Подледниковое озеро — это озеро , которое находится под ледником , обычно под ледяной шапкой или ледниковым покровом . Подледные озера образуются на границе между льдом и подстилающей породой , где гравитационное давление снижает температуру плавления льда. [1] [2] Со временем вышележащий лед постепенно тает со скоростью несколько миллиметров в год. [3] Талая вода течет из областей с высоким и низким гидравлическим давлением подо льдом и водоемами, создавая массу жидкой воды, которую можно изолировать от внешней среды на миллионы лет. [1] [4]
С момента первых открытий подледных озер под Антарктическим ледниковым щитом в Антарктиде , под Гренландским ледниковым щитом и под ледяной шапкой Ватнайёкюдль в Исландии было обнаружено более 400 подледных озер . [5] [6] [7] Подледные озера содержат значительную часть жидкой пресной воды Земли , при этом объем только антарктических подледных озер оценивается примерно в 10 000 км 3 , или около 15% всей жидкой пресной воды на Земле. [8]
Поскольку экосистемы изолированы от атмосферы Земли , подледниковые озера находятся под влиянием взаимодействия льда , воды , отложений и организмов . Они содержат активные биологические сообщества экстремофильных микробов , которые адаптированы к холодным условиям с низким содержанием питательных веществ и способствуют биогеохимическим циклам, независимым от поступления энергии от Солнца. [9] Подледные озера и их обитатели представляют особый интерес в области астробиологии и поиска внеземной жизни . [10] [11]
Вода в подледниковых озерах остается жидкой, поскольку геотермальное отопление компенсирует потери тепла на поверхности льда. Давление вышележащего ледника приводит к тому, что температура плавления воды становится ниже 0 ° C. Потолок подледного озера будет находиться на уровне, где давление плавления воды пересекается с температурным градиентом. В озере Восток , крупнейшем подледниковом озере Антарктики, лед над озером намного толще, чем ледяной щит вокруг него. Гиперсоленые подледниковые озера остаются жидкими из-за содержания солей. [5]
Не все озера с постоянным ледяным покровом можно назвать подледными, так как некоторые из них покрыты обычным озерным льдом. Некоторые примеры озер, постоянно покрытых льдом, включают озеро Бонни и озеро Хоар в сухих долинах Мак-Мердо в Антарктиде , а также озеро Ходжсон , бывшее подледниковое озеро.
Вода в подледниковом озере может иметь уровень плавания значительно выше уровня земного порога. Фактически, теоретически подледное озеро может существовать даже на вершине холма, при условии, что лед над ним достаточно тонкий, чтобы образовать необходимую гидростатическую защиту . Плавающий уровень можно рассматривать как уровень воды в яме, просверленной сквозь лед в озере. Это эквивалентно уровню, на котором над ним плавал бы кусок льда, если бы это был обычный шельфовый ледник . Таким образом, потолок можно представить как шельфовый ледник, заземленный по всему периметру, что объясняет, почему его назвали захваченным шельфовым ледником . Двигаясь над озером, он входит в озеро по плавучей линии и покидает озеро по линии заземления.
Гидростатическое уплотнение создается , когда лед вокруг озера настолько выше, что эквипотенциальная поверхность погружается в непроницаемый грунт. Вода из-под этой ледяной кромки затем выдавливается обратно в озеро гидростатическим затвором. Ледяная кромка озера Восток оценивается всего в 7 метров, а уровень плавания находится примерно на 3 километра над потолком озера. [5] Если гидростатическое уплотнение будет повреждено при высоком уровне плавучести, вода начнет вытекать в виде йёкульхлаупа . За счет плавления канала разряд увеличивается экспоненциально, если только другие процессы не позволяют разряду увеличиваться еще быстрее. Из-за высокого гидравлического напора , которого можно достичь в некоторых подледниковых озерах, йёкульхлаупс может достигать очень высоких скоростей расхода. [7] Катастрофический дренаж из подледниковых озер является известной опасностью в Исландии, поскольку вулканическая активность может создать достаточное количество талой воды, чтобы разрушить ледяные плотины и тюлени озер и вызвать наводнения из-за ледниковых прорывов . [12]
Роль подледниковых озер в динамике льда неясна. Конечно, на ледниковом щите Гренландии подледниковая вода сложным образом усиливает движение базального льда. [13] «Озера восстановления» под восстановительным ледником Антарктиды лежат во главе крупного ледяного потока и могут влиять на динамику региона. [14] Небольшое (10%) ускорение движения ледника Берд в Восточной Антарктиде , возможно, было вызвано подледным осушением. Поток подледниковых вод известен в районах нижнего течения, где ледяные потоки, как известно, мигрируют, ускоряются или застаиваются в столетних масштабах времени, и это указывает на то, что подледниковые воды могут сбрасываться через линию заземления ледникового покрова. [15]
Русский революционер и учёный Петр Алексеевич Кропоткин впервые выдвинул идею наличия жидкой пресной воды под Антарктическим ледниковым щитом в конце XIX века. [2] [16] Он предположил, что из-за геотермального нагревания внизу ледяных щитов температура подо льдом может достичь температуры таяния льда, которая будет ниже нуля. Идея о пресной воде под ледниковыми щитами была развита российским гляциологом Игорем Зотиковым, который посредством теоретического анализа продемонстрировал возможность уменьшения количества антарктических льдов из-за таяния льда на нижней поверхности. [5] По состоянию на 2019 год в Антарктиде насчитывается более 400 подледных озер , [7] и есть подозрения, что существует вероятность их увеличения. [5] Подледные озера также были обнаружены в Гренландии, [6] Исландии и северной Канаде. [17]
Научные достижения в Антарктиде можно отнести на счет нескольких крупных периодов сотрудничества и сотрудничества, таких как четыре Международных полярных года (МПГ) в 1882–1883, 1932–1933, 1957–1958 и 2007–2008 годах. Успех МПГ 1957-1958 годов привел к созданию Научного комитета по антарктическим исследованиям (СКАР) и Системы Договора об Антарктике , что проложило путь к разработке более совершенной методологии и процесса наблюдения за подледными озерами.
В 1959 и 1964 годах во время двух из четырех советских антарктических экспедиций российский географ и исследователь Андрей Капица использовал сейсмическое зондирование для подготовки профиля геологических слоев под станцией Восток в Антарктиде. Первоначальной целью этой работы было проведение широкого исследования Антарктического ледникового щита. Однако данные, собранные в ходе этих исследований, были использованы 30 лет спустя и привели к открытию озера Восток как подледникового озера. [18]
Начиная с конца 1950-х годов английские физики Стэн Эванс и Гордон Робин начали использовать радиогляциологический метод радиоэхозондирования (РЭЗ) для определения толщины льда. [19] По данным (RES) подледные озера идентифицируются как непрерывные и зеркальные отражатели, которые погружаются в поверхность льда под углом примерно x10 угла наклона поверхности, поскольку это необходимо для гидростатической устойчивости. В конце 1960-х годов они смогли установить приборы ДЗИ на самолеты и получить данные об Антарктическом ледниковом щите. [20] В период с 1971 по 1979 год Антарктический ледниковый щит широко профилировался с использованием оборудования ВИЭ. [20] Технология использования РЭС заключается в следующем: для увеличения отношения сигнал/шум во льду бурят скважины глубиной 50 метров. Небольшой взрыв вызывает звуковую волну , которая проходит сквозь лед. [7] Эта звуковая волна отражается и затем записывается инструментом. Время, необходимое волне для перемещения вниз и назад, фиксируется и преобразуется в расстояние с использованием известной скорости звука во льду. [20] Записи RES позволяют идентифицировать подледниковые озера по трем конкретным характеристикам: 1) особенно сильное отражение от основания ледникового щита, более сильное, чем отражения от соседних ледяных пород ; 2) эхо постоянной силы, возникающее вдоль пути, свидетельствующее о том, что поверхность очень гладкая; и 3) очень плоский и горизонтальный характер с уклонами менее 1%. [21] [22] Используя этот подход, Каписта и его команда задокументировали 17 подледниковых озер [23] . ВИЭ также привело к открытию первого подледного озера в Гренландии [1] и выявило, что эти озера взаимосвязаны. [3]
Систематическое профилирование Антарктического ледникового щита с использованием ВИЭ снова проводилось в период 1971–1979 годов. За это время совместная работа США, Великобритании и Дании смогла обследовать около 40% Восточной Антарктиды и 80% Западной Антарктиды , что позволило дополнительно определить подледный ландшафт и поведение ледяных потоков над озерами. [4]
В начале 1990-х годов данные радиовысотомера Европейского спутника дистанционного зондирования (ERS-1) позволили получить детальное картографирование Антарктиды через 82 градуса южной широты. [24] Это изображение выявило плоскую поверхность вокруг северной границы озера Восток, а данные, собранные с помощью ERS-1, позволили дополнительно построить географическое распределение антарктических подледных озер.
В 2005 году Лоуренс Грей и группа гляциологов начали интерпретировать опускание и подъем поверхностного льда на основе данных RADARSAT , которые указывали на то, что могут существовать гидрологически «активные» подледниковые озера, подверженные движению воды. [25]
В период с 2003 по 2009 год в ходе долгосрочных измерений высоты поверхности льда с использованием спутника ICESat , входящего в систему наблюдения за Землей НАСА , была создана первая карта активных подледных озер в Антарктиде в континентальном масштабе. [25] В 2009 году выяснилось, что озеро Кука является самым гидрологически активным подледниковым озером на Антарктическом континенте. Для мониторинга и исследования этого озера использовались другие спутниковые снимки, в том числе ICESat , CryoSat-2 , усовершенствованный космический радиометр теплового излучения и отражения и SPOT5 . [26] [27]
Грей и др. (2005) интерпретировали падение и подъем поверхности льда по данным RADARSAT как свидетельство наполнения и опорожнения подледниковых озер, так называемых «активных» озер. [28] Уингем и др. (2006) использовали данные радиовысотомера (ERS-1), чтобы показать совпадающие подъемы и опускания, что предполагает дренаж между озерами. [29] Спутник НАСА ICESat сыграл ключевую роль в дальнейшем развитии этой концепции, и последующие работы продемонстрировали распространенность этого явления. [30] [31] ICESat прекратил измерения в 2007 году, а обнаруженные «активные» озера были собраны Смитом и др. (2009) выделили 124 таких озера. Осознание того, что озера взаимосвязаны, создало новые опасения по загрязнению планов бурения озер ( см. раздел «Экспедиции по отбору проб» ниже ).
Несколько озер были очерчены знаменитыми исследованиями SPRI-NSF-TUD, проводившимися до середины семидесятых годов. Со времени создания этой оригинальной подборки несколько небольших исследований обнаружили гораздо больше подледных озер по всей Антарктиде, в частности, Картером и др. (2007), которые определили спектр типов подледниковых озер на основе их свойств в наборах данных (RES).
В марте 2010 года на конференции Чепмена Американского геофизического союза в Балтиморе прошла шестая международная конференция по подледниковым озерам . Конференция позволила инженерам и ученым обсудить оборудование и стратегии, используемые в проектах бурения льда , такие как конструкция буров с горячей водой, оборудование для измерения и отбора проб воды и сбора отложений, а также протоколы экспериментальной чистоты и охраны окружающей среды . [20] По итогам этой встречи СКАР разработал кодекс поведения для экспедиций по бурению льда, а также измерений на месте (на месте) и отбора проб из подледниковых озер. Этот кодекс поведения был ратифицирован на Консультативном совещании по Договору об Антарктике (КСДА) в 2011 году. К концу 2011 года было запланировано провести три отдельные миссии по бурению подледниковых озер.
В феврале 2012 года российские керны на озере Восток впервые получили доступ к подледному озеру. [32] Вода из озера затопила скважину и замерзла в зимний сезон, а образец повторно замерзшей воды озера (наросшего льда) был взят в следующем летнем сезоне 2013 года. В декабре 2012 года ученые из Великобритании попытались получить доступ к озеру . Эллсворт с дрелью с чистым доступом и горячей водой; [33] Однако миссия была отменена из-за отказа оборудования. [34] В январе 2013 года экспедиция Уилланса по исследованию подледного доступа к ледниковому потоку (WISSARD) под руководством США измерила и отобрала образцы озера Уилланс в Западной Антарктиде [35] на наличие микробной жизни. [36] 28 декабря 2018 года группа научного доступа к подледным антарктическим озерам (SALSA) объявила, что они достигли озера Мерсер после того, как растопили 1067 м (3501 фут) льда с помощью бура с горячей водой под высоким давлением. [9] Команда собрала пробы воды и донных отложений на глубине до 6 метров.
Большинство из почти 400 антарктических подледниковых озер расположены вблизи ледниковых водоразделов , где крупные подледниковые водосборные бассейны перекрыты ледниковыми щитами. Самым крупным из них является озеро Восток, а также другими озерами, отличающимися своими размерами, являются озеро Конкордия и озеро Аврора. Возле ледяных потоков также обнаруживается все большее количество озер. [1] Высотомерное исследование, проведенное спутником ERS-2, находившимся на орбите Восточно-Антарктического ледникового щита с 1995 по 2003 год, выявило кластерные аномалии высоты ледникового покрова [37], что указывает на то, что восточно-антарктические озера питаются подледной системой, которая переносит базальную талую воду через подледниковые слои . потоки .
Крупнейшие антарктические подледниковые озера сгруппированы в районе Купола С-Восток в Восточной Антарктиде, возможно, из-за толстого изолирующего льда и сурового подледникового рельефа , находящегося под тектоническим влиянием . В Западной Антарктиде подледное озеро Элсуорт расположено в горах Элсуорт и является относительно небольшим и неглубоким. [38] Береговые ледяные потоки Сайпл, также в Западной Антарктиде, перекрывают многочисленные небольшие подледные озера, в том числе озера Уилланс , Энгельхардт, Мерсер, Конвей, [38] [39] в сопровождении своих нижних соседей, называемых Нижний Конвей (LSLC) и Нижний Мерсер. (ЛСЛМ). [39] Отступление ледников на окраинах Антарктического ледникового щита выявило несколько бывших подледниковых озер, в том числе озеро Прогресс в Восточной Антарктиде и озеро Ходжсон на юге острова Александра недалеко от Антарктического полуострова . [40]
Существование подледных озер под ледниковым щитом Гренландии стало очевидным только в последнее десятилетие. [ когда? ] Радиоэхолотирование выявило два подледных озера в северо-западной части ледникового щита. [1] Эти озера, вероятно, пополняются водой за счет дренажа близлежащих надледниковых озер , а не за счет таяния базального льда. [41] Еще одно потенциальное подледниковое озеро было обнаружено вблизи юго-западной окраины ледникового щита, где круглая депрессия под ледниковым щитом свидетельствует о недавнем осушении озера, вызванном потеплением климата. [42] Считается, что такой дренаж в сочетании с передачей тепла к основанию ледникового щита посредством хранения надледниковой талой воды влияет на скорость потока льда и общее поведение Гренландского ледникового щита. [41]
Большая часть Исландии является вулканически активной, что приводит к значительному образованию талой воды под двумя ледяными шапками . Эта талая вода также скапливается в котловинах и ледяных котлах, образуя подледные озера. [7] Эти озера действуют как механизм переноса тепла от геотермальных источников к дну ледяных шапок, что часто приводит к таянию базального льда, который восполняет любую воду, потерянную из-за дренажа. [43] Большинство исландских подледниковых озер расположены под ледяными шапками Ватнайёкюдль и Мирдалсйокудль , где таяние в результате гидротермальной активности создает постоянные депрессии, которые заполняются талой водой. [7] Катастрофический дренаж из подледниковых озер является известной опасностью в Исландии, поскольку вулканическая активность может создать достаточное количество талой воды, чтобы разрушить ледяные плотины и тюлени озер и вызвать наводнения из-за ледниковых прорывов . [44]
Гримсвётн , пожалуй, самое известное подледное озеро под ледяной шапкой Ватнайокудль. Другие озера под ледяной шапкой находятся в котлах Скатфа, Палсфьялль и Кверкфьёлль. [7] Примечательно, что гидравлическое затвор подледникового озера Гримсвётн оставался нетронутым до 1996 года, когда значительное производство талой воды в результате извержения Гьялпа привело к поднятию ледяной плотины Гримсвётн. [45]
Ледяная шапка Мирдалсйёкюдль , еще одно ключевое место подледникового озера, расположена на вершине активной вулкано-кальдерной системы в самой южной части вулканической системы Катла . [44] Считается, что гидротермальная деятельность под ледяной шапкой Мирдалсйокудль создала по меньшей мере 12 небольших впадин на территории, ограниченной тремя основными подледниковыми водосборными бассейнами . [7] Известно, что многие из этих впадин содержат подледные озера, которые подвержены массовым катастрофическим дренажным явлениям в результате извержений вулканов, что создает значительную опасность для близлежащего населения. [44]
До недавнего времени в Канаде были обнаружены только бывшие подледниковые озера последнего ледникового периода. [46] Эти палео-подледниковые озера, вероятно, занимали долины, образовавшиеся до наступления Лаврентийского ледникового щита во время последнего ледникового максимума . [47] Однако два подледниковых озера были обнаружены с помощью RES в коренных впадинах под ледяной шапкой Девона в Нунавуте, Канада. [48] Считается, что эти озера являются гиперсолеными в результате взаимодействия с подстилающей соленосной коренной породой и гораздо более изолированы, чем несколько выявленных соленых подледниковых озер в Антарктиде. [48]
В отличие от поверхностных озер, подледные озера изолированы от атмосферы Земли и не получают солнечного света. Их воды считаются ультраолиготрофными , то есть содержат очень низкие концентрации питательных веществ, необходимых для жизни. Несмотря на низкие температуры, низкий уровень питательных веществ, высокое давление и полную темноту в подледниковых озерах, было обнаружено, что в этих экосистемах обитают тысячи различных видов микробов и некоторые признаки высшей жизни. [9] [36] [49] Профессор Джон Приску , выдающийся ученый, изучающий полярные озера, назвал подледниковые экосистемы Антарктиды «крупнейшими водно-болотными угодьями нашей планеты ». [50]
Микроорганизмы и процессы выветривания запускают разнообразный набор химических реакций , которые могут управлять уникальной пищевой сетью и, таким образом, обеспечивать круговорот питательных веществ и энергии через экосистемы подледниковых озер. В темноте подледниковых озер не может происходить фотосинтез , поэтому вместо этого их пищевые сети управляются хемосинтезом и потреблением древнего органического углерода, отложившегося до оледенения. [36] Питательные вещества могут попадать в подледниковые озера через границу раздела воды ледника и озера, в результате гидрологических связей, а также в результате физического, химического и биологического выветривания подледных отложений . [9] [51]
Поскольку пробы были отобраны напрямую из немногих подледниковых озер, большая часть существующих знаний о биогеохимии подледниковых озер основана на небольшом количестве проб, в основном из Антарктиды. Выводы о концентрациях растворенных веществ, химических процессах и биологическом разнообразии неотобранных подледниковых озер также были сделаны на основе анализа нарастающего льда (повторно замерзшей озерной воды) у подножия вышележащих ледников. [52] [53] Эти выводы основаны на предположении, что нарастающий лед будет иметь такие же химические характеристики, как и озерная вода, которая его сформировала. На данный момент ученые обнаружили разнообразные химические условия в подледных озерах: от верхних слоев озера, перенасыщенных кислородом, до нижних слоев, которые бескислородны и богаты серой. [54] Несмотря на типично олиготрофные условия, считается, что подледные озера и отложения содержат значительные количества питательных веществ, особенно углерода, на региональном и глобальном уровне. [55] [12] [56] [57] [58]
Воздушные клатраты , захваченные ледниковым льдом, являются основным источником кислорода , поступающего в замкнутые системы подледниковых озер. Когда нижний слой льда над озером тает, клатраты высвобождаются из кристаллической структуры льда, и газы, такие как кислород, становятся доступными микробам для таких процессов, как аэробное дыхание . [59] В некоторых подледниковых озерах циклы замерзания и таяния на границе раздела озеро-лед могут обогащать верхнюю воду озера концентрацией кислорода, которая в 50 раз выше, чем в типичных поверхностных водах. [60]
Таяние слоя ледникового льда над подледниковым озером также снабжает нижележащие воды железо , азотом и фосфорсодержащими минералами , а также некоторым растворенным органическим углеродом и бактериальными клетками. [9] [12] [51]
Поскольку воздушные клатраты от таяния ледникового льда являются основным источником кислорода для вод подледниковых озер, концентрация кислорода обычно снижается с глубиной в толще воды, если оборот медленный. [61] Кислородные или слабокислородные воды часто находятся вблизи границы раздела ледник-озеро, в то время как во внутренней части озера и отложениях преобладает аноксия из-за дыхания микробов. [62] В некоторых подледниковых озерах микробное дыхание может потреблять весь кислород в озере, создавая полностью бескислородную среду до тех пор, пока из связанных подледниковых сред не потечет новая богатая кислородом вода. [63] Добавление кислорода из таяния льда и потребление кислорода микробами может создавать окислительно-восстановительные градиенты в толще воды подледникового озера, при этом аэробные микробные опосредованные процессы, такие как нитрификация, происходят в верхних водах, а анаэробные процессы происходят в бескислородных придонных водах. [51]
Концентрация растворенных веществ в подледниковых озерах, включая основные ионы и питательные вещества , такие как натрий , сульфат и карбонаты , низка по сравнению с типичными поверхностными озерами. [51] Эти растворенные вещества попадают в толщу воды в результате таяния ледникового льда и выветривания отложений. [51] [58] Несмотря на низкую концентрацию растворенных веществ, большой объем подледниковых вод делает их важными поставщиками растворенных веществ, особенно железа, в окружающие их океаны. [64] [58] [65] Подледный отток из Антарктического ледникового щита , включая отток из подледниковых озер, по оценкам, добавляет такое же количество растворенных веществ в Южный океан , как и некоторые из крупнейших рек мира. [58]
На толщу подледниковых вод влияет обмен воды между озерами и ручьями под ледниковыми покровами через подледниковую дренажную систему; такое поведение, вероятно, играет важную роль в биогеохимических процессах, приводя к изменениям в среде обитания микробов, особенно в отношении концентрации кислорода и питательных веществ. [51] [61] Гидрологическая связь подледниковых озер также изменяет время пребывания воды или количество времени, в течение которого вода остается в резервуаре подледникового озера. Более длительное время пребывания, например, под внутренним Антарктическим ледяным щитом, приведет к большему времени контакта между водой и источниками растворенных веществ, что приведет к большему накоплению растворенных веществ, чем в озерах с более коротким временем пребывания. [58] [57] Предполагаемое время существования изученных в настоящее время подледниковых озер варьируется от примерно 13 000 лет в озере Восток до нескольких десятилетий в озере Уилланс. [66] [67]
Морфология подледниковых озер может изменить их гидрологию и характер циркуляции. Области с самым толстым покрывающим льдом испытывают более высокие темпы таяния. Обратное происходит в районах, где ледниковый покров наиболее тонкий, что позволяет повторно замерзнуть озерной воде. [22] Эти пространственные различия в скорости таяния и замерзания приводят к внутренней конвекции воды и циркуляции растворенных веществ, тепла и микробных сообществ по всему подледниковому озеру, которые будут различаться среди подледниковых озер в разных регионах. [51] [61]
Подледниковые отложения состоят преимущественно из ледниковых тиллей , образовавшихся при физическом выветривании подледниковых коренных пород . [51] В этих отложениях преобладают бескислородные условия из-за потребления кислорода микробами, особенно во время окисления сульфидов . [51] [17] [58] Сульфидные минералы образуются в результате выветривания коренных пород вышележащим ледником, после чего эти сульфиды окисляются до сульфата аэробными или анаэробными бактериями, которые могут использовать железо для дыхания, когда кислород недоступен. [59]
Продукты окисления сульфидов могут усиливать химическое выветривание карбонатных и силикатных минералов в подледниковых отложениях, особенно в озерах с длительным временем пребывания. [51] [58] Выветривание карбонатных и силикатных минералов из озерных отложений также высвобождает в воду озера другие ионы, включая калий (K + ), магний (Mg 2+ ), натрий (Na + ) и кальций (Ca 2+ ). [58]
Другие биогеохимические процессы в бескислородных подледных отложениях включают денитрификацию , восстановление железа , восстановление сульфатов и метаногенез (см. Резервуары органического углерода ниже). [51]
Подледные осадочные бассейны под Антарктическим ледниковым щитом накопили около 21 000 петаграмм органического углерода, большая часть которого поступает из древних морских отложений. [56] Это более чем в 10 раз превышает количество органического углерода, содержащегося в вечной мерзлоте Арктики [68] и может соперничать с количеством реактивного углерода в современных океанских отложениях, [69] потенциально делая подледниковые отложения важным, но недостаточно изученным компонентом глобального углерода . цикл . [57] В случае разрушения ледникового покрова подледный органический углерод будет легче вдыхаться и, таким образом, выбрасываться в атмосферу, создавая положительную обратную связь с изменением климата . [70] [56] [57]
Микробные обитатели подледниковых озер, вероятно, играют важную роль в определении формы и судьбы органического углерода осадков. В бескислородных отложениях экосистем подледниковых озер органический углерод может использоваться архей для метаногенеза , потенциально создавая в отложениях большие пулы клатрата метана , которые могут высвобождаться во время разрушения ледникового покрова или когда воды озера стекают к краям ледникового покрова. [71] Метан был обнаружен в подледниковом озере Уилланс, [72] и эксперименты показали, что метаногенные археи могут быть активны в отложениях под антарктическими и арктическими ледниками. [73]
Большая часть метана, который не хранится в отложениях подледниковых озер, по-видимому, потребляется метанотрофными бактериями в насыщенных кислородом верхних водах. В подледниковом озере Уилланс ученые обнаружили, что бактериальное окисление потребляет 99% доступного метана. [72] Существуют также свидетельства активного производства и потребления метана под ледниковым щитом Гренландии . [74]
Считается также, что подледные воды Антарктики содержат значительные количества органического углерода в форме растворенного органического углерода и бактериальной биомассы. [12] Количество органического углерода в водах подледниковых озер, составляющее примерно 1,03 x 10 -2 петаграмм, намного меньше, чем содержание органического углерода в подледных отложениях Антарктики, но всего на порядок меньше, чем количество органического углерода на всей поверхности. пресноводные (5,10 х 10 -1 петаграмм). [12] Этот относительно меньший, но потенциально более реактивный резервуар подледного органического углерода может представлять собой еще один пробел в понимании учеными глобального углеродного цикла . [12]
Первоначально предполагалось, что подледниковые озера стерильны , [75] но за последние тридцать лет активная микробная жизнь и признаки высшей жизни были обнаружены в водах подледниковых озер, отложениях и наросшем льду. [9] [61] Сейчас известно, что подледные воды содержат тысячи видов микробов, включая бактерии , археи и, возможно, некоторые эукариоты . Эти экстремофильные организмы адаптированы к отрицательным температурам, высокому давлению, низкому содержанию питательных веществ и необычным химическим условиям. [9] [61] Исследование микробного разнообразия и адаптаций в подледниковых озерах представляет особый интерес для ученых, изучающих астробиологию , а также историю и пределы жизни на Земле.
В большинстве поверхностных экосистем фотосинтезирующие растения и микробы являются основными первичными продуцентами , составляющими основу озерной пищевой сети . Фотосинтез невозможен в постоянной темноте подледных озер, поэтому вместо этого эти пищевые сети управляются хемосинтезом . [36] В подледниковых экосистемах хемосинтез осуществляется в основном хемолитоавтотрофными микробами. [76] [63] [77]
Как и растения, хемолитоавтотрофы превращают углекислый газ (CO 2 ) в новый органический углерод, что делает их основными производителями в основе пищевых сетей подледниковых озер. Вместо того, чтобы использовать солнечный свет в качестве источника энергии, хемолитоавтотрофы получают энергию в результате химических реакций, в которых неорганические элементы из литосферы окисляются или восстанавливаются . Общие элементы, используемые хемолитоавтотрофами в подледниковых экосистемах, включают сульфиды , железо и карбонаты, выветренные из отложений. [9]
Помимо мобилизации элементов из отложений, хемолитоавтотрофы создают достаточно нового органического вещества для поддержания гетеротрофных бактерий в подледных экосистемах. [36] [63] Гетеротрофные бактерии потребляют органический материал, производимый хемолитоавтотрофами, а также органическое вещество из отложений или таяния ледникового льда. [12] [53] Несмотря на ресурсы, доступные гетеротрофам подледниковых озер, эти бактерии, по-видимому, исключительно медленно растут, что потенциально указывает на то, что они посвящают большую часть своей энергии выживанию, а не росту. [63] Медленные темпы гетеротрофного роста также можно объяснить низкими температурами в подледниковых озерах, которые замедляют микробный метаболизм и скорость реакций. [78]
Переменные окислительно-восстановительные условия и разнообразные элементы, доступные из отложений, открывают возможности для многих других метаболических стратегий в подледниковых озерах. Другие метаболизмы, используемые микробами подледниковых озер, включают метаногенез , метанотрофию и хемолитогетеротрофию , при которых бактерии потребляют органические вещества, одновременно окисляя неорганические элементы. [72] [79] [36]
Некоторые ограниченные данные о микробных эукариотах и многоклеточных животных в подледниковых озерах могут расширить нынешние представления о подледных пищевых сетях. [49] [80] Если эти организмы присутствуют, они могут выжить, потребляя бактерии и другие микробы.
Воды подледниковых озер считаются ультраолиготрофными и содержат низкие концентрации питательных веществ , особенно азота и фосфора . [51] [81] В экосистемах поверхностных озер фосфор традиционно считался лимитирующим питательным веществом , которое сдерживает рост экосистемы, хотя наиболее распространенным кажется совместное ограничение поставками как азота, так и фосфора. [82] [83] Однако данные из подледникового озера Уилланс позволяют предположить, что азот является лимитирующим питательным веществом в некоторых подледниковых водах, основываясь на измерениях, показывающих, что соотношение азота и фосфора очень низкое по сравнению с соотношением Редфилда . [36] Эксперимент показал, что бактерии из озера Уилланс росли немного быстрее, когда им давали фосфор и азот, что потенциально противоречит идее о том, что рост в этих экосистемах ограничивается только азотом. [63]
Биологическое исследование подледниковых озер было сосредоточено на Антарктиде, но финансовые и логистические проблемы, связанные с бурением Антарктического ледникового щита для сбора проб, ограничили успешный прямой отбор проб воды из подледниковых озер Антарктики в озера Уилланс и Мерсер . Также были взяты пробы из вулканических подледниковых озер под ледяной шапкой Исландии Ватнайокудль .
В подледниковом озере Уилланс экспедиция WISSARD собрала керны отложений и образцы воды, которые содержали 130 000 микробных клеток на миллилитр и 3914 различных видов бактерий. [36] Команда идентифицировала активные бактерии, которые метаболизировали аммиак , метан и серу , в отложениях возрастом 120 000 лет. [79] Наиболее распространенные идентифицированные бактерии были связаны с Thiobacillus , Sideroxyans и психрофильными видами Polaromonas . [36] [79]
В январе 2019 года команда SALSA собрала образцы отложений и воды из подледникового озера Мерсер и обнаружила панцири диатомовых водорослей и хорошо сохранившиеся туши ракообразных и тихоходок . [49] Хотя животные были мертвы, команда также обнаружила концентрацию бактерий в 10 000 клеток на миллилитр, что позволяет предположить, что животные могут выжить в озере, потребляя бактерии. [49] Команда продолжит анализировать образцы для дальнейшего изучения химии и биологии озера.
Озеро Восток — наиболее изученное подледниковое озеро Антарктики, но его воды изучались только посредством анализа нарастающего льда со дна ледяных кернов, взятых во время российских буровых работ над озером. В нарастающем льду озера Восток были обнаружены активно растущие бактерии и тысячи уникальных последовательностей ДНК бактерий , архей и эукариот . [84] [52] [80] Некоторые ДНК, по-видимому, происходят от многоклеточных эукариот , включая виды, по-видимому, связанные с пресноводными дафниями , тихоходками и моллюсками . [80] Эти виды, возможно, выжили в озере и медленно адаптировались к меняющимся условиям с тех пор, как Восток последний раз подвергался воздействию атмосферы миллионы лет назад. Однако во время сбора образцы, вероятно, были загрязнены буровым раствором, поэтому некоторые из идентифицированных организмов, вероятно, не обитали в озере. [85]
Другие попытки отбора проб подледников в Антарктиде включают подледниковый бассейн бескислородной , гиперсоленой воды под ледником Тейлор , в котором обитает микробное сообщество, которое было изолировано от атмосферы 1,5–2 миллиона лет назад. [86] Бактерии под ледником Тейлора, по-видимому, обладают новой метаболической стратегией , которая использует ионы сульфата и трехвалентного железа для разложения органических веществ . [86]
Никаких попыток прямого отбора проб из подледниковых озер на ледниковом щите Гренландии не предпринималось . Однако в подледниковых стоках были отобраны пробы, в которых обнаружено содержание метаногенных и метанотрофных микробов. [74] Бактерии также были обнаружены внутри самого ледникового щита, но они вряд ли будут активны во льду. [87]
Подледные озера под ледниковой шапкой Ватнайёкюдль в Исландии представляют собой уникальную среду обитания для микробной жизни, поскольку они получают тепло и химические вещества от подледной вулканической активности, влияя на химический состав вод нижнего озера и отложений. [88] Активные психрофильные автотрофные бактерии были обнаружены в озере под вулканической кальдерой Гримсвётн . [89] Микробное сообщество с низким разнообразием также было обнаружено в восточных подледных озерах Скафтаркетилль и Кверкфьяллалон, где бактерии включают виды Geobacter и Desulfuosporosinus , которые могут использовать серу и железо для анаэробного дыхания . [90] В западной части озера Скафта в бескислородных придонных водах преобладают ацетат -продуцирующие бактерии, а не метаногены . [81]
В некоторых случаях воды подледниковых озер были изолированы в течение миллионов лет, и эти « ископаемые воды » могут содержать эволюционно различные микробные сообщества. [86] Некоторые подледные озера в Восточной Антарктиде существуют уже около 20 миллионов лет, но взаимосвязанная подледниковая дренажная система между озерами под Антарктическим ледниковым щитом предполагает, что воды озера, вероятно, не были изолированы на протяжении всего срока службы озера. [12]
Во время предполагаемого периода Земли-снежка в позднем протерозое обширное оледенение могло полностью покрыть поверхность Земли льдом на 10 миллионов лет. [91] Жизнь могла выжить в основном в ледниковой и подледниковой среде, что делает современные подледниковые озера важной системой исследования для понимания этого периода в истории Земли. Совсем недавно подледные озера в Исландии, возможно, служили убежищем для подземных амфипод во время четвертичного ледникового периода . [92]
Подледные озера являются аналогом среды внеземных покрытых льдом водоемов, что делает их важной исследовательской системой в области астробиологии , которая занимается изучением возможности существования жизни за пределами Земли . Обнаружение живых экстремофильных микробов в подледниковых озерах Земли может свидетельствовать о том, что жизнь может сохраняться в аналогичных средах на внеземных телах. [11] [10] Подледные озера также предоставляют системы исследования для планирования исследовательских работ в отдаленных, логистически сложных местах, чувствительных к биологическому загрязнению. [93] [94]
Спутник Юпитера Европа и спутник Сатурна Энцелад являются многообещающими целями в поисках внеземной жизни. На Европе имеется обширный океан, покрытый ледяной коркой, а на Энцеладе также имеется подледный океан. [95] [96] Спутниковый анализ шлейфа ледяного водяного пара, вырывающегося из трещин на поверхности Энцелада, выявил значительное подповерхностное производство водорода, что может указывать на сокращение содержания железосодержащих минералов и органических веществ . [97]
Подледное озеро на Марсе было обнаружено в 2018 году с помощью РЭС на космическом корабле «Марс-Экспресс». [98] Этот водоем был обнаружен под слоистыми отложениями южного полюса Марса. Предполагается, что он образовался в результате геотермального нагрева, вызывающего таяние под ледяной шапкой. [99]