Lądolody Antarktydy i Grenlandii kryją pod swoimi wielokilometrowymi, masywnymi pokrywami jedne z największych i najmniej zbadanych ekosystemów na Ziemi. Mowa o jeziorach podlodowcowych — zbiornikach ciekłej wody uwięzionych między lodem a podłożem skalnym. Te ukryte akweny, odizolowane od atmosfery nawet na przestrzeni milionów lat, są uznawane za potencjalne ostatnie refugium dla unikalnych form życia, których ewolucja mogła przebiegać niezależnie przez okres do 35 milionów lat.
Czym są jeziora podlodowcowe?
Jeziora podlodowcowe to zbiorniki wody, całkowicie przykryte masą lądolodu, który chroni je przed warunkami panującymi na powierzchni. Zjawisko to występuje głównie pod Lądolodem Antarktycznym, gdzie dotychczas zidentyfikowano ich ponad 600. Największym i najbardziej znanym z nich jest Jezioro Wostok we Wschodniej Antarktydzie. Ma ono imponujące wymiary (240 km długości i 50 km szerokości) i jest przykryte warstwą lodu o grubości od 3750 do 4150 metrów. Te akweny są wykrywane głównie dzięki zastosowaniu radaru penetrującego lód z pokładu samolotów.
Jak woda pozostaje płynna? Utrzymanie wody w stanie ciekłym w warunkach, gdzie normalnie panowałyby głęboko ujemne temperatury, jest wynikiem sprzężenia dwóch kluczowych procesów fizycznych:
- Topnienie ciśnieniowe: Ogromna masa lodu wywiera ciśnienie hydrostatyczne (np. około 350 atmosfer przy 3,5 km lodu), które obniża punkt topnienia wody, utrzymując jej temperaturę blisko zera, często w zakresie od −3∘C do −0.5∘C.
- Strumień ciepła geotermalnego: Stabilny, geotermalny strumień ciepła, emitowany z wnętrza Ziemi, jest wystarczający, aby ogrzać podstawę lodu do wartości topnienia ciśnieniowego.
Choć Jezioro Wostok jest zbiornikiem stabilnym, zidentyfikowano ponad 140 tak zwanych jezior „aktywnych”, jak np. Jezioro Whillans czy Jezioro Ellsworth. Charakteryzują się one szybkim napełnianiem i opróżnianiem. Proces drenażu uwalnia duże ilości wody, która działa jak smar, redukując tarcie na interfejsie lód-podłoże. Ta aktywność ma kluczowe znaczenie dla dynamiki całego lądolodu, umożliwiając szybszy przepływ strumieni lodowych, co bezpośrednio wpływa na stabilność Lądolodu Antarktycznego i globalny poziom morza. System podlodowcowy jest więc dynamicznym i aktywnym elementem ziemskiego systemu klimatycznego.
Życie w wiecznej ciemności: ekstremofile pod lodem
Pionierskie badania ukrytych akwenów Antarktydy udowodniły, że brak światła słonecznego, wysokie ciśnienie i ujemne temperatury nie wykluczają istnienia zróżnicowanych i metabolicznie aktywnych biosfer. Organizmy żyjące w tych warunkach muszą być poliekstremofilami — muszą wykazywać adaptacje do: wysokiego ciśnienia (piezofilność/piezotolerancja), niskiej temperatury (psychrofilność/psychrotolerancja), permanentnej ciemności (zależność od chemosyntezy).
Początkowe dowody na istnienie życia pochodziły z pośrednich źródeł, jak analiza mikroorganizmów w lodzie narosłym tuż nad Jeziorem Wostok. Kluczowym wyzwaniem w projektach wierceń było uniknięcie kontaminacji, to jest wprowadzenia mikroorganizmów z powierzchni Ziemi do dziewiczych ekosystemów, co wymagało restrykcyjnych protokołów aseptycznych. Punktem zwrotnym było bezpośrednie pobranie próbek z Jeziora Whillans w Zachodniej Antarktydzie (program WISSARD). Był to pierwszy bezpośredni dowód na istnienie aktywnego, zróżnicowanego i metabolicznie złożonego ekosystemu pod lodem. Sekwencjonowanie DNA próbek z Jeziora Whillans ujawniło istnienie w nim około 4000 różnych gatunków mikroorganizmów. Ich życie jest w pełni zależne od chemoautotrofii, czerpiąc energię z reakcji chemicznych. Naukowcy opisali środowisko to jako swego rodzaju „baterię”, w której energia jest generowana przez interakcję dwóch kluczowych komponentów: reduktory (związki chemiczne o wysokiej energii, np. H2) pochodzące ze skalistego podłoża/osadów oraz utleniacze (np. O2) wnikające do zbiornika z topniejącego lodu. Ta dynamiczna interakcja tworzy niezbędny gradient elektrochemiczny (potencjał redoks) do podtrzymania życia. W Jeziorze Whillans zaobserwowano złożoną, warstwową stratyfikację metabolizmu skupioną wokół cyklu metanu. W głębszych warstwach osadów archeony wytwarzają metan (CH4) poprzez redukcję dwutlenku węgla (CO2) z utlenianiem wodoru cząsteczkowego (H2). Wodór, który jest kluczowym substratem, generowany jest przez fizyczne i chemiczne procesy w podłożu, takie jak ścieranie i mielenie skał przez lodowiec — jest to określane jako „paliwo rakietowe dla mikrobów”. W górnej warstwie jeziora, na granicy osad-woda, gdzie dostępny jest tlen dostarczany z lodu, zidentyfikowano wysoce wydajne metanotrofy (organizmy konsumujące metan). Organizmy te sekwestrują ponad 99 procent metanu dyfundującego w górę z osadów. Kluczowe jest, że tlen z hydratów powietrza z topniejącego lodu nie jest zanieczyszczeniem, lecz krytycznym utleniaczem, który aktywnie kontroluje cykl węgla, umożliwiając utlenianie metanu przez metanotrofy aerobowe i dostarczając energii innej grupie organizmów.
Możliwość instalacji naszego życia w kosmosie
Filozofia astrobiologiczna głosi, że życie ma fundamentalną wartość, a dążenie ludzkości do jego rozprzestrzeniania, w duchu koncepcji Directed Panspermia (panspermii kierowanej), ma charakter misyjny. Podzielając ten pogląd, można zadać pytanie o możliwość wykorzystania organizmów życzących w jeziorach podlodowcowych do rozprzestrzenienia naszego życia w kosmosie, w szczególności w Układzie Słonecznym.
Oceany i jeziora podlodowcowe na Ziemi są obecnie uznawane za najlepsze naturalne laboratoria do testowania możliwości życia w warunkach, jakie panują w podpowierzchniowych oceanach lodowych księżyców Jowisza (Europa) i Saturna (Enceladus). Istnieją fundamentalne podobieństwa środowiskowe, które kwalifikują te księżyce jako potencjalne siedliska dla życia podobnego do ekstremofili z Antarktydy:
- Warstwa Izolacyjna: Ocean ciekłej wody jest uwięziony pod grubą skorupą lodu.
- Interakcja Skalna: Ciekła woda ma kontakt ze skalistym jądrem lub podłożem, co umożliwia interakcje geochemiczne i uwalnianie zredukowanych związków chemicznych.
- Ciśnienie: Woda jest utrzymywana w stanie ciekłym w niskich temperaturach dzięki olbrzymiemu ciśnieniu (punkt topnienia ciśnieniowego).
Enceladus (Księżyc Saturna): Enceladus jest jednym z najbardziej obiecujących światów oceanicznych. Dane z sondy Cassini wykazały w pióropuszach gejzerów obecność wodoru (H2), dwutlenku węgla (CO2) i metanu (CH4). Obecność tych związków jest wyraźną wskazówką na aktywność hydrotermalną na dnie podpowierzchniowego oceanu, gdzie wodór może powstawać w reakcji gorącej wody z żelazem w skałach jądra.
Model energetyczny jest bardzo korzystny dla życia. Wodór dostarczałby energię chemoautotrofom zdolnym do przeprowadzenia metanogenezy — metabolizowania CO2 i H2. Głębokie okolice kominów hydrotermalnych na Enceladusie oferują trwalsze i prawdopodobnie bardziej intensywne źródło energii (ciepło i chemikalia z wnętrza), co potencjalnie wspiera bardziej energicznie opłacalne szlaki metaboliczne, np. oparte na zredukowanej siarce.
Europa (Księżyc Jowisza): Europa, z oceanem pod grubą skorupą lodu, jest kolejnym priorytetowym kandydatem astrobiologicznym52. Woda oceanu na Europie również styka się ze skalistym jądrem. Kluczowe może być istnienie potencjału redoks, podobnie jak w Antarktydzie. Utleniacze mogłyby być dostarczane do oceanu z lodu (w wyniku np. radiolizy lodu przez promieniowanie), podczas gdy reduktory (jak H2) pochodziłyby z aktywności geochemicznej skalistego jądra. Analogia: Jezioro Whillans, ze swoją temperaturą −0.5∘C, może stanowić analog dla górnych, chłodniejszych warstw oceanu Europy.
Perspektywa realizacji obowiązku rozprzestrzeniania cudu, jakim jest Ziemskie Życie, przy użyciu organizmów życzących pod lodowcami jest zatem bardzo obiecująca.
