Lago subglacial
Un lago subglacial es un lago que se encuentra debajo de un glaciar, generalmente debajo de una capa o capa de hielo. Los lagos subglaciales se forman en el límite entre el hielo y el lecho rocoso subyacente, donde la presión gravitacional disminuye la presión del punto de fusión del hielo. Con el tiempo, el hielo que lo recubre se derrite gradualmente a un ritmo de unos pocos milímetros por año. El agua de deshielo fluye desde regiones de alta a baja presión hidráulica debajo del hielo y los charcos, creando una masa de agua líquida que puede permanecer aislada del ambiente externo durante millones de años.
Desde los primeros descubrimientos de lagos subglaciales bajo la capa de hielo antártica, se han descubierto más de 400 lagos subglaciales en la Antártida, debajo de la capa de hielo de Groenlandia y bajo la capa de hielo Vatnajökull de Islandia. Los lagos subglaciales contienen una proporción sustancial del agua dulce líquida de la Tierra; se estima que solo el volumen de los lagos subglaciales antárticos es de unos 10.000 km3, o alrededor del 15% de toda el agua dulce líquida de la Tierra.
Como ecosistemas aislados de la atmósfera terrestre, los lagos subglaciales están influenciados por las interacciones entre el hielo, el agua, los sedimentos y los organismos. Contienen comunidades biológicas activas de microbios extremófilos que están adaptados a condiciones frías y de escasez de nutrientes y facilitan ciclos biogeoquímicos independientes de los aportes de energía del sol. Los lagos subglaciales y sus habitantes son de particular interés en el campo de la astrobiología y la búsqueda de vida extraterrestre.
Características físicas
El agua de los lagos subglaciales permanece líquida ya que el calentamiento geotérmico equilibra la pérdida de calor en la superficie del hielo. La presión del glaciar que lo cubre hace que el punto de fusión del agua sea inferior a 0 °C. El techo del lago subglacial estará en el nivel donde el punto de fusión del agua a presión se cruza con el gradiente de temperatura. En el lago Vostok, el lago subglacial antártico más grande, el hielo sobre el lago es mucho más grueso que la capa de hielo que lo rodea. Los lagos subglaciales hipersalinos permanecen líquidos debido a su contenido de sal.
No todos los lagos con cubierta de hielo permanente se pueden llamar subglacial, ya que algunos están cubiertos por hielo de lago regular. Algunos ejemplos de lagos perennemente cubiertos de hielo incluyen el lago Bonney y el lago Hoare en los valles secos McMurdo de la Antártida, así como el lago Hodgson, un antiguo lago subglacial.
Sellos hidrostáticos
El agua de un lago subglacial puede tener un nivel flotante muy por encima del nivel del umbral del suelo. De hecho, en teoría, un lago subglacial puede existir incluso en la cima de una colina, siempre que el hielo que lo cubre sea lo suficientemente delgado como para formar el sello hidrostático requerido. El nivel flotante se puede considerar como el nivel del agua en un agujero perforado a través del hielo hacia el lago. Equivale al nivel al que flotaría un trozo de hielo sobre ella si fuera una plataforma de hielo normal. Por lo tanto, el techo puede concebirse como una plataforma de hielo que está conectada a tierra en todo su perímetro, lo que explica por qué se le ha llamado plataforma de hielo capturada. A medida que se mueve sobre el lago, ingresa al lago por la línea de flotación y sale del lago por la línea de tierra.
Se crea un sello hidrostático cuando el hielo es mucho más alto alrededor del lago que la superficie equipotencial se sumerge en un suelo impermeable. El agua de debajo de este borde de hielo es luego empujada hacia el lago por el sello hidrostático. Se estima que el borde de hielo del lago Vostok mide apenas 7 metros, mientras que el nivel flotante se encuentra a unos 3 kilómetros por encima del techo del lago. Si se perfora el sello hidrostático cuando el nivel de flotación es alto, el agua comenzará a fluir en forma de jökulhlaup. Debido a la fusión del canal, la descarga aumenta exponencialmente, a menos que otros procesos permitan que la descarga aumente aún más rápido. Debido a la alta altura hidráulica que se puede alcanzar en algunos lagos subglaciales, los jökulhlaups pueden alcanzar tasas de descarga muy altas. El drenaje catastrófico de los lagos subglaciales es un peligro conocido en Islandia, ya que la actividad volcánica puede crear suficiente agua de deshielo para abrumar las presas de hielo y las focas de los lagos y provocar inundaciones por desbordamiento de los glaciares.
Influencia en el movimiento de los glaciares
El papel de los lagos subglaciales en la dinámica del hielo no está claro. Ciertamente, en la capa de hielo de Groenlandia el agua subglacial actúa para mejorar el movimiento del hielo basal de una manera compleja. Los "Lagos de Recuperación" Debajo del glaciar Recovery de la Antártida se encuentran la cabecera de una importante corriente de hielo y pueden influir en la dinámica de la región. Una modesta aceleración (10%) del glaciar Byrd en la Antártida oriental puede haber sido influenciada por un evento de drenaje subglacial. El flujo de agua subglacial se conoce en áreas aguas abajo donde se sabe que las corrientes de hielo migran, aceleran o se estancan en escalas de tiempo centenarias y pone de relieve que el agua subglacial puede descargarse sobre la línea de conexión a tierra de la capa de hielo.
Historia y expediciones
El revolucionario y científico ruso Peter A. Kropotkin propuso por primera vez la idea de que hubiera agua dulce líquida bajo la capa de hielo de la Antártida a finales del siglo XIX. Sugirió que debido al calentamiento geotérmico en la parte inferior de las capas de hielo, la temperatura debajo del hielo podría alcanzar la temperatura de derretimiento del hielo, que sería inferior a cero. La noción de agua dulce debajo de las capas de hielo fue desarrollada aún más por el glaciólogo ruso Igor A. Zotikov, quien demostró mediante análisis teóricos la posibilidad de una disminución del hielo antártico debido al derretimiento del hielo en una superficie inferior. En 2019, hay más de 400 lagos subglaciales en la Antártida y se sospecha que existe la posibilidad de que haya más. También se han descubierto lagos subglaciales en Groenlandia, Islandia y el norte de Canadá.
Exploración temprana
Los avances científicos en la Antártida se pueden atribuir a varios períodos importantes de colaboración y cooperación, como los cuatro Años Polares Internacionales (API) en 1882-1883, 1932-1933, 1957-1958 y 2007-2008. El éxito del API de 1957-1958 condujo al establecimiento del Comité Científico de Investigación Antártica (SCAR) y el Sistema del Tratado Antártico, allanando el camino para formular una mejor metodología y proceso para observar lagos subglaciales.
En 1959 y 1964, durante dos de sus cuatro expediciones antárticas soviéticas, el geógrafo y explorador ruso Andrey P. Kapitsa utilizó sondeos sísmicos para preparar un perfil de las capas geológicas debajo de la estación Vostok en la Antártida. La intención original de este trabajo era realizar un estudio amplio de la capa de hielo antártica. Los datos recopilados en estos estudios, sin embargo, se utilizaron 30 años después y llevaron al descubrimiento del lago Vostok como un lago subglacial.
A finales de la década de 1950, los físicos ingleses Stan Evans y Gordon Robin comenzaron a utilizar la técnica de radioglaciología del sonido radioeco (RES) para trazar el espesor del hielo. Los lagos subglaciales son identificados por los datos (RES) como reflectores continuos y especulativos que se desploman contra la superficie de hielo alrededor de x10 del ángulo de pendiente superficial, ya que esto es necesario para la estabilidad hidrostática. A finales de la década de 1960, pudieron montar instrumentos RES en aeronaves y adquirir datos para la hoja de hielo antártico. Entre 1971 y 1979, la Hoja de Hielo Antártico se perfiló ampliamente utilizando equipos de RES. La técnica de usar RES es la siguiente: Se perforan agujeros profundos de 50 metros para aumentar la relación de señal a ruido en el hielo. Una pequeña explosión desencadena una onda sonora que recorre el hielo. Esta onda sonora se refleja y luego se registra por el instrumento. El tiempo necesario para que la ola viaje hacia abajo y hacia atrás se observa y se convierte a una distancia utilizando la velocidad conocida del sonido en hielo. RES records can identify subglacial lakes via three specific characteristics: 1) un reflejo especialmente fuerte de la base de la hoja de hielo, más fuerte que los reflejos adyacentes de roca de hielo; 2) ecos de resistencia constante que ocurren a lo largo de la pista, que indican que la superficie es muy suave; y 3) un carácter muy plano y horizontal con pendientes inferiores al 1%. Utilizando este enfoque, 17 lagos subglaciales fueron documentados por Kapista y su equipo. RES también llevó al descubrimiento del primer lago subglacial en Groenlandia y reveló que estos lagos están interconectados.
El perfil sistemático, utilizando RES, de la Hoja de Hielo Antártico tuvo lugar de nuevo entre 1971-1979. Durante este tiempo, una colaboración entre EE.UU. y EE.UU.-Danish fue capaz de analizar alrededor del 40% de la Antártida Oriental y el 80% de la Antártida Occidental, definiendo aún más el paisaje subglacial y el comportamiento del flujo de hielo sobre los lagos.
Exploración por satélite
A principios de la década de 1990, los datos del altímetro de radar del satélite europeo de teledetección (ERS-1) proporcionaron mapas detallados de la Antártida hasta los 82 grados sur. Esta imagen reveló una superficie plana alrededor del borde norte del lago Vostok, y los datos recopilados por ERS-1 construyeron aún más la distribución geográfica de los lagos subglaciales antárticos.
En 2005, Laurence Gray y un equipo de glaciólogos comenzaron a interpretar la caída y elevación del hielo superficial a partir de datos de RADARSAT, que indicaban que podría haber lagos subglaciales hidrológicamente "activos" sujetos al movimiento del agua.
Entre 2003 y 2009, un estudio de mediciones de trayectoria larga de la elevación de la superficie del hielo utilizando el satélite ICESat como parte del Sistema de Observación de la Tierra de la NASA produjo el primer mapa a escala continental de los lagos subglaciales activos en la Antártida. . En 2009, se reveló que el lago Cook es el lago subglacial hidrológicamente más activo del continente antártico. Se han utilizado otras imágenes satelitales para monitorear e investigar este lago, incluidas ICESat, CryoSat-2, el radiómetro avanzado de reflexión y emisión térmica espacial y SPOT5.
Gray y cols. (2005) interpretaron la caída y elevación de la superficie del hielo a partir de datos de RADARSAT como evidencia de que los lagos subglaciales se llenan y vacían, denominados lagos "activos" lagos. Wingham et al. (2006) utilizaron datos de altímetro de radar (ERS-1) para mostrar levantamientos y hundimientos coincidentes, lo que implica drenaje entre lagos. El satélite ICESat de la NASA fue clave para desarrollar aún más este concepto y el trabajo posterior demostró la omnipresencia de este fenómeno. ICESat cesó las mediciones en 2007 y los detectores "activos" Los lagos fueron compilados por Smith et al. (2009), quienes identificaron 124 de estos lagos. La comprensión de que los lagos estaban interconectados creó nuevas preocupaciones de contaminación para los planes de perforar lagos (consulte la sección Expediciones de muestreo a continuación).
Varios lagos fueron delineados por los famosos estudios SPRI-NSF-TUD realizados hasta mediados de los años setenta. Desde esta compilación original, varios estudios más pequeños han descubierto muchos más lagos subglaciales en toda la Antártida, en particular por Carter et al. (2007), quienes identificaron un espectro de tipos de lagos subglaciales en función de sus propiedades en conjuntos de datos (RES).
Expediciones de muestreo
En marzo de 2010, se celebró la sexta conferencia internacional sobre lagos subglaciales en la Conferencia Chapman de la Unión Geofísica Americana en Baltimore. La conferencia permitió a ingenieros y científicos discutir los equipos y estrategias utilizados en proyectos de perforación de hielo, como el diseño de perforadoras de agua caliente, equipos para medición y muestreo de agua y recuperación de sedimentos, y protocolos para limpieza experimental y gestión ambiental. Después de esta reunión, el SCAR redactó un código de conducta para expediciones de perforación de hielo y mediciones y muestreos in situ (in situ) de lagos subglaciales. Este código de conducta fue ratificado en la Reunión Consultiva del Tratado Antártico (RCTA) de 2011. A finales de 2011, se programaron tres misiones de exploración de perforación de lagos subglaciales separadas.
En febrero de 2012, la perforación rusa en el lago Vostok accedió por primera vez al lago subglacial. El agua del lago inundó el agujero y el frío durante la temporada de invierno, y la muestra de agua del lago re-congelada (hielo de la acreción) se recuperó en la siguiente temporada de verano de 2013. En diciembre de 2012, científicos del Reino Unido intentaron acceder al lago Ellsworth con un simulacro de agua caliente de acceso limpio; sin embargo, la misión fue cancelada debido al fracaso del equipo. En enero de 2013, la expedición Whillans Ice Stream Subglacial Access Research Drilling (WISSARD) midió y muestreó Lake Whillans en la Antártida Occidental para la vida microbiana. El 28 de diciembre de 2018, el equipo de Acceso Científico de los Lagos Antárticos Subglaciales (SALSA) anunció que habían alcanzado el lago Mercer después de fundir su camino a través de 1.067 m (3.501 pies) de hielo con un taladro de agua caliente de alta presión. El equipo recogió muestras de agua y muestras de sedimentos inferiores hasta 6 metros de profundidad.
Distribución
Antártida
La mayoría de los casi 400 lagos subglaciales antárticos se encuentran en las proximidades de divisiones de hielo, donde grandes cuencas de drenaje subglaciales están cubiertas por capas de hielo. El más grande es el lago Vostok y otros lagos que destacan por su tamaño son el lago Concordia y el lago Aurora. También se está detectando un número cada vez mayor de lagos cerca de corrientes de hielo. Un estudio altímetro realizado por el satélite ERS-2 que orbitó la capa de hielo de la Antártida oriental entre 1995 y 2003 indicó anomalías agrupadas en la elevación de la capa de hielo, lo que indica que los lagos de la Antártida oriental son alimentados por un sistema subglacial que transporta agua de deshielo basal a través de corrientes subglaciales.
Los lagos subglaciales antárticos más grandes están agrupados en el área del Domo C-Vostok en la Antártida Oriental, posiblemente debido al espeso hielo aislante y la topografía subglacial accidentada, influenciada tectónicamente. En la Antártida occidental, el lago subglacial Ellsworth está situado dentro de las montañas Ellsworth y es relativamente pequeño y poco profundo. Las corrientes de hielo de la costa de Siple, también en la Antártida occidental, se superponen a numerosos pequeños lagos subglaciales, incluidos los lagos Whillans, Engelhardt, Mercer, Conway, acompañados de sus vecinos inferiores llamados Lower Conway (LSLC) y Lower Mercer (LSLM). El retroceso de los glaciares en los márgenes de la capa de hielo antártica ha revelado varios antiguos lagos subglaciales, incluido el lago Progress en la Antártida oriental y el lago Hodgson en el sur de la isla Alexander, cerca de la Península Antártica.
Groenlandia
La existencia de lagos subglaciales debajo de la capa de hielo de Groenlandia sólo se ha hecho evidente en la última década. Las mediciones de radioecosondeo han revelado dos lagos subglaciales en la sección noroeste de la capa de hielo. Es probable que estos lagos se recarguen con agua del drenaje de lagos supraglaciares cercanos y no del derretimiento del hielo basal. Se ha identificado otro potencial lago subglacial cerca del margen suroeste de la capa de hielo, donde una depresión circular debajo de la capa de hielo evidencia un drenaje reciente del lago causado por el calentamiento climático. Se cree que dicho drenaje, junto con la transferencia de calor a la base de la capa de hielo mediante el almacenamiento de agua de deshielo supraglacial, influye en la velocidad del flujo de hielo y el comportamiento general de la capa de hielo de Groenlandia.
Islandia
Gran parte de Islandia es volcánicamente activa, lo que resulta en una importante producción de agua de deshielo debajo de sus dos casquetes polares. Esta agua de deshielo también se acumula en cuencas y calderas de hielo, formando lagos subglaciales. Estos lagos actúan como un mecanismo de transporte de calor desde los respiraderos geotérmicos hasta el fondo de los casquetes polares, lo que a menudo resulta en el derretimiento del hielo basal que repone el agua perdida por el drenaje. La mayoría de los lagos subglaciales islandeses se encuentran debajo de los casquetes polares de Vatnajökull y Mýrdalsjökull, donde el derretimiento debido a la actividad hidrotermal crea depresiones permanentes que se llenan de agua de deshielo. El drenaje catastrófico de los lagos subglaciales es un peligro conocido en Islandia, ya que la actividad volcánica puede crear suficiente agua de deshielo para abrumar las presas de hielo y las focas de los lagos y provocar inundaciones por desbordamiento de los glaciares.
Grímsvötn es quizás el lago subglacial más conocido bajo la capa de hielo de Vatnajökull. Otros lagos bajo la capa de hielo se encuentran dentro de los calderos de Skatfá, Pálsfjall y Kverkfjöll. En particular, el sello hidráulico del lago subglacial Grímsvötn permaneció intacto hasta 1996, cuando una importante producción de agua de deshielo procedente de la erupción de Gjálp provocó el levantamiento de la presa de hielo de Grímsvötn.
La capa de hielo de Mýrdalsjökull, otro lago subglacial clave, se encuentra en la cima de un sistema activo de volcán-caldera en la parte más meridional del sistema volcánico de Katla. Se cree que la actividad hidrotermal debajo de la capa de hielo de Mýrdalsjökull ha creado al menos 12 pequeñas depresiones dentro de un área limitada por tres grandes cuencas de drenaje subglaciales. Se sabe que muchas de estas depresiones contienen lagos subglaciales que están sujetos a eventos de drenaje masivos y catastróficos debido a erupciones volcánicas, lo que crea un peligro significativo para las poblaciones humanas cercanas.
Canadá
Hasta hace muy poco, en Canadá sólo se habían identificado antiguos lagos subglaciales del último período glacial. Estos lagos paleosubglaciares probablemente ocuparon valles creados antes del avance de la capa de hielo Laurentide durante el último máximo glacial. Sin embargo, se identificaron dos lagos subglaciales mediante RES en canales de lecho de roca bajo la capa de hielo Devon de Nunavut, Canadá. Se cree que estos lagos son hipersalinos como resultado de la interacción con el lecho rocoso subyacente que contiene sal, y están mucho más aislados que los pocos lagos salinos subglaciales identificados en la Antártida.
Ecología
A diferencia de los lagos superficiales, los lagos subglaciales están aislados de la atmósfera de la Tierra y no reciben luz solar. Se cree que sus aguas son ultraoligotróficas, lo que significa que contienen concentraciones muy bajas de los nutrientes necesarios para la vida. A pesar de las frías temperaturas, la escasez de nutrientes, la alta presión y la oscuridad total en los lagos subglaciales, se ha descubierto que estos ecosistemas albergan miles de especies microbianas diferentes y algunos signos de vida superior. El profesor John Priscu, un destacado científico que estudia los lagos polares, ha llamado a los ecosistemas subglaciales de la Antártida "el humedal más grande de nuestro planeta".
Los microorganismos y los procesos de meteorización impulsan un conjunto diverso de reacciones químicas que pueden impulsar una red alimentaria única y, por lo tanto, circular nutrientes y energía a través de ecosistemas de lagos subglaciales. No puede haber fotosíntesis en la oscuridad de los lagos subglaciales, por lo que sus redes alimentarias están impulsadas por la quimiosíntesis y el consumo de carbono orgánico antiguo depositado antes de la glaciación. Los nutrientes pueden ingresar a los lagos subglaciales a través de la interfaz de agua del lago y el hielo del glaciar, desde conexiones hidrológicas y desde la erosión física, química y biológica de los sedimentos subglaciales.
Ciclos biogeoquímicos
Dado que se han muestreado directamente pocos lagos subglaciales, gran parte del conocimiento existente sobre la biogeoquímica de los lagos subglaciales se basa en una pequeña cantidad de muestras, en su mayoría de la Antártida. También se han extraído inferencias sobre las concentraciones de solutos, los procesos químicos y la diversidad biológica de lagos subglaciales no muestreados a partir de análisis de la acumulación de hielo (agua de lago recongelada) en la base de los glaciares suprayacentes. Estas inferencias se basan en el supuesto de que el hielo acumulado tendrá firmas químicas similares a las del agua del lago que lo formó. Hasta ahora, los científicos han descubierto diversas condiciones químicas en los lagos subglaciales, que van desde las capas superiores del lago sobresaturadas de oxígeno hasta las capas inferiores que son anóxicas y ricas en azufre. A pesar de sus condiciones típicamente oligotróficas, se cree que los lagos y sedimentos subglaciales contienen cantidades significativas de nutrientes a nivel regional y global, particularmente carbono.
En la interfaz lago-hielo
Los clatratos del aire atrapados en el hielo glacial son la principal fuente de oxígeno que ingresa a los sistemas de lagos subglaciales que de otro modo estarían cerrados. A medida que la capa inferior de hielo sobre el lago se derrite, los clatratos se liberan de la estructura cristalina del hielo y gases como el oxígeno se ponen a disposición de los microbios para procesos como la respiración aeróbica. En algunos lagos subglaciales, los ciclos de congelación y derretimiento en la interfaz lago-hielo pueden enriquecer el agua superior del lago con concentraciones de oxígeno 50 veces mayores que en las aguas superficiales típicas.
El derretimiento de la capa de hielo glacial sobre el lago subglacial también suministra a las aguas subyacentes minerales que contienen hierro, nitrógeno y fósforo, además de algo de carbono orgánico disuelto y células bacterianas.
En la columna de agua
Debido a que los clatratos del aire provenientes del derretimiento del hielo glacial son la principal fuente de oxígeno para las aguas de los lagos subglaciales, la concentración de oxígeno generalmente disminuye con la profundidad de la columna de agua si el recambio es lento. Las aguas óxicas o ligeramente subóxicas a menudo residen cerca de la interfaz glaciar-lago, mientras que la anoxia domina en el interior del lago y los sedimentos debido a la respiración de los microbios. En algunos lagos subglaciales, la respiración microbiana puede consumir todo el oxígeno del lago, creando un ambiente completamente anóxico hasta que fluya nueva agua rica en oxígeno desde ambientes subglaciales conectados. La adición de oxígeno procedente del derretimiento del hielo y el consumo de oxígeno por parte de los microbios pueden crear gradientes redox en la columna de agua del lago subglacial, con procesos mediados por microbios aeróbicos, como la nitrificación, que se producen en las aguas superiores y procesos anaeróbicos que se producen en las aguas anóxicas del fondo.
Las concentraciones de solutos en los lagos subglaciales, incluidos los principales iones y nutrientes como el sodio, el sulfato y los carbonatos, son bajas en comparación con las de los típicos lagos de superficie. Estos solutos ingresan a la columna de agua debido al derretimiento del hielo glacial y a la erosión de los sedimentos. A pesar de sus bajas concentraciones de solutos, el gran volumen de aguas subglaciales las convierte en importantes contribuyentes de solutos, particularmente hierro, a los océanos circundantes. Se estima que el flujo subglacial de la capa de hielo antártica, incluido el flujo de salida de los lagos subglaciales, agrega al Océano Austral una cantidad similar de solutos a la que aportan algunos de los ríos más grandes del mundo.
La columna de agua subglacial está influenciada por el intercambio de agua entre lagos y arroyos bajo capas de hielo a través del sistema de drenaje subglacial; Es probable que este comportamiento desempeñe un papel importante en los procesos biogeoquímicos, lo que lleva a cambios en el hábitat microbiano, particularmente en lo que respecta a las concentraciones de oxígeno y nutrientes. La conectividad hidrológica de los lagos subglaciales también altera los tiempos de residencia del agua, o la cantidad de tiempo que el agua permanece dentro del depósito del lago subglacial. Tiempos de residencia más largos, como los que se encuentran debajo de la capa de hielo interior de la Antártida, conducirían a un mayor tiempo de contacto entre el agua y las fuentes de solutos, lo que permitiría una mayor acumulación de solutos que en lagos con tiempos de residencia más cortos. Los tiempos de residencia estimados de los lagos subglaciales actualmente estudiados varían desde unos 13.000 años en el lago Vostok hasta sólo décadas en el lago Whillans.
La morfología de los lagos subglaciales tiene el potencial de cambiar su hidrología y patrones de circulación. Las áreas con el hielo más grueso experimentan mayores tasas de derretimiento. Lo contrario ocurre en áreas donde la capa de hielo es más delgada, lo que permite que se vuelva a congelar el agua del lago. Estas variaciones espaciales en las tasas de derretimiento y congelación conducen a la convección interna del agua y a la circulación de solutos, calor y comunidades microbianas a lo largo del lago subglacial, que variarán entre lagos subglaciales de diferentes regiones.
En sedimentos
Los sedimentos subglaciales se componen principalmente de labranza glacial formada durante la erosión física del lecho rocoso subglacial. En estos sedimentos prevalecen condiciones anóxicas debido al consumo de oxígeno por parte de los microbios, particularmente durante la oxidación de sulfuros. Los minerales de sulfuro se generan por la erosión del lecho rocoso por el glaciar suprayacente, después de lo cual estos sulfuros se oxidan a sulfato por bacterias aeróbicas o anaeróbicas, que pueden usar el hierro para respirar cuando no hay oxígeno disponible.
Los productos de la oxidación de sulfuros pueden mejorar la erosión química de los minerales de carbonato y silicato en sedimentos subglaciales, particularmente en lagos con largos tiempos de residencia. La erosión de los minerales de carbonato y silicato de los sedimentos lacustres también libera otros iones, incluidos el potasio (K+), el magnesio (Mg2+), el sodio (Na+ sup>), y calcio (Ca2+) a las aguas del lago.
Otros procesos biogeoquímicos en sedimentos subglaciales anóxicos incluyen la desnitrificación, la reducción de hierro, la reducción de sulfatos y la metanogénesis (ver Reservorios de carbono orgánico a continuación).
Reservorios de carbono orgánico
Las cuencas sedimentarias subglaciales bajo la capa de hielo antártica han acumulado aproximadamente ~21 000 petagramos de carbono orgánico, la mayor parte del cual proviene de sedimentos marinos antiguos. Esto es más de 10 veces la cantidad de carbono orgánico contenido en el permafrost ártico y puede rivalizar con la cantidad de carbono reactivo en los sedimentos oceánicos modernos, lo que podría convertir a los sedimentos subglaciales en un componente importante pero poco estudiado del ciclo global del carbono. En caso de colapso de la capa de hielo, el carbono orgánico subglacial podría respirarse más fácilmente y, por lo tanto, liberarse a la atmósfera y crear una retroalimentación positiva sobre el cambio climático.
Los habitantes microbianos de los lagos subglaciales probablemente desempeñan un papel importante en la determinación de la forma y el destino del carbono orgánico de los sedimentos. En los sedimentos anóxicos de los ecosistemas lacustres subglaciales, las arqueas pueden utilizar el carbono orgánico para la metanogénesis, creando potencialmente grandes charcos de clatrato de metano en los sedimentos que podrían liberarse durante el colapso de la capa de hielo o cuando las aguas del lago drenan hacia los márgenes de la capa de hielo. Se ha detectado metano en el lago subglacial Whillans y los experimentos han demostrado que las arqueas metanogénicas pueden estar activas en los sedimentos debajo de los glaciares antárticos y árticos.
La mayor parte del metano que escapa al almacenamiento en los sedimentos de los lagos subglaciales parece ser consumido por bacterias metanotróficas en aguas superiores oxigenadas. En el lago subglacial Whillans, los científicos descubrieron que la oxidación bacteriana consumía el 99% del metano disponible. También hay evidencia de producción y consumo activo de metano debajo de la capa de hielo de Groenlandia.
También se cree que las aguas subglaciales de la Antártida contienen cantidades sustanciales de carbono orgánico en forma de carbono orgánico disuelto y biomasa bacteriana. Se estima que la cantidad de carbono orgánico en las aguas de los lagos subglaciales es de 1,03 x 10−2 petagramos, mucho menor que la contenida en los sedimentos subglaciales antárticos, pero es sólo un orden de magnitud menor que la cantidad de carbono orgánico. carbono en todas las aguas dulces superficiales (5,10 x 10−1 petagramos). Esta reserva relativamente más pequeña, pero potencialmente más reactiva, de carbono orgánico subglacial puede representar otra brecha en la comprensión de los científicos sobre el ciclo global del carbono.
Biología
Originalmente se suponía que los lagos subglaciales eran estériles, pero en los últimos treinta años, se ha descubierto vida microbiana activa y signos de vida superior en aguas de lagos subglaciales, sedimentos y hielo acumulado. Ahora se sabe que las aguas subglaciales contienen miles de especies microbianas, incluidas bacterias, arqueas y potencialmente algunos eucariotas. Estos organismos extremófilos están adaptados a temperaturas bajo cero, alta presión, escasez de nutrientes y condiciones químicas inusuales. La investigación de la diversidad microbiana y sus adaptaciones en lagos subglaciales es de particular interés para los científicos que estudian la astrobiología, así como la historia y los límites de la vida en la Tierra.
Estructura de la red alimentaria y fuentes de energía
En la mayoría de los ecosistemas de superficie, las plantas fotosintéticas y los microbios son los principales productores primarios que forman la base de la red alimentaria del lago. La fotosíntesis es imposible en la oscuridad permanente de los lagos subglaciales, por lo que estas redes alimentarias son impulsadas por la quimiosíntesis. En los ecosistemas subglaciales, la quimiosíntesis la llevan a cabo principalmente microbios quimiolitoautótrofos.
Al igual que las plantas, los quimiolitoautótrofos fijan dióxido de carbono (CO2) en nuevo carbono orgánico, lo que los convierte en los principales productores en la base de las redes alimentarias de los lagos subglaciales. En lugar de utilizar la luz solar como fuente de energía, los quimiolitoautótrofos obtienen energía de reacciones químicas en las que se oxidan o reducen elementos inorgánicos de la litosfera. Los elementos comunes utilizados por los quimiolitoautótrofos en los ecosistemas subglaciales incluyen sulfuro, hierro y carbonatos erosionados por los sedimentos.
Además de movilizar elementos de los sedimentos, los quimiolitoautótrofos crean suficiente materia orgánica nueva para sustentar bacterias heterótrofas en ecosistemas subglaciales. Las bacterias heterótrofas consumen la materia orgánica producida por los quimiolitoautótrofos, además de consumir materia orgánica de los sedimentos o del derretimiento del hielo glacial. A pesar de los recursos disponibles para los heterótrofos de los lagos subglaciales, estas bacterias parecen tener un crecimiento excepcionalmente lento, lo que podría indicar que dedican la mayor parte de su energía a la supervivencia más que al crecimiento. Las bajas tasas de crecimiento heterótrofo también podrían explicarse por las bajas temperaturas en los lagos subglaciales, que ralentizan el metabolismo microbiano y las tasas de reacción.
Las condiciones redox variables y los diversos elementos disponibles en los sedimentos brindan oportunidades para muchas otras estrategias metabólicas en los lagos subglaciales. Otros metabolismos utilizados por los microbios de los lagos subglaciales incluyen la metanogénesis, la metanotrofia y la quimiolitoheterotrofia, en los que las bacterias consumen materia orgánica mientras oxidan elementos inorgánicos.
Algunas pruebas limitadas de eucariotas microbianos y animales multicelulares en lagos subglaciales podrían ampliar las ideas actuales sobre las redes alimentarias subglaciales. Si estuvieran presentes, estos organismos podrían sobrevivir consumiendo bacterias y otros microbios.
Limitación de nutrientes
Las aguas de los lagos subglaciales se consideran ultraoligotróficas y contienen bajas concentraciones de nutrientes, particularmente nitrógeno y fósforo. En los ecosistemas lacustres de superficie, tradicionalmente se ha pensado que el fósforo es el nutriente limitante que restringe el crecimiento en el ecosistema, aunque la co-limitación por el suministro de nitrógeno y fósforo parece más común. Sin embargo, la evidencia del lago subglacial Whillans sugiere que el nitrógeno es el nutriente limitante en algunas aguas subglaciales, según mediciones que muestran que la proporción de nitrógeno a fósforo es muy baja en comparación con la proporción de Redfield. Un experimento demostró que las bacterias del lago Whillans crecían ligeramente más rápido cuando se les suministraba fósforo y nitrógeno, lo que podría contradecir la idea de que el crecimiento en estos ecosistemas está limitado únicamente por el nitrógeno.
Diversidad biológica en los lagos subglaciales explorados
La exploración biológica de los lagos subglaciales se ha centrado en la Antártida, pero los desafíos financieros y logísticos de perforar a través de la capa de hielo antártica para la recolección de muestras han limitado los muestreos directos exitosos del agua de los lagos subglaciales antárticos hasta el lago Whillans y el lago Mercer. También se han muestreado lagos volcánicos subglaciales bajo la capa de hielo Vatnajökull de Islandia.
Antártida
En el lago subglacial Whillans, la expedición WISSARD recogió núcleos de sedimentos y muestras de agua, que contenía 130.000 células microbianas por mililitro y 3.914 especies bacterianas diferentes. El equipo identificó bacterias activas que estaban metabolizando amoníaco, metano y azufre de los sedimentos de 120.000 años. Las bacterias más abundantes identificadas estaban relacionadas con Thiobacillus, Sideroxyans, y pscyhrophilic Polaromonas especie.
En enero de 2019, el equipo de SALSA recolectó muestras de sedimento y agua del lago subglacial Mercer y encontró conchas de diatomeas y cadáveres bien conservados de crustáceos y un tardígrado. Aunque los animales estaban muertos, el equipo también encontró concentraciones bacterianas de 10.000 células por mililitro, lo que sugiere la posibilidad de que los animales sobrevivan en el lago consumiendo bacterias. El equipo continuará analizando las muestras para investigar más a fondo la química y biología del lago.
El lago Vostok es el lago subglacial antártico mejor estudiado, pero sus aguas sólo se han estudiado mediante el análisis de la acumulación de hielo del fondo de los núcleos de hielo tomados durante los esfuerzos de perforación rusos sobre el lago. En el hielo acumulado del lago Vostok se han encontrado bacterias en crecimiento activo y miles de secuencias de ADN únicas de bacterias, arqueas y eucariotas. Parte del ADN parecía provenir de eucariotas multicelulares, incluidas especies aparentemente relacionadas con Daphnia de agua dulce, tardígrados y moluscos. Es posible que estas especies hayan sobrevivido en el lago y se hayan adaptado lentamente a las condiciones cambiantes desde que Vostok estuvo expuesto por última vez a la atmósfera hace millones de años. Sin embargo, es probable que las muestras estuvieran contaminadas por el fluido de perforación mientras se recolectaban, por lo que algunos de los organismos identificados probablemente no vivían en el lago.
Otros esfuerzos de muestreo subglacial en la Antártida incluyen la piscina subglacial de agua anóxica e hipersalina bajo el glaciar Taylor, que alberga una comunidad microbiana que estuvo aislada de la atmósfera hace entre 1,5 y 2 millones de años. Las bacterias bajo el glaciar Taylor parecen tener una estrategia metabólica novedosa que utiliza sulfato e iones férricos para descomponer la materia orgánica.
Groenlandia
No se ha intentado realizar muestreos directos de lagos subglaciales en la capa de hielo de Groenlandia. Sin embargo, se tomaron muestras de aguas subglaciales y se descubrió que contenían microbios metanogénicos y metanotróficos. También se han descubierto bacterias dentro de la propia capa de hielo, pero es poco probable que estén activas dentro del hielo.
Islandia
Los lagos subglaciales bajo la capa de hielo Vatnajökull de Islandia proporcionan hábitats únicos para la vida microbiana porque reciben calor y aportes químicos de la actividad volcánica subglacial, lo que influye en la química de las aguas y los sedimentos de los lagos inferiores. Se han descubierto bacterias psicrófilas y autótrofas activas en el lago debajo de la caldera volcánica de Grímsvötn. También se ha encontrado una comunidad microbiana de baja diversidad en los lagos subglaciales orientales Skaftárketill y Kverkfjallalón, donde las bacterias incluyen especies Geobacter y Desulfuosporosinus que pueden utilizar azufre y hierro para la respiración anaeróbica. En el lago Skaftá occidental, las aguas anóxicas del fondo parecen estar dominadas por bacterias productoras de acetato en lugar de metanógenos.
Refugio para la vida antigua
En algunos casos, las aguas de los lagos subglaciales han estado aisladas durante millones de años, y estas “aguas fósiles” pueden albergar comunidades microbianas evolutivamente distintas. Algunos lagos subglaciales en la Antártida Oriental existen desde hace unos 20 millones de años, pero el sistema de drenaje subglacial interconectado entre lagos bajo la capa de hielo antártica implica que las aguas del lago probablemente no hayan estado aisladas durante toda su vida.
Durante el período propuesto de la Tierra Bola de Nieve a finales del Proterozoico, una glaciación extensa podría haber cubierto completamente la superficie de la Tierra con hielo durante 10 millones de años. La vida habría sobrevivido principalmente en ambientes glaciales y subglaciales, lo que convierte a los lagos subglaciales modernos en un importante sistema de estudio para comprender este período de la historia de la Tierra. Más recientemente, los lagos subglaciales de Islandia pueden haber proporcionado refugio a los anfípodos subterráneos durante el período glacial Cuaternario.
Implicaciones para la vida extraterrestre
Los lagos subglaciales son un entorno análogo para cuerpos de agua extraterrestres cubiertos de hielo, lo que los convierte en un importante sistema de estudio en el campo de la astrobiología, que es el estudio del potencial de existencia de vida fuera de la Tierra. Los descubrimientos de microbios extremófilos vivos en los lagos subglaciales de la Tierra podrían sugerir que la vida puede persistir en ambientes similares en cuerpos extraterrestres. Los lagos subglaciales también proporcionan sistemas de estudio para planificar esfuerzos de investigación en lugares remotos, logísticamente desafiantes y sensibles a la contaminación biológica.
Europa, la luna de Júpiter, y Encelado, la luna de Saturno, son objetivos prometedores en la búsqueda de vida extraterrestre. Europa contiene un extenso océano cubierto por una corteza helada, y también se cree que Encelado alberga un océano subglacial. Análisis satelital de una columna de vapor de agua helada que se escapa de fisuras en Encelado. La superficie revela una producción significativa de hidrógeno bajo la superficie, lo que puede indicar una reducción de minerales que contienen hierro y materia orgánica.
En 2018 se descubrió un lago subglacial en Marte utilizando RES en la nave espacial Mars Express. Esta masa de agua se encontró debajo de los depósitos estratificados del polo sur de Marte y se sugiere que se formó como resultado del calentamiento geotérmico que provocó el derretimiento debajo de la capa de hielo.