HVORFOR POLARER FRA RUSSLAND OPPDAGER ET ANTT LAKE UNDER ICE AV ANTARCTIDA, OG HVORFOR ER FLYTER TIL JUPITER HER
25. januar boret medlemmer av den russiske Antarktisekspedisjonen en brønn inn i relikviteten Lake Vostok, som hadde vært isolert fra omverdenen i millioner av år. Kanskje er denne innsjøen hjem for "fremmede" organismer, i motsetning til noe som er kjent i dag, men lik de som kan eksistere i de subglacial havene i Jupiters måner - Europa eller Ganymede.
Formelt sett er dette det andre vellykkede forsøket, første gang en brønn ble boret i innsjøen i 2012 - og øyeblikkelig sperret. Denne gangen kan kanalen mellom innsjøen og overflaten holdes åpen i lang tid, og forskere vil være i stand til å finne ut i detalj om noen lever i evig mørke under fire kilometer is - i vannet eller i bunnen av den merkeligste innsjøen i verden.
Med mindre dette programmet er lukket. På grunn av den kraftige økningen i dollarkursen, er selve arbeidet til russiske polfarere i Antarktis, og beslutningen om å videreføre FTP "World Ocean", som mange vitenskapelige prosjekter i Arktis og Antarktis ble finansiert fra, har ennå ikke blitt tatt. Det er mulig at et av de største vitenskapelige prosjektene i Sovjetunionen og Russland, som ble startet i 1957, vil bli frosset rett før det begynner å gi virkelig oppsiktsvekkende og kritiske resultater. Det er en risiko for at den første generasjonen russiske astrobiologer aldri vil krysse denne terskelen.
***
Hele historien begynte for mer enn et halvt århundre siden, da i desember 1957 nådde et pulketog ledet av den fremtidige akademikeren Alexei Treshnikov sentrum av det iskalde kontinentet, til det punktet der Vostok-stasjonen ble opprettet. Det ble navngitt slik til ære for slyngen "Vostok" - Thaddeus Bellingshausens seilskute, som han seilte for å oppdage Antarktis i 1819.
Du må forestille deg hva det er - Østen. Den nærmeste kysten ligger 1260 kilometer herfra, og den nærmeste stasjonen Mirny er 1410 kilometer. Selv om sommeren stiger ikke temperaturen over 35 minusgrader, og rekordvarmen er minus 14 grader. Egentlig er her jordens kulde, i øst ble det registrert en temperaturrekord - 89,2 minusgrader. Luften her er ekstremt tørr, den evige kulden fryser all fuktighet fra luften. Samtidig ligger stasjonen nærmest i sentrum av den gigantiske Antarktisbreen, i en høyde av omtrent 4 tusen meter. Dette betyr at hypoksi blir lagt til tørrhet og frost i ørkenen - mangelen på oksygen som folk vanligvis møter på fjellet.
På 1960-tallet skulle isen bores med en miniatyr atomreaktor som ville ha smeltet isbreen gjennom og gjennom.
Salgsfremmende video:
Du kan komme hit bare om sommeren: om vinteren, om polarnatten, kan ikke fly komme hit. Alvorlige laster - for det meste fat diesel til et dieselkraftverk - blir fraktet på slede-traktortog.
Hva førte det sovjetiske folket inn i denne forferdelige iskal ørkenen? Å si at bare vitenskapelig interesse er svikefull. Arbeidet med forskningsstasjoner i ingenmannsland og demilitariserte Antarktis er noe som en "visning av flagget" i havet. Vi må vise: vi er her, dette er vår sektor, tildelt oss under Antarktis-traktaten, og ingen kan okkupere den ved å dra nytte av vårt fravær.
I 1960 på Vostok stasjon begynte boringen av breen - ved hjelp av hjemmelagde termiske boreskaller var det mulig å trenge ned til 50 meters dyp. Et prosjekt ble vurdert for å bore gjennom is ved hjelp av en miniatyr atomreaktor, som måtte smelte gjennom breen. Boringen begynte for alvor i 1967, da fagfolk fra Leningrad Mining Institute ankom Østen. Den første brønnen ble boret i isen, 560 meter dyp.
Da visste ingen om eksistensen av Vostok-sjøen - forskere boret for å få en iskjerne, det vil si en iskolonne. Breen i sentrum av Antarktis vokser sakte. Hvis du borer en brønn og får en kjerne, vil du ha is i hendene hundretusenvis av år gammel. Hver luftboble i slik is er noe som en flue i rav, en bevart eldgamle artefakt som lar en bedømme atmosfærens tilstand i den dype fortiden. Derfor regnes iskjernen fra Vostok stasjon som en av de viktigste kildene til data om historien til klimaet på jorden.
I 1998, da 5G-1-brønnen i øst nådde en dybde på 3623 meter, oppnådde forskere en kontinuerlig serie med klimadata i 420 tusen år. Det viste seg at det i løpet av denne tiden var fire istider på jorden, ledsaget av et fall i konsentrasjonen av karbondioksid i atmosfæren, og det ble funnet at den nåværende konsentrasjonen av karbondioksid er rekordhøyt de siste en halv million årene. Teorien om global oppvarming vokste ut av nettopp slike observasjoner. Data fra øst ble senere utvidet og bekreftet av data fra andre iskjerneprosjekter, inkludert det antarktiske europeiske EPICA-prosjektet og lignende prosjekter på Grønland.
***
På slutten av 1980-tallet anskaffet polfarere et nytt mål - Vostok-sjøen. Denne gigantiske subglacial innsjøen er sammenlignbar i størrelse med delstaten Qatar (eller en tredjedel av innsjøen Baikal), og den kalles det siste store geografiske funnet på jorden i historien. Men dette funnet ble ikke gjort over natten. Tilbake i 1876 skrev prins Peter Kropotkin - han var ikke bare en anarkist, men også en profesjonell geograf - at temperaturen i de nedre lagene til kraftige isbreer kan stige sterkt under press: det er med andre ord varmt under polarisen. På begynnelsen av 1960-tallet beregnet sovjetiske forskere at isbunnen i bunnen av den antarktiske isbreen kan overstige smeltepunktet, noe som betyr at det kan være ansamlinger av smeltevann på kontinentalsengen.
De første antydningene til eksistensen av innsjøen Vostok under et islag dukket opp da sovjetiske forskere, ledet av geografen fra Moskva statsuniversitet, Andrei Kapitsa (sønn av nobelprisvinneren Pyotr Kapitsa og bror til Sergei Kapitsa), utførte seismisk lyd fra isbreen i 1959 og 1964. Da kunne forskere måle tykkelsen, og i tillegg til refleksjonen fra bunnen av breen, så de et annet signal, som de tok utenfor grensen til laget av sedimentære bergarter under breen. Vi forstår nå at disse "sedimentære bergartene" var vann i innsjøen.
På midten av 1970-tallet oppdaget britiske forskere, som et resultat av radarlyding av en isbre i sentrum av Antarktis, områder med "flat" refleksjon. Så ble det for første gang fremmet en hypotese om at dette er en refleksjon fra "isvannets" grense. Den største slike lokaliteten ble funnet i nærheten av Vostok stasjon.
I 1996 oppsummerte Andrei Kapitsa, Igor Zotikov fra Institute of Geography of the Russian Academy of Sciences og deres britiske kolleger i en artikkel publisert i tidsskriftet Nature, alle radar- og satellittobservasjoner og gjorde den endelige konklusjonen - på en dybde på rundt fire kilometer under isen er det en innsjø med et samlet areal på rundt 10 tusen kvadratkilometer og en gjennomsnittlig dybde på rundt 125 meter.
Det er en kald pol på Vostok stasjon. Det var her den laveste temperaturen på jorden ble registrert - minus 89,2 grader celsius.
***
På det tidspunktet hadde brønn 5G-1 blitt boret til en dybde på 3100 meter, og innen 1998 - til en dybde på 3623 meter. I følge beregninger gjensto omtrent 120 meter til Vostok-sjøen. Men boringen ble stoppet på forespørsel fra Den internasjonale vitenskapelige komité for antarktisk forskning (SCAR). Russiske polfarere måtte presentere en "miljøvennlig teknologi" som ville utelukke inntrenging av ekstern forurensning i reliksjonsjøen.
Pausen trakk seg videre i åtte år. I løpet av denne tiden forlot franske og amerikanske forskere som deltok i boring og paleoklimatiske studier (og fikk en tredjedel av kjerneprøven) prosjektet, og boreprosjektet ble et nasjonalt russisk prosjekt.
***
Hvordan ikke å ødelegge innsjøen? Å bore slike dype hull i en isbre er ikke mindre vanskelig enn stein. Brønnen, overlatt til seg selv, vil raskt "flyte" og forsvinne, du må gjøre en spesiell innsats slik at boret ikke blir frosset ned i isen, og ikke sitter fast i den. I løpet av den 40 år lange historien i øst har flere bor skjørt, satt fast på dybden eller frosset ned i isen.
For å bevare brønnen, var den fylt med en borevæske - en blanding av luftfartensolje og freon, som hindret brønnen fra å fryse. Veggene i den øvre delen av brønnen var forsterket med plastkabinettstrenger. SCAR fryktet at borevæsken kunne forurense Vostok-sjøen hvis den kommer inn i Vostok-sjøen.
I 1999 presenterte russiske forskere forslagene sine for organisasjonen av Antarktis-traktaten. Deres idé var å bruke vannets høye trykk i sjøen, som flyter på toppen av nesten fire kilometer is. Hvis mengden av borevæske i brønnen ikke er nok til å kompensere for trykket nedenfra, vil innsjøvannet ganske enkelt skyve kolonnen med borevæske oppover og deretter fryse, og danne en naturlig plugg mellom innsjøen og omverdenen. For å forhindre direkte kontakt av vann med borevæsken, foreslo russiske forskere å bruke en inaktiv "pakning" - et lag med en flytende polymer basert på silisium, polydimetylsiloksan.
Men internasjonale eksperter krevde at effektiviteten av denne metoden ble bevist i praksis. Lederen for den russiske Antarktisekspedisjonen Valery Lukin var indignert: “Vi ble fortalt: hvor testet du denne teknologien, har du bare teoretisk utvikling, fant en annen innsjø i Antarktis … Men du forstår - for dette må du lage en ny separat infrastruktur, dette enorme midler!"
Russiske forskere måtte imidlertid ikke lete etter en "testsjø". I 2003 nådde det europeiske NGRIP (North Greenland Ice Core Project) en subglacial innsjø i Nord-Grønland på en dybde av 3.085 meter. Og penetreringen i sjøen skjedde nøyaktig i henhold til scenariet beskrevet tidligere av russiske spesialister: etter penetrering steg vannet 45 meter opp i brønnen, og den giftige blandingen av parafin og freon kom ikke inn i sjøen.
I 2004 ble boringen gjenopptatt - det viste seg at brønnen på syv år ikke hadde deformert nok til å starte på nytt. I 2007, to ganger på rad, ble boren satt fast og løsnet fra kabelen på 3660 meters dyp. Derfor begynte boringen i januar 2009 å omgå nødområdet fra en 20 meters høyde.
Til slutt, 5. februar 2012, på en dybde av 3769,3 meter, nådde boret vannet i innsjøen Vostok. Forskere undervurderte noe trykket i innsjøen, og innsjøen vannet steg gjennom brønnen omtrent 500 meter oppover, og presset borevæsken, som sprutet ut av brønnen. Etter å ha løftet boret, falt de første prøvene av innsjøvann blandet med borevæske i hendene på forskere. Det var denne gulaktige væsken som polfarerne senere hadde med seg som en gave til Putin da de ble invitert til møte med statsministeren i Kreml.
I løpet av de neste to årene boret polfarere ut vann innfrosset i en brønn for å få prøver av fersk innsjø. Boringen fortsatte i år, med boret i en liten vinkel mot brønnen for å treffe innsjøen på et annet punkt. Til slutt, om kvelden den 25. januar, nådde russiske forskere igjen Vostok-sjøen.
Denne gangen ble alt beregnet mer nøyaktig, og innsjøen vannet steg bare 45 meter.
"Vi ønsket at trykket skulle være praktisk talt det samme, slik at vannet ikke stiger for høyt og at vannet var en" plugg "mellom innsjøen og brønnen, som kunne bores raskt," sier Andrei Dmitriev fra St. Petersburg Gorny University, hvor fra Sovjet ganger utviklet de boreteknologier for Østen. I fremtiden, sier han, vil det være mulig å installere en spesiell oppvarmet enhet i bunnen av brønnen, som vil holde den åpen. Gjennom disse "portene" vil det være mulig å passere sonder for å studere tykkelsen på innsjøen og dens bunn.
***
Lake Vostok har vært isolert fra omverdenen i millioner av år, og hvis det er liv i det, er det mest sannsynlig helt ulikt noe vi vet i dag. Forholdene der minner imidlertid veldig om situasjonen på en av Jupiters måner - Europa. Et flytende hav er skjult under det tykke isskjellet til dette himmellegemet. Vannet i den varmes opp av varmen fra Europas tarmer, som ikke avkjøles på grunn av tidevannshandlingen av Jupiters tyngdekraft.
Sjansene for å finne liv på Europa er enda større enn på Mars, siden det ikke har vært flytende vann på Mars i milliarder av år, men Europa har det nå. På mange måter er forholdene i Vostok-sjøen lik "europeiske". Evig mørke og mulig tilstedeværelse av kilder til geotermisk varme gjør at bare kjemoautotrofiske organismer kan eksistere - det vil si de som lever av kjemiske reaksjoner og klarer seg uten solen. Slike organismer på jorden er funnet nær varme kilder på dypt hav - "svarte røykere".
Ice, 420 tusen år gammel, som ble trukket ut av brønnen, bidro til å føde teorien om global oppvarming.
Forskere fra begynnelsen av 2000-tallet ser Vostok-sjøen som et praktisk testområde for å utvikle teknologier for å finne liv i Europa.
"Subglacial Lake Vostok kan betraktes som den eneste ekstremt rene vannmassen på jorden som kan tjene som en unik prøveplass for å finne unnvikende spor etter liv på isete kropper, som den jupiteriske månen Europa," skrev forskere fra gruppen til Sergei Bulat, en ansatt ved St. Petersburg Institute of Nuclear Physics. i fremskritt innen romforskning.
De første mikroorganismene som kunne tilhøre økosystemet i innsjøen, ble funnet tilbake i 1999. Da gikk brønnen 5G på 3538 meters dyp først inn i islaget fra det frosne innsjøvannet. NASA sendte ut en spesiell uttalelse som fremhever likhetene mellom Europas øst og hav.
I 2004 identifiserte en gruppe ledet av Bulat DNA fra termofile bakterier som lever i nærheten av varme kilder i vannprøver fra innsjøisen ved 50-52 grader over null. Forskere skrev at vannet i innsjømassen ligger nær frysepunktet (på grunn av høyt trykk er frysepunktet for vann under null: dette er omtrent minus to grader celsius), slik at mikroorganismer kan stamme fra utkanten av øst, hvor det kan være geotermiske utløp i riftsonene. I alle disse tilfellene var det imidlertid snakk om enkeltbakterier, og dessuten var det umulig å utelukke muligheten for forurensning - forurensning av prøvene med "fremmede" bakterier.
Sannhetens øyeblikk kom i 2012, da de første prøvene av ferskt innsjøvann falt i hendene på forskere. Forskningen ble utført av PNPI kryoastrobiologigruppen under ledelse av Bulat.
Stasjon "Vostok", 1984 / RIA Novosti
***
Sergei Bulat, da han snakket om forventningene sine, understreket at vi kan snakke om absolutt "fremmed" liv. Fakta er at vannet i innsjøen må ha en ekstremt høy oksygenkonsentrasjon (opp til 0,7-1,3 gram oksygen per liter) - vannet er dannet fra en smeltende "atmosfærisk isbre" mettet med oksygen, og det nylig frysende vannet inneholder det ikke. Vitenskapen kjenner ikke slike oksygenofiler nå. På den annen side kan bakterier eksistere i bunnen eller i bunnsedimenter, på grensen til to miljøer.
De første dataene ble presentert av Bulats gruppe høsten 2012 på en konferanse i Stockholm, men de viste seg å være null - forskere kunne ikke finne annet enn forurensning (biologer selv kaller dem det elegante uttrykket "forurensninger"). I mars 2013 avslørte imidlertid analysen av andre prøver noe interessant - DNA-en av bakterien, som ikke var i biblioteket med forurensninger og ikke var blant de allerede kjente gensekvensene av bakterier i Genbank-databasen.
Bulat holdt en presentasjon om disse resultatene på en konferanse ved romforskningsinstituttet til det russiske vitenskapsakademiet, og budskapet hans forårsaket en sensasjon: en ukjent bakterie ble funnet i Vostok-sjøen! Arctic and Antarctic Institute måtte til og med utgi en spesiell uttalelse om at denne bakterien ikke utgjør noen trussel for mennesker.
Andre forskere var skeptiske til dataene fra Bulat-gruppen. Først fikk de prøver av is fliset fra en bore og blandet omtrent en til en med en borevæske (det vil si med parafin og freon). For det andre kunne det ikke utelukkes at dette er en annen forurensning, ganske enkelt ikke inkludert i biblioteket med forurensninger.
Et år senere falt prøver av "ren" is fra en nyboret brønn i hendene på Bulats gruppe. I 2014 presenterte han en ny rapport på COSPAR-konferansen i Moskva, hvor han sa at det ble funnet totalt 49 arter av bakterier i isprøver, alle var forurensninger, bortsett fra to som ikke kunne klassifiseres og identifiseres ved bruk av de tilgjengelige gendatabasene.
Imidlertid har disse resultatene ennå ikke blitt publisert i et vitenskapelig tidsskrift, og Bulats gruppe selv bemerker at nye vannprøver fra innsjøen er nødvendig for å få hundre prosent bevis.
Lake Vostok har vært isolert fra omverdenen i millioner av år. Og hvis det er liv i det, så er det mest sannsynlig helt ulikt alt vi vet i dag.
***
Omboring og en relativt liten "plugg" igjen i bunnen av brønnen vil gjøre det mulig å utforske innsjøen systematisk.
”Trykket vil være balansert, og det vil være mulig å komme inn i sjøen med sonder og studere innsjøen, vannet og alt under. Ta vannprøver ikke frosset, men i en "levende" form, "sier Vyacheslav Martyanov, nestleder for den russiske Antarktisekspedisjonen.
I følge Andrei Dmitriev har spesialister fra Gorny allerede opprettet og testet en sonde som kan nå bunnen av innsjøen og bore gjennom bunnsedimenter.
Vi tror at bunnsedimentene er omtrent 10 meter tykke. Der, som på bunnen av en hvilken som helst innsjø, er det silt, og de som studerer livet er interessert i silt,”sa Dmitriev.
Imidlertid vil sonden ikke komme i sjøen i år. I februar begynner vintersesongen i øst, borerne drar til neste sørlige sommer - og i Antarktis, som på hele den sørlige halvkule, kommer det når det er vinter i Europa og USA. Hvorvidt det blir "sommer" er imidlertid et spørsmål. Det er mulig at boringen på Vostok stasjon vil bli redusert på grunn av mangel på penger.
"Siden 2014 har vi gjort vitenskap på egen bekostning, uten målrettet statsfinansiering … Og de siste nyhetene - RAE er tvunget til å kutte kostnader … Så langt snakker vi ikke om fullstendig stenging av stasjonen, men om å redusere sesongarbeid, men for russisk vitenskap vil dette være et alvorlig slag, "skriver et av ekspedisjonsmedlemmene Alexei Ekaikin i bloggen sin.
Problemet er at en betydelig del av RAE-utgiftene er i utenlandsk valuta. Dette er fly, transport av varer, drivstoff. Med veksten i valutakursen vokste de alle sammen mange ganger.
Tilbake i juni, på et møte med Putin, snakket direktøren for AARI, Ivan Frolov, om behovet for å utvide World Ocean-programmet, som finansierte forskningen til Vostok-sjøen. Utkastet til program for perioden 2015 til 2030 eksisterer, men det er ennå ikke godkjent, noe som betyr at den videre skjebnen til prosjektet er ukjent.
***
Parallelt med å bore en brønn til Vostok-sjøen, startet amerikanerne og britene sine egne prosjekter for å utforske de antarktiske subglacial innsjøene. Spesielt boret amerikanske forskere ved bruk av varmt vann, en brønn til den lille Willans-sjøen, som ligger på omtrent 800 meters dyp. Imidlertid er Willans Lake en rennende vannmasse, den er ikke i det hele tatt isolert, som Østen, derfor er graden av interesse for forskere mye lavere.
Det britiske prosjektet for å bore en brønn til Antarctic Lake Ellsworth, som begynte i desember 2012, var betydelig mer ambisiøst. Denne innsjøen ligger på omtrent 3 kilometer dybde og isolert fra omverdenen i omtrent 500 tusen år. De britiske forskerne hadde til hensikt å bore en brønn med nesten kokende vann og gjøre alt arbeidet på fem dager, og ikke bruke år på å bore mekanisk. Imidlertid, 13 dager etter starten, den 25. desember, ble prosjektet avlyst på grunn av tekniske problemer - de klarte å passere bare 300 meter fra breen.
Derfor forblir det russiske prosjektet unikt for nå.
***
Alle som er engasjert i studiet av livet på alle slags ubehagelige steder - i ventilasjonene til vulkaner, i havdypet, i stratosfæren - snakker nødvendigvis om utsiktene for letingen etter livet utenfor jorden. Kanskje er dette retorikk rettet mot ørene til de som gir finansiering. Tross alt er studiet av terrestrisk liv ikke mindre viktig uten et astrobiologisk perspektiv.
Men utsiktene til å søke etter ikke bare ukjente bakterier, men "romvesener" alltid begeistrer publikum, så forskere er rause og gir publikum rett "rim".
Utsiktene for å finne livet i det virkelige Europa er fremdeles veldig langt fra å bli realisert. På begynnelsen av 2000-tallet vurderte European Space Agency (ESA) Laplace-prosjektet for å utforske Europa, inkludert med russisk deltakelse. NPO oppkalt etter Lavochkin arbeidet til og med ut alternativer for den "europeiske" modulen for landing.
Data om høye nivåer av stråling (Europas bane går gjennom Jupiters strålingsbelter) tvang dem imidlertid til å revurdere planene sine - i 2012 godkjente ESA offisielt prosjektet til JUICE-sonden, som hovedsakelig vil utforske Jupiters største måne, Ganymede. Det kan også ha et hav under isen, selv om det ikke er så imponerende som i Europa. Enheten skulle starte i 2022, det er ikke snakk om å sende en lander.
Russiske forskere foreslår å sende landings- og omløpsmoduler til Ganymede. Men foreløpig er ikke forslagene deres en gang inkludert i utkastet til det føderale romfartsprogrammet fra 2015 til 2025 (selv om selve programmet ennå ikke er vedtatt, og i lys av den nye reformen av Roscosmos, kan man ikke forvente at det vil ta mye oppmerksomhet til vitenskapen).
NASAs budsjett for 2015 inkluderer midler til den første studien av et oppdrag til Europa - $ 15 millioner. Inntil dette prosjektet er inkludert i programmet, snakker vi bare om foreløpige anslag. Hvis alt går etter planen, kan sonden starte rundt 2025, men dette vil være en orbital sonde som ennå ikke har valgt steder for fremtidig landing.
Men NASAs Jet Propulsion Laboratory finansierer allerede utviklingen av en robotis-driller. Et slikt prosjekt - Cryobot - ble testet i Norge allerede i 2002. En annen - VALKYRIE - innebærer en tilbakevending til ideene fra 1950-tallet og boring (mer presist, smelting) av is ved hjelp av en atomreaktor.
Det er ingen grunn til å vente på en ekspedisjon til Europa tidligere enn om 10-15 år, og ytterligere 7-8 år for flyturen til selve Jupiter-systemet. De fleste romprogrammer konsentrerer seg om Mars-leteoppgaver.
Forfatteren takker Andrei Dmitriev, førsteamanuensis ved Institutt for brønnboring ved olje- og gassfakultetet ved NMSU "Gorny", og Sergei Bulat, leder for Cryoastrobiology Laboratory ved Institutt for molekylær og strålingsbiofysikk ved St. Petersburg Institute of Nuclear Physics, for rådene og materialene som ble gitt.
Ilya Ferapontov
