Un lago subglacial es un lago que se encuentra debajo de un glaciar , generalmente debajo de una capa de hielo o una capa de hielo . Los lagos subglaciales se forman en el límite entre el hielo y el lecho rocoso subyacente , donde puede existir agua líquida por encima del punto de fusión inferior del hielo bajo alta presión. [1] [2] Con el tiempo, el hielo suprayacente se derrite gradualmente a un ritmo de unos pocos milímetros por año. [3] El agua de deshielo fluye desde regiones de alta a baja presión hidráulica debajo del hielo y se acumula, creando un cuerpo de agua líquida que puede aislarse del entorno externo durante millones de años. [1] [4]
Desde los primeros descubrimientos de lagos subglaciales bajo la capa de hielo de la Antártida , se han descubierto más de 400 lagos subglaciales en la Antártida , debajo de la capa de hielo de Groenlandia y debajo del manto 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 km 3 , o aproximadamente el 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 que están adaptados a condiciones frías y de bajos nutrientes y facilitan ciclos biogeoquímicos independientes de los aportes de energía del sol. [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]
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 suprayacente hace que el punto de fusión del agua sea inferior a 0 °C. El techo del lago subglacial estará en el nivel en el que el punto de fusión del agua por presión se cruza con el gradiente de temperatura. En el lago Vostok , el lago subglacial más grande de la Antártida, el hielo sobre el lago 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 llamarse subglaciales, ya que algunos están cubiertos por el hielo lacustre normal. Algunos ejemplos de lagos cubiertos de hielo de forma perenne 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.
El agua de un lago subglacial puede tener un nivel flotante muy por encima del nivel del umbral 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 requerido . El nivel flotante puede considerarse como el nivel del agua en un agujero perforado a través del hielo hacia el lago. Es equivalente al nivel en el que flotaría un trozo de hielo sobre él si fuera una plataforma de hielo normal . Por lo tanto, el techo puede concebirse como una plataforma de hielo que está conectada a tierra a lo largo de todo su perímetro, lo que explica por qué se la ha llamado plataforma de hielo capturada . A medida que se mueve sobre el lago, entra en el lago en la línea de flotación y sale del lago en la línea de conexión a tierra.
Un sello hidrostático se crea cuando el hielo es mucho más alto alrededor del lago que la superficie equipotencial se hunde en el suelo impermeable. El agua de debajo de este borde de hielo es entonces presionada de nuevo hacia el lago por el sello hidrostático. Se ha estimado que el borde de hielo en el lago Vostok es de apenas 7 metros, mientras que el nivel flotante está a unos 3 kilómetros por encima del techo del lago. [5] Si se penetra el sello hidrostático cuando el nivel flotante es alto, el agua comenzará a fluir hacia afuera en un jökulhlaup . Debido al derretimiento del canal, la descarga aumenta exponencialmente, a menos que otros procesos permitan que la descarga aumente aún más rápido. Debido a la alta carga hidráulica que se puede alcanzar en algunos lagos subglaciales, los jökulhlaups pueden alcanzar tasas de descarga muy altas. [7] 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 los sellos del lago y causar inundaciones por estallidos glaciales . [12]
No está claro el papel de los lagos subglaciales en la dinámica del hielo. Sin duda, en la capa de hielo de Groenlandia, el agua subglacial actúa para mejorar el movimiento del hielo basal de una manera compleja. [13] Los "lagos de recuperación" debajo del glaciar Recovery 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 base de la capa de hielo. [15]
El revolucionario y científico ruso Peter A. Kropotkin fue el primero en proponer la idea de agua dulce líquida bajo la capa de hielo de la Antártida a fines del siglo XIX. [2] [16] Sugirió que debido al calentamiento geotérmico en el fondo de las capas de hielo, la temperatura debajo del hielo podría alcanzar la temperatura de fusión del hielo, que sería bajo cero. La noción de agua dulce debajo de las capas de hielo fue impulsada aún más por el glaciólogo ruso Igor A. Zotikov , quien demostró mediante análisis teórico la posibilidad de una disminución en el 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]
Los avances científicos en la Antártida pueden atribuirse 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 condujo a la creación del Comité Científico de Investigación Antártica (SCAR) y del Sistema del Tratado Antártico , allanando el camino para formular una mejor metodología y un mejor proceso para observar los 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 preparar un perfil de las capas de la geología debajo de la estación Vostok en la Antártida. La intención original de este trabajo era realizar un estudio amplio de la capa de hielo de la Antártida. 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 finales de los años 1950, los físicos ingleses Stan Evans y Gordon Robin comenzaron a utilizar la técnica de radioglaciología del sondeo por radioeco (RES) para graficar el espesor del hielo. [19] Los lagos subglaciales se identifican mediante datos (RES) como reflectores continuos y especulares que se inclinan contra la superficie del hielo aproximadamente x10 del ángulo de pendiente de la superficie, ya que esto es necesario para la estabilidad hidrostática. A finales de los años 1960, pudieron montar instrumentos RES en aviones y adquirir datos de la capa de hielo antártica. [20] Entre 1971 y 1979, la capa de hielo antártica se perfiló ampliamente utilizando equipos RES. [20] La técnica para utilizar RES es la siguiente: se perforan agujeros de 50 metros de profundidad para aumentar la relación señal-ruido en el hielo. Una pequeña explosión desencadena una onda de sonido que viaja a través del hielo. [7] Esta onda de sonido se refleja y luego es registrada por el instrumento. El tiempo que tarda la onda en viajar hacia abajo y hacia atrás se anota 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 del lecho de roca de hielo adyacente ; 2) ecos de fuerza constante que ocurren a lo largo del recorrido, que indican que la superficie es muy lisa; y 3) un carácter muy plano y horizontal con pendientes inferiores 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 volvió a realizar un perfil sistemático de la capa de hielo de la Antártida mediante el uso de RES. Durante ese tiempo, una colaboración entre Estados Unidos, el Reino Unido y Dinamarca logró estudiar aproximadamente el 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. [4]
A principios de la década de 1990, los datos del altímetro de radar del Satélite Europeo de Teledetección (ERS-1) proporcionaron un mapa detallado de la Antártida hasta los 82 grados sur. [24] Estas imágenes revelaron una superficie plana alrededor del límite norte del lago Vostok, y los datos recopilados por el ERS-1 contribuyeron a construir la distribución geográfica de los lagos subglaciales antárticos.
En 2005, Laurence Gray y un equipo de glaciólogos comenzaron a interpretar el desprendimiento y el levantamiento 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 largo recorrido 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, incluido ICESat , CryoSat-2 , el Radiómetro Avanzado de Emisión y Reflexión Térmica Espacial y SPOT5 . [26] [27]
Gray et al. (2005) interpretaron el hundimiento y elevación de la superficie del hielo a partir de los datos de RADARSAT como evidencia de que los lagos subglaciales se llenan y vacian, denominados lagos "activos". [28] Wingham et al. (2006) utilizaron datos del altímetro de radar (ERS-1) para mostrar una elevación y hundimiento coincidentes, lo que implica un 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 compilados por Smith et al. (2009) que identificaron 124 de esos lagos. La comprensión de que los lagos estaban interconectados creó nuevas preocupaciones de contaminación para los planes de perforar en los lagos ( ver 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 basados en sus propiedades en conjuntos de datos (RES).
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 los ingenieros y científicos discutir el equipo y las estrategias utilizadas en proyectos de perforación de hielo , como el diseño de perforaciones de agua caliente, equipos para la medición y muestreo de agua y recuperación de sedimentos, y protocolos para la limpieza experimental y la gestión ambiental . [20] Después de esta reunión, SCAR redactó un código de conducta para expediciones de perforación de hielo y mediciones y muestreo in situ (en el sitio) de lagos subglaciales. Este código de conducta fue ratificado en la Reunión Consultiva del Tratado Antártico (RCTA) de 2011. Para fines de 2011, se programó la realización de tres misiones de exploración de perforación de lagos subglaciales separadas.
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 un taladro 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 Whillans Ice Stream Subglacial Access Research Drilling (WISSARD) liderada por EE. UU. midió y tomó muestras del lago Whillans en la Antártida occidental [35] para vida microbiana. [36] El 28 de diciembre de 2018, el equipo de Acceso Científico a los Lagos Antárticos Subglaciales (SALSA) anunció que habían llegado al lago Mercer después de derretir 1.067 m (3.501 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 6 metros de profundidad.
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, con otros lagos notables por su tamaño como el lago Concordia y el lago Aurora. También se está identificando un número cada vez mayor de lagos cerca de corrientes de hielo. [1] Un estudio de altímetro realizado por el satélite ERS-2 en órbita alrededor de 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 .
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 la topografía subglacial accidentada e influenciada tectónicamente . En la Antártida Occidental , el lago subglacial Ellsworth está situado dentro de las montañas Ellsworth y es relativamente pequeño y poco profundo. [38] Las corrientes de hielo de la Costa Siple, también en la Antártida Occidental, se superponen a 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]
La existencia de lagos subglaciales debajo de la capa de hielo de Groenlandia se ha hecho evidente recién en la última década. [ ¿ cuándo? ] Las mediciones de sondeo por radioeco han revelado dos lagos subglaciales en la sección noroeste de la capa de hielo. [1] Estos lagos probablemente se recargan con agua del drenaje de lagos supraglaciales cercanos en lugar de por el derretimiento del hielo basal. [41] Otro posible lago subglacial ha sido identificado cerca del margen suroeste de la capa de hielo, donde una depresión circular debajo de la capa de hielo evidencia el 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]
Gran parte de Islandia es volcánicamente activa, lo que da como resultado una importante producción de agua de deshielo debajo de sus dos capas de hielo . Esta agua de deshielo también se acumula en cuencas y calderas de hielo, formando lagos subglaciales. [7] Estos lagos actúan como un mecanismo de transporte de calor desde los respiraderos geotérmicos hasta el fondo de las capas de hielo, lo que a menudo resulta en el derretimiento del hielo basal que repone el agua perdida por el drenaje. [43] La mayoría de los lagos subglaciales islandeses se encuentran debajo de las capas de hielo Vatnajökull y Mýrdalsjökull , donde el derretimiento 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 crear suficiente agua de deshielo para abrumar las presas de hielo y las focas de los lagos y causar inundaciones por desbordes glaciares . [44]
Grímsvötn es quizás el lago subglacial más conocido que se encuentra debajo del manto glaciar de Vatnajökull. Otros lagos debajo del manto glaciar se encuentran dentro de las calderas de Skatfá, Pálsfjall y Kverkfjöll. [7] Cabe destacar que el sello hidráulico del lago subglacial Grímsvötn permaneció intacto hasta 1996, cuando una importante producción de agua de deshielo de la erupción de Gjálp provocó el levantamiento de la presa de hielo de Grímsvötn. [45]
El casquete glaciar Mýrdalsjökull , otro lugar clave de lago subglacial, se encuentra sobre un sistema activo de volcán- caldera en la parte más meridional del sistema volcánico Katla . [44] Se cree que la actividad hidrotermal debajo del casquete glaciar Mýrdalsjökull ha creado al menos 12 pequeñas depresiones dentro de un área limitada por tres cuencas de drenaje subglaciales principales . [7] Se sabe que muchas de estas depresiones contienen lagos subglaciales que están sujetos a eventos de drenaje masivos y catastróficos por erupciones volcánicas, lo que crea un peligro significativo para las poblaciones humanas cercanas. [44]
Hasta hace muy poco, en Canadá solo se habían identificado antiguos lagos subglaciales del último período glaciar. [46] Estos lagos paleosubglaciales probablemente ocupaban valles creados antes del avance de la capa de hielo Laurentide durante el Último Máximo Glacial . [47] Sin embargo, se identificaron dos lagos subglaciales a través de RES en canales de lecho rocoso debajo del manto glaciar Devon de 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]
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 bajos nutrientes, la alta presión y la oscuridad total de los lagos subglaciales, se ha descubierto que estos ecosistemas albergan miles de especies microbianas diferentes y algunos signos 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 impulsar una red alimentaria única y, por lo tanto, hacer circular los nutrientes y la energía a través de los ecosistemas de los lagos subglaciales. No puede ocurrir la 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. [36] Los nutrientes pueden ingresar a los lagos subglaciales a través de la interfaz entre el hielo del glaciar y el agua del lago, desde conexiones hidrológicas y desde la meteorización física, química y biológica de los sedimentos subglaciales . [9] [51]
Dado que se han muestreado directamente pocos lagos subglaciales, gran parte del conocimiento existente sobre la biogeoquímica de los lagos subglaciales 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 los lagos subglaciales no muestreados a partir de los análisis del hielo de acreción (agua del lago recongelada) en la base de los glaciares suprayacentes. [52] [53] Estas inferencias se basan en el supuesto de que el hielo de acreción 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 en oxígeno hasta las capas inferiores que son anóxicas y ricas en azufre. [54] A pesar de sus condiciones típicamente oligotróficas , se cree que los lagos y sedimentos subglaciales contienen cantidades significativas a nivel regional y global de nutrientes, en particular carbono. [55] [12] [56] [57] [58]
Los clatratos del aire atrapados en el hielo glacial son la principal fuente de oxígeno que entra en los sistemas lacustres 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 los 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 fusión en la interfaz lago-hielo pueden enriquecer el agua superior del lago con concentraciones de oxígeno que son 50 veces más altas que en las aguas superficiales típicas. [60]
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. [9] [12] [51]
Debido a que los clatratos del aire provenientes del derretimiento del hielo glacial son la fuente principal 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 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. [62] En algunos lagos subglaciales, la respiración microbiana puede consumir todo el oxígeno del lago, creando un ambiente completamente anóxico hasta que fluya agua nueva rica en oxígeno desde los ambientes subglaciales conectados. [63] La adición de oxígeno proveniente del derretimiento del hielo y el consumo de oxígeno por los microbios pueden crear gradientes redox en la columna de agua del lago subglacial, con procesos aeróbicos mediados por microbios como la nitrificación ocurriendo en las aguas superiores y procesos anaeróbicos ocurriendo en las aguas anóxicas del fondo. [51]
Las concentraciones de solutos en lagos subglaciales, incluidos los principales iones y nutrientes como sodio , sulfato y carbonatos , son bajas en comparación con los lagos superficiales típicos. [51] Estos solutos ingresan a la columna de agua desde el derretimiento del hielo glacial y desde la erosión 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 la salida subglacial de la capa de hielo antártica , incluida la salida de lagos subglaciales, agrega una cantidad similar de solutos al Océano Austral que 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 con respecto 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. Los 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 soluto, 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 de aproximadamente 13.000 años en el lago Vostok a solo décadas en el lago Whillans. [66] [67]
La morfología de los lagos subglaciales tiene el potencial de cambiar su hidrología y patrones de circulación. Las áreas con el hielo superpuesto más grueso experimentan mayores tasas de derretimiento. Lo opuesto ocurre en áreas donde la capa de hielo es más delgada, lo que permite que se produzca la recongelación del agua del lago. [22] Estas variaciones espaciales en las tasas de derretimiento y congelamiento conducen a la convección interna del agua y a la circulación de solutos, calor y comunidades microbianas en todo el lago subglacial, que variará entre lagos subglaciales de diferentes regiones. [51] [61]
Los sedimentos subglaciales se componen principalmente de till glacial que se formó durante la erosión física del lecho rocoso subglacial . [51] Las condiciones anóxicas prevalecen en estos sedimentos debido al consumo de oxígeno por los microbios, particularmente durante la oxidación del sulfuro . [51] [17] [58] 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 la respiración cuando el oxígeno no está disponible. [59]
Los productos de oxidación de sulfuro pueden mejorar la erosión química de los minerales de carbonato y silicato en sedimentos subglaciales, particularmente en lagos con largos tiempos de residencia. [51] [58] La erosión de los minerales de carbonato y silicato de los sedimentos de los lagos también libera otros iones, incluidos 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 (ver Reservorios de carbono orgánico a continuación). [51]
Las cuencas sedimentarias subglaciales bajo la capa de hielo de la Antártida han acumulado aproximadamente ~21.000 petagramos de carbono orgánico, la mayoría del cual proviene de sedimentos marinos antiguos. [56] Esto es más de 10 veces la cantidad de carbono orgánico contenido en el permafrost del Ártico [68] y puede rivalizar con la cantidad de carbono reactivo en los sedimentos oceánicos modernos, [69] convirtiendo potencialmente a los sedimentos subglaciales en 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]
Los habitantes microbianos de los lagos subglaciales probablemente juegan 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 , creando potencialmente grandes depósitos 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 debajo de los glaciares antárticos y árticos. [73]
La mayor parte del metano que escapa al almacenamiento en los sedimentos de los lagos subglaciales parece ser consumido por bacterias metanotróficas en las aguas superiores 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 debajo de la capa de hielo de Groenlandia . [74]
También se cree que las aguas subglaciales antárticas contienen cantidades sustanciales de carbono orgánico en forma de carbono orgánico disuelto y biomasa bacteriana. [12] Con un estimado de 1,03 x 10 −2 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 (5,10 x 10 −1 petagramos). [12] Este reservorio relativamente más pequeño, pero potencialmente más reactivo, de carbono orgánico subglacial puede representar otra brecha en la comprensión de los científicos sobre el ciclo global del carbono . [12]
Originalmente se suponía 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 aguas de lagos subglaciales, sedimentos y hielo acretado. [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] Investigar la diversidad microbiana y las 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.
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 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 . [36] En los ecosistemas subglaciales, la quimiosíntesis es llevada a cabo principalmente por microbios quimiolitoautotróficos . [76] [63] [77]
Al igual que las plantas, los quimiolitoautótrofos fijan el dióxido de carbono (CO2 ) en carbono orgánico nuevo, 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 meteorizados de los sedimentos. [9]
Además de movilizar elementos de los sedimentos, los quimiolitoautótrofos crean suficiente materia orgánica nueva para sustentar a las bacterias heterótrofas en los ecosistemas subglaciales. [36] [63] Las bacterias heterótrofas consumen el material orgánico producido por los quimiolitoautótrofos, así como también consumen materia orgánica de los sedimentos o del hielo glacial derretido. [12] [53] 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 en lugar del crecimiento. [63] Las tasas lentas 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 las 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 alimentarias subglaciales. [49] [80] Si estuvieran presentes, estos organismos podrían sobrevivir consumiendo bacterias y otros microbios.
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 considerado al fósforo como el nutriente limitante que restringe el crecimiento en el ecosistema, aunque la co-limitación por el suministro de nitrógeno y fósforo parece más común. [82] [83] 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 relación de nitrógeno a fósforo es muy baja en comparación con la relación Redfield . [36] Un experimento mostró que las bacterias del lago Whillans crecieron ligeramente más rápido cuando se les suministró fósforo y nitrógeno, lo que potencialmente contradice la idea de que el crecimiento en estos ecosistemas está limitado solo por el nitrógeno. [63]
La exploración biológica de los lagos subglaciales se ha centrado en la Antártida, pero los desafíos financieros y logísticos que supone perforar la capa de hielo de la Antártida para la recogida de muestras han limitado el éxito de los muestreos directos de las aguas de los lagos subglaciales antárticos a los lagos Whillans y Mercer . También se han muestreado lagos subglaciales volcánicos situados bajo la capa de hielo Vatnajökull de Islandia .
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 3.914 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 , Sideroxians y especies pscyhrophilic Polaromonas . [36] [79]
En enero de 2019, el equipo SALSA recolectó muestras de sedimentos 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 el potencial 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 a través del análisis del hielo de acreción del fondo de los núcleos de hielo tomados durante los esfuerzos de perforación rusos 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] Algo de ADN parecía provenir de eucariotas multicelulares , incluidas especies aparentemente relacionadas con Daphnia de agua dulce , tardígrados y moluscos . [80] Estas especies pueden haber sobrevivido en el lago y haberse adaptado lentamente a las condiciones cambiantes desde que Vostok estuvo expuesto por última vez a la atmósfera hace millones de años. Sin embargo, las muestras probablemente se contaminaron con fluido de perforación mientras se recolectaban, por lo que algunos de los organismos identificados probablemente no vivían en el lago. [85]
Otros esfuerzos de muestreo subglacial en la Antártida incluyen el estanque subglacial de agua anóxica e hipersalina debajo del glaciar Taylor , que alberga una comunidad microbiana que estuvo aislada de la atmósfera hace 1,5 a 2 millones de años. [86] Las bacterias debajo del glaciar Taylor parecen tener una nueva estrategia metabólica que utiliza iones de sulfato y férricos para descomponer la materia orgánica . [86]
No se ha intentado tomar muestras directas 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 poco probable que estén activas dentro del hielo. [87]
Los lagos subglaciales bajo el manto glaciar 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 sedimentos del lago inferior. [88] Se han descubierto bacterias psicrofílicas y autótrofas activas en el lago debajo de la caldera volcánica Grímsvötn . [89] También se ha encontrado una comunidad microbiana de baja diversidad en los lagos subglaciales del este de 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 Skaftá occidental, las aguas anóxicas del fondo parecen estar dominadas por bacterias productoras de acetato en lugar de metanógenos . [81]
En algunos casos, las aguas de lagos subglaciales han estado 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 antártico implica que las aguas del lago probablemente no han estado aisladas durante toda la vida útil 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 de la Tierra con hielo durante 10 millones de años. [91] La vida habría sobrevivido principalmente en entornos glaciares y subglaciales, lo que hace que los lagos subglaciales modernos sean un sistema de estudio importante para comprender este período en la historia de la Tierra. Más recientemente, los lagos subglaciales en Islandia pueden haber proporcionado un refugio para anfípodos subterráneos durante el período glaciar Cuaternario . [92]
Los lagos subglaciales son un entorno análogo a los 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 entornos similares en cuerpos extraterrestres. [11] [10] Los lagos subglaciales también proporcionan sistemas de estudio para planificar esfuerzos de investigación en lugares remotos, logísticamente desafiantes y sensibles a la contaminación biológica. [93] [94]
La luna Europa de Júpiter y la luna Encélado 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 Encélado alberga un océano subglacial. [95] [96] El análisis satelital de una columna de vapor de agua helada que escapa de las fisuras en la superficie de Encélado revela una importante producción subterránea de hidrógeno, lo que puede indicar la reducción de minerales que contienen hierro y materia orgánica . [97]
En 2018 se descubrió un lago subglacial en Marte utilizando RES en 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 debajo de la capa de hielo. [99]
