На uCrazy 18 лет 1 месяц
Затерянный мир: как наши ученые нашли подо льдами Антарктиды новые формы жизни
В конце 1950-х годов советский полярник Андрей Капица, сам того не подозревая, сделал, вероятно, последнее крупное географическое открытие в истории Земли. На глубине почти четырех километров под ледяным щитом Антарктиды, на южном полюсе холода планеты, было обнаружено огромное озеро.
Один из крупнейших пресноводных водоемов мира находился в полной изоляции от жизни на поверхности земли несколько миллионов лет. В середине 1990-х к этому маленькому морю, где в отрыве от остальной биосферы на протяжении многих веков, возможно, существовали неизвестные науке организмы, начали бурить скважину. Об этом растянувшемся на десятилетия процессе, его успехах и неудачах, открытиях и загадках и о том, как уникальное озеро Восток поможет человечеству найти ответ на вопрос, одиноко ли оно во Вселенной.
Восточная Антарктида. До ближайшего побережья 1260 километров, до Южного полюса примерно столько же. Высота почти 3500 метров над уровнем моря, сильнейшие ветры и зверский холод. Средняя температура «зимнего» августа минус 68°C, «жаркого» января — минус 32°C. Это самое холодное место на Земле: 21 июля 1983 года здесь была зафиксирована самая низкая температура на планете за всю историю метеонаблюдений — минус 89,2°C. Человек в таких условиях жить не должен, не может, но именно это он и делает. С 16 декабря 1957 года, со дня, когда воздух тут прогрелся до невероятных минус 13,6°C, на южном полюсе холода существует советская (сейчас российская) станция «Восток».
Про подвиги героев-полярников, выживающих здесь вопреки окружающей среде, написано немало книг. Вполне возможно, что в будущем еще больше литературы появится про объект, о существовании которого прямо под своими ногами основатели станции не подозревали. Впрочем, повод задуматься о происходящем там у них возник практически сразу.
В 1959 году молодой 28-летний географ Андрей Капица проводил на станции «Восток» сейсмические исследования. Результаты, полученные выходцем из знаменитой семьи ученых, удивили: сигнал показал, что ледовый щит имел глубину 3730 метров, а собственно поверхность континента с коренными горными породами начинается на отметке минус 4130 метров. Тогда исследователи Антарктики решили, что исчезнувшие 400 метров сложены менее плотными осадочными породами, но, как показали будущие десятилетия, на самом деле между ледником и континентом находилось озеро.
Существование водоема в Антарктиде под почти 4-километровой толщью льда, температура на поверхности которой падает до ультранизких величин, на первый взгляд кажется поразительным. Однако еще во второй половине XIX века знаменитый теоретик анархизма и по совместительству крупный геоморфолог князь Петр Кропоткин выдвинул идею, что температура внутри ледника линейно повышается с его глубиной, так же как это происходит в обычных горных породах. Более того, последующие изыскания уже после Второй мировой войны установили, что эта температура может достигнуть точки плавления льда. Тем более что при огромном давлении, оказываемом ледяным щитом толщиной в несколько километров, температура плавления может упасть до отрицательных величин.
В 1970-е годы британские (в хорошем смысле) ученые, выполняя программу полетов над Антарктидой и радиозондирования ее ледяного массива, вновь заметили странные аномалии. В некоторых местах радиоволны свидетельствовали о наличии подо льдом крупных скоплений чего-то похожего на воду. Окончательно гипотезы о существовании подледных озер были подтверждены в начале 1990-х с помощью спутниковых данных. Статьи в научных журналах и доклады на конгрессах стали в те годы настоящей сенсацией: в мертвом царстве льда и мороза, убивающего все вокруг, существовал мир, где жизнь была теоретически возможна.
Это была грандиозная находка. Обнаруженное озеро было настолько крупным, что с легкостью вошло бы в топ-20 пресноводных водоемов всей Земли. Длина — 250 километров, ширина — до 50 километров, площадь — без малого 16 000 квадратных километров. Одиннадцать островов и подводная гряда, разделяющая озеро на две части: глубоководную южную (глубина до 800 метров) и мелководную северную (около 400 метров). И над всем этим мощный ледяной панцирь толщиной от 3,5 до 4 километров, благодаря чудовищному (более 300 атмосфер) давлению которого средняя температура воды на поверхности Востока составляет минус 3°C.
Свою роль в «подогреве» озера наверняка играет и геотермальная активность Земли. Все это в совокупности дало исследователям объекта повод для осторожных предположений о теоретической возможности жизни в водоеме. Конечно, при подобных вводных данных жизнь здесь должна носить очень специфический характер.
Во-первых, она должна быть способна существовать при очень высоком давлении, во-вторых — в условиях абсолютной темноты, в-третьих — при повышенной концентрации азота и кислорода, по расчетам превышающей стандартную на поверхности в 50 раз, и наконец, в-четвертых, эта жизнь должна была выдерживать категорический недостаток пищи и традиционных источников энергии.
В таких условиях вряд ли возможно существование сложных организмов. Речь скорее идет о хемоавтотрофных бактериях, получающих энергию путем окисления, например, сульфатов. Сообщества подобных существ уже обнаружены вокруг т. н. «черных курильщиков», гидротермальных источников, выносящих высокоминерализованную воду из земной коры на дно океанов. Теоретически бактерии подобного рода могут существовать и в озере Восток при условии наличия там гидротермальной активности. Однако от своих уже известных аналогов они должны отличаться как минимум одним важным нюансом: перспективная жизнь в этом реликтовом водоеме Антарктиды была изолирована от остальной биосферы планеты на протяжении миллионов лет.
Антарктида практически полностью накрыта мощным ледяным куполом, толщина которого в отдельных районах достигает четырех тысяч метров. Разумеется, такая «шапка» объемом в десятки миллионов кубических километров копилась очень долго, благодаря чему сейчас континент представляет собой уникальное естественное хранилище климатической истории Земли. Первые попытки бурения этого щита на станции «Восток» были связаны как раз с палеоклиматическими исследованиями. В общей сложности между поверхностью ледника и озером заморожены 400 000 лет истории Земли, ценнейшая информация о погодных изменениях на планете.
Одновременно этот же реликтовый лед надежно изолировал озеро Восток и другие подледные водоемы Антарктиды вместе с их потенциально возможной экосистемой от поверхности Земли и эволюционных процессов на ней. Ученые еще спорят, как давно это произошло: по некоторым оценкам, озеро отрезано от остального мира уже на протяжении последних 15—20 миллионов лет — колоссальный по человеческим меркам временной отрезок. Впрочем, по другим, гораздо более консервативным данным, Восток изолирован на протяжении «лишь» 500 000 лет.
В конце 1980-х годов в рамках совместного советско-франко-американского научного проекта на станции «Восток» началось бурение скважины 5Г-1, главной целью которого были климатические исследования. Но с середины 1990-х, когда существование подледного озера было окончательно подтверждено, достижение его поверхности стало для ученых первостепенной задачей. При этом, как и в большинстве новаторских работ такого масштаба и уровня сложности, каждый день бурения превращался в битву с разного рода проблемами. Основной из них стало предотвращение возможного загрязнения озера и его экосистемы чуждыми для них продуктами человеческой жизнедеятельности.
Лучшим выходом из этой ситуации было бы бурение скважины с помощью горячей воды. Однако климатические условия на станции «Восток» с ее жестокими морозами сделали такой способ невозможным. При минус 50°С за бортом вода стремительно замерзала, мощности имевшейся электростанции для плавления льда не хватало. Требовалось ее многократное увеличение, что в условиях труднодоступности научного объекта и хронического недофинансирования антарктических исследований было маловероятно.
Вместо этого скважину диаметром 115 миллиметров принялись заполнять незамерзающей смесью из фреона и керосина, что позволило очень быстро достичь требуемой эффективности работы: уже к 1999 году глубина скважины превысила 3600 метров и по расчетам от поверхности озера ее стала отделять узкая 120-метровая перемычка. На данном этапе ученые были вынуждены прекратить дальнейшую работу. Международное сообщество било в набат, да и сами российские специалисты прекрасно понимали, что попадание керосиново-фреоновой жидкости в реликтовый водоем может привести к непоправимым для науки последствиям.
Решение проблемы, разработка новой экологически безопасной технологии бурения и проходка финальных метров растянулись на 13 долгих лет. Лишь в феврале 2012 года специалисты Российской антарктической экспедиции сделали долгожданное заявление: поверхность озера Восток достигнута, в скважину поступила его вода, поднявшись сразу на полкилометра, там замерзла, была в виде керна извлечена и впоследствии отправлена для изучения на Большую Землю.
Результаты исследований этих проб получились неоднозначными. С одной стороны, оказалось, что из-за недооценки существовавшего в озере давления вода поднялась в скважине значительно выше запланированного уровня, в результате чего вступила в контакт с буровой жидкостью. С другой — в марте 2013 года российский Арктический и антарктический НИИ, головная организация проекта, отрапортовал об обнаружении в полученном керне следов неизвестной ранее науке бактерии. К сожалению, чистота эксперимента была все-таки нарушена, и на таком фоне требовалось его подтверждение.
Следующие два летних сезона ученые были вынуждены сражаться с образовавшейся двумя годами ранее ледяной пробкой. 25 января 2015 года поверхность реликтового водоема была вновь достигнута, на этот раз без неприятных эксцессов, и на землю извлекли еще два ледовых керна с озерной водой. В октябре 2016 года результаты их изучения были обнародованы: специалисты подтвердили обнаружение неизвестной ранее бактерии, получившей индекс w123-10. Если российские полярники не выдали желаемое за действительное, за этим скучным наименованием стоит историческое открытие, косвенно подтверждающее возможность существования в Солнечной системе иных форм жизни кроме земной.
В 2005 году американская автоматическая межпланетная станция Cassini, выполняя пролет Энцелада, одного из спутников Сатурна, зафиксировала в его южной полярной области выброс шлейфа, в значительной мере состоящего из водяного пара и напоминающего земные гейзеры. Последующие исследования показали, что под ледяным щитом толщиной 30—40 километров у спутника существует жидкий и соленый океан, подогреваемый приливным воздействием материнской планеты. Аналогичная ситуация, скорее всего, существует на Европе и Ганимеде, спутниках Юпитера.
Наличие жидкой воды, разнообразных химических веществ, растворенных в ней, и геотермальной активности практически являются достаточными условиями для существования жизни по крайней мере в ее хемоавтотрофном виде. На Земле это уже подтверждено экосистемами, возникшими на дне океанов возле «черных курильщиков». Специфика озера Восток в том, что оно находится в условиях, во многом напоминающих подповерхностные океаны Энцелада, Европы или Ганимеда.
В случае если будущие исследования подтвердят наличие в водах Востока неких форм жизни, для которых изоляция, темнота, давление, отсутствие традиционной пищи не являются помехой для существования, это с большой долей вероятности может быть экстраполировано и на ситуацию в далеких системах Сатурна и Юпитера. Европа и Энцелад, по крайней мере в настоящем представлении о них, являются лучшими кандидатами на звание «второй Земли», чем даже куда более близкий для нас Марс.
В ближайшие десятилетия именно ледяные спутники Юпитера станут основным объектом исследования для земных межпланетных станций. Такие проекты, как Europa Clipper и Jupiter Icy Moon Explorer, должны окончательно прояснить, есть ли на Европе или Ганимеде океаны. К сожалению, следующий этап, практическое подтверждение теорий о наличии там альтернативных форм жизни, станет куда более сложной задачей.
Бурение скважины к озеру Восток, расположенному пусть и в малоприятных природных условиях, но все же на Земле, растянулось на десятилетия и до сих пор не принесло признанных всем мировым научным сообществом результатов. Аналогичные работы, к примеру, на Европе, в сотнях миллионов километров от нашей планеты, в автоматическом режиме и в условиях мощной радиации Юпитера, выглядят проблемой, решение которой недоступно современному уровню развития науки и техники.
Тем не менее путь в тысячу ли начинается с первого шага, и шаг этот необходимо сделать именно в Антарктиде. В самом конце ноября 2016 года полярники станции «Восток» начали расчищать от снега буровую 5Г-1. Там, на крайнем юге Земли, впереди новый летний сезон, который может принести свежие открытия, способные поразить воображение. Озеро Восток все еще ждет человека, когда-нибудь туда проникнут фото- и видеокамеры, рано или поздно мы узнаем, что происходит на его дне у геотермальных источников. Кто знает, какие находки еще впереди.
Про подвиги героев-полярников, выживающих здесь вопреки окружающей среде, написано немало книг. Вполне возможно, что в будущем еще больше литературы появится про объект, о существовании которого прямо под своими ногами основатели станции не подозревали. Впрочем, повод задуматься о происходящем там у них возник практически сразу.
В 1959 году молодой 28-летний географ Андрей Капица проводил на станции «Восток» сейсмические исследования. Результаты, полученные выходцем из знаменитой семьи ученых, удивили: сигнал показал, что ледовый щит имел глубину 3730 метров, а собственно поверхность континента с коренными горными породами начинается на отметке минус 4130 метров. Тогда исследователи Антарктики решили, что исчезнувшие 400 метров сложены менее плотными осадочными породами, но, как показали будущие десятилетия, на самом деле между ледником и континентом находилось озеро.
Существование водоема в Антарктиде под почти 4-километровой толщью льда, температура на поверхности которой падает до ультранизких величин, на первый взгляд кажется поразительным. Однако еще во второй половине XIX века знаменитый теоретик анархизма и по совместительству крупный геоморфолог князь Петр Кропоткин выдвинул идею, что температура внутри ледника линейно повышается с его глубиной, так же как это происходит в обычных горных породах. Более того, последующие изыскания уже после Второй мировой войны установили, что эта температура может достигнуть точки плавления льда. Тем более что при огромном давлении, оказываемом ледяным щитом толщиной в несколько километров, температура плавления может упасть до отрицательных величин.
В 1970-е годы британские (в хорошем смысле) ученые, выполняя программу полетов над Антарктидой и радиозондирования ее ледяного массива, вновь заметили странные аномалии. В некоторых местах радиоволны свидетельствовали о наличии подо льдом крупных скоплений чего-то похожего на воду. Окончательно гипотезы о существовании подледных озер были подтверждены в начале 1990-х с помощью спутниковых данных. Статьи в научных журналах и доклады на конгрессах стали в те годы настоящей сенсацией: в мертвом царстве льда и мороза, убивающего все вокруг, существовал мир, где жизнь была теоретически возможна.
Это была грандиозная находка. Обнаруженное озеро было настолько крупным, что с легкостью вошло бы в топ-20 пресноводных водоемов всей Земли. Длина — 250 километров, ширина — до 50 километров, площадь — без малого 16 000 квадратных километров. Одиннадцать островов и подводная гряда, разделяющая озеро на две части: глубоководную южную (глубина до 800 метров) и мелководную северную (около 400 метров). И над всем этим мощный ледяной панцирь толщиной от 3,5 до 4 километров, благодаря чудовищному (более 300 атмосфер) давлению которого средняя температура воды на поверхности Востока составляет минус 3°C.
Свою роль в «подогреве» озера наверняка играет и геотермальная активность Земли. Все это в совокупности дало исследователям объекта повод для осторожных предположений о теоретической возможности жизни в водоеме. Конечно, при подобных вводных данных жизнь здесь должна носить очень специфический характер.
Во-первых, она должна быть способна существовать при очень высоком давлении, во-вторых — в условиях абсолютной темноты, в-третьих — при повышенной концентрации азота и кислорода, по расчетам превышающей стандартную на поверхности в 50 раз, и наконец, в-четвертых, эта жизнь должна была выдерживать категорический недостаток пищи и традиционных источников энергии.
В таких условиях вряд ли возможно существование сложных организмов. Речь скорее идет о хемоавтотрофных бактериях, получающих энергию путем окисления, например, сульфатов. Сообщества подобных существ уже обнаружены вокруг т. н. «черных курильщиков», гидротермальных источников, выносящих высокоминерализованную воду из земной коры на дно океанов. Теоретически бактерии подобного рода могут существовать и в озере Восток при условии наличия там гидротермальной активности. Однако от своих уже известных аналогов они должны отличаться как минимум одним важным нюансом: перспективная жизнь в этом реликтовом водоеме Антарктиды была изолирована от остальной биосферы планеты на протяжении миллионов лет.
Антарктида практически полностью накрыта мощным ледяным куполом, толщина которого в отдельных районах достигает четырех тысяч метров. Разумеется, такая «шапка» объемом в десятки миллионов кубических километров копилась очень долго, благодаря чему сейчас континент представляет собой уникальное естественное хранилище климатической истории Земли. Первые попытки бурения этого щита на станции «Восток» были связаны как раз с палеоклиматическими исследованиями. В общей сложности между поверхностью ледника и озером заморожены 400 000 лет истории Земли, ценнейшая информация о погодных изменениях на планете.
Одновременно этот же реликтовый лед надежно изолировал озеро Восток и другие подледные водоемы Антарктиды вместе с их потенциально возможной экосистемой от поверхности Земли и эволюционных процессов на ней. Ученые еще спорят, как давно это произошло: по некоторым оценкам, озеро отрезано от остального мира уже на протяжении последних 15—20 миллионов лет — колоссальный по человеческим меркам временной отрезок. Впрочем, по другим, гораздо более консервативным данным, Восток изолирован на протяжении «лишь» 500 000 лет.
В конце 1980-х годов в рамках совместного советско-франко-американского научного проекта на станции «Восток» началось бурение скважины 5Г-1, главной целью которого были климатические исследования. Но с середины 1990-х, когда существование подледного озера было окончательно подтверждено, достижение его поверхности стало для ученых первостепенной задачей. При этом, как и в большинстве новаторских работ такого масштаба и уровня сложности, каждый день бурения превращался в битву с разного рода проблемами. Основной из них стало предотвращение возможного загрязнения озера и его экосистемы чуждыми для них продуктами человеческой жизнедеятельности.
Лучшим выходом из этой ситуации было бы бурение скважины с помощью горячей воды. Однако климатические условия на станции «Восток» с ее жестокими морозами сделали такой способ невозможным. При минус 50°С за бортом вода стремительно замерзала, мощности имевшейся электростанции для плавления льда не хватало. Требовалось ее многократное увеличение, что в условиях труднодоступности научного объекта и хронического недофинансирования антарктических исследований было маловероятно.
Вместо этого скважину диаметром 115 миллиметров принялись заполнять незамерзающей смесью из фреона и керосина, что позволило очень быстро достичь требуемой эффективности работы: уже к 1999 году глубина скважины превысила 3600 метров и по расчетам от поверхности озера ее стала отделять узкая 120-метровая перемычка. На данном этапе ученые были вынуждены прекратить дальнейшую работу. Международное сообщество било в набат, да и сами российские специалисты прекрасно понимали, что попадание керосиново-фреоновой жидкости в реликтовый водоем может привести к непоправимым для науки последствиям.
Решение проблемы, разработка новой экологически безопасной технологии бурения и проходка финальных метров растянулись на 13 долгих лет. Лишь в феврале 2012 года специалисты Российской антарктической экспедиции сделали долгожданное заявление: поверхность озера Восток достигнута, в скважину поступила его вода, поднявшись сразу на полкилометра, там замерзла, была в виде керна извлечена и впоследствии отправлена для изучения на Большую Землю.
Результаты исследований этих проб получились неоднозначными. С одной стороны, оказалось, что из-за недооценки существовавшего в озере давления вода поднялась в скважине значительно выше запланированного уровня, в результате чего вступила в контакт с буровой жидкостью. С другой — в марте 2013 года российский Арктический и антарктический НИИ, головная организация проекта, отрапортовал об обнаружении в полученном керне следов неизвестной ранее науке бактерии. К сожалению, чистота эксперимента была все-таки нарушена, и на таком фоне требовалось его подтверждение.
Следующие два летних сезона ученые были вынуждены сражаться с образовавшейся двумя годами ранее ледяной пробкой. 25 января 2015 года поверхность реликтового водоема была вновь достигнута, на этот раз без неприятных эксцессов, и на землю извлекли еще два ледовых керна с озерной водой. В октябре 2016 года результаты их изучения были обнародованы: специалисты подтвердили обнаружение неизвестной ранее бактерии, получившей индекс w123-10. Если российские полярники не выдали желаемое за действительное, за этим скучным наименованием стоит историческое открытие, косвенно подтверждающее возможность существования в Солнечной системе иных форм жизни кроме земной.
В 2005 году американская автоматическая межпланетная станция Cassini, выполняя пролет Энцелада, одного из спутников Сатурна, зафиксировала в его южной полярной области выброс шлейфа, в значительной мере состоящего из водяного пара и напоминающего земные гейзеры. Последующие исследования показали, что под ледяным щитом толщиной 30—40 километров у спутника существует жидкий и соленый океан, подогреваемый приливным воздействием материнской планеты. Аналогичная ситуация, скорее всего, существует на Европе и Ганимеде, спутниках Юпитера.
Наличие жидкой воды, разнообразных химических веществ, растворенных в ней, и геотермальной активности практически являются достаточными условиями для существования жизни по крайней мере в ее хемоавтотрофном виде. На Земле это уже подтверждено экосистемами, возникшими на дне океанов возле «черных курильщиков». Специфика озера Восток в том, что оно находится в условиях, во многом напоминающих подповерхностные океаны Энцелада, Европы или Ганимеда.
В случае если будущие исследования подтвердят наличие в водах Востока неких форм жизни, для которых изоляция, темнота, давление, отсутствие традиционной пищи не являются помехой для существования, это с большой долей вероятности может быть экстраполировано и на ситуацию в далеких системах Сатурна и Юпитера. Европа и Энцелад, по крайней мере в настоящем представлении о них, являются лучшими кандидатами на звание «второй Земли», чем даже куда более близкий для нас Марс.
В ближайшие десятилетия именно ледяные спутники Юпитера станут основным объектом исследования для земных межпланетных станций. Такие проекты, как Europa Clipper и Jupiter Icy Moon Explorer, должны окончательно прояснить, есть ли на Европе или Ганимеде океаны. К сожалению, следующий этап, практическое подтверждение теорий о наличии там альтернативных форм жизни, станет куда более сложной задачей.
Бурение скважины к озеру Восток, расположенному пусть и в малоприятных природных условиях, но все же на Земле, растянулось на десятилетия и до сих пор не принесло признанных всем мировым научным сообществом результатов. Аналогичные работы, к примеру, на Европе, в сотнях миллионов километров от нашей планеты, в автоматическом режиме и в условиях мощной радиации Юпитера, выглядят проблемой, решение которой недоступно современному уровню развития науки и техники.
Тем не менее путь в тысячу ли начинается с первого шага, и шаг этот необходимо сделать именно в Антарктиде. В самом конце ноября 2016 года полярники станции «Восток» начали расчищать от снега буровую 5Г-1. Там, на крайнем юге Земли, впереди новый летний сезон, который может принести свежие открытия, способные поразить воображение. Озеро Восток все еще ждет человека, когда-нибудь туда проникнут фото- и видеокамеры, рано или поздно мы узнаем, что происходит на его дне у геотермальных источников. Кто знает, какие находки еще впереди.
Комментарии2
