العالم المخفي (بينيث غلاسرز): منطقة البحيرات دون الإقليمية والنظم الإيكولوجية

البحيرات الخفية تمثل واحدة من آخر الحدود غير المستكشفة على الأرض، هذه البيئات المخفية تسكن آلاف من مقاييس الجليد هذه الأجسام من الماء

تشكيلة البحيرات دون الإقليمية

إن وجود المياه السائلة تحت أغطية الجليد الضخمة يبدو عكسياً، نظراً لأن الجليد نفسه مجمّد، لكن تكوين البحيرات الفرعية هو نتيجة مباشرة للوزن الهائل لحجم الجليد المفرط، الذي يتجاوز عادة كيلومترات في السميك، وهذا الضغط، مقترناً بحرارة الحرارة الأرضية الناشئة من داخل الأرض المتجمدة، يخلق ظروفاً تسمح بالمياه بالتواجد في دولة سائلة.

مطحن الضغط وخطابات الحرارة

إن نقطة الانصهار، شأنها شأن معظم المواد، قد تغيرت بالضغط، وتحت الحمولة الهائلة لصحيفة جليد قاري، فإن الضغط في القاعدة شديد جدا لدرجة أن نقطة الانصهار في الجليد تهبط بدرجة كبيرة، إلى درجة عدة درجات تحت الصفر في كليسيس، وهذا معروف بذوبان الضغط، وتدفق الحرارة الأرضية، الذي يبلغ متوسطه نحو 50-60 مللي واط في كل متر مربع في المناطق القارية، يوفر الطاقة اللازمة.

كما تتراكم مياه الذوبان، فإنها تجمع في الاكتئاب الطبوغرافية في حجر السرير، حيث أن الجليد المكثف يعمل كثلاجة ضخمة، ويمنع الماء من التجمّد أكثر، والتوازن الحراري حساس، إذ أن المياه تُبقي سائلة بتدفق ثابت من الحرارة الأرضية ونقطة الانصهار المكبوتة للضغط، في حين أن الجليد البارد فوقه يحول دون هروب هذه الطاقة تماما.

بحيرة الاستقرار والطول

وفي حين يبدو أن بعض البحيرات الفرعية مستقرة منذ آلاف السنين، فإن بعضها الآخر دينامي، وقد أظهرت البحوث أن المياه يمكن أن تنقل بين البحيرات من خلال شبكات الصرف دون الإقليمي، وتشير المواعدة الراديوية للميكروبات وكيمياء المياه إلى أن بعض البحيرات، مثل بحيرة فوستوك في أنتاركتيكا، قد تكون معزولة لأكثر من 15 مليون سنة، وهذا التطوير المفاجئ للتاريخ العزل يجعل هذه البحيرات متطورة.

وقد يكون حجم هذه البحيرات هائلا، إذ يقدر أن بحيرة فوستوك وحدها تحتوي على نحو ٤٠٠ ٥ كيلومتر مكعب من المياه، مما يجعلها واحدة من أكبر البحيرات على الأرض بالحجم، على الرغم من أنها تقع على بعد أربعة كيلومترات أسفل صفحة الجليد في أنتاركتيكا، وقد أدى اكتشاف هذه الأجسام المائية الكبيرة والمستقرة إلى تغيير أساسي في فهمنا للديناميات الجليدية والهيدرولوجيا دون الجليدية.

عالم المخفية للنظم الإيكولوجية دون الإقليمية

إن السمة المميزة للنظم الإيكولوجية للبحيرات دون الجليدية هي افتقارها الكامل للضوء، فبدون التليفزيون الضوئي، تفصل سلسلة الأغذية بأكملها عن الطاقة الشمسية، وبدلا من ذلك، تُستمد هذه النظم الإيكولوجية من التخثر الكيميائي، وهي عملية تستمد فيها الكائنات المجهرية الطاقة من ردود الفعل الكيميائية غير العضوية، مما يجعل البحيرات الفرعية طبقة فريدة من الموائل المعروفة باسم " بيزوفات الدار " .

Extremophiles and Metabolic Strategies

إن الكائنات الحية التي توجد في البحيرات دون الإقليمية هي كائنات متطرفة، وأشكال حياة مكيَّفة للبقاء في ظل ظروف فتاكة إلى معظم الأنواع المسكنة السطحية، وتشمل هذه الظروف درجات حرارة ثابتة بالقرب من التجميد (من الناحية التقليدية إلى - 2 درجة مئوية إلى - 3 درجة مئوية بسبب الضغط)، والضغوط التي تتجاوز 300 غلاف جوي، والظلام الكامل، والميكروبات التي تم تحديدها في عينات من بيئات دون الجليدية، تشمل البكتيريا.

وقد كشفت التحليلات الدوائية لعينات المياه والرواسب من البحيرات مثل بحيرة ويلانز عن وجود مجتمع متنوع بشكل مفاجئ، وهذه الكائنات المجهرية هي أساساً كيميائية من البيوتروفية، بمعنى أنها تستمد طاقتها من تأكسد المركبات غير العضوية الموجودة في حجر السرير والزلاجة.

Reduced iron] (Fe2+) from bedrock minerals, such as pyrite.
Sulfide compounds] (S2 - and S0) oxidized to sulfate.
Ammonium] (NH4+) from Old organic matter trapped in the ice.
Hydrogen gas] (H2) generated by water-rock interactions and radiolysis.

ويشكل هؤلاء المنتجون الأساسيون قاعدة شبكة غذائية بسيطة، إذ تستهلك البكتيريا الهترولية المادة العضوية التي تنتجها الكيموليتوتوروف، وكثيرا ما يكون تدفق الطاقة في هذه النظم منخفضا جدا، مما يؤدي إلى بطء شديد في معدلات الأيض، ولا يمكن أن تفرق بعض البكتيريا إلا مرة كل بضع سنوات أو حتى قرون، مما يمثل بعض الكائنات الحية الأكثر بطئا على الأرض.

مصادر الطاقة في الظلام

ومن أهم الاكتشافات التي تم اكتشافها مؤخرا دور التحلل الإشعاعي في توليد هذه النظم الإيكولوجية، حيث أن اليورانيوم والثوريوم والبوتاسيوم في حجر الأساس يُعانى من تفككات مشعية طبيعية، مما يقسم بدوره جزيئات المياه في عملية تسمى التحلل الإشعاعي، وهو ما ينتج الهيدروجين الجزيئي وأنواعا مكسدة مختلفة، وثاني أكسيد الكربون مصدر للطاقة الوطيدية للعديد من الكائنات المجهرية.

وهذه الآلية لها آثار عميقة، وتقترح أن أي كوكب أو قمر ذي غطاء صخري وجليدي يمكن أن يستضيف الغلاف الحيوي تحت سطح الأرض، حتى بدون ضوء الشمس المباشر أو النشاط الحراري الهيدرولوجي.

منطقة البحيرات الفرعية الملحوظة

وفي حين تم تحديد مئات البحيرات دون الإقليمية عن طريق الصور الساتلية والرادار المزود بالشبكة الجليدية، لم يتم سوى أخذ عينات مباشرة من حفنة منها، وقد دفع كل استكشاف حدود التكنولوجيا وأثمر عن رؤية فريدة.

بحيرة فوستوك

(أ) أن بحيرة فوستوك هي أكبر بحيرة شبه ساحلية معروفة في أنتاركتيكا، حيث يُعتقد أنّها تبلغ 250 كيلومتراً في طولها و50 كيلومتراً في المجرى المائي، فهي تقع تحت 700 3 متر إلى 200 4 متر من الجليد.

بحيرة ويلانز

وقد كان هدف مشروع حفر كبير بقيادة الولايات المتحدة في عام 2013 على عكس الحفر العميق في فوستوك، وهو مشروع بحثي عن المياه الجوفية غير المحتوية على كميات كبيرة من الميكروفلورية، وهو مشروع من هذه العينات التي تُستخدم في إطاره عينات من البلازما المخفية من الميكروفلورة، وهو مشروع يُستخدم في إطاره في إجراء حفر مائي ساخنة عالية السعة مصممة خصيصا للتقليل من التلوث.

بحيرة ميرسر ونظم أخرى

Conglacial Antarctic Scientific Access (SALSA) project drilled into Lake Mercer in 2018, also located under the Mercer Ice Stream. The sample from Lake Mercer revealed not only bacteria but also the remains of small crustaceans and tardigrades (water bears), indicating that more complex life forms may occasionally be transportlted into these lakes

For a more technical overview of the research conducted at Lake Whillans and Lake Mercer, refer to the WISSARD project documentation] and ]SALSA project site.]

تحديات الاستكشاف والتكنولوجيات

إن الوصول إلى البحيرات الفرعية هو أحد أكثر التحديات التي تتطلبها التقنية في مجال العلوم القطبية، والهدف هو استرجاع العينات من المياه والرواسب دون تلوث البحيرة بميكروبات سطحية أو سوائل حفر، وستكون عواقب التلوث كارثية، سواء بالنسبة للتكامل العلمي للأبحاث أو للنظم الإيكولوجية الهشة والمنعزلة ذاتها.

طرق التدريج وأخذ العينات

وقد استخدمت ثلاث طرق للتنقيب الأولي: الحفر الميكانيكي الدوار (فيوستوك)، وحفر المياه الساخنة (ويلانز، ميرسر)، ومساحات ثلجية سريعة (قنابل الكريوبوتات)، وظهر حفر المياه الساخنة كطريقة مفضلة للوصول إلى المياه النظيفة، وينطوي هذا الأسلوب الدقيق على ضخ ثقب كهربي ضيق (عادة ما يتراوح بين 30 و60 سنتيمتر في القبور) باستخدام مجرى الجليد.

وحالما يصل الثقوب إلى البحيرة، يتحول التحدي إلى الحفاظ على الضغط السائل في البحيرة لمنع مياه البحيرة من التسرع في حفرة الثقوب وتجميدها، أو على العكس من ذلك، لمنع سائل الحفر من تلوث البحيرة، وتنشر أدوات أخذ العينات المتقدمة، مثل نواة الترسبات السائلة المحتوية على الكاربون المفقود، ونظم التصفية في الموقع، التي تضخ فيها عينات من خلال بيئة البحيرات.

مراقبة التلويث

وتعتبر البروتوكولات التي تستخدمها مشاريع القمة العالمية لمجتمع المعلومات (WISSARD) وشركة SALSA (SALSA) معيار الذهب، وتشمل الخطوات الرئيسية ما يلي:

] تعقيم جميع معدات الحفر باستخدام الإشعاع فوق البنفسج، وبروكسيد الهيدروجين، والمياه الساخنة.
Usese of microbial tracers (such as non-toxic fluorescent microspheres) to detect any contamination that might occur during drilling.
أخذ عينات من سائل الحفر ] والثلج البخاري في أعماق متعددة لإنشاء خط أساس من الملوثات المحتملة.
] Deployment of down-hole samplers] that seal and close automatically after retrieving water, preventing mixing with the borehole liquid.

وقد وضع المجتمع العلمي بروتوكولات دولية صارمة لضمان أن يكون الاستكشاف أكثر خيرا من الضرر، وهذه الجهود منسقة من خلال منظمات مثل اللجنة العلمية المعنية بأبحاث أنتاركتيكا ]، التي توفر مبادئ توجيهية لاستكشاف البحيرات دون الإقليمية.