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

تشكيلة البحيرات الفرعية

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

ملاجئ الضغط والعصابات الحرارية

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 ملليواط في كل متر مربع في المناطق القارية، يوفر الطاقة اللازمة.

كما تتراكم مياه الذوبان، فإنها تجمع في الاكتئاب الطبوغرافية في حجر السرير، حيث يعمل الجليد المتضخم كموصل ضخم، ويمنع الماء من التجمّد أكثر، والتوازن الحراري حساس، حيث يُبقي الماء سائلاً بتدفق ثابت من الحرارة الأرضية ونقطة الانصهار المكبوتة للضغط، بينما يظل الجليد البارد فوق منع من الفرار من هذه الطاقة.

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 عبر شبكات الصرف دون الإقليمية، وتشير المواعدة الراديوية للميكروبات وكيمياء المياه إلى أن بعض البحيرات، مثل بحيرة فوستوك في أنتاركتيكا، قد تكون معزولة لأكثر من 15 مليون سنة، وهذا التداعم في أشكال التطور المحيطي 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، رغم 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 التخدير، وهي عملية تستمد فيها الكائنات المجهرية الطاقة من ردود الفعل الكيميائية غير العضوية، مما يجعل البحيرات الفرعية طبقة فريدة من الموائل المعروفة باسم " بيزوير الظلام " .

Extremophiles and Metabolic Strategies

الكائنات الحية التي عثر عليها في البحيرات دون الإقليمية هي مهاجرات إبادة الأجناس، وأشكال الحياة التي تكيفت مع ظروف تُميت إلى معظم الأنواع المسكنة السطحية، وتشمل هذه الظروف درجات حرارة ثابتة بالقرب من التجميد (من الناحية التقليدية - 2 درجة مئوية إلى -3 درجة مئوية بسبب الضغط)، والضغوط التي تتجاوز 300 غلاف جوي، والظلام الكامل، والميكروبات التي تم تحديدها في عينات من البيئات 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 الأساس 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 الهتروتروفية 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 بل 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 يخضعان لتدهور إشعاعي طبيعي، مما يؤدي بدوره إلى تقسيم جزيئات المياه في عملية تسمى التحلل الإشعاعي، وهو ما ينتج الهيدروجين الجزيئي (H2) وأنواعا مختلفة من الكائنات الأكسدة، حيث يشكل مصدر طاقة قوي 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 بشبكة الجليد، لم يتم سوى أخذ عينات مباشرة من حفنة منها، وقد دفع كل استكشاف حدود التكنولوجيا وأثمر عن رؤية فريدة.

بحيرة فوستوك

The neftribcial lake in Antarctica. Meas approximately 250 kilometers in width, it lies under 3,700 to 4,200 meters of ice. Russian scientists spent decades drilling through the ice sheet, finally breaching the lake surface in 2012.

بحيرة ويلانز

وقد كان هدف مشروع الحفر الرئيسي الذي تقوده الولايات المتحدة في عام 2013 هو " بحيرة ويلانز " ، الذي يقع في غرب أنتاركتيكا تحت حوالي 800 متر من الجليد، وذلك على عكس أعمال الحفر العميقة التي جرت في فوستوك، فإن مشروع " ويلانز " للأنظمة الإيكولوجية دون الإقليمية لبحوث الوصول (WISSARD) قد استُخدم في حفرة المياه الساخنة 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 التكنولوجيا في العلوم القطبية، والهدف هو استرجاع العينات من المياه والرواسب دون تلوث البحيرة بميكروبات سطحية أو سوائل حفر، وستكون عواقب التلوث كارثية، سواء بالنسبة للسلامة العلمية للبحوث أو بالنسبة للنظم الإيكولوجية الهشة والمنعزلة ذاتها.

طرق التدريج وأخذ العينات

وقد استخدمت ثلاث طرق حفر أولية: الحفر الميكانيكي الدوار (فيوستوك)، وحفر المياه الساخنة (ويلانز، ميرسر)، ومساحات ثلجية سريعة (قنابل الكريوبوتات)، وظهر الحفر في المياه الساخنة كطريقة مفضلة للوصول إلى المياه النظيفة، وهذه التقنية الدقيقة تنطوي على ضخ ثقب ضيق (عادة ما تتراوح بين 30 و60 سنتيمتر في القبور) باستخدام مجرى جليدي مركب.

وعندما تصل الحفرة إلى البحيرة، يتحول التحدي إلى الحفاظ على الضغط السائل في البحيرة لمنع مياه البحيرة من التسرع في حفرة البرق وتجميدها، أو بطريقة عكسية، لمنع سائل الحفر من تلوث البحيرة، وتنشر أدوات أخذ العينات المتقدمة، مثل نواة الترسبات الأرضية المحتوية على الرشاوي المحتوية على الرش، ونظم التصفية في الموقع، وهي منتشرة في أي وقت مضى.

مراقبة التلوث

وتعتبر البروتوكولات التي تستخدمها مشاريع WISSARD و SALSA معيار الذهب، وتشمل الخطوات الرئيسية ما يلي:

  • ] تعقيم جميع معدات الحفر باستخدام الإشعاع فوق البنفسجي، 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 سوائل الحفر ] والثلج البخاري في أعماق متعددة لإنشاء خط أساس للملوثات 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.

الآثار المترتبة على علم الأحياء الفلكية

إن اكتشاف الحياة في البحيرات دون الإقليمية له آثار عميقة على علم الفلك - دراسة الحياة في الكون - إذا كان يمكن أن تزدهر الحياة في ظلام كامل، تحت ضغط هائل، وفي درجات الحرارة المتجمدة، وعلى الطاقة الكيميائية وحدها، فإن المنطقة المستقرة من النظام الشمسي تتوسع بشكل كبير.

بيئات المعلمات الخاصة بالقمر الجليدي

ويغطي اليوروبا، وهو قمر من المشتري، قشرة سميكة على محيط تحت سطح عالمي، حيث إن الإنسلادو، وهو قمر من زحل، له خوارب من الماء الدافئ من القطب الجنوبي، مما يشير إلى وجود محيط مائي سائل تحت قوقعه الجليدي، وتتحمل هذه البيئات تشابهاً حاداً في البحيرات الجوفية.

وقد استخدم علماء ناسا بيانات من بحيرة ويلانز وبحيرة فوستوك لنموذج العلامات الأحيائية المحتملة في محيط اليوروبا، حيث أن الكائنات الحية ذات القاعدة الهيدروجينية التي لوحظت في الرواسب دون الجليدية هي هدف رئيسي للبعثات المقبلة، فالأدوات المصممة لكشف حمضات الأمينو، واللويدات، والنواتج الفرعية الأيضية في البحيرات تحت الجليدية تنطبق مباشرة على تصميم الأدوات اللازمة للبعثة

وعلاوة على ذلك، فإن وجود رفات متعددة الخلايا (الطوابع والقشور) في بحيرة ميرسر يشير إلى أن النظم الإيكولوجية دون الإقليمية قد تكون أكثر تعقيداً مما كان يعتقد سابقاً، وهذا يثير تساؤلات مثيرة حول ما إذا كان يمكن وجود شبكات غذائية معقدة مماثلة في بيئات أعمق وأكثر نشاطاً من الناحية الحرارية من قمر الجليد، وذلك من أجل المزيد عن كيفية إبلاغ هذه المركبات الفضائية، انظر

Conservation and Climate Considerations

فالبحيرات دون الإقليمية ليست فضول علمي فحسب، بل إنها تؤدي دورا أيضا في ديناميات صحائف الجليد، فالمياه التي تحتوي على رشق قاعد الجليد ومجاري الجليد، مما يؤثر على سرعة تدفق الجليد نحو المحيط، وإذا تغير حجم المياه في هذه البحيرات بسبب مناخ دافئ أو بسبب تغيرات في مدخلات المياه السطحية، فإن ذلك قد يكون له أثر مباشر على سطح البحر.

وقد أظهرت البحوث أن البحيرات دون الإقليمية يمكن أن تهجر وتملأ بسرعة، حيث أن المياه تنقل أكثر من مئات الكيلومترات تحت الجليد، وهذه الهيدرولوجيا دون الإقليمية هي عنصر حاسم من نماذج الغطاء الجليدي المستخدمة في التنبؤ بارتفاع مستوى سطح البحر في المستقبل، ولا تعد حماية هذه البيئات البائسة من التلوث البشري مسألة من مسائل السلامة العلمية فحسب، بل من الضروري أيضا الحفاظ على خط الأساس الطبيعي لهذه النظم حتى نتمكن من رصد التغيرات بمرور الوقت.

نظام معاهدة أنتاركتيكا الذي يحكم جميع الأنشطة في القارة يصنف البحيرات الفرعية على أنها " بيئات محمية خصيصا " ، وأي عينات مباشرة تتطلب تقييمات واسعة النطاق للأثر البيئي والموافقة الدولية.

خاتمة

إن العالم المخفي الذي يمتد إلى المحيطين أكثر نشاطاً وثراءً بيولوجياً مما تصوره أحد منذ بضعة عقود، فالبحيرات الفرعية تشكل طبقة واسعة من المحيط الحيوي مظلمة وضغوط تعمل على النطاقات الجغرافية ومصادر الطاقة الكيميائية، وحياة الأرض التي تحتويها تمثل أكثر المجتمعات عزلة وقابلية للتأثر على الأرض، وهي موجودة في ظروف كان يعتقد أنها غير مستقرة تماماً.