озерам Антарктиды (которые, по мнению некоторых ученых, связаны с озером Восток).

Начальник буровых работ с 2011 по 12 год Лукин утверждает, что бурение с горячей водой гораздо опаснее для микробной фауны, так как оно приведет к выкипанию живых организмов, а также нарушит всю структуру водных слоев озера. Кроме того, для бурения с горячей водой потребуется больше энергии, чем российская экспедиция может произвести на своей базе.

Меньшие и более доступные озера

5. Проба воды из подледникового озера в бутылке

Хотя озеро Восток манит своими размерами и загадочностью, здравый смысл подсказывает, что начинать исследование следует с более доступных и небольших водоемов. Это девиз программы SALSA, с которой мы начали.

Озеро Мерсер в начале 2019 года проникла команда SALSA. Это непростая задача. Они делают это с помощью бура с горячей водой, шланга специальной конструкции, 10-литровой бутылки (5) для отбора проб воды, приспособлений для исправления осадка в течение обычно короткого периода полярной летней погоды в течение недели, когда мороз может быть ниже -20. градусов.

Исследование проводится группой американских ученых во главе с доктором Джоном Приску из Американского университета Монтаны (6). Талая вода из верхних слоев льда удаляется из скважины, и по мере того, как буровое долото врывается в котловину озера, вода из него поднимается в скважину. Тепло от буровой системы должно быть строго изолировано от воды озера, чтобы образцы и озеро оставались чистыми.

6. Шеф в программе САЛЬСА Джон Приску

Праздничным моментом для тех, кто работал над научным проектом (SALSA), начавших бурение вечером 23 декабря 2018 года и 26 декабря, стало бурение 1084 метров, когда закончились антарктические льды и началось подледниковое озеро Мерсер. Стоит напомнить, что в 2013 году в основном та же команда ученых преодолела 800 метров льда, чтобы достичь Уилланс Лейкс (7).

7. База на подледниковом озере Уилланс в Антарктиде.

Пробиться сквозь такой толстый лед — задача не из легких. Само «бурение» включает в себя использование насадки размером с карандаш, которая распыляет горячую воду под огромным давлением. Только для того, чтобы сопло заработало, требуется почти 500 тонн оборудования — в том числе для обеспечения жизнедеятельности ученых. Все это перевезли по плоскому пространству со станции Мак-Мердо, и поездка длилась два месяца. Большая часть этого оборудования предназначена для поддержания чистоты. Все оборудование обеззараживается перекисью водорода. Вода для подогрева и использования в скважине перед сбросом в скважину подвергалась дополнительной УФ-стерилизации. Его также фильтруют, удаляя 99,9% примесей. примесей, и в процессе его подвергали множественным испытаниям на чистоту.

Озеро Уилланс

Его площадь составляет около 59 квадратных километров. Он покрыт льдом толщиной 800 метров. Температура воды в озере около –0,5°С. Озеро расположено в 700 км от крупнейшей антарктической полярной станции, американской базы Мак-Мердо. Он расположен в желобе, скрытом под ледяным потоком Уилланс на побережье Сайпл, текущим к шельфовому леднику Росса. Озеро заполнено большим количеством наносов от размыва грунта ледником, поэтому на месте скважины его глубина составляет 1,5 м, вместо расчетных 10 м. С другими окрестными озерами оно связано реками, впадающими под ледником, который мог эти поселения. Вода из озера Уилланс, скорее всего, перетекает через такую ​​реку в море Росса, в которое она впадает под ледниковым шельфом. Перед бурением озеро было обследовано геофизическими методами, включая составление радиолокационных и сейсмических профилей, в летний сезон 2010/11 и 2011/12 гг. Бурение проводилось в летний сезон 2012/13 г. в рамках научной программы Whillans Ice Stream по исследованию подледного доступа (WISSARD). 27 января 2013 г. ученые пробили ледяной щит и достигли озера прямо; как и планировалось, вода высокого давления из озера потекла в скважину и заполнила ее нижние 30 м. Через сутки из озера были взяты первые пробы. В американской экспедиции участвовал польский гляциолог профессор Славомир Тулачик. В озеро опустили зонд разработки НАСА, проводивший первые наблюдения в водах ледникового озера.

Итак, в итоге удалось пробурить, взять пробы, отправить камеры, чтобы заснять подледное озеро. Оказывается, там в основном вода, камень, осадок и микроорганизмы. Многие из разнообразных бактерий и архаичных организмов, населяющих озеро, являются самоподдерживающимися. Они производят себе пищу, используя энергию восстановления соединений железа, серы и азота в озере, точно так же, как растения и водоросли на поверхности Земли производят пищу, используя солнечную энергию. Все происходит как бы в замедленной съемке.

Подсчитано, что в среднем микробам требуется 196 дней для деления. В лаборатории бактерии кишечной палочки делятся каждые 20 минут. Предполагаемые темпы роста по крайней мере в 10 раз ниже, чем наблюдаемые в бассейнах поверхностных вод Антарктиды или в океане.

Озеро Мерсера это может быть не первое открытие, но его исследование считается чрезвычайно важным. Анализ его состава необходим, если мы хотим понять, как вода движется под антарктическим льдом и как это влияет на перенос органического углерода и другие биологические процессы.

Воды озера Мерсер они попадают в море Росса. Предполагается, что отложения в озере Мерсер содержат относительно мало органического углерода по сравнению с отложениями в озере Мерсер. Озеро Уилланс. Это второе, но первое непосредственно исследованное (8) подледниковое озеро расположено ближе к антарктическому побережью, откуда в него поступают органические вещества из района, где ледник встречается с океаном.

8. Вид со дна озера Уилланс

Озеро Мерсера находится дальше от суши, поэтому большая часть содержащегося в нем углерода может поступать из старых источников коренных пород и из ледяных ручьев. Серия геохимических исследований поможет нам определить возраст и тип присутствующего органического вещества, а также даст более четкое представление об исторических изменениях в регионе.

Наличие метана (СН₄) в подледниковых системах может быть сильным индикатором микробной активности. Процесс анаэробного (с дефицитом кислорода) метаболизма, называемый метаногенезом, может быть причиной относительно высоких уровней метана, наблюдаемых в некоторых старых подледниковых отложениях. Однако геологические процессы также могут производить CH.₄. Этот термогенный CH₄ его трудно отличить от метана, вырабатываемого микроорганизмами. Сравнение уровня метана с содержанием органического вещества позволит определить способность среды поддерживать микробный метаболизм и, возможно, провести различие между термогенным и биологическим метаном.

Озеро Мерсера

Подледниковое озеро в Антарктиде под ледяным щитом толщиной 1067 м. По оценкам, его существование способствует высокому риску обрушения западноантарктического ледяного щита из-за глобального потепления. Исследования показывают, что подледниковое озеро Мерсер, как и другие подледниковые озера, по-видимому, связано с явлениями оттока из других водоемов и что оно, в свою очередь, заполняет другие. Они были случайно обнаружены в 2007 году Хелен Амандой Фрикер из Института океанографии Скриппса, анализируя данные спутникового радара. Название озера происходит от названия ледяного ручья Мерсер, под которым расположено озеро. Джон Мерсер был гляциологом в Университете штата Огайо. В конце 2018 года команда SALSA вышла на поверхность озера и спустя несколько месяцев представила результаты исследований. Образцы воды в озере содержат достаточно кислорода для содержания водных животных, а бактерии присутствуют с плотностью не менее 10 XNUMX кубических футов. клеток на миллилитр. Другие древние организмы, извлеченные из отложений, включают раковины диатомовых водорослей (фотосинтезирующие водоросли) и нитевидные растения или грибы. Найдены и остатки многоклеточных организмов, но их происхождение пока неизвестно.

В озере Мерсер обнаружены не только бактерии и другие виды микробов. Ученые также обнаружили в отложениях многоклеточные организмы, останки ракообразных и тихоходок. Это было удивительно, потому что более сложные организмы, чем одноклеточные, были довольно неожиданными.

Остается определить, живут ли такие организмы в этих средах или были перенесены из другого места, например, массами движущегося льда. Однако если бы они были аборигенными организмами, это означало бы, что масштабы жизни под антарктическим льдом больше, чем мы думали, и это увеличивает аппетит к дальнейшим исследованиям.