Lago Vostok

Lago Vostok (en ruso: озеро Восток, ozero Vostok) es el más grande de la Antártida casi 400 lagos subglaciales conocidos. El lago Vostok está ubicado en el polo sur del frío, debajo de la estación Vostok de Rusia, debajo de la superficie de la capa de hielo de la Antártida oriental central, que se encuentra a 3488 m (11 444 pies) sobre el nivel medio del mar. La superficie de este lago de agua dulce se encuentra aproximadamente a 4000 m (13 100 ft) por debajo de la superficie del hielo, lo que lo ubica aproximadamente a 500 m (1600 ft) por debajo del nivel del mar.

Mide 250 km (160 mi) de largo por 50 km (30 mi) de ancho en su punto más ancho, cubre un área de 12 500 km² (4830 sq mi), lo que lo convierte en el decimosexto lago más grande por superficie. Con una profundidad media de 432 m (1417 ft), tiene un volumen estimado de 5400 km³ (1300 cu mi), lo que lo convierte en el sexto lago más grande por volumen.

El lago está dividido en dos cuencas profundas por una cresta. La profundidad del agua líquida sobre la cresta es de aproximadamente 200 m (700 ft), en comparación con aproximadamente 400 m (1300 ft) de profundidad en la cuenca norte y 800 m (2600 ft) de profundidad en el sur.

El lago lleva el nombre de la estación Vostok, que a su vez lleva el nombre del Vostok (Восток), una balandra de guerra, que significa "Este" en ruso. La existencia de un lago subglacial en la región de Vostok fue sugerida por primera vez por el geógrafo ruso Andrey Kapitsa basándose en sondeos sísmicos realizados durante las expediciones antárticas soviéticas en 1959 y 1964 para medir el espesor de la capa de hielo. La investigación continua de científicos rusos y británicos condujo a la confirmación final de la existencia del lago en 1993 por J. P. Ridley usando altimetría láser ERS-1.

El hielo suprayacente proporciona un registro paleoclimático continuo de 400 000 años, aunque el agua del lago en sí puede haber estado aislada durante 15 a 25 millones de años. El 5 de febrero de 2012, un equipo de científicos rusos completó el núcleo de hielo más largo de la historia de 3768 m (12 400 pies) y perforó el escudo de hielo hasta la superficie del lago.

El primer núcleo de hielo de lago recién congelado se obtuvo el 10 de enero de 2013 a una profundidad de 3406 m (11 175 pies). Sin embargo, tan pronto como se perforó el hielo, el agua del lago subyacente brotó por el pozo, mezclándose con el freón y el queroseno que se usa para evitar que el pozo se congele. Se perforó un nuevo pozo y se obtuvo una muestra de agua supuestamente prístina en enero de 2015. El equipo ruso planea eventualmente bajar una sonda al lago para recolectar muestras de agua y sedimentos del fondo. Se plantea la hipótesis de que se podrían encontrar formas de vida inusuales en la capa líquida del lago, una reserva de agua fósil. Debido a que el lago Vostok puede contener un entorno sellado debajo del hielo durante millones de años, las condiciones podrían parecerse a las de los océanos cubiertos de hielo que se supone existen en la luna Europa de Júpiter y la luna Encelado de Saturno.

Descubrimiento

Ubicación del lago Vostok en la Antártida Oriental

El científico ruso Peter Kropotkin propuso por primera vez la idea de agua dulce debajo de las capas de hielo de la Antártida a fines del siglo XIX. Teorizó que la tremenda presión ejercida por la masa acumulada de miles de metros verticales de hielo podría disminuir el punto de fusión en las partes más bajas de la capa de hielo hasta el punto en que el hielo se convertiría en agua líquida. La teoría de Kropotkin fue desarrollada por el glaciólogo ruso I. A. Zotikov, quien escribió su tesis doctoral sobre este tema en 1967.

El geógrafo ruso Andrey Kapitsa utilizó sondeos sísmicos en la región de la estación Vostok realizados durante la expedición antártica soviética en 1959 y 1964 para medir el espesor de la capa de hielo. Kapitsa fue el primero en sugerir la existencia de un lago subglacial en la región, y la investigación posterior confirmó su hipótesis.

Cuando los científicos británicos en la Antártida realizaron estudios de radar de penetración de hielo en el aire a principios de la década de 1970, detectaron lecturas de radar inusuales en el sitio que sugerían la presencia de un lago de agua dulce líquida debajo del hielo. En 1991, Jeff Ridley, un especialista en teledetección del Laboratorio de Ciencias Espaciales Mullard del University College London, dirigió el satélite ERS-1 para dirigir su matriz de alta frecuencia hacia el centro de la capa de hielo antártica. Los datos del ERS-1 confirmaron los hallazgos de los estudios británicos de 1973, pero estos nuevos datos no se publicaron en el Journal of Glaciology hasta 1993. Un radar espacial reveló que esta masa subglacial de agua dulce es uno de los lagos más grandes del mundo y uno de los 140 lagos subglaciales de la Antártida. Científicos rusos y británicos delinearon el lago integrando una variedad de datos, incluidas observaciones de imágenes de radar de penetración de hielo en el aire y altimetría de radar espacial, y el descubrimiento del lago se publicó en la revista científica Nature el 20 de junio de 1996. Se ha confirmado que el lago contiene grandes cantidades de agua líquida debajo de la capa de hielo de más de 3 kilómetros de espesor (1,9 mi). El lago tiene al menos 22 cavidades de agua líquida, con un promedio de 10 kilómetros (6 millas) cada una.

La estación que da nombre al lago conmemora el Vostok (Восток), el barco de guerra de 900 toneladas navegado por uno de los descubridores de la Antártida, el explorador ruso, el almirante Fabian von Bellingshausen. Porque la palabra Vostok significa "Este" en ruso, los nombres de la estación y el lago también reflejan el hecho de que están ubicados en la Antártida Oriental.

En 2005 se encontró una isla en la parte central del lago. Luego, en enero de 2006, se publicó el descubrimiento de dos lagos más pequeños cercanos bajo la capa de hielo; se llaman 90 grados este y Sovetskaya. Se sospecha que estos lagos subglaciales antárticos pueden estar conectados por una red de ríos subglaciales. Centro de Observación Polar & Los glaciólogos que modelan proponen que muchos de los lagos subglaciales de la Antártida están interconectados al menos temporalmente. Debido a la variación de la presión del agua en los lagos individuales, pueden formarse repentinamente grandes ríos subterráneos y luego forzar grandes cantidades de agua a través del hielo sólido.

Historia geológica

África se separó de la Antártida hace unos 160 millones de años, seguida por el subcontinente indio, a principios del Cretácico (hace unos 125 millones de años). Hace unos 66 millones de años, la Antártida (entonces conectada con Australia) todavía tenía un clima tropical a subtropical, completo con fauna marsupial y una extensa selva tropical templada.

La cuenca del lago Vostok es una pequeña característica tectónica (50 kilómetros de ancho (31 mi)) dentro del entorno general de una zona de colisión continental de varios cientos de kilómetros de ancho entre la cordillera de Gamburtsev, una cadena montañosa subglacial y la región del domo C. El agua del lago está acunada sobre un lecho de sedimentos de 70 metros (230 pies) de espesor, lo que ofrece la posibilidad de que contengan un registro único del clima y la vida en la Antártida antes de que se formara la capa de hielo.

Características

Vostok Station

Se estima que el agua del lago quedó sellada bajo la gruesa capa de hielo hace unos 15 millones de años. Inicialmente se pensó que la misma agua había formado el lago desde el momento de su formación, dando un tiempo de residencia del orden de un millón de años. Investigaciones posteriores de Robin Bell y Michael Studinger del Observatorio de la Tierra Lamont-Doherty de la Universidad de Columbia sugirieron que el agua del lago se congela continuamente y es arrastrada por el movimiento de la capa de hielo antártica, mientras que es reemplazada por agua que se derrite en otras partes. de la capa de hielo en estas condiciones de alta presión. Esto dio como resultado una estimación de que todo el volumen del lago se reemplaza cada 13 300 años, su tiempo de residencia medio efectivo.

La temperatura natural más fría jamás observada en la Tierra, −89 °C (−128 °F), se registró en la estación Vostok el 21 de julio de 1983. Se calcula que la temperatura promedio del agua es de alrededor de −3 °C (27 °F). F); permanece líquido por debajo del punto de congelación normal debido a la alta presión del peso del hielo sobre él. El calor geotérmico del interior de la Tierra puede calentar el fondo del lago, mientras que la propia capa de hielo aísla al lago de las bajas temperaturas de la superficie.

El lago Vostok es un entorno oligotrófico extremo, que se espera que esté supersaturado con nitrógeno y oxígeno, con unas medidas de 2,5 litros (0,088 cu ft) de nitrógeno y oxígeno por 1 kg (2,2 lb) de agua, es decir, 50 veces más que los que normalmente se encuentran en los lagos de agua dulce ordinarios en la superficie de la Tierra. Se estima que el peso y la presión de alrededor de 345 bares (5000 psi) de la capa de hielo continental sobre el lago Vostok contribuyen a la alta concentración de gas.

Además de disolverse en el agua, el oxígeno y otros gases quedan atrapados en un tipo de estructura llamada clatrato. En las estructuras de clatrato, los gases están encerrados en una jaula de hielo y parecen nieve compactada. Estas estructuras se forman en las profundidades de alta presión del lago Vostok y se volverían inestables si salieran a la superficie.

En abril de 2005, investigadores alemanes, rusos y japoneses descubrieron que el lago tiene mareas. Dependiendo de la posición del Sol y la Luna, la superficie del lago se eleva unos 12 mm (0,47 in). El lago está en completa oscuridad, bajo una presión de 355 bar (5 150 psi) y se espera que sea rico en oxígeno, por lo que se especula que cualquier organismo que habite en el lago podría haber evolucionado de una manera única en este entorno. Hay una anomalía magnética de 1 microtesla en la costa este del lago, que abarca 105 por 75 km (65 por 47 mi). Los investigadores plantean la hipótesis de que la anomalía puede ser causada por un adelgazamiento de la corteza terrestre en ese lugar.

Se han encontrado microorganismos vivos Hydrogenophilus thermoluteolus en las perforaciones de núcleo de hielo profundo del lago Vostok; son una especie existente que habita en la superficie. Esto sugiere la presencia de una biosfera profunda que utiliza un sistema geotérmico del lecho rocoso que rodea el lago subglacial. Hay optimismo de que la vida microbiana en el lago puede ser posible a pesar de la alta presión, el frío constante, el bajo aporte de nutrientes, la concentración de oxígeno potencialmente alta y la ausencia de luz solar. La luna Europa de Júpiter y la luna Encelado de Saturno también pueden albergar lagos u océanos debajo de una gruesa capa de hielo. Cualquier confirmación de vida en el lago Vostok podría fortalecer la perspectiva de la presencia de vida en las lunas heladas.

Investigación

Los núcleos de hielo perforados en la estación Vostok, que se ve en el fondo

Los investigadores que trabajaban en la estación Vostok produjeron uno de los núcleos de hielo más largos del mundo en 1998. Un equipo conjunto de Rusia, Francia y Estados Unidos perforó y analizó el núcleo, que tiene 3623 m (11 886 pies) de largo. Se ha evaluado que las muestras de hielo de los núcleos perforados cerca de la parte superior del lago tienen una antigüedad de 420 000 años. La suposición es que el lago ha estado aislado de la superficie desde que se formó la capa de hielo hace 15 millones de años. La perforación del núcleo se detuvo deliberadamente aproximadamente 100 m (300 pies) por encima del supuesto límite entre la capa de hielo y las aguas líquidas del lago. Esto fue para evitar la contaminación del lago con la columna de freón y queroseno de 60 toneladas utilizada para evitar que el pozo se derrumbe y se congele.

De este núcleo, específicamente del hielo que se cree que se formó a partir de la congelación del agua del lago en la base de la capa de hielo, se encontraron microbios extremófilos, lo que sugiere que el agua del lago sustenta la vida. Los científicos sugirieron que el lago podría poseer un hábitat único para bacterias antiguas con un acervo genético microbiano aislado que contiene características desarrolladas quizás hace 500 000 años.

La sección transversal de un artista de la perforación del lago Vostok

En enero de 2011, el jefe de la Expedición Antártica Rusa, Valery Lukin, anunció que a su equipo solo le quedaban 50 m (200 pies) de hielo por perforar para llegar al agua. Luego, los investigadores cambiaron a una nueva cabeza de perforación térmica con un cabezal "limpio" fluido de aceite de silicona para perforar el resto del camino. En lugar de perforar hasta el fondo del agua, dijeron que se detendrían justo encima cuando un sensor en el taladro térmico detectara agua libre. En ese momento, el taladro debía detenerse y extraerse del pozo. La eliminación del taladro reduciría la presión debajo de él, atrayendo agua hacia el orificio para que se congele, creando un tapón de hielo en el fondo del orificio. La perforación se detuvo el 5 de febrero de 2011 a una profundidad de 3720 m (12 200 pies) para que el equipo de investigación pudiera salir del hielo antes del comienzo de la temporada de invierno antártico. El equipo de perforación partió en avión el 6 de febrero de 2011.

Según lo planeado, el verano siguiente, el equipo debía perforar nuevamente para tomar una muestra de ese hielo y analizarlo. Los rusos reanudaron la perforación en el lago en enero de 2012 y llegaron a la superficie superior del agua el 6 de febrero de 2012. Los investigadores permitieron que el agua del lago se congelara dentro del pozo y meses después recolectaron muestras de este hielo recién formado. y enviado al Laboratorio de Glaciología y Geofísica Ambiental en Grenoble, Francia, para su análisis.

Resultados de biología

Reino Unido y Estados Unidos

Los científicos reportaron por primera vez evidencia de microbios en el hielo acumulado en 1999. Desde entonces, un equipo diferente dirigido por Scott O. Rogers ha estado identificando una variedad de bacterias y hongos del hielo acumulado (no de la capa de agua subglacial) recolectados durante Proyectos de perforación de Estados Unidos en la década de 1990. Según él, esto indica que el lago debajo del hielo no es estéril sino que contiene un ecosistema único. Luego, Scott Rogers publicó en julio de 2013 que su equipo realizó la secuenciación de ácidos nucleicos (ADN y ARN) y los resultados permitieron deducir las rutas metabólicas representadas en la acumulación de hielo y, por extensión, en el lago. El equipo encontró 3.507 secuencias de genes únicas, y aproximadamente el 94 % de las secuencias eran de bacterias y el 6 % de Eukarya. Las clasificaciones taxonómicas (a género y/o especie) o la identificación fueron posibles para 1.623 de las secuencias. En general, los taxones eran similares a los organismos descritos previamente de lagos, agua salobre, ambientes marinos, suelo, glaciares, hielo, sedimentos lacustres, sedimentos de aguas profundas, fumarolas termales de aguas profundas, animales y plantas. Estaban presentes secuencias de organismos aeróbicos, anaeróbicos, psicrofílicos, termofílicos, halofílicos, alcalifílicos, acidófilos, resistentes a la desecación, autotróficos y heterótrofos, incluido un número de eucariotas multicelulares.

En 2020, Colby Gura y Scott Rogers ampliaron su estudio del hielo de acumulación del lago Vostok, así como del hielo basal que fluye hacia el lago. Descubrieron que el hielo basal contenía una comunidad de organismos casi completamente diferente en comparación con los que se encuentran en el hielo de acreción del lago, lo que indica que significaban dos ecosistemas completamente diferentes. Se informaron bacterias y eucariotas adicionales. La mayor diversidad de organismos en el hielo del lago se asoció significativamente (p<0.05) con concentraciones más altas de iones y aminoácidos. Si bien su trabajo anterior indicó la presencia de bacterias que habitan en los intestinos de los peces, no se encontraron secuencias de peces. Sin embargo, en el estudio de 2020, encontraron una secuencia de ARNr que era >97% similar a la de un bacalao de roca común a lo largo de la costa de la Antártida (Notothenia coriiceps). Este es el primer informe de una especie de pez que posiblemente resida en el lago Vostok. Se sabe que el pescado produce proteínas anticongelantes.

El microbiólogo David Pearce de la Universidad de Northumbria en Newcastle, Reino Unido, afirmó que el ADN podría ser simplemente contaminación del proceso de perforación y no representativo del propio lago Vostok. Los viejos núcleos de hielo se perforaron en la década de 1990 para buscar evidencia de climas pasados enterrados en el hielo, en lugar de para la vida, por lo que el equipo de perforación no se esterilizó. También Sergey Bulat, un experto en el lago Vostok del Instituto de Física Nuclear de Petersburgo en Gatchina, Rusia, duda que cualquiera de las células o fragmentos de ADN en las muestras pertenezcan a organismos que realmente puedan existir en el lago. Dice que es muy probable que las muestras estén fuertemente contaminadas con tejido y microbios del mundo exterior.

La posibilidad de contaminación ha sido refutada por Scott Rogers, porque las medidas de control fueron rigurosas y las combinaciones de organismos encontradas en cada una de las muestras de hielo eran consistentes con organismos que vivían en un lago frío y hielo (incluida una secuencia de un antártico). bacalao de roca), y eran inconsistentes con la contaminación introducida durante el muestreo o de los procedimientos de laboratorio. Además, todos los procedimientos de laboratorio se realizaron en paralelo con muestras de hielo del lago Erie, y los dos conjuntos de datos resultantes fueron completamente diferentes. La muestra del lago Erie exhibió muchas señales de habitación humana, mientras que las muestras de hielo del lago Vostok no mostraron señales de habitación humana. La muestra del lago Erie también tenía un perfil casi completamente diferente de filos bacterianos y eucariotas.

Rusia y Francia

Científicos rusos y franceses han estado realizando estudios de ADN molecular del agua del lago Vostok que se congeló en el pozo, mediante la construcción de numerosas bibliotecas de ADN, que son colecciones de fragmentos de ADN que permiten a los científicos identificar qué especies de bacterias puede pertenecer a. Las muestras tomadas del lago hasta el momento contienen aproximadamente una parte de queroseno por cada 1000 de agua, y están contaminadas con bacterias previamente presentes en la broca y el fluido de perforación de queroseno. Hasta ahora, los científicos han podido identificar 255 especies contaminantes, pero también encontraron una bacteria desconocida cuando perforaron inicialmente la superficie del lago en 2012, sin coincidencias en ninguna base de datos internacional, y esperan que pueda ser un habitante único del lago Vostok. Sin embargo, Vladimar Korolev, jefe de laboratorio del estudio en la misma institución, dijo que la bacteria podría ser en principio un contaminante que usa queroseno, el anticongelante que se usa durante la perforación, como fuente de energía.

Los críticos de la comunidad científica afirman que no se puede obtener información valiosa hasta que puedan analizar muestras limpias de agua del lago, no contaminadas por fluidos de perforación. Independientemente de los problemas de contaminación, en mayo de 2013 la instalación de perforación en la estación antártica rusa Vostok fue declarada monumento histórico como "resultado del reconocimiento de los logros de la investigación rusa en la Antártida por parte de la comunidad científica internacional, y de las operaciones únicas en la apertura del lago subglacial Vostok realizadas por científicos rusos el 5 de febrero de 2012."

En enero de 2015, la prensa rusa declaró que los científicos rusos habían hecho un nuevo "limpio" pozo en el lago Vostok utilizando una sonda especial de 50 kilogramos que recogió alrededor de 1 litro de agua no adulterada por el líquido anticongelante. La tecnología de perforación utilizada demostró ser inapropiada para recolectar agua líquida en general y muestras limpias en particular y no se informaron los resultados. Se predijo que el agua subiría entre 30 y 40 m en la parte inferior del pozo, pero, de hecho, el agua subió desde el lago hasta una altura de más de 500 m. En octubre de ese mismo año, el trabajo se suspendió para ese verano austral debido a la financiación insuficiente por parte del gobierno federal ruso.

En 2019, el gobierno ruso ordenó que se instalara un nuevo complejo de invernada en la estación de investigación del lago Vostok, financiado en parte por el multimillonario ruso Leonid Mikhelson. Este complejo tendrá capacidad para soportar 35 personas en verano, 15 en invierno y contará con 4 generadores diésel con una capacidad de 200 kilovatios cada uno. El nuevo complejo, que consta de 133 módulos, se entregó a la estación Progress en diciembre de 2021 y se transportará a la estación de investigación del lago Vostok y se instalará durante los próximos cuatro años.

Contaminación por fluidos de perforación

Al proyecto de perforación se han opuesto algunos grupos ambientalistas y científicos que han argumentado que la perforación con agua caliente tendría un impacto ambiental más limitado. La principal preocupación es que el lago podría contaminarse con el anticongelante que los rusos usaron para evitar que el pozo se volviera a congelar. Los científicos del Consejo Nacional de Investigación de los Estados Unidos han tomado la posición de que se debe suponer que existe vida microbiana en el lago Vostok y que después de un aislamiento tan largo, cualquier forma de vida en el lago requiere una protección estricta contra la contaminación.

La técnica de perforación original empleada por los rusos implicaba el uso de freón y queroseno para lubricar el pozo y evitar que colapsara y se congelara; Hasta el momento, se han utilizado 60 toneladas cortas (54 t) de estos productos químicos en el hielo sobre el lago Vostok. Otros países, particularmente Estados Unidos y Gran Bretaña, no han logrado persuadir a los rusos de no perforar el lago hasta que estén disponibles tecnologías más limpias, como la perforación con agua caliente. Aunque los rusos afirman haber mejorado sus operaciones, continúan utilizando el mismo pozo, que ya ha sido contaminado con queroseno. Según el jefe de las Expediciones Antárticas Rusas, Valery Lukin, los investigadores del Instituto de Física Nuclear de Petersburgo desarrollaron un nuevo equipo que garantizaría que el lago permanezca libre de contaminación en caso de intrusión. Lukin ha asegurado repetidamente a otras naciones signatarias del Sistema del Tratado Antártico que la perforación no afectará el lago, argumentando que en caso de avance, el agua subirá por el pozo, se congelará y sellará los otros fluidos.

Algunos grupos ecologistas siguen sin estar convencidos de estos argumentos. La Coalición Antártica y del Océano Austral ha argumentado que esta forma de perforación es un paso profundamente equivocado que pone en peligro el lago Vostok y otros lagos subglaciales en la Antártida (que algunos científicos están convencidos de que están interrelacionados con el lago Vostok). La coalición ha afirmado que "sería mucho mejor unirse a otros países para penetrar en un lago más pequeño y aislado antes de volver a examinar si la penetración en el lago Vostok es ambientalmente defendible". Si somos sabios, se permitirá que el lago revele sus secretos a su debido tiempo."

Lukin afirma que la perforación con agua caliente es mucho más peligrosa para la fauna microbiótica, ya que herviría a las especies vivas y perturbaría toda la estructura de las capas de agua del lago. Además, la perforación con agua caliente habría requerido más energía de la que la expedición rusa podría haber generado en su campamento remoto. Sin embargo, las muestras de agua obtenidas por el equipo ruso estaban muy contaminadas con fluido de perforación, por lo que informaron en mayo de 2017 que era imposible en este momento obtener datos confiables sobre la composición química y biológica real del agua del lago.