Komerční prezentace
Registrace uživatele

Přihlašte se k odběru informací, novinek, získejte přístup do diskuzního fóra.

Vesmír č. 10
Vesmír č. 10
Toto číslo vychází
2. 10. 2017
Novinky
Zdarma jedno celé číslo Vesmíru v pdf.
• Říjnové číslo Vesmíru
reklama

Devátý kruh pekla, nebo kolébka života?

Podledovcová a trvale zamrzlá jezera

Publikováno: Vesmír 95, 444, 2016/7
Obor: Biologie

Podledovcová jezera jsou unikátní habitaty vyznačující se velice nízkými teplotami a absencí slunečního záření. Za teplot pohybujících se okolo několika stupňů pod bodem mrazu jsou v tekutém stavu udržována tlakem nadložního ledovce, působením geotermální energie a prostřednictvím chemických příměsí.

V Antarktidě bylo objeveno už téměř 400 podledovcových jezer a toto číslo takřka jistě není konečné. A to nepočítáme jezera „pouze“ trvale zamrzlá, překrytá tenčí vrstvou ledu.

„Pravá“ podledovcová jezera nalezneme jen pod ledovým příkrovem Antarktidy. Značná část z nich je aktivní – propojená s jinými podledovcovými jezery sítí periodických kanálů a podledovcových řek, kterými se v pulsech vyrovnává tlak mezi různými jezery a (případně) Jižním oceánem. Typickým zástupcem tohoto typu jezer je Whillans v západní Antarktidě u jihozápadního pobřeží Rossova moře. Do něj se v lednu roku 2013 podařilo provrtat americké expedici.1) Jezero překrývá „jen“ 801 m masy ledovce, a proto si výzkumníci mohli dovolit poněkud velkorysejší přístup se dvěma polními laboratořemi, torpédovitou sondou pro odběr vody i sedimentu a šetrnějším vrtáním pomocí důkladně sterilizovaného vybavení chrlícího horkou vodu zbavenou možných mikroskopických organismů-kontaminantů prostřednictvím důkladné filtrace, zahřátí na vysoké teploty a ozáření intenzivním UV světlem.

Na první pohled se takovéto prostředí může zdát méně vzrušující než miliony let hermeticky uzavřené vody Vostoku, ale hned druhý pohled nás vyvede z omylu. Podledovcové jezero Whillans připomíná bažinatou deltu mělkých, asi 1,5 až 2 m hlubokých dynamických kanálů s hlubokou vrstvou zvodnělého sedimentu na cca 60 km2. Staré je zhruba 120 000 až milion let a voda se v něm kompletně vymění přibližně jednou za dekádu. Jeho teplota se pohybuje okolo –0,5 °C, voda samotná je mírně slaná, mírně zásaditá a s nízkým obsahem kyslíku. Některé indicie nasvědčují tomu, že by se v okolí mohly nacházet i hydrotermální vývěry. Podle molekulárněbiologických analýz se v jezeře nachází relativně velká diverzita bakterií a několik zástupců skupiny archaea. Prokaryotické organismy zde tvoří propojený funkční ekosystém chemoautotrofů (organismů, které jako živiny dokážou využívat přítomné anorganické sloučeniny) a heterotrofů (kteří využívají jako zdroje organické látky) s komplexními cykly prvků vycházejícími z redukovaných sloučenin Fe, S, C a N.

Do velké míry analogická prostředí mělkých periodických toků a podzemních vodních nádrží – akvifer – se možná nacházejí i na rudé planetě a byla navržena jako jedno z míst, kde by mohly přežívat marsovské organismy. Voda je na Marsu ve formě ledu velmi rozšířená a hypotetická prostředí příznivá pro život by mohla vznikat například na místech s geotermální aktivitou nebo vysokou koncentrací rozpuštěných látek snižujících bod mrazu. V tomto ohledu jsou velice informativní také islandské obdoby antarktických subglaciálních jezer, které neudržuje v tekutém stavu tlak nadložního ledovce, ale geotermální energie sopečného podloží, případně „light verze“ antarktických podledovcových jezer z Grónska, která jsou však sezonně v kontaktu s povrchem.

V dlouhé izolaci

Druhou velkou kategorií podledovcových jezer jsou jezera inaktivní – dlouhodobě izolované stabilní habitaty, jejichž kontakt s okolím se děje pouze prostřednictvím sedimentu a pomalu tekoucího nadložního ledovce.

Do této skupiny patří kromě slavného Vostoku (viz rámeček) i řada dalších jezer, z nichž se jedno, Ellsworth na západoantarktickém ledovém štítu, na sklonku roku 2012 pokusila navrtat britská expedice. Nadložní ledovec nad Ellsworthem má mocnost 3,4 km, jezero měří zhruba 13 × 3 km, jeho hloubka se pohybuje okolo 150 m a izolované je od okolního světa zhruba 500 000 let. Stejně jako Američané i Britové začali vrtat horkou vodou a soustředili se na co největší snížení rizika kontaminace. Navrtat jezero se jim kvůli několika technickým závadám a zádrhelům nakonec nepodařilo a mise musela být na Vánoce roku 2012 odvolána.2) Podle dostupných informací britští výzkumníci plánují na projekt v budoucnu navázat. Téměř jistě to však nebude dříve než koncem tohoto desetiletí.

Charakter inaktivních subglaciálních jezer se blíží hypotézám o podobě endohydrosfér (podpovrchových oceánů) řady měsíců velkých planet. Nejznámější je zřejmě Jupiterův měsíc Europa, ale podobné oceány se velmi pravděpodobně nacházejí i pod povrchem Jupiterových měsíců Ganymed a Callisto a Saturnových měsíců Enceladus a Titan (ale dost možná i Saturnových měsíců Dione, Rhea, Tethys a Iapetus, Uranových měsíců Miranda, Ariel, Titania a Oberon a Neptunova měsíce Triton).3)

Když ledovec chybí

Pravá podledovcová jezera jsou překryta nejméně třiceti metry pomalu tekoucího ledovce, s čímž je spojen i specifický přísun živin a udržení v tekutém stavu tlakem nadloží. Některá jezera, zejména v antarktických suchých nezaledněných údolích, jsou však pouze trvale zaledněná tenčí vrstvou ledu. Většinou svými rozměry nepřesahují několik málo kilometrů čtverečních a jsou hluboká pouze několik desítek metrů. Od okolí bývají izolovaná jen tisíce až desetitisíce let a periodicky se mohou stávat podledovcovými jezery podle toho, jak se rozšiřují a zase stahují ledovce během globálních změn klimatu. Typickým příkladem bývalého podledovcového jezera je jezero Hodgson na ostrově Alexandra I. u Antarktického poloostrova, které ještě před několika málo tisíci lety překrývaly až stovky metrů ledu.

S relativně lehčí přístupností trvale zamrzlých jezer souvisí i to, že hned několik z nich bylo podrobněji prozkoumáno. Často se liší všemi myslitelnými charakteristikami. Přesto je můžeme z biologického hlediska rozčlenit na dvě zajímavé skupiny – neprosvětlená a prosvětlená jezera.

Do první skupiny můžeme zařadit trvale zamrzlá jezera překrytá relativně silnější vrstvou ledu, přes kterou neproniká dostatek slunečního záření, takže se zde nedaří fotosyntetickým organismům. Typickým zástupcem je jezero Vida ve Viktoriině suchém údolí.4) Povrchový led tohoto jezera má tloušťku nejméně 27 m a oplývá poměrně složitou strukturou s několika vrstvami sedimentu ve své dolní části a sítí prasklin a pórů vyplněných solankou pod 16 m hloubky. Odhaduje se, že jezero je zcela izolováno 2800 až 4000 let.

Voda je velmi chladná (okolo –13 °C), lehce kyselá, redukovaná, bez kyslíku a její slanost je tak vysoká, že se jedná spíše o solanku. Samotná struktura jezera je poměrně nejasná, hluboké je zřejmě 40 až 60 m, ale dost možná jej vyplňuje kašovitá směs ledu a solanky. Jezero zřejmě prošlo stadiem vymrzání, které jej koncentrovalo do nynější podoby. Chemické složení je neobvyklé a velmi extrémní, koncentrace nejrůznějších iontů jsou vysoké, voda je přesycená oxidem dusným a rozpuštěna jsou zde i značná množství dalších plynů včetně vodíku a oxidu uhličitého. Tekutá solanka prostupuje ještě několik desítek metrů podloží pod jezerem, načež přechází v několik stovek metrů permafrostu, který jezero dokonale izoluje od okolí.

Přes všechny tyto extrémní vlivy ale jezero hostí druhově bohatý ekosystém prokaryotických organismů, konkrétně bakterií (archaea ani eukaryota zde nebyla nalezena) s komplexními metabolismy, zajišťujícími jeho dlouhodobé stabilní fungování, a cykly látek.

Podobné vymrzání zřejmě v minulosti potkalo marsovskou hydrosféru. Charakter jezera Vida se ale hlavně blíží hypotézám o podobě mimozemských endohydrosfér, které z nějakého důvodu nejsou v přímém styku s horninami pláště a potenciální geotermální a hydrotermální aktivitou. Může to být následek silné vrstvy oceánu, působící na dně vznik vysokotlakého ledu – jako u Ganymedu či Titanu –, nebo důsledek úplné či částečné nediferencovanosti jádra a pláště, který pak sestává ze směsi hornin a ledu – jako u Callisto a dalších menších vnějších objektů sluneční soustavy. V tekutém stavu zůstávají za extrémně nízkých teplot kvůli vysoké koncentraci chemických příměsí (zejména amoniaku) a silné izolující ledové krustě na povrchu.

Objekty zmíněné v předchozím odstavci jsou kvůli menšímu toku energie a chemických látek považovány za daleko méně příznivé pro život než například endohydrosféry Europy či Enceladu. Jak ale můžeme vidět na příkladu jezera Vida, i v tak chladném a slaném prostředí se na Zemi nachází komplexní dlouhodobě stabilní prokaryotický ekosystém. Takové prostředí však má svá jasná specifika. Život místních obyvatel je vlivem chladu extrémně zpomalený. V jezeru Vida může k jednomu dělení bakterie dojít zhruba jedenkrát za 120 let. Rovněž zde nacházíme intenzivní adaptace na extrémní chlad, mimo jiné různé obaly buněk, a mnoho druhů zde vytváří velmi malé buňky s rozměry okolo 200 nm. Tato velikost je na samé hranici (nebo dokonce pod hranicí) navržené minimální možné velikosti životaschopných buněk vůbec a dává vzpomenout na „fosilie“ z marťanského meteoritu ALH84001, představené v devadesátých letech, jejichž biologický původ byl právě na základě tohoto argumentu zpochybněn.

Kam dosáhne světlo

Trvale zamrzlá jezera druhého typu jsou zakryta tenčí vrstvou ledu, kterou proniká alespoň tolik světla, aby umožňovalo fotosyntézu sinic či eukaryotických řas. Například jezero Untersee v Gruberových horách ve východní Antarktidě je překryto ledem o tloušťce asi 2 až 6 m a jeho maximální hloubka se pohybuje kolem 169 m. Izolované je zhruba 10 000 let. Jeho interiér je poměrně heterogenní, teplota vody se drží těsně nad 0 °C, voda je poměrně výrazně slaná, převážně zásaditá a přesycená kyslíkem, ale menší část jezera je anoxická a s poměrně vysokými koncentracemi metanu. Na dně se nacházejí fascinující kónické stromatolity, makroskopické útvary vytvořené společenstvy bakterií.7) Živé organismy ovšem nalezneme i v bublinách a prasklinách ledu na povrchu jezera.

V jezeru Hoare z oblasti suchých údolí McMurdo byla objevena prokaryota i eukaryota, konkrétně testátní améby, eukaryotické řasy a další prvoci, a dokonce zbytky lasturnatek a vířníků, naznačující možnost mnohobuněčného života. Sinice na dně vytvářejí podobně jako v předchozím případě obrovské nárosty a stromatolity, ve kterých jsou zde ale zastoupeny i eukaryotické řasy a prvoci.8) Jezero samotné je poměrně dynamické a spojené s okolními vodními plochami, povrchový led dosahuje tloušťky asi 3 až 5 m a maximální hloubka jezera je 34 m. Teplota vody se pohybuje okolo 0 až 1 °C, voda je lehce slaná, mírně alkalická a překysličená. V obou jezerech se živiny doplňují protavováním skrze povrchový led a z horninového podloží.

Tato jezera dávají obratem vzpomenout na hypotetické podpovrchové vodní kapsy na Marsu, a to nejen kvůli možnosti průniku slunečního světla a jeho využití organismy při fotosyntéze, ale i kvůli situování ve velmi suchých oblastech Antarktidy připomínajících Mars. Intenzita dopadajícího slunečního záření je sice na Marsu v porovnání se Zemí zhruba poloviční, ale i tato hodnota by bohatě postačovala dokonce i řadě pozemských organismů.

Inspirace pro astrobiology

Pozemská podledovcová a trvale zamrzlá jezera nejsou pouze fascinujícími oblastmi sama o sobě, ale dávají nám možnost teoretické i praktické přípravy na průzkum s nimi srovnatelných těles ve vesmíru – endohydrosfér měsíců velkých planet, zvodnělých vrstev menších objektů sluneční soustavy a hypotetických akvifer na Marsu. Opomenout nemůžeme ani fakt, že si možná i naše planeta v období cryogenianu před 850 až 635 miliony let prošla několika obdobími globálního (nebo téměř globálního) zalednění, kdy připomínala spíše měsíce velkých planet.

Astrobiologický výzkum podledovcových a trvale zamrzlých jezer se často redukuje na povrchní analogizování s aktuálními modely vesmírných těles a chápání ledových jezer jako jakéhosi tréninkového hřiště pro možné budoucí výpravy k vnějším planetám – místa sloužícího k otestování vrtáků, sond, aparatur a nejrůznějších přístrojů, místa, kde můžeme odhalit případné problémy a připravit se na ně. Jejich zajímavost ale sahá mnohem hlouběji. Teoretické poznatky, které vycházejí z jejich průzkumu, jsou neméně důležité.

Zarážející je například téměř úplná absence (či velice nízké zastoupení) skupiny archaea, zvláště v dlouhodobě izolovaných jezerech. Oplývají tato prostředí nějakými faktory omezujícími jejich životaschopnost? A proč zde z bakteriálních skupin zdaleka převažují proteobakterie, firmicutes a aktinobakterie? Mají snad nějaké preadaptace pro život v extrémně chladném prostředí? Na všechny tyto otázky nám odpoví až další výzkum.

Jezera mají také společnou vlastnost, že i ta nejextrémnější z nich jsou osídlená, a to přinejmenším prokaryoty. Ti navíc nejsou pouhými odolnými neaktivními stadii či sotva přežívajícími „chudáčky“, ale vytvářejí dlouhodobě stabilní, druhově bohatá a metabolicky komplexní společenstva, obstarávající cykly všech základních prvků. Tato základní vrstva chemolitotrofů či fotosyntetických organismů je nezřídka doplněna rozkladači a jednobuněčnými (ale možná i mnohobuněčnými) eukaryoty obsazujícími vyšší trofické stupně. Bohatšími ekosystémy s více trofickými stupni a eukaryoty oplývají jezera s intenzivnějším přísunem energie ze slunce či hydrotermálních vývěrů; temná chladná jezera bez hydrotermální aktivity podloží hostí pouze prokaryotické ekosystémy, kde může generační doba organismů dosahovat i několika desítek let. Ovšem i takové ekosystémy jsou podle všeho dlouhodobě stabilní.

Studium zamrzlých jezer je tedy vysoce komplexním problémem relevantním pro celou řadu disciplín od oborů biologických přes geologické až po planetologii a astrobiologii.

Poznámky

1) Christner B. C. et al.: Nature, DOI: 10.1038/nature13667

2) Siegert M. J. et al.: Annals of Glaciology, DOI: 10.3189/2014AoG65A008

3) Viz např. Nováková J.: Říše temnoty a chladu. Vesmír 93, 562, 2014/10 a Petrásek T., Duszek J.: Vzdálené světy I (Triton, 2009) a II (Triton, 2010).

4) Murray A. E. et al.: PNAS, DOI: 10.1073/pnas.1208607109

5) Toman J.: Vostok: Úvahy o biologii podledovcového jezera, Vesmír 91, 443, 2012/7; Toman J.: Vostok II: Nahlédnutí pod pokličku podledovcového jezera, Vesmír 93, 584, 2014/10; Pokorný P.: Cesty do hlubin zamrzlého času: Trudné řemeslo antarktických ledovcových vrtů má zlaté dno, Vesmír 91, 438, 2012/7.

6) Lukin V. V., Vasiliev N. I.: Annals of Glaciology, DOI: 10.3189/2014AoG65A002

7) Andersen D. T. et al.: Geobiology, DOI: 10.1111/j.1472-4669.2011.00279.x

8) Scott D. B., Asioli A.: The Journal of Foraminiferal Research, DOI: 10.2113/gsjfr.44.2.177

Novinky z Vostoku

Nejznámějším podledovcovým jezerem je bezpochyby Vostok, ležící pod východoantarktickým ledovým štítem. Tomuto jezeru a jeho výzkumu se věnuje řada odborných i popularizačních prací včetně několika článků ve Vesmíru.5)

V poslední době k žádným novým zásadním objevům nedošlo. Pokračují analýzy vody odebrané při prvním vrtu v únoru 2012, moderními metodami vyčištěné od kontaminantů, a také analýzy o něco čistšího vzorku, odebraného ze stejného vrtu v lednu 2013. Druhé navrtání jezera bylo naplánováno na začátek roku 2014, ale nakonec k němu došlo až v lednu 2015. Zpoždění zapříčinily nečekané komplikace provázející první vrt.6) V dolní části vrtu vznikl hydraulický zlom, nemrznoucí tekutina se rozlila do okolí a voda z jezera kvůli výslednému nižšímu tlaku tekutiny ve vrtu stoupla místo o pár desítek metrů o více než půl kilometru. Nový vrt se tak nad ledovou „zátkou“ musel odklonit výše a vrtání zabralo delší dobu. K druhému navrtání jezera však už zřejmě došlo prostřednictvím ekologicky šetrnějšího termálního vrtáku a s použitím organosilikátové zátky, izolující toxickou nemrznoucí tekutinu od vody jezera, tj. tak, jak bylo původně plánováno už při prvním vrtu, ale nakonec k tomu z časových důvodů nedošlo.

Vzorek vody výzkumníci odebrali pomocí speciální sondy sestávající z dutého transportního modulu, který se na kontaktu s hladinou otevřel a na tenkém ocelovém laně spustil sterilní vnitřní výzkumný modul. V lednu 2015 modul odebral vzorky těsně u hladiny, na další roky byly plánovány odběry v různých vrstvách vodního sloupce a výhledově i v sedimentu na dně jezera. Vzhledem k ekonomické situaci Ruské federace byla ovšem na podzim roku 2015 celá Antarktická expedice silně utlumena. K úplnému pozastavení antarktického výzkumu nakonec nedošlo, ale přímý výzkum jezera Vostok se zastaví minimálně na několik let.

Soubory

článek ve formátu pdf: V201607_444-446.pdf (283 kB)

Diskuse

Žádné příspěvky