В антарктической пустоши нет ничего живого, кроме людей. Жизнь ищут глубже, на 3,7 км под поверхностью снега — в подледных озерах. Ученые считают, что если в экстремальных условиях — низкой температуре, высоком давлении и содержании кислорода — живут простейшие микроорганизмы, то жизнь может существовать и за пределами Земли. Но последние исследования показали, что верхние слои самого большого озера Антарктиды — Востока — содержат лишь один вид бактерий-термофилов. А остальные микроорганизмы попали в него при бурении льда. Остается лишь один выход — продолжить изучение более глубоких слоев озера и его дна. «Хайтек» разбирается в том, почему озеро Восток называют самым важным географическим открытием прошлого столетия и какие открытия на глубине еще ждут ученых в XXI веке.
Подледные озера открыли в XX веке, и исследования самого крупного из них — озера Восток — велись под эгидой российских ученых. Изучение погребенного подо льдами Антарктиды водоема помогают представить условия в инопланетных озерах Юпитера и Энцелада, спутника Сатурна. Образцы с подошвы ледника старше 420 тыс. лет, а это значит, что само озеро затянулось льдом более 500 тыс. лет назад. Это минимальная цифра: по смелым подсчетам подледная вода старше 15 млн лет. Точный возраст Востока пока не выяснен.
После отделения от Индийского субконтинента Антарктида стала частью Австралии, континента с жарким субтропическим климатом. Гористый ландшафт, много впадин и расщелин — пейзаж Антарктиды 66 млн лет назад. Там, где были углубления в самой поверхности, формировались водоемы, реликтовые озера, в которых могли содержаться доисторические бактерии. Дно у озера не плоское. Есть небольшой остров, который занимает около 1% площади водоема, а на глубине предполагается горячий ключ, нагревающий воду.
Условия в озере Восток близки к тем, что были на Земле 543–750 млн лет назад, в период протерозоя. Тогда на планете несколько раз начинались процессы глобального оледенения, которые длились до 10 млн лет.
Озеро Восток занимает площадь в 15,7 тыс. кв. км, его объем — 6 100 куб. км. Этот гигант обгоняет даже Ладожское озеро по своей протяженности. Показатели водоема рекордны не только для Антарктиды: глубина Востока на 8 м больше, чем у Байкала. Сегодня лед продолжает таять с высокой северной стороны озера и намерзать на южном склоне, поэтому расстояние от поверхности воды до ледника разнится: от 150 м в южной части до 600 м в северной. Озерная вода не застаивается: она колеблется с амплитудой 1–2 см. Предполагается, что такое перемешивание может быть жизненно важным для живых микроорганизмов.
Человек в снежной пустыне
Озеро получило название от станции, стоящей над ним. Пункт «Восток» был основан на координатах 78,5° южной широты и 106° восточной долготы почти случайно. Полярник Алексей Трехов разбил первый внутриконтинентальный лагерь в предполагаемом секторе южного геомагнитного полюса. Это произошло 61 год назад — 16 декабря 1957-го — и позволило обнаружить самое крупное подледное озеро Антарктиды.
«Восток» называют местом более экстремальным, чем околоземную орбиту, и не без причин. Сегодня это единственная российская станция, удаленная от береговой линии на 1 260 км и недоступная восемь месяцев в году. Максимальная температура холода –89,2 °С, абсолютный зафиксированный минимум на Земле. Станция расположена на высоте 3 600 м над уровнем моря, и работники «Востока» совершают бесконечное восхождение на гору. Давление на этой высоте — 450 мм рт. ст., поэтому у некоторых полярников смена не успевает начаться: развивается горная болезнь. Тех, кто остается на станции, ждет 12 месяцев ежедневной работы с одними и теми же людьми. Работа на полярной станции — проверка на прочность для психики и организма. Полная изоляция от внешних контактов большую часть года и белоснежная пустыня с сухим, разреженным воздухом вокруг: тем не менее, результаты исследований стоят усилий ученых-полярников.
Существование озера Восток стало научным фактом в XX веке. Открытию огромного по площади водоема с объемом в 6 тыс. куб. км предшествовал долгий путь. Впервые теорию о существовании подледных озер выдвинул Петр Кропоткин, больше известный как анархист и революционер: он считал, что температура в ледниках повышается так же, как в горных породах — с увеличением глубины.
Петр Кропоткин — русский революционер-анархист, ученый географ и геоморфолог. Исследователь тектонического строения Сибири и Средней Азии, а также ледникового периода. Известный историк, философ и публицист, создатель идеологии анархо-коммунизма и один из самых влиятельных теоретиков анархизма. Заложил основу теории четвертичных оледенений и ввел термин «вечная мерзлота».
Критическая толщина ледника — размер ледника, из-за которого огромное давление сверху создает температуру, достаточную для плавления льда. Этот термин, придуманный океанологом Николаем Зубовым, объясняет существование жидкой воды под максимальной толщиной в 4 200 м, несмотря на постоянную минусовую температуру.
Антарктические летчики сообщали о странном покрове льда на некоторых участках маршрутов. Такие участки называли озерами, чем они и оказались. Развивая теорию Кропоткина, советский гляциолог Игорь Зотиков рассчитал, что некоторый процент тепла из недр Земли уходит на подогрев толщи льда. Талая вода поднимается на поверхность там, где ледяной покров меньше. Вновь замерзая, она создает иной ландшафт территорий, который и замечали советские авиаторы.
В 70-х годах британские ученые провели масштабную радиоразведку ледников Антарктиды. Они обнаружили кусочные участки, на которых лед принимал необычные формы. Такие результаты говорили о больших скоплениях подледниковых вод. Позднее снимки спутника ERS-1 подтвердили догадку: на исследованных территориях находятся озера, подобные Востоку.
Теория подтверждалась экспериментом. В 60-х годах географ Андрей Капица провел сейсмические исследования с помощью отражательного сигнала. На поверхности проводились взрывы, звуковая волна которых уходила в нижние слои льда. Она отталкивалась от слоев с разной плотностью, позволяя тем самым изучать возраст и структуру покрова. Ученый зафиксировал два пика отражения сигнала там, где находится озеро Восток: на отметках 3 730 и 4 130 м. Предполагалось, что сейсмические волны «обнаружили» неизвестный слой осадочных отложений, но именно эта находка стала событием века.
Перипетии бурения
Открытие озера Восток –– история счастливых случайностей для российской науки. Удачное расположение станции позволило начать бурение прямо над водоемом. Тем не менее, само бурение скважины 5Г-1 начиналось не ради озерной воды. В 1989 году советские, американские и французские ученые начали подготовку к работам по изучению палеоклимата — доисторических условий на Земле.
Бур установки на станции «Восток» устроен как полый цилиндр, на конце которого есть острые лезвия. При поднятии на поверхность снаряд бура наполняется льдом и вытаскивает за собой фрагмент керна. Такие цилиндрические остатки изучаются гляциологами — специалистами по льду. Абсолютно чистая и без примесей –– такой водой нельзя напиться. Зато она дает исчерпывающую информацию об антарктическом леднике. Бурение продолжалось ради образцов с более глубоких слоев, когда в 1994 году выяснилось, что скважина идет прямо к подледному озеру.
Бурение приостановили в 1999 году, когда до озера оставалось около 120 м. Вопросы вызывала технология бурения с использованием фреона, керосина, этиленгликоля: это биологические вещества, которые могли разрушить экосистему водоема. В 2003 сотрудники Санкт-Петербургского горного института разработали новую технологию, и через три года работы продолжились.
После разморозки скважины бурение было продолжено с небольшим отклонением, потому что на предыдущем участке исследователи потеряли снаряд, достать который не получилось. Изменение курса не дало занести в озеро остатки топлива от предыдущего бурения. Создание скважины и подъем керна –– постепенный процесс. Один рейс длится пять часов, за которые бур проходит примерно 3 м, а затем поднимается на поверхность.
Работа шла без осложнений до того момента, пока ученые не достигли «теплого льда», который начинает плавиться при малейшем повышении температуры. Ледяные частицы могли налипнуть на забойную буровую установку, поэтому ученые разработали технологии очистки снаряда без дополнительного воздействия на лед.
Поверхность озера была достигнута 5 февраля 2012 года. Бур прошел путь в 3 769,3 м, чтобы поднять по скважине холодную воду озера Восток. Исследователи создают в скважине специальную разницу давлений, благодаря которой жидкость поднимается вверх, замерзает на высоте и легче извлекается. Для того, чтобы забрать повторную пробу воды, озеро вскрыли во второй раз в январе 2015 года. Ученые исследовали состав воды, чтобы обнаружить или опровергнуть наличие жизни.
Жизнь вопреки
Предположения о существовании жизни в подледном озере Антарктиды в научном сообществе вызывали скепсис. Условия не соответствуют нашим представлениям о тех, что подходят живым организмам. «В экстремальных условиях при давлении до 400 бар и температуре, близкой к точке замерзания, без света, без растворенного в воде органического углерода, вероятно, при избытке растворенного кислорода», — так описывает в статье среду озера Восток Сергей Булат, заведующий лабораторией криоастробиологии Петербургского института ядерной физики имени Б. П. Константинова. В воде есть кварц и кальцит, она насыщена ионами кальция, поэтому «мягкой» ее не назовешь.
Возможных обитателей озера предлагают называть оксигенофилами: концентрация кислорода подледной воды в 50 раз выше, чем в обычной питьевой. Такие организмы выживают при низких температурах и высоком давлении. Скорее всего, эти бактерии или многоклеточные используют неорганический углерод, «поедая камни».
Лед озера делят на два типа. У верхнего есть минеральные вкрапления, глина. Такие кусочки были принесены ледником, царапающим горную породу и перемещающим ее остатки по ходу своего движения. Это очень небольшие, миллиметрового размера частички, которые распределены в объеме 0–20 частиц на 1 м льда. Второй тип керна — замерзшая вода, покрывающая «берега» озера. В нем вкраплений нет. Первый тип насыщен газами от 100 до 1 тыс. раз больше, чем лед вокруг озера.
Предварительные результаты исследований озерной воды стали научной сенсацией: ученые сообщали о более чем 3,5 тыс. видов, успешно развивающихся в экстремальных условиях. Дальнейшая расшифровка данных буквально разбила ледовые замки предположений о внеземной жизни, которая может существовать в океане спутника Юпитера, Европы. Такое разнообразие одноклеточных и эукариот родилось из загрязнения воды буровой установкой. Содержание изначальных клеток в озерной воде куда скромнее: 0–24 на миллилитр во льду первого типа и в два раза меньше во льду второго. Иными словами, в озере нет практически ничего. Но «практически» не означает полное отсутствие жизни.
Еще до вскрытия озера, на отметках 3 561 и 3 607 м ученые зафиксировали сигналы бактерии-термофила Hydrogenophilus thermoluteolus, которая нашлась и во льду первого типа. Она встречается в термальных источниках Японии, где температура, наоборот, выше комфортной для жизни. Это не инородный организм, поэтому его существование во льдах Антарктиды расширяет представление о выживаемости термофилов. Бактерия не может жить у поверхности воды: ей требуется водород для окисления. Термофилы наверняка развиваются возле тектонического разлома или источника на дне. Значит, ученым нужно проникнуть в глубины озера Восток, где, возможно, обитают и другие организмы.
Но зачем бурить там, где поиски практически кажутся безнадежными? Обнаружение организмов на дне озера может помочь в поиске инопланетной жизни в подледном океане Европы, спутнике Юпитера. Если результаты окажутся одинаковыми, то появятся новые теории о происхождении земной жизни. Она может найтись только на дне, образцов которого пока не получено. Поэтому поиски должны продолжаться.
Оборудование, финансирование и земные проблемы
Добраться до дна озера оборудованием, которое использовали для бурения в прошлом веке, нельзя. Снаряд не поднимет со дна быстро замерзающую воду, но застрянет либо в самом озере, либо в скважине. Такая потеря чревата загрязнением водоема, после которого исследование исконных форм жизни станет проблемой. Новые инструменты должны исключить контакт воды Востока и, например, топлива.
Разработка и производство установок требуют больших затрат, чем использование советских машин, поэтому в 2016-2017 годах шла речь о приостановке исследований. Год назад, 16 декабря 2017 года, на станции «Восток» начались работы по подготовке скважины к следующему сезону, но пока информации по повторному вскрытию озера нет.
Зато есть научная статья, опубликованная в журнале Geophysical Research Letters. При изучении Антарктиды геологи опираются на газы и элементы в извлекаемых образцах керна. Содержание изотопов зависит от их источника. Во льдах под станцией «Восток», взятых с глубин на 2–160 м выше озерной воды, не нашли высокой концентрации радиоактивного изотопа 3He. Значит, источник под озером Восток неактивен. По расчетам авторов, от поверхности Земли в озеро поступает около 51 мВт на квадратный метр –– показатель для остывшего участка.
Это, вкупе с приостановленными исследованиями, добавляет пессимизма и ученым, и наблюдателям. Человек всегда спрашивает: что еще я мог найти, если бы не остановился? Для озера Восток вопрос пока открыт.