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Lago subglacial

Imagen satelital del lago subglacial Vostok en la Antártida. Crédito de la imagen: NASA Un lago subglacial es un lago que se encuentra bajo un glaciar , generalmente bajo un cas...

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Imagen satelital del lago subglacial Vostok en la Antártida. Crédito de la imagen: NASA

Un lago subglacial es un lago que se encuentra bajo un glaciar , generalmente bajo un casquete polar o una capa de hielo . Los lagos subglaciales se forman en el límite entre el hielo y el lecho rocoso subyacente , donde el agua líquida puede existir por encima del punto de fusión inferior del hielo bajo alta presión. [ 1 ] [ 2 ] Con el tiempo, el hielo suprayacente se derrite gradualmente a una velocidad de unos pocos milímetros por año. [ 3 ] El agua de deshielo fluye desde regiones de alta a baja presión hidráulica bajo el hielo y se acumula, creando una masa de agua líquida que puede permanecer aislada del entorno externo durante millones de años. [ 1 ] [ 4 ]

Desde los primeros descubrimientos de lagos subglaciales bajo la capa de hielo antártica , se han descubierto más de 400 lagos subglaciales en la Antártida , bajo la capa de hielo de Groenlandia y bajo el casquete glaciar Vatnajökull de Islandia . [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] Los lagos subglaciales contienen una proporción sustancial del agua dulce líquida de la Tierra , y se estima que el volumen de los lagos subglaciales antárticos por sí solos es de unos 10 000 km³ , o alrededor del 15 % de toda el agua dulce líquida de la Tierra. [ 8 ] 

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 adaptados a condiciones frías y con pocos nutrientes , que facilitan ciclos biogeoquímicos independientes de los aportes de energía solar. [ 9 ] Los lagos subglaciales y sus habitantes son de particular interés en el campo de la astrobiología y la búsqueda de vida extraterrestre . [ 10 ] [ 11 ]

Características físicas

El agua de los lagos subglaciales permanece líquida, ya que el calentamiento geotérmico compensa la pérdida de calor en la superficie del hielo. La presión del glaciar suprayacente hace que el punto de fusión del agua sea inferior a 0  °C. El techo del lago subglacial se encuentra al nivel donde el punto de fusión por presión del agua coincide con el gradiente de temperatura. En el lago Vostok , el mayor lago subglacial antártico, el hielo que lo recubre es, por lo tanto, mucho más grueso que la capa de hielo que lo rodea. Los lagos subglaciales hipersalinos permanecen líquidos debido a su contenido de sal. [ 5 ]

No todos los lagos con una capa de hielo permanente pueden considerarse subglaciales, ya que algunos están cubiertos por hielo lacustre común. Algunos ejemplos de lagos permanentemente cubiertos de hielo son el lago Bonney y el lago Hoare, en los Valles Secos de McMurdo , en la Antártida , así como el lago Hodgson , un antiguo lago subglacial.

Sellos hidrostáticos

El nivel de flotación del agua en un lago subglacial puede ser muy superior al del suelo. De hecho, teóricamente, un lago subglacial puede incluso existir en la cima de una colina, siempre que el hielo que lo cubre sea lo suficientemente delgado como para formar el sello hidrostático necesario . El nivel de flotación puede considerarse como el nivel del agua en un agujero perforado en el hielo que llega hasta el lago. Es equivalente al nivel al que flotaría un trozo de hielo sobre él si se tratara de una plataforma de hielo normal . Por lo tanto, el techo puede concebirse como una plataforma de hielo anclada a lo largo de todo su perímetro, lo que explica por qué se la ha denominado plataforma de hielo capturada . A medida que se desplaza sobre el lago, entra en él por la línea de flotación y lo abandona por la línea de anclaje.

Se crea un sello hidrostático cuando el hielo es mucho más alto alrededor del lago que la superficie equipotencial se hunde en el suelo impermeable. El agua que se encuentra debajo de este borde de hielo es entonces empujada de vuelta al lago por el sello hidrostático. Se ha estimado que el borde de hielo en el lago Vostok tiene apenas 7 metros, mientras que el nivel de flotación está aproximadamente 3 kilómetros por encima del techo del lago. [ 5 ] Si el sello hidrostático se perfora cuando el nivel de flotación es alto, el agua comenzará a fluir hacia afuera en un jökulhlaup . Debido al derretimiento del canal, el caudal aumenta exponencialmente, a menos que otros procesos permitan que el caudal aumente aún más rápido. Debido a la alta carga hidráulica que se puede alcanzar en algunos lagos subglaciales, los jökulhlaups pueden alcanzar tasas de caudal muy altas. [ 7 ] El drenaje catastrófico de lagos subglaciales es un peligro conocido en Islandia, ya que la actividad volcánica puede generar suficiente agua de deshielo como para desbordar las represas de hielo y los sellos lacustres y causar inundaciones repentinas de origen glaciar . [ 12 ]

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 basal del hielo de manera compleja. [ 13 ] Los "Lagos de Recuperación" bajo el Glaciar de Recuperación de la Antártida se encuentran en la cabecera de una importante corriente de hielo y pueden influir en la dinámica de la región. [ 14 ] 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 es conocido en áreas aguas abajo donde se sabe que las corrientes de hielo migran, se aceleran o se estancan en escalas de tiempo centenarias y destaca que el agua subglacial puede descargarse sobre la línea de contacto de la capa de hielo. [ 15 ]

Historia y expediciones

El revolucionario y científico ruso Peter A. Kropotkin propuso por primera vez la idea de agua dulce líquida bajo la capa de hielo antártica a finales del siglo XIX. [ 2 ] [ 16 ] Sugirió que, debido al calentamiento geotérmico en la parte inferior de las capas de hielo, la temperatura bajo el hielo podría alcanzar la temperatura de fusión del hielo, que estaría por debajo de cero. La noción de agua dulce bajo las capas de hielo fue desarrollada posteriormente por el glaciólogo ruso Igor A. Zotikov , quien demostró mediante análisis teórico la posibilidad de una disminución del hielo antártico debido al derretimiento del hielo en una superficie inferior. [ 5 ] A partir de 2019, hay más de 400 lagos subglaciales en la Antártida , [ 7 ] y se sospecha que existe la posibilidad de que haya más. [ 5 ] También se han descubierto lagos subglaciales en Groenlandia, [ 6 ] Islandia y el norte de Canadá. [ 17 ]

Exploración temprana

El científico ruso Peter Kropotkin fue el primero en proponer la idea de que existiera agua dulce bajo el hielo antártico.

Los avances científicos en la Antártida se deben a varios períodos importantes de colaboración y cooperación, como los cuatro Años Polares Internacionales (API) de 1882-1883, 1932-1933, 1957-1958 y 2007-2008. El éxito del API de 1957-1958 propició la creación del Comité Científico de Investigación Antártica (SCAR) y del Sistema del Tratado Antártico , lo que allanó el camino para formular una metodología y un proceso mejores para la observación de lagos subglaciales.

En 1959 y 1964, durante dos de sus cuatro expediciones soviéticas a la Antártida , el geógrafo y explorador ruso Andrey P. Kapitsa utilizó sondeos sísmicos para elaborar un perfil de las capas geológicas bajo la estación Vostok en la Antártida. El objetivo original de este trabajo era realizar un estudio exhaustivo de la capa de hielo antártica. Sin embargo, los datos recopilados en estos estudios se utilizaron 30 años después y condujeron al descubrimiento del lago Vostok como un lago subglacial. [ 18 ]

A partir de finales de la década de 1950, los físicos ingleses Stan Evans y Gordon Robin comenzaron a utilizar la técnica de radioglaciología de sondeo por radioeco (RES) para cartografiar el espesor del hielo. [ 19 ] Los lagos subglaciales se identifican mediante datos de (RES) como reflectores continuos y especulares que se inclinan contra la superficie del hielo en aproximadamente x10 del ángulo de pendiente de la superficie, 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 capa de hielo antártica. [ 20 ] Entre 1971 y 1979, la capa de hielo antártica fue perfilada extensamente utilizando equipos RES. [ 20 ] La técnica de uso de RES es la siguiente: se perforan agujeros de 50 metros de profundidad para aumentar la relación señal-ruido en el hielo. Una pequeña explosión inicia una onda sonora , que viaja a través del hielo. [ 7 ] Esta onda sonora se refleja y luego es registrada por el instrumento. Se registra el tiempo que tarda la onda en viajar de ida y vuelta y se convierte en una distancia utilizando la velocidad conocida del sonido en el hielo. [ 20 ] Los registros RES pueden identificar lagos subglaciales a través de tres características específicas: 1) una reflexión especialmente fuerte de la base de la capa de hielo, más fuerte que las reflexiones adyacentes del lecho rocoso de hielo ; 2) ecos de fuerza constante que ocurren a lo largo de la trayectoria, que indican que la superficie es muy lisa; y 3) un carácter muy plano y horizontal con pendientes menores al 1%. [ 21 ] [ 22 ] Utilizando este enfoque, Kapista y su equipo documentaron 17 lagos subglaciales [ 23 ] . RES también condujo al descubrimiento del primer lago subglacial en Groenlandia [ 1 ] y reveló que estos lagos están interconectados. [ 3 ]

Entre 1971 y 1979 se llevó a cabo nuevamente un perfilado sistemático de la capa de hielo antártica mediante el uso de RES. Durante este tiempo, una colaboración entre Estados Unidos, Reino Unido y Dinamarca logró cartografiar aproximadamente el 40 % de la Antártida Oriental y el 80 % de la Antártida Occidental , definiendo con mayor precisión el paisaje subglacial y el comportamiento del flujo de hielo sobre los lagos. [ 4 ]

Exploración satelital

A principios de la década de 1990, los datos del altímetro radar del satélite europeo de teledetección (ERS-1) proporcionaron un mapeo detallado de la Antártida hasta los 82 grados sur. [ 24 ] Estas imágenes revelaron una superficie plana alrededor del borde norte del lago Vostok, y los datos recopilados por el ERS-1 permitieron ampliar la distribución geográfica de los lagos subglaciales antárticos.

En 2005, Laurence Gray y un equipo de glaciólogos comenzaron a interpretar los deslizamientos y elevaciones del hielo superficial a partir de datos de RADARSAT , que indicaban que podría haber lagos subglaciales hidrológicamente "activos" sujetos al movimiento del agua. [ 25 ]

Entre 2003 y 2009, un estudio de mediciones de larga distancia 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. [ 25 ] En 2009, se reveló que el lago Cook es el lago subglacial hidrológicamente más activo en el continente antártico. Se han utilizado otras imágenes satelitales para monitorear e investigar este lago, incluyendo ICESat , CryoSat-2 , el Radiómetro Avanzado de Emisión y Reflexión Térmica Espacial y SPOT5 . [ 26 ] [ 27 ]

Gray et al. (2005) interpretaron el deslizamiento y elevación de la superficie del hielo a partir de datos de RADARSAT como evidencia de que los lagos subglaciales se llenaban y vaciaban, denominados lagos "activos". [ 28 ] Wingham et al. (2006) utilizaron datos de altímetro de radar (ERS-1) para mostrar elevación y subsidencia coincidentes, lo que implica drenaje entre lagos. [ 29 ] El satélite ICESat de la NASA fue clave para desarrollar aún más este concepto y el trabajo posterior demostró la omnipresencia de este fenómeno. [ 30 ] [ 31 ] ICESat cesó las mediciones en 2007 y los lagos "activos" detectados fueron recopilados por Smith et al. (2009) que identificaron 124 de estos lagos. La constatación de que los lagos estaban interconectados creó nuevas preocupaciones de contaminación para los planes de perforación en lagos ( véase la sección Expediciones de muestreo más abajo ).

Varios lagos fueron delimitados por los famosos estudios SPRI-NSF-TUD realizados hasta mediados de los años setenta. Desde esta recopilación original, varios estudios más pequeños han descubierto muchos más lagos subglaciales en toda la Antártida, en particular el de Carter et al. (2007), quienes identificaron un espectro de tipos de lagos subglaciales basándose en 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 debatir sobre el equipo y las estrategias utilizadas en proyectos de perforación de hielo , como el diseño de perforadoras de agua caliente, el equipo para la medición y el muestreo de agua y la recuperación de sedimentos, y los protocolos para la limpieza experimental y la gestión ambiental . [ 20 ] Tras esta reunión, SCAR elaboró ​​un código de conducta para expediciones de perforación de hielo y mediciones y muestreos in situ (en el sitio) de lagos subglaciales. Este código de conducta fue ratificado en la Reunión Consultiva del Tratado Antártico (ATCM) de 2011. A finales de 2011, se programaron tres misiones separadas de exploración de perforación de lagos subglaciales.

En febrero de 2012, la perforación rusa de núcleos de hielo en el lago Vostok accedió al lago subglacial por primera vez. [ 32 ] El agua del lago inundó el pozo y se congeló durante la temporada de invierno, y la muestra de agua del lago recongelada (hielo de 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 una perforadora de agua caliente de acceso limpio; [ 33 ] sin embargo, la misión se canceló debido a una falla del equipo. [ 34 ] En enero de 2013, la expedición liderada por los EE. UU. Whillans Ice Stream Subglacial Access Research Drilling (WISSARD) midió y tomó muestras del lago Whillans en la Antártida Occidental [ 35 ] para la vida microbiana. [ 36 ] El 28 de diciembre de 2018, el equipo de Acceso Científico a los Lagos Subglaciales Antárticos (SALSA) anunció que había llegado al lago Mercer después de derretir 1067  m (3501  pies) de hielo con un taladro de agua caliente a alta presión. [ 9 ] El equipo recolectó muestras de agua y muestras de sedimentos del fondo hasta una profundidad de 6 metros.

Distribución

Antártida

La mayoría de los casi 400 lagos subglaciales antárticos se encuentran en las proximidades de las divisorias de hielo , donde grandes cuencas de drenaje subglacial están cubiertas por capas de hielo. El más grande es el lago Vostok, y otros lagos notables por su tamaño son el lago Concordia y el lago Aurora. También se está identificando un número creciente de lagos cerca de corrientes de hielo. [ 1 ] Un estudio altimétrico 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 [ 37 ] 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 .

Representación artística de los lagos y ríos subglaciales bajo la capa de hielo antártica . Crédito de la imagen: Zina Deretsky / Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.

Los lagos subglaciales antárticos más grandes se agrupan en el área Dome C-Vostok de la Antártida Oriental, posiblemente debido al grueso hielo aislante y a la accidentada topografía subglacial influenciada por la tectónica . En la Antártida Occidental , el lago subglacial Ellsworth se encuentra dentro de las montañas Ellsworth y es relativamente pequeño y poco profundo. [ 38 ] Las corrientes de hielo de la costa de Siple, también en la Antártida Occidental, cubren numerosos lagos subglaciales pequeños, incluidos los lagos Whillans , Engelhardt , Mercer , Conway , [ 38 ] [ 39 ] acompañados por sus vecinos inferiores llamados Lower Conway (LSLC) y Lower Mercer (LSLM). [ 39 ] El retroceso glacial 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 . [ 40 ]

Tierra Verde

La existencia de lagos subglaciales bajo la capa de hielo de Groenlandia se ha hecho evidente solo en la última década. Las mediciones de sondeo por radioeco han revelado dos lagos subglaciales en la sección noroeste de la capa de hielo. [ 1 ] Es probable que estos lagos se recarguen con agua proveniente del drenaje de lagos supraglaciales cercanos , en lugar de por el derretimiento del hielo basal. [ 41 ] Se ha identificado otro posible lago subglacial cerca del margen suroeste de la capa de hielo, donde una depresión circular bajo la capa de hielo evidencia un drenaje reciente del lago causado por el calentamiento climático. [ 42 ] Se cree que dicho drenaje, junto con la transferencia de calor a la base de la capa de hielo a través del almacenamiento de agua de deshielo supraglacial, influye en la tasa de flujo de hielo y el comportamiento general de la capa de hielo de Groenlandia. [ 41 ]

Islandia

Gran parte de Islandia es volcánicamente activa, lo que resulta en una producción significativa de agua de deshielo bajo sus dos casquetes polares . Esta agua de deshielo también se acumula en cuencas y calderos de hielo, formando lagos subglaciales. [ 7 ] Estos lagos actúan como un mecanismo de transporte de calor desde las chimeneas geotérmicas hasta la base de los casquetes polares, lo que a menudo resulta en el derretimiento del hielo basal que repone cualquier agua perdida por drenaje. [ 43 ] La mayoría de los lagos subglaciales islandeses se encuentran bajo los casquetes polares Vatnajökull y Mýrdalsjökull , donde el deshielo de la actividad hidrotermal crea depresiones permanentes que se llenan de agua de deshielo. [ 7 ] El drenaje catastrófico de los lagos subglaciales es un peligro conocido en Islandia, ya que la actividad volcánica puede generar suficiente agua de deshielo como para desbordar las represas de hielo y los sellos de los lagos y causar inundaciones repentinas de origen glaciar . [ 44 ]

Grímsvötn es quizás el lago subglacial más conocido bajo el casquete glaciar Vatnajökull. Otros lagos bajo el casquete glaciar se encuentran dentro de las calderas Skatfá, Pálsfjall y Kverkfjöll. [ 7 ] Cabe destacar que el sello hidráulico del lago subglacial Grímsvötn permaneció intacto hasta 1996, cuando la importante producción de agua de deshielo de la erupción del Gjálp provocó el levantamiento de la represa de hielo de Grímsvötn. [ 45 ]

El casquete glaciar de Mýrdalsjökull , otro importante lago subglacial, se asienta sobre un sistema activo de caldera volcánica en la parte más meridional del sistema volcánico de Katla . [ 44 ] Se cree que la actividad hidrotermal bajo el casquete glaciar de Mýrdalsjökull ha creado al menos 12 pequeñas depresiones dentro de un área delimitada por tres importantes cuencas de drenaje subglacial . [ 7 ] 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. [ 44 ]

Canadá

Hasta hace muy poco, solo se habían identificado en Canadá antiguos lagos subglaciales del último período glacial. [ 46 ] Es probable que estos paleolagos subglaciales ocuparan valles creados antes del avance del manto de hielo Laurentino durante el Último Máximo Glacial . [ 47 ] Sin embargo, se identificaron dos lagos subglaciales mediante RES en depresiones del lecho rocoso bajo el casquete de hielo de Devon en Nunavut, Canadá. [ 48 ] 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 subglaciales salinos identificados en la Antártida. [ 48 ]

Ecología

A diferencia de los lagos superficiales, los lagos subglaciales están aislados de la atmósfera terrestre 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 bajas temperaturas, los escasos 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 indicios de vida superior. [ 9 ] [ 36 ] [ 49 ] 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 ". [ 50 ]

Los microorganismos y los procesos de meteorización impulsan un conjunto diverso de reacciones químicas que pueden generar una red trófica única y, por lo tanto, reciclar nutrientes y energía a través de los ecosistemas de lagos subglaciales. No puede haber fotosíntesis en la oscuridad de los lagos subglaciales, por lo que sus redes tróficas están impulsadas por la quimiosíntesis y el consumo de carbono orgánico antiguo depositado antes de la glaciación. [ 36 ] Los nutrientes pueden ingresar a los lagos subglaciales a través de la interfaz hielo-agua del lago glaciar, desde conexiones hidrológicas y desde la meteorización física, química y biológica de los sedimentos subglaciales . [ 9 ] [ 51 ]

ciclos biogeoquímicos

Ilustración de la perforación de núcleos de hielo sobre el lago subglacial Vostok . Estas perforaciones recolectaron agua del lago que se volvió a congelar y que ha sido analizada para comprender su composición química. Crédito de la imagen: Nicolle Rager-Fuller / Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.

Dado que se han muestreado pocos lagos subglaciales directamente, gran parte del conocimiento existente sobre la biogeoquímica de estos lagos se basa en un pequeño número de muestras, principalmente 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 hielo de acreción (agua de lago recongelada) en la base de los glaciares suprayacentes. [ 52 ] [ 53 ] Estas inferencias se basan en la suposición de que el hielo de acreción tendrá firmas químicas similares a las del agua del lago que lo formó. Hasta el momento, los científicos han descubierto diversas condiciones químicas en los lagos subglaciales, que van desde capas superiores del lago sobresaturadas en oxígeno hasta capas inferiores anóxicas y ricas en azufre. [ 54 ] A pesar de sus condiciones típicamente oligotróficas , se cree que los lagos y sedimentos subglaciales contienen cantidades de nutrientes, particularmente carbono, que son significativas a nivel regional y global. [ 55 ] [ 12 ] [ 56 ] [ 57 ] [ 58 ]

En la interfaz lago-hielo

Los clatratos de aire atrapados en el hielo glaciar son la principal fuente de oxígeno que ingresa a los sistemas lacustres subglaciales, que de otro modo estarían cerrados. A medida que se derrite la capa inferior de hielo sobre el lago, los clatratos se liberan de la estructura cristalina del hielo y gases como el oxígeno quedan disponibles para los microbios para procesos como la respiración aeróbica . [ 59 ] En algunos lagos subglaciales, los ciclos de congelación y descongelación 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. [ 60 ]

El derretimiento de la capa de hielo glaciar sobre el lago subglacial también aporta a las aguas subyacentes minerales que contienen hierro , nitrógeno y fósforo , además de algo de carbono orgánico disuelto y células bacterianas. [ 9 ] [ 12 ] [ 51 ]

En la columna de agua

Debido a que los clatratos de aire provenientes del deshielo glaciar son la principal fuente de oxígeno para las aguas de los lagos subglaciales, la concentración de oxígeno generalmente disminuye con la profundidad en la columna de agua si la renovación es lenta. [ 61 ] Las aguas óxicas o ligeramente subóxicas suelen encontrarse cerca de la interfaz glaciar-lago, mientras que la anoxia predomina en el interior del lago y los sedimentos debido a la respiración de los microbios. [ 62 ] En algunos lagos subglaciales, la respiración microbiana puede consumir todo el oxígeno del lago, creando un ambiente completamente anóxico hasta que fluye agua nueva rica en oxígeno desde ambientes subglaciales conectados. [ 63 ] La adición de oxígeno proveniente del deshielo y el consumo de oxígeno por los microbios pueden crear gradientes redox en la columna de agua del lago subglacial, con procesos aerobios mediados por microbios como la nitrificación que ocurren en las aguas superiores y procesos anaerobios que ocurren en las aguas anóxicas del fondo. [ 51 ]

Las concentraciones de solutos en los lagos subglaciales, incluidos los iones principales y nutrientes como el sodio , el sulfato y los carbonatos , son bajas en comparación con los lagos superficiales típicos. [ 51 ] Estos solutos ingresan a la columna de agua por el derretimiento del hielo glaciar y por la meteorización de los sedimentos. [ 51 ] [ 58 ] 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. [ 64 ] [ 58 ] [ 65 ] Se estima que el flujo subglacial de la capa de hielo antártica , incluido el flujo de los lagos subglaciales, agrega una cantidad de solutos al Océano Austral similar a la de algunos de los ríos más grandes del mundo. [ 58 ]

La columna de agua subglacial está influenciada por el intercambio de agua entre lagos y arroyos bajo las capas de hielo a través del sistema de drenaje subglacial; este comportamiento probablemente juega 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. [ 51 ] [ 61 ] 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 reservorio del lago subglacial. Tiempos de residencia más largos, como los que se encuentran bajo la capa de hielo interior de la Antártida, llevarían 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. [ 58 ] [ 57 ] Los tiempos de residencia estimados de los lagos subglaciales estudiados actualmente varían desde aproximadamente 13 000 años en el lago Vostok hasta solo décadas en el lago Whillans. [ 66 ] [ 67 ]

La morfología de los lagos subglaciales tiene el potencial de modificar su hidrología y patrones de circulación. Las áreas con el hielo suprayacente más grueso experimentan mayores tasas de fusión. Lo contrario ocurre en las áreas donde la capa de hielo es más delgada, lo que permite la recongelación del agua del lago. [ 22 ] Estas variaciones espaciales en las tasas de fusión y congelación dan lugar a la convección interna del agua y a la circulación de solutos, calor y comunidades microbianas en todo el lago subglacial, lo que variará entre los lagos subglaciales de diferentes regiones. [ 51 ] [ 61 ]

En sedimentos

Los sedimentos subglaciales están compuestos principalmente de till glacial que se formó durante la meteorización física del lecho rocoso subglacial . [ 51 ] En estos sedimentos prevalecen condiciones anóxicas debido al consumo de oxígeno por los microbios, particularmente durante la oxidación de sulfuros . [ 51 ] [ 17 ] [ 58 ] Los minerales de sulfuro se generan por la meteorización del lecho rocoso por el glaciar suprayacente, después de lo cual estos sulfuros se oxidan a sulfato por bacterias aerobias o anaerobias, que pueden usar hierro para la respiración cuando no hay oxígeno disponible. [ 59 ]

Los productos de la oxidación de sulfuros pueden intensificar la meteorización química de los minerales carbonatados y silicatos en los sedimentos subglaciales, particularmente en lagos con largos tiempos de residencia. [ 51 ] [ 58 ] La meteorización de los minerales carbonatados y silicatos de los sedimentos lacustres también libera otros iones, como potasio (K + ), magnesio (Mg 2+ ), sodio (Na + ) y calcio (Ca 2+ ), a las aguas del lago. [ 58 ]

Otros procesos biogeoquímicos en sedimentos subglaciales anóxicos incluyen la desnitrificación , la reducción de hierro , la reducción de sulfato y la metanogénesis (véase Reservorios de carbono orgánico más adelante). [ 51 ]

Depósitos de carbono orgánico

Las cuencas sedimentarias subglaciales bajo la capa de hielo antártica han acumulado un estimado de 21 000 petagramos (billones de kilogramos) de carbono orgánico, la mayor parte del cual proviene de antiguos sedimentos marinos. [ 56 ] Esto es más de 10 veces la cantidad de carbono orgánico contenida en el permafrost ártico [ 68 ] y puede rivalizar con la cantidad de carbono reactivo en los sedimentos oceánicos modernos, [ 69 ] potencialmente haciendo de los sedimentos subglaciales un componente importante pero poco estudiado del ciclo global del carbono . [ 57 ] 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 . [ 70 ] [ 56 ] [ 57 ]

Es probable que los habitantes microbianos de los lagos subglaciales desempeñen 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 de lagos subglaciales, las arqueas pueden utilizar el carbono orgánico para la metanogénesis , lo que podría crear grandes reservas 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. [ 71 ] Se ha detectado metano en el lago subglacial Whillans, [ 72 ] y los experimentos han demostrado que las arqueas metanogénicas pueden estar activas en los sedimentos bajo los glaciares antárticos y árticos. [ 73 ]

La mayor parte del metano que escapa del almacenamiento en los sedimentos de los lagos subglaciales parece ser consumido por bacterias metanotróficas en las aguas superficiales oxigenadas. En el lago subglacial Whillans, los científicos descubrieron que la oxidación bacteriana consumía el 99 % del metano disponible. [ 72 ] También hay evidencia de producción y consumo activos de metano bajo la capa de hielo de Groenlandia . [ 74 ]

Se cree que las aguas subglaciales antárticas también contienen cantidades sustanciales de carbono orgánico en forma de carbono orgánico disuelto y biomasa bacteriana. [ 12 ] Con una estimación de 0,0103 petagramos, la cantidad de carbono orgánico en las aguas de los lagos subglaciales es mucho menor que la contenida en los sedimentos subglaciales antárticos, pero es solo un orden de magnitud menor que la cantidad de carbono orgánico en todas las aguas dulces superficiales (0,510 petagramos). [ 12 ] Este reservorio de carbono orgánico subglacial, relativamente menor pero potencialmente más reactivo, podría representar otra laguna en la comprensión científica del ciclo global del carbono . [ 12 ]

Biología

Originalmente se asumía que los lagos subglaciales eran estériles , [ 75 ] pero en los últimos treinta años se ha descubierto vida microbiana activa y signos de vida superior en las aguas, sedimentos y hielo acumulado de los lagos subglaciales. [ 9 ] [ 61 ] 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, bajos nutrientes y condiciones químicas inusuales. [ 9 ] [ 61 ] La investigación de la diversidad microbiana y las adaptaciones en los 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 trófica y fuentes de energía

En la mayoría de los ecosistemas superficiales, las plantas y los microbios fotosintéticos son los principales productores primarios que forman la base de la red trófica del lago . La fotosíntesis es imposible en la oscuridad permanente de los lagos subglaciales, por lo que estas redes tróficas están impulsadas por la quimiosíntesis . [ 36 ] En los ecosistemas subglaciales, la quimiosíntesis la llevan a cabo principalmente microbios quimiolitoautótrofos . [ 76 ] [ 63 ] [ 77 ]

Al igual que las plantas, los quimiolitoautótrofos fijan el dióxido de carbono (CO₂ ) transformándolo en nuevo carbono orgánico, lo que los convierte en los productores primarios en la base de las redes tróficas 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 los elementos inorgánicos de la litosfera se oxidan o reducen . Algunos elementos comunes utilizados por los quimiolitoautótrofos en los ecosistemas subglaciales incluyen sulfuro , hierro y carbonatos provenientes de la meteorización de los sedimentos. [ 9 ]

Además de movilizar elementos de los sedimentos, los quimiolitoautótrofos crean suficiente materia orgánica nueva para sustentar bacterias heterótrofas en ecosistemas subglaciales. [ 36 ] [ 63 ] Las bacterias heterótrofas consumen el material orgánico producido por los quimiolitoautótrofos, así como materia orgánica de los sedimentos o del hielo glaciar derretido. [ 12 ] [ 53 ] A pesar de los recursos disponibles para los heterótrofos de 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 en lugar del crecimiento. [ 63 ] 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. [ 78 ]

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 la que las bacterias consumen materia orgánica mientras oxidan elementos inorgánicos. [ 72 ] [ 79 ] [ 36 ]

Algunas evidencias limitadas de eucariotas microbianos y animales multicelulares en lagos subglaciales podrían ampliar las ideas actuales sobre las redes tróficas subglaciales. [ 49 ] [ 80 ] De estar 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 . [ 51 ] [ 81 ] En los ecosistemas de lagos superficiales, tradicionalmente se ha pensado que el fósforo es el nutriente limitante que restringe el crecimiento en el ecosistema, aunque la limitación conjunta por el suministro de nitrógeno y fósforo parece ser la más común. [ 82 ] [ 83 ] Sin embargo, la evidencia del lago subglacial Whillans sugiere que el nitrógeno es el nutriente limitante en algunas aguas subglaciales, basándose en mediciones que muestran que la relación nitrógeno/fósforo es muy baja en comparación con la relación de Redfield . [ 36 ] Un experimento mostró que las bacterias del lago Whillans crecieron ligeramente más rápido cuando se les suministró fósforo además de nitrógeno, lo que potencialmente contradice la idea de que el crecimiento en estos ecosistemas está limitado solo por el nitrógeno. [ 63 ]

Diversidad biológica en lagos subglaciales explorados

La exploración biológica de lagos subglaciales se ha centrado en la Antártida, pero las dificultades financieras y logísticas que supone perforar la capa de hielo antártica para la recolección de muestras han limitado el muestreo directo exitoso de agua de lagos subglaciales antárticos a los lagos Whillans y Mercer . También se han tomado muestras de lagos subglaciales volcánicos bajo el casquete glaciar Vatnajökull de Islandia.

Antártida
Primera imagen del sedimento en el fondo del lago subglacial Whillans, capturada por la expedición WISSARD. Crédito de la imagen: NASA / JPL , Instituto Tecnológico de California.

En el lago subglacial Whillans, la expedición WISSARD recolectó núcleos de sedimentos y muestras de agua, que contenían 130 000 células microbianas por mililitro y 3914 especies bacterianas diferentes. [ 36 ] El equipo identificó bacterias activas que metabolizaban amoníaco , metano y azufre de los sedimentos de 120 000 años de antigüedad. [ 79 ] Las bacterias más abundantes identificadas estaban relacionadas con Thiobacillus , Sideroxyans y especies de Polaromonas psicrófilas . [ 36 ] [ 79 ]

En enero de 2019, el equipo 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 . [ 49 ] 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. [ 49 ] El equipo continuará analizando las muestras para investigar más a fondo la química y la biología del lago.

El lago Vostok es el lago subglacial antártico mejor estudiado, pero sus aguas solo se han estudiado mediante el análisis del hielo de acreción del fondo de los núcleos de hielo tomados durante las perforaciones rusas sobre el lago. Se han encontrado bacterias en crecimiento activo y miles de secuencias de ADN únicas de bacterias , arqueas y eucariotas en el hielo de acreción del lago Vostok. [ 84 ] [ 52 ] [ 80 ] Parte del ADN parecía provenir de eucariotas multicelulares , incluidas especies aparentemente relacionadas con Daphnia de agua dulce , tardígrados y moluscos . [ 80 ] Estas especies podrían haber sobrevivido en el lago y haberse adaptado lentamente a las condiciones cambiantes desde que Vostok estuvo expuesto a la atmósfera por última vez hace millones de años. Sin embargo, es probable que las muestras se contaminaran con fluido de perforación durante su recolección, por lo que algunos de los organismos identificados probablemente no vivieron en el lago. [ 85 ]

Sección transversal esquemática de la laguna subglacial bajo el glaciar Taylor y su desagüe, las cataratas Blood Falls . Crédito de la imagen: Zina Deretsky / Fundación Nacional de Ciencias de EE. UU.

Otros esfuerzos de muestreo subglacial en la Antártida incluyen la poza subglacial de agua anóxica e hipersalina bajo el glaciar Taylor , que alberga una comunidad microbiana que quedó aislada de la atmósfera hace entre 1,5 y 2 millones de años. [ 86 ] Las bacterias bajo el glaciar Taylor parecen tener una estrategia metabólica novedosa que utiliza iones sulfato y férricos para descomponer la materia orgánica . [ 86 ]

Tierra Verde

No se ha intentado realizar muestreos directos de lagos subglaciales en la capa de hielo de Groenlandia . Sin embargo, se han tomado muestras de aguas de desagüe subglaciales y se ha descubierto que contienen microbios metanogénicos y metanotróficos . [ 74 ] También se han descubierto bacterias dentro de la propia capa de hielo, pero es improbable que sean activas dentro del hielo. [ 87 ]

Islandia

Los lagos subglaciales bajo el casquete glaciar Vatnajökull de Islandia proporcionan hábitats únicos para la vida microbiana porque reciben aportes de calor y químicos de la actividad volcánica subglacial , lo que influye en la química de las aguas y sedimentos inferiores del lago. [ 88 ] Se han descubierto bacterias psicrófilas y autótrofas activas en el lago bajo la caldera volcánica de Grímsvötn . [ 89 ] También se ha encontrado una comunidad microbiana de baja diversidad en los lagos subglaciales orientales Skaftárketill y Kverkfjallalón, donde las bacterias incluyen especies de Geobacter y Desulfuosporosinus que pueden usar azufre y hierro para la respiración anaeróbica . [ 90 ] En el lago occidental Skaftá, las aguas anóxicas del fondo parecen estar dominadas por bacterias productoras de acetato en lugar de metanógenos . [ 81 ]

Refugios para la vida antigua

En algunos casos, las aguas de lagos subglaciales han permanecido aisladas durante millones de años, y estas " aguas fósiles " pueden albergar comunidades microbianas evolutivamente distintas. [ 86 ] Algunos lagos subglaciales en la Antártida Oriental han existido durante unos 20 millones de años, pero el sistema de drenaje subglacial interconectado entre lagos bajo la capa de hielo antártica implica que las aguas de los lagos probablemente no han permanecido aisladas durante toda la vida del lago. [ 12 ]

Durante el período propuesto de la Tierra Bola de Nieve del Proterozoico tardío , una extensa glaciación podría haber cubierto completamente la superficie terrestre con hielo durante 10 millones de años. [ 91 ] La vida habría sobrevivido principalmente en ambientes glaciares y subglaciales, lo que convierte a los lagos subglaciales modernos en un sistema de estudio importante para comprender este período de la historia de la Tierra. Más recientemente, los lagos subglaciales de Islandia podrían haber proporcionado un refugio para anfípodos subterráneos durante el período glacial del Cuaternario . [ 92 ]

Implicaciones para la vida extraterrestre

Vista de la llanura polar sur de Marte. Se destaca la zona donde se ha detectado un lago subglacial. Crédito de la imagen: Centro de Ciencias Astrogeológicas del USGS, Universidad Estatal de Arizona.

Los lagos subglaciales constituyen un entorno análogo a los cuerpos de agua cubiertos de hielo extraterrestres, lo que los convierte en un sistema de estudio importante en el campo de la astrobiología , que estudia el potencial de la vida fuera de la Tierra . El descubrimiento de microbios extremófilos vivos en los lagos subglaciales terrestres podría sugerir que la vida podría persistir en entornos similares en cuerpos extraterrestres. [ 11 ] [ 10 ] Los lagos subglaciales también proporcionan sistemas de estudio para planificar esfuerzos de investigación en lugares remotos y logísticamente complejos, sensibles a la contaminación biológica. [ 93 ] [ 94 ]

Europa, la luna de Júpiter , y Encélado, la luna de Saturno , son objetivos prometedores en la búsqueda de vida extraterrestre. Europa contiene un extenso océano cubierto por una corteza helada, y se cree que Encélado también alberga un océano subglacial. [ 95 ] [ 96 ] El análisis satelital de una columna de vapor de agua helada que escapa de fisuras en la superficie de Encélado revela una producción subsuperficial significativa de hidrógeno, lo que podría indicar la reducción de minerales que contienen hierro y materia orgánica . [ 97 ]

En 2018, se descubrió un lago subglacial en Marte utilizando el instrumento RES de la nave espacial Mars Express. [ 98 ] Este cuerpo 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 bajo el casquete polar. [ 99 ]

Véase también

Referencias

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