https://frosthead.com

Drobni svet ledeniških mikrobov ima velik vpliv na globalno podnebje

Alex Anesio bo to poletje tri tedne preživel obdan s tisočimi luknjami v arktični ledeni plošči. On in njegova ekipa bodo taborili kilometre od najbližjega naselja, obkrožen s pokrajino, raztrgano z ogromnimi, nestabilnimi kresovi. Edini način vstopa ali izstopa je s helikopterjem. Znanstvena slika znanstvenikov se bo zmanjšala na škripanje derez čez led, hitenje ledeniških potokov in občasno stokanje velike ledene plošče, ki se sam preuredi.

Sorodne vsebine

  • Potrjeno: Antarktika in Grenlandija izgubljata led

"To je kot bivanje na drugem planetu, " pravi Anesio, biogeokemik z univerze v Bristolu v Angliji, ki je na Arktiki delal približno 15 let. "Edino, kar vidiš okoli sebe, je led."

On in njegova ekipa bodo tedne preživeli na tem izoliranem obrisu grenlandske ledene plošče, da bi spremljali luže, ki imajo morda moč manipulirati z zemeljskim podnebjem.

Premeri lukenj za cirokonit se razlikujejo glede na širino svinčnika do velikosti pokrova za smeti. Premeri lukenj za cirokonit se razlikujejo glede na širino svinčnika do velikosti pokrova za smeti. (Joseph Cook)

Sposobnost, da se potanko sprime s podnebjem našega planeta, ni izolirana na arktične luže. Mikrobi znotraj teh majhnih bazenov in gnezdeni v usedlinah jezerskega dna, pokopanih milj pod antarktično ledeno ploskev, bi lahko imeli resno spremembo svetovnega ogljikovega cikla in tudi podnebje. In raziskovalci so šele pred kratkim začeli krmariti po teh pomanjkljivih svetovih.

Luže, ki jih Anesio preučuje, imenujemo kriokonitne luknje - "cryo", kar pomeni led, in "conite", kar pomeni "prah". Nastanejo, ko se na beli odsevni površini ledenika ali ledene plošče naselijo kupi vetrnih naplavin. Temnejši od snega in ledu ta naplavin vsrka več toplote od sonca kot okolice in povzroči, da se led pod njim stopi v valjaste luknje do približno sto metrov globoko.

Znanstveniki so nekoč mislili, da so te luknje brez življenja. Toda zdaj raziskovalci ugotavljajo, da dejansko vsebujejo zapletene ekosisteme mikrobov, kot so bakterije, alge in virusi.

Milijoni teh lukenj, od širine svinčnika do širine pokrova za smeti, so ledene plošče v švicarskem vzorcu sira po vsem svetu. Anesiova ekipa je ocenila, da se na splošno površina teh lukenj poveča na približno 9000 kvadratnih kilometrov. To je nekoliko manjše od zvezne države New Hampshire.

Ko se ti temni, plašni ekosistemi širijo po ledu, lahko povzročijo, da bi drugače odsevna hladilna površina absorbirala vse več toplote od sonca. To bi lahko pospešilo taljenje grenlandske ledene ploskve, je marca poročala skupina v reviji Geochemical Perspective Letters .

Toda Anesiova ekipa je tudi ugotovila, da lahko organizmi v teh luknjah hladijo učinek na planetu z aktivnim sesanjem ogljikovega dioksida iz ozračja s pomočjo fotosinteze. Ko se mikroorganizmi odvajajo dovolj toplogrednih plinov iz ozračja, se luknje obnašajo kot ponori ogljika.

Ali bodo te luknje pomagale ohladiti ali ogreti planet, še ni videti. Ker pa toplejše podnebje ustvarja več lukenj, se zdi, da je ravnovesje bolj usmerjeno k neto segrevanju in ne hlajenju na ozračje.

Anesio in njegova ekipa bodo to poletje delali nadzorovalne kemijske in fizikalne lastnosti teh lukenj, da bi bolje razumeli, kako lahko vplivajo na vedenje ledenikov in spreminjajoče se podnebje na Zemlji.

Ko se na ledeni plošči nabere dovolj prahu, se kriokonitne luknje združijo in spremenijo v jezera, kakršna je na Grenlandiji. Ko se na ledeni plošči nabere dovolj prahu, se kriokonitne luknje združijo in spremenijo v jezera, kakršna je na Grenlandiji. (Joseph Cook)

Ideja, da lahko mikroorganizmi živijo na ledenikih in ledenih ploskvah - kaj šele uspevajo na globalno pomembnih lestvicah - je za znanstvenost še vedno relativno nova. Do poznih devetdesetih let prejšnjega stoletja so raziskovalci večinoma menili, da je led na obeh polih bolj ali manj sterilno okolje.

"Ko pogledate ledenik ali ledeno ploskev, ne vidite ničesar, kar bi vam dalo namige o tem, ali je tam življenje, " pravi Jemma Wadham, Anesiova sodelavka z univerze v Bristolu. Biologi v resnici niso preučevali ledeniških okolij do poznih devetdesetih, ko so se pojavili prvi dokazi življenja mikrobov.

Prejšnje pomanjkanje zanimanja ni bilo zaradi tehnoloških omejitev, pojasnjuje Wadham. Vse, kar bi potrebovali, bi bilo, da bi zbrali talino pred ledenikom in iskali znake aktivnih mikroorganizmov. "Nihče tega ni storil, " pravi Wadham. "Kar se sliši nekoliko noro, toda mislim, da se tako včasih razvijajo stvari."

Od 90-ih let se je raziskovalo mikrobe, ki živijo na površju ledenikov ali pod njimi in pod njimi. V zadnjih letih so raziskovalci ugotovili, da ti mikrobi še zdaleč ne mirujejo. Dejansko je Anesiova ekipa v raziskavi iz leta 2009 poročala, da so mikrobi v nekaterih luknjah kriokonita tako biološko aktivni kot tisti, ki jih najdemo v toplejših tleh na jugu Sredozemlja.

"To je bilo res presenetljivo zaradi nizke temperature in nizkih pogojev hranljivih snovi [okolja], " pravi Joseph Cook, raziskovalec kriokonitnih lukenj na univerzi v Sheffieldu, ki ni bil vključen v to študijo.

Čez leto dni bi lahko ta dejavnost kumulativno izsesala kar 63.000 carskih ton ogljikovega dioksida, je v poročilu iz leta 2009 poročala Anesiova ekipa. To je primerljivo z emisijami približno 13.500 avtomobilov v določenem letu, pravi.

"[Anesiova študija] je bil res prvi poskus količinske določitve količine ogljika, ki je šel v in iz teh sistemov, kar je bil velik korak in zelo pomemben, " pravi Cook.

Alex Anesio in njegova ekipa med študijem na terenu spijo v šotorih na ledu. Nekateri led pod šotorom se topi, toda šotor se nato obnaša kot izolator in večino podlage ohranja zamrznjeno, pravi Anesio. Alex Anesio in njegova ekipa med študijem na terenu spijo v šotorih na ledu. Nekateri led pod šotorom se topi, toda šotor se nato obnaša kot izolator in večino podlage ohranja zamrznjeno, pravi Anesio. (Chris Bellas)

Ugotovitve Anesio niso bile nujno tiste, kar bi pričakovali o telesu sladke vode. Večina ribnikov in jezer na splošno sprosti več ogljikovega dioksida v atmosfero z razpadanjem organskega materiala, kot ga absorbira s fotosintezo.

To je zato, ker večina ribnikov in jezer sedi v gozdovih in dobiva enakomeren pretok živalskih in rastlinskih ostankov iz teh gozdov skozi podzemno vodo. Zato ribniki in jezera pogosto vsebujejo veliko materiala, ki ga je mogoče razgraditi, razpad pa pogosto pride bolj pogosto kot fotosinteza, pojasnjuje Anesio.

Na drugi strani so luknje kriokonita izolirane iz gozdov - včasih tudi na desetine stotine kilometrov - in večino svojega organskega materiala prejemajo skozi praske odpadkov v zraku. Anesio pravi, da materiala za razgradnjo ni toliko, zato fotosintezirajo organizmi.

Ne potrebujete veliko, da ta scenarij prestavite. Če usedlina znotraj lukenj postane preveč gosta, sončna svetloba ne more doseči dna. To omejuje fotosintezo in hitrost razkroja začne prevzemati.

"Vsa ta dinamika je zelo odvisna od gibanja in razbremenitve ledu, " pravi Anesio. To se lahko spreminja vsakodnevno in vsako sezono. "Včasih se veliko tali in zrnca prerazporediš naokoli v tanjših plasteh, včasih pa se nabirajo na določenih delih ledenika."

Anesiova ekipa bo poskušala odgovoriti na vprašanje, kako se te luknje sčasoma spreminjajo, tako da spijo poleg njih in spremljajo njihovo aktivnost iz dneva v dan in poleti.

Anesio pravi zvoki derez in hitenja vode. Zvoki derez in hitenja vode so med edinimi hrupi, ki jih boste slišali v tem okolju, pravi Anesio. (Chris Bellas)

Potujte na nasprotni konec sveta z Anesiovega polja in našli boste še eno značilnost ledenikov, ki bi lahko igrali pomembno vlogo v podnebju Zemlje: množična jezera, pokopana pod 2, 5 kilometra ledu Antarktika.

Ta skrita jezera, po velikosti primerljiva z Velikimi jezeri Severne Amerike, so v zadnjih letih pritegnila pozornost raziskovalcev, kot sta Anesio in Wadham, iz več razlogov. Prvič, ta jezera vsebujejo vodo, ki je bila ujeta že milijone let, v njej pa živi ekstremno življenje, ki ni bilo nikoli izpostavljeno človeškim vplivom.

V jezerih se lahko shranjujejo tudi velike količine močnega toplogrednega plina, zmrznjenega v obliki, imenovano hidrati metana. Če se ledene plošče Antarktike sesedejo, bi te hidrate izpostavile in jih zalivale z morsko vodo, ko je ocean izpiral dele celine. Destabilizirani hidrati bi se spremenili v mehanske plinske mehurčke in ogrevali ozračje, so v študiji, objavljeni v Nature leta 2012, poročali Wadham in sodelavci.

Z uporabo radarjev in satelitskih slik v zraku so raziskovalci v zadnjih 50 letih našli več kot 400 teh tako imenovanih podglacialnih jezer pod ledene ploskve Antarktika. Toda šele leta 2013 je ambiciozna mednarodna skupina raziskovalcev prvič uspešno vrtala vrtino skozi skoraj pol kilometra ledu na površino enega od teh jezer.

V letu 2015 so uspešno vrtali na bližnjo lokacijo in prvič dosegli območje ozemljitve ledene ploskve. Ozemljitveno območje je območje, kjer ledena ploskev izgubi stik s kopnim in plava v morje.

Raziskovalci vzorcev usedlin in vode, zbrani z ozemljitvenega območja, bodo ekipi zagotovili nov vpogled v stabilnost Zahodnega Antarktičnega ledenega lista in njegov potencial za povečanje svetovne morske gladine, če se ta zruši. Skupina bo tudi izmerila aktivnost mikrobov v teh usedlinah, da bi bolje razumeli vlogo teh pokopanih mikrobov v svetovnem ciklu ogljika.

Slawek Tulaczyk, raziskovalec na kalifornijski univerzi Santa Cruz, ki je bil eden vodilnih znanstvenikov pri teh mejniških dosežkih, opisuje napetost čakanja, da njihova oprema prispe na njihovo mesto vrtanja leta 2013, po več kot petih letih načrtovanja z približno 50 mednarodnih sodelavcev.

Raziskovalci so poskrbeli, da je njihova oprema - kumulativno tehtala približno 300.000 funtov - potovala v 12 ladijskih zabojnikih čez 800 milj ledene ploskve, da bi dosegli podglacialno jezero Whillans na jugozahodu Antarktike. Plitkejša od drugih podledeniških jezer je Whillans raziskovalcem nudila dostojno priložnost za uspeh zaradi svoje sorazmerne dostopnosti v primerjavi z drugimi jezeri, zakopanimi pod kilometri ledu.

Vozniki tovornjakov so potrebovali dva tedna, da so opremo - nekaj izjemno občutljivega - odpeljali na mesto vrtanja. Vse, kar bi znanstveniki lahko storili, je, da počakajo nazaj na raziskovalni postaji McMurdo in poslušajo, kako so se s svojimi poročili oglasili upravljavci tovornjakov.

"Slišali smo nekaj grozljivih zgodb, " pravi Tulaczyk in pojasni, da so vozniki klicali, da bi prijavili pokvarjene predmete in zahtevali dodatno varilno opremo. Na srečo je bila večina škode izolirana na ladijskih zabojnikih in ne na njihovi vsebini.

"Ko smo prileteli, je tisto, kar je bilo v zabojnikih, preživelo dovolj dobro, da smo ga lahko uporabljali, vendar so bili sami kontejnerji precej premagani in videti je, kot da so šli skozi veliko, " pravi Tulaczyk.

Tulaczyk in sodelavci so pripravili nekaj, imenovano vrtalnik za toplo vodo, da bi dostopali do jezera Whillans. V 24 urah so raziskovalci izbrskali luknjo s premerom stopala, tako da so silovito črpali vročo vodo navzdol in jo krožili tako, da se je, ko se je poglabljala, luknja na sebi ne zmrznila.

Ko so uspešno dosegli površino jezera, so raziskovalci poslali sonde po luknji za zbiranje podatkov in vzorcev. A to so morali storiti previdno in čisto. Če so onesnažili katero koli svojo opremo, so tvegali, da bodo zbrali sodobne mikrobe, ki bi zmedli njihove ugotovitve in omejili sicer neokrnjen življenjski prostor.

Na njihovo navdušenje in olajšanje je ekipa našla dokaze o mikrobih, ki živijo v vodi, pravi Tulaczyk. Ob tej priložnosti so bili moški zaskrbljeni, da so se skozi leta načrtovali in porabili milijone dolarjev, da bi dosegli brezživno praznino.

Njihove ugotovitve pomagajo podpirati idejo, da bi lahko velike količine mikrobno pridobljenih hidranov metana pod ledino Antarktike. Mikrobi bi lahko proizvajali ta metan z razkrajanjem starodavnih gozdov in drugega organskega materiala pod ledom, Wadham, Anesio, Tulaczyk in sodelavci so predlagali v poročilu o naravi za leto 2012.

Raziskovalci, ki preučujejo kriokonitne luknje, morajo včasih nositi čiste obleke, da preprečijo onesnaženje njihovih vzorcev mikrobov. Raziskovalci, ki preučujejo kriokonitne luknje, morajo včasih nositi čiste obleke, da preprečijo onesnaženje njihovih vzorcev mikrobov. (Alex Anesio)

S pomočjo ocen, ki temeljijo na meritvah sedimentov, zbranih pod grenlandsko ledeno ploskev - primerljiv, vendar veliko tanjši analog analogni antarktični ledeni ploskvi - je skupina izračunala, da se pod antarktičnim ledom lahko skriva kar 3, 9 milijona carskih ton metana.

Glede na potencial metana kot toplogrednih plinov bi to lahko predstavljalo težavo za Zemljino atmosfero, če bi se velik del ledene plošče stopil. In po ocenah raziskovalcev z univerze v Massachusettsu, Amherst in Pennsylvania State University, bi se to lahko zgodilo do konca stoletja.

Martin Siegert, glaciolog na Imperial College London, je bil del ekipe, ki je podzemeljsko jezero prvič opisala leta 1996. Pravi, da so ocene, koliko metana sedi pod antarktičnim ledom, teoretično verodostojne.

Vendar bi morali raziskovalci izmeriti aktivnost mikrobov v vlažnih sedimentih pod ledenimi ploščami, da bi potrdili svojo hipotezo, pravi Siegert. "Precej preprosto. Vrsta znanosti, ki jo morate storiti, težave so tam doli in vrtanje tople vode."

Tudi če bi bile ocene ledene plošče do konca stoletja pravilne, pa bo verjetno trajalo veliko dlje, kot bi vpliv hidranov metana zaznal v atmosferi, pravi Aleksej Portnov, raziskovalec na Arktiki University of Tromsø na Norveškem. Portnov preučuje ostanke hidranov metana, ki so bili izpostavljeni ob koncu zadnje ledene dobe na Arktiki, pa tudi metanske hidrate, ki se danes odtajajo iz arktične permafroze. Pravi, da četudi hidrati metana počivajo pod antarktičnim ledenim listom in so se destabilizirali ter začeli mehati metan skozi morsko vodo na površje, bi trajalo sto let, da bi te rezerve metana zaznale vpliv na globalno podnebje.

"Ledene kapice se v zadnjih letih vse hitreje sesedajo, " pravi Portnov. "Kljub temu pa bo trajalo kar nekaj časa, da bi količina metana iz teh plinskih hidratov nekako spremenila podnebje."

Medtem metan hidrati, ki se odmrznejo od večno zmrzali in vzdolž plitvih grebenov morskega dna, že sproščajo ta toplogredni plin v ozračje, kaže Portnov. Ledene plošče so le ena od mnogih trgovin z zamrznjenim metanom, ki se odtajajo.

Naslednji korak pri delu podglacialnega hidrata na metanu bo zagotovitev več sredstev za začetek druge vrtalne odprave na globlje jezero. Dosedanja prizadevanja - kot so večmilijonski napori za vrtanje v jezero Ellsworth v letu 2012 - niso bila uspešna. Pred poskusom dostopa do globljih jezer z obstoječo opremo morajo raziskovalci in inženirji sodelovati pri razvoju novih tehnik za globlje projekte.

"Preprosto moramo priti tja in odvzeti vzorce, " pravi Wadham. "To je eden od izzivov v naslednjih dveh desetletjih."

Velika prostranstva kriokonita - ali ledenega prahu - prekrivajo ledeni list Grenlandije in druge ledenike po vsem svetu, potemnejo njihove površine in povzročajo absorpcijo toplote sonca. Velika prostranstva kriokonita - ali ledenega prahu - prekrivajo ledeni list Grenlandije in druge ledenike po vsem svetu, potemnejo njihove površine in povzročajo absorpcijo toplote sonca. (Joseph Cook)

Medtem ko lahko ledeniki in ledene plošče fizično priključijo velike zaloge zakopanih hidranov metana ali potegnejo ogljikov dioksid iz ozračja skozi milijone majhnih lukenj, njihovi vplivi dosežejo veliko več kot fizični odtis.

Na primer, ko se kriokonitne luknje stopijo dovolj globoko, da se dno ledenika izsuši, lahko njihova vsebina sčasoma doseže ocean, splakovanje hranilnih snovi v morski ekosistem. To lahko povzroči obsežne cvetoče alg, ki lahko izvlečejo ogljikov dioksid iz ozračja v sorazmerju, ki je bistveno večje od tistega, kar bi mikrobi v teh luknjah lahko potegnili navzdol, pravi Anesio.

"To bi imelo veliko močnejši svetovni vpliv, saj fiksacija ogljika v oceanu ima ogromen vpliv na svetovni krog ogljika, " pravi.

Čeprav je cela slika tega, kako ledeniški mikrobi vplivajo na podnebje na Zemlji, že dolgo mine, Anesio in njegovi kolegi polarni raziskovalci pa gredo naprej. Ukvarjanje s tehnološkimi težavami in zaostrenimi okolji pogosto pomeni, da se njihovi preboji dobro ujemajo in začnejo. Toda znanstveniki v teh zamrznjenih pokrajinah pritegnejo znanstvene in fizične izzive.

"Lepo je biti tam, neverjetno je, " pravi Anesio. »Dimenzije in obseg stvari so tako velike, reke in voda ter oblika ledu. Resnično se veselim, da bom šel tja. "

Cook na univerzi v Sheffieldu se strinja. V krikokonitnih luknjah najde polja, kolikor jih oko vidi, da je precej presenetljiva slika.

"Pogled v luknje kriokonita je čudno lep, " pravi Cook. "Zelo spokojno je in neverjetno je videti nekaj tako preprostega na obrazu, da nekako prikaže neverjetno zapletenost dogajanja. Nekako hipnotično. "

Izvrtina v jezeru Whillans, ki je zahtevala usklajevanje med približno 50 sodelavci z vsega sveta. Izvrtina v jezeru Whillans, ki je zahtevala usklajevanje med približno 50 sodelavci z vsega sveta. (JT Thomas)
Drobni svet ledeniških mikrobov ima velik vpliv na globalno podnebje