إن البحيرات الفرعية الواقعة تحت صحائف الجليد الواسعة في أنتاركتيكا تمثل بعض أكثر الموائل تطرفا وأقلها استكشافا على الأرض، وهذه الجيوب الخفية من المياه السائلة ظلت محكمه لملايين السنين تحت الطبقة الجليدية التي تصل إلى ٣٥٠ كيلومترا، وهي محصورة من ضوء الشمس والتأثير الجوي في الغلاف الجوي، رغم الظروف التي تبدو غير مواتية، تتجاوز درجات الحرارة المحيطة بالبحيرات،

اكتشاف ورسم خرائط البحيرات الفرعية

وقد اقترح لأول مرة مفهوم البحيرات الفرعية في أنتاركتيكا في الستينات، عندما كانت الدراسات الاستقصائية الرادارية التي أجريت على شبكة الجليد في وقت مبكر، متجهة إلى المياه السائلة الواقعة تحت أغطية الجليد، وقد جاء أول اكتشاف مؤكد في أوائل السبعينات، حيث قام العلماء السوفيات والبريطانيون بتحديد بحيرة فوستوك، وهي بحيرة مسدودة تحت 3.7 كيلومترات من الجليد في بحيرة أنتاركتيكا الشرقية.

ولا تزال جهود رسم الخرائط تكشف عن البحيرات الجديدة، ولا سيما في إطار المسارات الجليدية السريعة الحركة حيث يرتفع معدل الانصهار في البصل وتراكم المياه، ومن بين أكثرها دراسة في بحيرة ويلانز وبحيرة ميرسر وبحيرة إيلسوورث التي تمتلك خصائص هيدرولوجية وكيميائية متميزة تؤثر على مجتمعاتها المحلية المتناهية الصغر المقيمة، حيث توجد هذه البحيرات عادة في فترات الكساد أو التي تتراكم فيها

Formation and Physical Characteristics of Subglacial Lakes

وتتكون البحيرات الفرعية من خلال توازن دقيق للضغط والحرارة الحرارية الأرضية، وممتلكات العزل للجليد المتضخم، ويرتفع الوزن الهائل لورقة الجليد الضغط على السرير، ويخفض نقطة الانصهار للجليد دون درجة مئوية بقليل، وفي الوقت نفسه، تذوب الحرارة الحرارية الأرضية الناشئة عن سطح الأرض الجليد في القاعدة، وتنتج مياهاً مائيةً خالية من الضغط في الأنهار الطبيعية.

وتُعد المياه في هذه البحيرات في كثير من الأحيان مُعمَّلة، وتُبقي على شكل سائل عند درجات حرارة منخفضة إلى 3 درجات مئوية بسبب الضغوط العالية، ويمكن أن تتراوح هذه الضغوط بين 200 و400 غلاف جوي، وتخلق بيئة غير متماثلة في المياه السطحية، وتُعزل مياه البحيرات الفرعية عن الغازات السطحية الطويلة وتُحصَّل غازات مثل الأكسجين والنيتروجين المحصور في الجليد أعلاه.

بحيرة فوستوك: زهرة كبيرة تحت الجليد

وتبرز بحيرة فوستوك كأكبر وأهم بحيرة فرعية درست، حيث تمتد على مساحة تزيد على 240 كيلومتراً وتمتد على نحو 50 كيلومتراً في عرض البحر، وتمتد أعماقها إلى أكثر من 000 1 متر، ويضعها الحجم المقدر لـ 400 5 كيلومتر مكعب من أكبر البحيرات على الصعيد العالمي، مقارنة ببحيرة أونتاريو، وتقع البحيرة ضمن مصانع هيدرولوجية من نوعها.

وقد قام العلماء بتحليل مكثف لبؤر الجليد التي تم حفرها من صحيفة الجليد فوق بحيرة فوستوك، مما كشف عن سجلات مناخية مفصلة تمتد إلى مئات الآلاف من السنين، غير أن الوصول المباشر إلى مياه البحيرة كان صعبا بسبب الشواغل المتعلقة بتلوث هذه البيئة البائسة، وتشير محتويات البحيرة العالية جدا من الأوكسجين والمكياج الكيميائي إلى أنه يمكن أن يأوي نماذج متخصصة من مواقع الحياة المجهرية مكيفة مع هذه الظروف القصوى.

Unique Ecosystems and Microbial Life in Subglacial Lakes

وعلى الرغم من عدم وجود ضوء الشمس، فإن الحياة المجهرية تزدهر في البحيرات دون الجليدية من خلال تسخير الطاقة الكيميائية من خلال التخدير الكيميائي بدلا من التخدير الضوئي، وتعتمد هذه النظم على تأكسة وخفض المركبات غير العضوية مثل الأمونيوم والكبريت والحديد والهيدروجين، التي تتولد عن التفاعلات بين المياه والمعادن الصخرية، بل وتحافظ هذه العملية الباردة على مجتمعات الفطر.

وتكشف عمليات البحث التي تُجرى في البحيرات مثل الويلونات والمرتزقة عن تجمعات ميكروبية متنوعة، مثل البكتيريا التي تستضيف البكتيريا في الغالب من [الجزر ذات الغطاء الحرجي] ، [الآثار الطبيعية]

التكيف مع الظروف القصوى

وتظهر الكائنات المجهرية التي تسكن البحيرات الفرعية تكيفات فسيولوجية وبيولوجية كيميائية ملحوظة، وللإبقاء على وظيفة الخلايا تحت درجة عالية من البرودة والضغط، تثرى حمضات الدهون المتعددة النسيان، مع الحفاظ على سوائل النمبرة وسلامة الميكروبات، وتعمل الأنزيمات التي تنتجها هذه الميكروبات بكفاءة عند درجات الحرارة القريبة من الزراع، وكثيرا ما تظهر خصائص ذات تأثيرات منخفضة على الكريات.

وتُعتبر معدلات الإصابة بالمرض في هذه الكائنات بطيئة للغاية، مما يتيح البقاء على الحد الأدنى من مدخلات الطاقة على مدى فترات طويلة، حيث تشكل العديد من الميكروبات مرشحات بيولوجية على جزيئات الرواسب، مما يخلق مقاييس حمائية للمواد البوليميرية المتسربة التي تصيد المغذيات النادرة وتوفر الدعم الهيكلي، وعلاوة على ذلك، يستخدم بعض البكتيريا مسارات لتثبيت الكربون مثل دورة كربون ثلاثي معدلة.

ولا تشدد هذه التكييفات على قدرة الحياة على الصمود وعلى تنوعها على الأرض فحسب، بل تنطوي أيضاً على آثار هامة بالنسبة لعلم الفلك، لأنها تسترشد بالبحث عن إشارات بيولوجية في بيئات خارجية ذات ظروف متطرفة مماثلة.

المركبات الكيميائية الحيوية و الديناميات المغذية في البحيرات دون الإقليمية

وتهيمن العمليات الكيميائية الأحيائية التي تقود النظم الإيكولوجية للبحيرات دون الجليدية على الممرات الكيموليت - الفلكية بدلا من تدفق الطاقة الاصطناعية الضوئية، والوسطى لهذه الدورات هي تحويلات الحديد والكبريت، مع استخدام ميكروبات مثل Thiobacillus].

وفي البحيرات مثل الويلونات، تعزز تركيزات الأمونيوم المرتفعة عمليات التكرار والتنقيب، وتكملة دورات النيتروجين في هذه البيئات المعزولة، وتحتوي الرواسب في قاعات البحيرة على الكربون العضوي المستخرج من الرواسب البحرية القديمة وتحول الكتلة الأحيائية المجهرية، مما يشكل مصدرا بطيئا ومستمرا للمغذيات التي تحافظ على المجتمعات المحلية المجهرية على مدى ملايين السنين.

وعلى الرغم من أن هذه الدورات تعمل بمعدلات بطيئة بشكل ملحوظ بسبب درجات الحرارة الباردة والقيود على الطاقة، فإن استمرارها على النطاقات الزمنية الجيولوجية يدعم وجود نظم إيكولوجية مستقرة ومزدهرة تحت الجليد، ويلقي فهم هذه العمليات الضوء على ديناميات المغذيات في بيئات معزولة ويُسترشد به في نماذج دورات الكربون والنيتروجين الأرضية في ظروف متطرفة.

تحديات الاستكشاف والبحث

ويشكل التحقيق في البحيرات الفرعية تحديات تقنية ولوجستية هائلة، ويرجع ذلك أساسا إلى ضرورة الوصول إلى هذه الهيئات دون تلوث بيئاتها المعمارية، ويتطلب التدحرج عبر عدة كيلومترات من الجليد إجراءات دقيقة للتعقيم الصارم لمنع إدخال الميكروبات السطحية أو الملوثات الكيميائية.

وقد حقق مشروع البحث عن الوصول دون الإقليمي في إطار مشروع البحث عن الوصول إلى المياه الجوفية في منطقة ويلانز، الذي استخدم حفر المياه الساخنة، إلى جانب معدات أخذ العينات المعقمة، ووصل الباحثون إلى بحيرة ويلانز وجمعوا عينات من المياه والرواسب في مختبر محمول بارد في الموقع، مما أدى إلى التقليل إلى حد كبير من مخاطر التلوث في أعقاب هذه الحملات المتزامنة التي نظمت في بحيرة ليك.

غير أن الوصول إلى البحيرات الكبرى والأعمق مثل فوستوك لا يزال أكثر تعقيدا بسبب الغطاء الجليدي السميك والشواغل المتعلقة بتلوث البحيرة بالكائنات الحية من النواة الجليدية أو سوائل الحفر، ونتيجة لذلك، لا تزال تقنيات الاستشعار عن بعد، مثل رادار التزلج على الجليد، والتصوير السيزمي، والبيانات الساتلية تؤدي دورا حيويا في دراسة خصائص البحيرات ودينامياتها دون تدخل مادي.

إن التحديات اللوجستية، والشواغل البيئية، والتكاليف المرتفعة المرتبطة بهذه البعثات تعني أن التقدم في هذا الميدان تدريجي، ومع ذلك، فإن كل بعثة ناجحة لأخذ العينات تقدم بيانات قيمة توسع من معارفنا بهذه النظم الإيكولوجية الخفية.

وللبحث والتفاصيل الجارية بشأن بروتوكولات الحفر، انظر برنامج البحيرات الفرعية التابع لمسح أنتاركتيكا (British Antarctic Survey) ] و] موقع مشروع WISSARD على شبكة الإنترنت .

العلم والتكنولوجيا

وتوفر البحيرات الفرعية من الأرضيات المقنعة للمحيطات الواقعة تحت سطح الأرض التي يعتقد أنها موجودة على قمر الجليد في نظامنا الشمسي، ولا سيما اليوروبا واسفلاد زحل، ويفترض أن تظل هذه المحيطات الخارجية تحت أضواء الأرض تحت القشور الجليدية السامة بواسطة الطاقة الحرارية المدوية والمخلفة، مما يخلق ظروفاً من العزلة يمكن أن تدعم الحياة القصوى.

ومن خلال دراسة الحياة المجهرية في البحيرات دون الإقليمية في أنتاركتيكا، يمكن لعلماء علماء علماء الأحياء أن يطوروا نماذج لأشكال الحياة المحتملة خارج الأرض، وأن يحددوا مواقع بيولوجية محتملة، وأن يصقلوا تصميم البعثات الاستكشافية المقبلة، وعلى سبيل المثال، فإن وجود أرخائيات مائية في البحيرات مثل ويلانز يدعم فرضيات تفيد بأن الميثان المكتشف في سباكات إنسلادوس يمكن أن ينتج عن طريق البحوث البيولوجية.

دروس لليوروبا وإنسلادوس

ويعتقد أن محيط اليوروبا الفرعي له تركيبة كيميائية مماثلة لبعض البحيرات دون الإقليمية في أنتاركتيكا، بما في ذلك ارتفاع مستويات الأكسجين نتيجة لعمليات الجليد السطحي ومدخلات الطاقة من النشاط الحراري المائي في قاع المحيط، كما أن المجتمعات المحلية المجهرية التي اكتشفت أسفل بحيرة فوستوك، والتي تعيش على ارتفاع تركيزات الأوكسجين وردود الفعل الحمراء المعدنية، توفر مفارقة مباشرة للحياة الأوروبية المحتملة.

وبالمثل، فإن المركبات العضوية والغاز الهيدروجيني المكتشف في سباكات إنسلادوس الجيزرية تشير إلى ظروف مواتية للميثانوز، وتوازي الأيضات المجهرية الموجودة في بحيرة ويلانز، ويفيد فهم هذه الأناوجات البعيدة بالأهداف العلمية للبعثات مثل أوروبا كليبر، التي ستحقق في مدى صلاحية الأرض الأوروبية للبحث عن تفسيرات بيئية.

حفظ الطبيعة والنظر فيها

إن الطبيعة البائسة والمعزولة للبحيرات دون الإقليمية تثير قلقا كبيرا في مجال الحفظ والأخلاق، إذ إن إدخال الملوثات - أي الميكروبات أو المواد الكيميائية أو الجسيمات - من عمليات الحفر يمكن أن يغير أو يدمر بصورة لا رجعة فيها هذه النظم الإيكولوجية الفريدة، ومن أجل التخفيف من هذا الخطر، وضعت بروتوكولات صارمة تشمل تعقيم معدات الحفر، واستخدام المياه الملوَّثة والمُعَمَّدة لمنع حدوث حرائق.

وتؤكد الاتفاقات الدولية المبرمة في إطار نظام معاهدة أنتاركتيكا أهمية التقليل إلى أدنى حد من تأثير الإنسان على هذه البيئات، إذ أن تقييمات الأثر البيئي إلزامية لأية إمكانية مقترحة للوصول إلى البحيرة دون الإقليمية، وهناك مناقشة أخلاقية جارية تتوازن بين ضرورات الاكتشاف العلمي وبين ضرورة الحفاظ على هذه الموائل غير الممسوحة، وتقدم التكنولوجيات غير الغازية، مثل المركبات المستقلة تحت الماء والاستشعار عن بعد، طرقا واعدة لاستكشاف هذه البحيرات ذات الآثار البيئية المخفضة.

ويعتمد مستقبل بحوث البحيرات الفرعية على الالتزام بالتنقيب المسؤول، بما يكفل عدم إحراز تقدم علمي على حساب تدمير هذه المختبرات الطبيعية النادرة.

الاتجاهات المستقبلية والمسائل المفتوحة

وفي المستقبل، ستركز البحوث المتعلقة بالبحيرات دون الإقليمية على الوصول إلى البحيرات الأعمق والأوسع مثل بحيرة فوستوك وبحيرة إيلسورث باستخدام الجيل القادم من تكنولوجيات الحفر النظيفة، كما أن تطوير ونشر مركبات مستقلة تحت الماء قادرة على الملاحة في هذه المياه الخفية دون تدخل بشري مباشر يعدان بوعود كبيرة بالحصول على قياسات وعينات في الموقع مع التقليل إلى أدنى حد من مخاطر التلوث.

ويوسع التعاون الدولي، مثل مشروع الوصول العلمي في منطقة البحيرات الكبرى دون الإقليمية، الجهود العالمية لدراسة هذه البيئات بصورة شاملة، وتشمل المسائل الرئيسية المفتوحة النطاق الكامل للتنوع الجراثيم داخل البحيرات وعبرها، والأدوار الإيكولوجية للسكان الفيروسيين في تنظيم المجتمعات المحلية ذات المناخ الصغير، وكيف يمكن أن يؤثر تغير المناخ الجاري في معدلات الدمج في البصل، والوصلية الهيدرولوجية، واستقرار البحيرات.

وستعزز الردود على هذه الأسئلة فهمنا للغلاف الحيوي المخفي للأرض، وتسترشد بالبحث الأوسع عن الحياة في عالم الجليد عبر النظام الشمسي.

وللقراءة الإضافية، يرجى الرجوع إلى National Geographic’s detailed overview of Lake Vostok] و] European Space Agency’s scientific review] بشأن دور البحيرات دون الإقليمية كحد أدنى بالنسبة لأقمار الجليد الخارجية.

البحيرات الكبرى في أنتاركتيكا

  • Lake Vostok]: أكبر بحيرة فرعية تقع تحت 3.7 كيلومترات من الجليد في شرق القارة القطبية الجنوبية؛ وأكثر من 240 كيلومتراً وتصل إلى 50 كيلومتراً.
  • Lake Whillans]: بحيرة ضحلة تحت خط الجليد في ويلانز؛ وقد تم الوصول إليها في عام 2013 وأظهرت النظم الإيكولوجية المجهرية النشطة.
  • Lake Mercer]: Discovered in 2007 and sampled in 2018; its sediments contain diverse microbial communities including fungi and bacteria.
  • Lake Ellsworth]: بحيرة عميقة ونائية في غرب أنتاركتيكا، بطول 150 كيلومترا تقريبا؛ مستهدفة لبعثات الحفر النظيفة في المستقبل.
  • Lake Bonney]: A surface lake in the McMurdo Dry Valleys with subglacial brine layers, studied as analog for hypersaline and isolated environments.

هذه البحيرات المخبأة تمثل حدودا ليس فقط للعلم البيولوجي والجيولوجي بل أيضا لاستكشاف الكواكب، وتكشف دراستها أسرارا عن حدود الحياة على الأرض وتُطلعنا على فهمنا للموائل المحتملة خارج كوكبنا.