Введение
Крупнейшее известное подледниковое озеро Антарктиды – озеро Восток – расположено на южном полюсе холода, под российской станцией Восток, под поверхностью центрального ледяного щита Восточной Антарктиды, который находится выше среднего уровня моря. Поверхность этого пресноводного озера приблизительно ниже поверхности льда, что помещает его примерно ниже уровня моря. Озеро имеет длину около и ширину в самой широкой точке, что делает его шестым по величине озером по объему. Озеро разделено на два глубоких бассейна подводным хребтом. Глубина жидкой воды над хребтом составляет около , по сравнению с примерно в северном бассейне и в южном. Озеро названо в честь станции Восток, которая, в свою очередь, названа в честь шлюпа «Восток», что означает «Восток» на русском языке. Существование подледникового озера в районе Востока впервые было предположено российским географом Андреем Капицей на основе сейсмических исследований, проведенных во время Советских антарктических экспедиций в 1959 и 1964 годах для измерения толщины ледяного покрова. Окончательное подтверждение существования озера в 1993 году было получено J. P. Ridley с использованием лазерной альтиметрии ERS 1. Возраст воды в озере оценивается от 15 до 25 миллионов лет. 5 февраля 2012 года команда российских ученых завершила бурение самого длинного ледового керна длиной и пробила ледяной щит до поверхности озера. Первое ядро свежезамерзшего озерного льда было получено 10 января 2013 года на глубине около 40 км. Однако, сразу после пробития льда, вода из-под озера хлынула вверх по скважине, смешиваясь с фреоном и керосином, использовавшимися для предотвращения замерзания скважины. Имеются сходства с подповерхностным океаном Европы, спутника Юпитера, и спутником Сатурна Энцеладом.
Lake Vostok is located at the southern Pole of Cold, beneath Russia's Vostok Station under the surface of the central East Antarctic Ice Sheet, which is at above mean sea level. The surface of this fresh water lake is approximately under the surface of the ice, which places it at approximately below sea level. Measuring long by wide at its widest point, making it the 6th largest lake by volume. The lake is divided into two deep basins by a ridge. The liquid water depth over the ridge is about , compared to roughly deep in the northern basin and deep in the southern. The lake is named after Vostok Station, which in turn is named after the Vostok (Восток), a sloop of war, which means "East" in Russian. The existence of a subglacial lake in the Vostok region was first suggested by Russian geographer Andrey Kapitsa based on seismic soundings made during the Soviet Antarctic Expeditions in 1959 and 1964 to measure the thickness of the ice sheet. led to the final confirmation of the existence of the lake in 1993 by J. P. Ridley using ERS 1 laser altimetry. to 25 million years. On 5 February 2012, a team of Russian scientists completed the longest ever ice core of and pierced the ice shield to the surface of the lake. The first core of freshly frozen lake ice was obtained on 10 January 2013 at a depth of However, as soon as the ice was pierced, water from the underlying lake gushed up the borehole, mixing it with the Freon and kerosene used to keep the borehole from freezing. and Saturn's moon Enceladus.
Открытие
В конце XIX века русский ученый Петр Кропоткин впервые выдвинул идею о наличии пресной воды под антарктическими ледяными щитами. Он предположил, что огромное давление, оказываемое совокупной массой тысяч метров льда, может снизить температуру плавления в нижней части ледяного покрова до такой степени, что лед превратится в жидкую воду. Теория Кропоткина была далее развита российским гляциологом И. А. Зотиковым, который в 1967 году написал на эту тему докторскую диссертацию. Капица первым предположил существование подледникового озера в этом регионе, и последующие исследования подтвердили его гипотезу. В начале 1970-х годов британские ученые в Антарктиде провели аэрорадарные исследования, которые выявили необычные показания, указывающие на наличие под льдом крупного пресноводного озера. В 1991 году Джефф Ридли, специалист по дистанционному зондированию из Лаборатории космических исследований Мюлларда при Университетском колледже Лондона, направил спутник ERS 1 на высокочастотный массив, ориентированный в центр антарктической ледяной шапки. Данные, полученные со спутника ERS 1, подтвердили результаты британских исследований 1973 года, однако эти новые данные были опубликованы в журнале Journal of Glaciology лишь в 1993 году. Спутниковый радар показал, что это подледниковое скопление пресной воды является одним из крупнейших озер в мире и одним из примерно 140 подледниковых озер в Антарктиде. Российские и британские ученые очертили границы озера, объединив различные данные, включая результаты аэрорадарной съемки и космической радиолокационной альтиметрии, а открытие озера было опубликовано в научном журнале Nature 20 июня 1996 года. Под ледяной шапкой подтверждено наличие значительного количества жидкой воды в озере. В озере обнаружено не менее 22 полостей с жидкой водой, средний объем каждой из которых составляет . Станция, в честь которой названо озеро, посвящена «Востоку» – 900-тонному военному слову, на котором плавал один из первооткрывателей Антарктиды, русский адмирал Фабиан фон Беллинсгаузен. В январе 2006 года было опубликовано открытие двух небольших озер поблизости, расположенных под ледяной шапкой; они получили названия «90 градусов восточной долготы» и «Советская». Предполагается, что эти антарктические подледниковые озера могут быть соединены сетью подледниковых рек. Гляциологи из Центра полярных наблюдений и моделирования предполагают, что многие подледниковые озера Антарктиды, по крайней мере временно, взаимосвязаны. Бассейн озера Восток представляет собой небольшую тектоническую структуру в пределах более широкой континентальной зоны столкновения шириной в несколько сотен километров, расположенной между хребтом Гамбурцева, подледниковым горным хребтом, и регионом Купол С. Вода озера покоится на ложе, состоящем из отложений толщиной , что дает возможность предположить, что они содержат уникальную информацию о климате и жизни в Антарктиде до образования ледяной шапки.
Особенности
По оценкам, вода озера была изолирована под толстым ледяным покровом около 15 миллионов лет назад. Самая низкая температура, когда-либо зарегистрированная на Земле, была зафиксирована на станции «Восток» 21 июля 1983 года. Геотермальное тепло из недр Земли может подогревать дно озера, а сам ледяной покров изолирует озеро от холодных температур на поверхности. Озеро Восток – это олиготрофная экстремальная среда, которая, как ожидается, будет перенасыщена азотом и кислородом, с концентрацией азота и кислорода в воде, в 50 раз превышающей типичную для обычных пресноводных озер на поверхности Земли. Огромный вес и давление континентального ледяного щита над озером Восток, достигающие, по оценкам, , способствуют высокой концентрации газа. Помимо растворения в воде, кислород и другие газы удерживаются в структуре, называемой клатратом. В клатратных структурах газы заключены в ледяную клетку и выглядят как плотно упакованный снег. Эти структуры формируются на больших глубинах озера Восток при высоком давлении и станут нестабильными при подъеме на поверхность. В зависимости от положения Солнца и Луны, поверхность озера поднимается примерно на . Озеро находится в полной темноте, под давлением , и, как ожидается, богато кислородом, поэтому существует предположение, что любые организмы, обитающие в озере, могли эволюционировать уникальным образом, адаптированным к этой среде. Живые микроорганизмы Hydrogenophilus thermoluteolus были обнаружены в глубоких кернах льда озера Восток; они являются существующим видом, обитающим на поверхности. Это указывает на наличие глубокой биосферы, использующей геотермальную систему скального основания, окружающего подледниковое озеро. Существует оптимизм, что микробная жизнь в озере возможна, несмотря на высокое давление, постоянный холод, низкое поступление питательных веществ, потенциально высокую концентрацию кислорода и отсутствие солнечного света. Спутники Юпитера – Европа и спутник Сатурна – Энцелад – также могут содержать озера или океаны под толстой ледяной корой. Любое подтверждение жизни в озере Восток может усилить перспективы обнаружения жизни на ледяных спутниках.
Исследования
В 1998 году исследователи, работавшие на станции Восток, получили одно из самых длинных в мире ледяных кернов. Совместная российско-франко-американская команда проводила бурение и анализ этого керна. Возраст образцов льда, взятых из керна, пробуренного вблизи верхней части озера, оценивается в 420 000 лет. Предполагается, что озеро изолировано от поверхности со времени формирования ледникового щита, 15 миллионов лет назад. Бурение керна было намеренно остановлено примерно над предполагаемой границей между ледниковым щитом и жидкими водами озера, чтобы предотвратить загрязнение озера 60-тонным столбом фреона и керосина, использовавшихся для предотвращения обрушения и замерзания скважины. В январе 2011 года глава российской антарктической экспедиции Валерий Лукин объявил, что его команде осталось пробурить лишь небольшое количество льда, чтобы достичь воды. Вместо того чтобы бурить непосредственно в воду, они заявили, что остановятся непосредственно над ней, как только датчик на тепловом бурении обнаружит свободную воду. В этот момент бурение должно было быть остановлено и бур извлечен из скважины. Извлечение бура снизило бы давление под ним, затягивая воду в скважину для последующего замерзания и образования ледяной пробки внизу. Бурение было остановлено 5 февраля 2011 года на глубине, чтобы исследовательская группа успела покинуть лед до начала антарктической зимы. Буровая команда вылетела 6 февраля 2011 года. Согласно плану, следующим летом команда должна была снова пробурить скважину, чтобы взять образец льда и провести его анализ. В январе 2012 года россияне возобновили бурение в озеро и 6 февраля 2012 года достигли его верхней поверхности. Исследователи позволили хлынувшей озерной воде замерзнуть в скважине, а спустя несколько месяцев собрали образцы ледяного керна из этого вновь образовавшегося льда и отправили их в Лабораторию гляциологии и геофизики окружающей среды в Гренобле (Франция) для анализа.
Соединенное Королевство и Соединенные Штаты
Ученые впервые сообщили о наличии микробов в аккреционном льду в 1999 году. С тех пор другая команда под руководством Скотта О. Роджерса выявляет различные бактерии и грибы из аккреционного льда (а не из подледниковой воды), собранного во время буровых проектов в США в 1990-х годах. По его словам, это указывает на то, что озеро под льдом не стерильно, а содержит уникальную экосистему. Затем, в июле 2013 года, Скотт Роджерс опубликовал результаты, согласно которым его команда провела секвенирование нуклеиновых кислот (ДНК и РНК), что позволило реконструировать метаболические пути, представленные в аккреционном льду и, следовательно, в озере. Команда обнаружила 3507 уникальных последовательностей генов, из которых примерно 94% принадлежали бактериям, а 6% – эукариотам. Таксономическую классификацию (до рода и/или вида) или идентификацию удалось установить для 1623 последовательностей. В целом, таксоны были сходны с организмами, ранее описанными из озер, солоноватых вод, морской среды, почвы, ледников, льда, озерных отложений, глубоководных отложений, гидротермальных источников, животных и растений. Обнаружены последовательности аэробных, анаэробных, психрофильных, термофильных, галофильных, алкалифильных, ацидофильных, устойчивых к высыханию, автотрофных и гетеротрофных организмов, включая ряд многоклеточных эукариот. Было установлено, что базальный лед содержит почти совершенно иное сообщество организмов по сравнению с теми, что обнаружены в аккреционном льду озера, что свидетельствует о существовании двух принципиально разных экосистем. Сообщалось о наличии дополнительных бактерий и эукариот. Наибольшее разнообразие организмов в озерном льду было значительно связано (p<0,05) с более высокой концентрацией ионов и аминокислот. Хотя предыдущие исследования указывали на присутствие бактерий, обитающих в кишечнике рыб, последовательностей рыб обнаружено не было. Однако в исследовании 2020 года была выявлена последовательность рРНК, на 97% схожая с последовательностью антарктической нетотении (Notothenia coriiceps), широко распространенной вдоль побережья Антарктиды. Это первое сообщение о возможном обитании рыб в озере Восток. Известно, что эта рыба производит антифризные белки. Микробиолог Дэвид Пирс из Университета Нортумбрии в Ньюкасле (Великобритания) предположил, что обнаруженная ДНК может быть просто загрязнением, возникшим в процессе бурения, и не отражать состав самого озера Восток. Старые керны льда были извлечены в 1990-х годах для поиска свидетельств прошлых климатических условий, погребенных во льду, а не для поиска жизни, поэтому буровое оборудование не стерилизовалось. Сергей Булат, эксперт по озеру Восток из Петербургского института ядерной физики в Гатчине (Россия), также сомневается, что какие-либо клетки или фрагменты ДНК в образцах принадлежат организмам, которые действительно могут существовать в озере. Он считает, что образцы, вероятно, сильно загрязнены тканями и микробами извне. Возможность загрязнения была опровергнута Скоттом Роджерсом, поскольку контроль качества был строгим, а комбинации организмов, обнаруженных в каждом образце льда, соответствовали организмам, обитающим в холодном озере и льду (включая последовательность антарктической нетотении), и не соответствовали загрязнению, внесенному при отборе проб или в ходе лабораторных процедур. Кроме того, все лабораторные процедуры проводились параллельно с образцами льда из озера Эри, и два полученных набора данных оказались совершенно разными. Образец из озера Эри демонстрировал множество признаков человеческой деятельности, в то время как образцы льда из озера Восток не содержали таких признаков. Профиль бактериальных и эукариотических типов в образце из озера Эри также был почти полностью отличным.
Россия и Франция
Российские и французские ученые проводят исследования молекулярной ДНК воды из озера Восток, замерзшей в скважине, создавая многочисленные библиотеки ДНК – коллекции фрагментов ДНК, позволяющие ученым определить, к каким видам бактерий они могут относиться. Образцы, взятые из озера, содержат около одной части керосина на 1000 частей воды и загрязнены бактериями, ранее присутствовавшими в буровом долоте и керосиновой буровой жидкости. На данный момент ученым удалось идентифицировать 255 видов-загрязнителей, но они также обнаружили неизвестную бактерию при первоначальном бурении до поверхности озера в 2012 году, не имеющую аналогов в международных базах данных, и надеются, что это уникальный обитатель озера Восток. Однако Владимир Королев, руководитель лаборатории исследования в том же институте, отметил, что эта бактерия теоретически может быть загрязнителем, использующим керосин – антифриз, применявшийся при бурении – в качестве источника энергии. Критики из научного сообщества утверждают, что получение ценной информации невозможно до тех пор, пока не будут протестированы чистые образцы воды озера, не загрязненные буровой жидкостью. Несмотря на проблемы с загрязнением, в мае 2013 года буровое сооружение на российской антарктической станции "Восток" было объявлено историческим памятником как "результат признания международного научного сообщества достижений российских исследований Антарктики и уникальных операций по вскрытию подледникового озера Восток, проведенных российскими учеными 5 февраля 2012 года". В январе 2015 года российская пресса сообщила, что российские ученые пробурили новую "чистую" скважину в озеро Восток, используя специальный 50-килограммовый зонд, который собрал около 1 литра воды, не содержащей антифриза. Однако использованная технология бурения оказалась неподходящей для сбора жидкой воды в целом и чистых образцов в частности, и результаты не были опубликованы. Прогнозировалось, что вода поднимется на 30–40 м в нижней части скважины, но фактически вода поднялась с озера на высоту более 500 м. В октябре того же года работы были приостановлены на антарктическое лето из-за недостаточного финансирования со стороны федерального правительства России. В 2019 году российское правительство распорядилось установить новый зимний комплекс на исследовательской станции у озера Восток, частично финансируемый российским миллиардером Леонидом Михельсоном. Этот комплекс сможет обеспечивать жизнедеятельность 35 человек летом и 15 – зимой, и будет оснащен 4 дизельными генераторами мощностью 200 киловатт каждый. Новый комплекс, состоящий из 133 модулей, был доставлен на станцию "Прогресс" в декабре 2021 года и будет транспортирован на исследовательскую станцию озера Восток и установлен в течение следующих четырех лет.
Загрязнение вследствие буровых жидкостей
Проект бурения подвергается критике со стороны некоторых экологических групп и ученых, которые утверждают, что бурение с использованием горячей воды окажет меньшее воздействие на окружающую среду. Основная обеспокоенность заключается в том, что озеро может быть загрязнено антифризом, который использовался российской стороной для предотвращения повторного замерзания скважины. Ученые Национального исследовательского совета США придерживаются точки зрения, что необходимо исходить из предположения о существовании микробной жизни в озере Восток, и что любые формы жизни в озере, после столь длительной изоляции, нуждаются в строгой защите от загрязнения. Изначально использованная российской стороной технология бурения включала применение фреона и керосина для смазки скважины и предотвращения ее обрушения и замерзания; эти химические вещества до сих пор применялись в льду над озером Восток. Несмотря на заявления российской стороны об улучшении операций, они продолжают использовать ту же скважину, которая уже загрязнена керосином. По словам руководителя российских антарктических экспедиций, Валерия Лукина, исследователями Петербургского института ядерной физики было разработано новое оборудование, которое должно гарантировать отсутствие загрязнения озера при проникновении в него. Некоторые экологические организации остаются несогласными с этими доводами. Коалиция по Антарктике и Южному океану утверждает, что данный метод бурения является серьезной ошибкой, которая ставит под угрозу озеро Восток и другие подледниковые озера Антарктиды (которые, по мнению некоторых ученых, могут быть связаны с озером Восток). Кроме того, бурение с использованием горячей воды потребовало бы больше энергии, чем могла произвести российская экспедиция в их удаленном лагере.