Достижения ученых на пути к разгадке тайн Антарктиды

25 июля 2014 г.

5 февраля 2012 г. на российской антарктической станции Восток произошло событие, которое стало мировым достижением отечественных ученых: на глубине 3769,3 м буровой снаряд впервые в мире вошел в воды подледникового озера Антарктиды - Восток.

Проникновение в воды реликтового озера открыло уникальные возможности для ученых различных профилей по исследованию этого природного феномена, изолированного от биоты Земли более 15 млн. лет. Проведение комплексных биогеохимических работ с водой антарктического озера Восток, поиск следов микробной (и иной) жизни по ДНК «отпечаткам» в воде, во льду и снеге ответят на принципиальный вопрос о возможности существования жизни в экстремальных природных условиях, а изучение донных отложений даст информацию о природных ресурсах, скрываемых под толщей льдов Антарктиды. Все эти исследования закрепляют приоритет России в Антарктиде.

5 июня 2014 года в штаб-квартире Русского географического общества состоялась торжественная церемония вручения государственных наград организаторам и участникам проекта проникновения в подледниковое озеро Восток в Антарктиде. Высокую награду - «Орден Почета» лично из рук Президента РФ В.В. Путина получил заместитель директора по научной работе ФГБУ «ПИЯФ» НИЦ «Курчатовский институт» руководитель Отделения перспективных разработок Виктор Федорович Ежов. Этой наградой отмечен многолетний вклад всех сотрудников ПИЯФ НИЦ КИ, принимающих участие в этом уникальном проекте.

В сегодняшнем выпуске Виктор Федорович рассказывает об Антарктиде, истории развития проекта «Подледниковое озеро Восток» и участии ученых ПИЯФ в данном проекте.

Антарктида является последним ресурсным резервом человечества на Земле. Ее недра содержат значительное количество полезных ископаемых. В Антарктиде расположено около 80% мирового запаса пресной воды. Общий объем углеводородного сырья, находящегося на шельфе антарктических морей составляет от 35 до 51 млрд. тонн условного топлива. Антарктида, подобно Гольфстриму в Северном полушарии, является климатообразующим фактором для всей Земли. В ледниковом покрове Антарктиды записана информация о климате и составе атмосферы за последние полтора миллиона лет. Она является уникальным полигоном для изучения процессов, происходящих в Земной коре, а также в Космосе. По изотопному составу различных слоев льда можно определить уровень солнечной активности на протяжении последних тысячелетий.

В 1988 году мировое антарктическое сообщество приняло Конвенцию по регулированию освоения минеральных ресурсов континента. Однако в законную силу конвенция не вступила, поскольку правительства Австралии и Франции отказались ее ратифицировать. Вместо конвенции в 1991 году был принят Протокол по охране окружающей среды, который вступил в силу в 1997 году. Статья 7 этого документа запрещает в Антарктиде любую деятельность по освоению минеральных ресурсов, кроме научной. Срок действия протокола - 50 лет. Но надо быть готовыми к тому, что цены на рынках полезных ископаемых могут оказать серьезное влияние на принятие мировым сообществом новых решений по этому вопросу.

Сегодня Российская Федерация юридически продолжает осуществлять права и выполнять обязанности, вытекающие из договоров, заключенных СССР. Таким образом, никаких специальных заявлений Российской Федерации в отношении Договора об Антарктике не требуется. В сентябре 2001 года российское правительство рассматривало вопрос о целесообразности финансирования антарктических станций и высказалось в пользу продолжения научных программ. Надо отметить, что если бы государство сочло нецелесообразным продолжение исследований в Антарктике, то России пришлось бы в течение 10 лет вывозить оборудование и эвакуировать людей, что обошлось бы в 120 миллионов долларов. Было значительно дешевле продолжить эксплуатацию антарктических станций – тем более, что гипотезы о глобальном потеплении климата и другие актуальные проблемы делают Антарктику привлекательной и для ученых, и для потенциальных инвесторов.

В оазисах Антарктиды и на субантарктических островах располагается большое число озер с различным химическим и физическим составом вод, биоразнообразием и ледовым режимом. Некоторые из таких озер вскрываются ото льда каждый год, некоторые - один раз в несколько лет, другие не освобождались от ледового покрова за весь 50-60-летний период регулярных наблюдений. Есть озера пресноводные, есть сильно минерализированные, иногда под поверхностными пресными водами находится «подстилка» из соленой воды. Ни рыб, ни членистоногих в антарктических озерах пока не обнаружили. Жизнь в озерах, как правило, представлена бактериями, грибами, водорослями и другими простейшими. Глубина в таких озерах варьируется от нескольких десятков до сотен метров. В центральных районах Антарктиды под мощным ледяным щитом (до 4 км) располагаются подледниковые озера. Теоретически возможность их образования предсказал еще в 60-е годы XX века отечественный гляциолог член-корреспондент РАН Игорь Зотиков.

В 1996 г. зарегистрировано последнее географическое открытие XX века. Им стало открытие под Российской внутриконтинентальной станцией «Восток» в Антарктиде самого большого (до 300 км в длину и до 50 км в ширину) подледникового озера, скрытого под 4 км толщей льда. Озеро получило одноименное со станцией название – Восток. По площади водного зеркала (10 тыс. кв. км) оно сравнимо с такими известными озерами, как Онежское, Чад и Титикака. Уникальность озера в том, что оно изолировано от биосферы Земли около 15 млн. лет. Огромная толща льда скрывает воды Востока, которые могут служить убежищем древних бактерий.

Полное отсутствие света, высокое давление (до 400 атм.), специфический газовый и химический состав воды, а также продолжительная изоляция озера предполагают возможность возникновения и развития здесь форм жизни, существенно отличающихся от известных современной науке. Изучение, возможно сохранившихся, реликтовых видов микроорганизмов будет способствовать лучшему пониманию процессов развития жизни как на нашей планете, так и на других планетах солнечной системы. Значительные размеры позволяют рассматривать его в качестве земного аналога морей, предположительно существующих под ледяными панцирями на спутниках Юпитера Европа и Каллисто. В связи с этим, район озера Восток может служить полигоном для отработки методов и средств обнаружения и изучения жизни в экстремальных, в том числе и внеземных условиях.

Первая попытка проникновения в толщу ледника на станции Восток была предпринята начальником станции В.С. Игнатовым еще в 1959 г. С помощью электрического нагревателя он проплавил первые 40 м ледника. Дальше бур не продвигался, а лишь кипятил воду в скважине, увеличивая ее диаметр. В 1960 г. И.А. Зотиков изготовил в мастерских станции Мирный термобур с отсосом воды со дна скважины в специальный контейнер. Однако на станции Восток – абсолютном полюсе холода нашей планеты, и эта установка вмерзла в лед на глубине 50 м. Настоящее глубокое бурение началось в 1967 г. с приходом в Антарктиду буровиков Ленинградского горного института под руководством Б.Б. Кудряшова.

Специально для Антарктиды советские ученые и инженеры сконструировали ряд оригинальных термобуровых устройств. Первый термобуровой снаряд, разработанный в Ленинградском (сейчас - Санкт-Петербургском) горном институте совместно с Арктическим и антарктическим НИИ, один из его изобретателей профессор Б. Б. Кудряшов назвал гибридом электроплитки с пылесосом, поскольку снаряд представлял собой нагревательный элемент в виде кольца, прикрепленного к торцу трубы. Талая вода подхватывалась потоком воздуха, создаваемым в трубе обычным вакуумным насосом, как в пылесосе. С помощью этого устройства в 1972 году полярникам удалось достичь отметки в 952 метра.

Сегодня буровые работы на станции Восток проводятся силами специалистов Санкт-Петербургского государственного горного института, который является основным разработчиком средств и технологий кернового бурения глубоких скважин во льду. Разработанная в России методика бурения уникальна – никому в мире еще не удалось вести бурение на таких глубинах и в столь экстремальных условиях, а тем более со столь высокими скоростями. Никакая другая методика не пригодна для экстремальных условий в районе озера Восток. Более того, данная методика открывает уникальные возможности для проведения буровых работ в других районах Антарктиды как с целью изучения палеоклимата, так и проведения целенаправленных геологических изысканий.

В проекте по проведению комплексных исследований подледникового озера Восток, участвуют ученые и специалисты из 9 научно-исследовательских учреждений: Арктического и антарктического научно-исследовательского института Росгидромета, Санкт-Петербургского государственного горного института им. Г.В. Плеханова, Института микробиологии РАН, Петербургского института ядерной физики им. Б.П. Константинова НИЦ Курчатовский институт (ПИЯФ НИЦ КИ), Всероссийского научно-исследовательского института геологии и минеральных ресурсов Мирового океана, Всероссийского научно-исследовательского геологического института им. А.П. Карпинского, Полярной морской геологоразведочной экспедиции, Института географии Российской Академии наук, Казанского государственного университета Минобразования России.

При бурении скважины был получен ледяной керн длиной около 3.5 км. Собранная при его анализе информация позволила восстановить климатические изменения, происходившие на Земле за 420 тыс. лет. Было выявлено четыре цикла похолоданий и потеплений с периодом в 100 тыс. лет. Интересно отметить, что сейчас мы находимся примерно в максимуме этого сто тысячелетнего цикла потеплений. Эти же керны льда были использованы для микробиологических исследований.

Начиная с глубины 3538 метров скважина вошла в слои так называемого конжеляционного (т.е. озерного) льда, образовавшегося в результате намерзания воды на нижнюю поверхность ледника. В слое этого льда были обнаружены минеральные включения со дна озера Восток. Они характерны для древнего докембрийского (от 570 млн до 3,5 млрд лет назад) периода: иллит, хлорит, кварц, монацит, апатит, циркон и плагиоклаз. Возникает интригующий вопрос: а могла ли в водах озера сохраниться докембрийская жизнь? Исследования керна замерзшей воды озера позволило получить первые данные о химическом, газовом и биологическом составе воды озера. Было установлено, что вода подледникового озера, по-видимому, пересыщена атмосферными газами. Биологами из Петербургского института ядерной физики НИЦ КИ во льду озера Восток обнаружены ДНК термофильных бактерий, которые, очевидно, обитают в гидротермальных водах, циркулирующих по глубинным разломам земной коры под озером. Существование гидротермальной активности на дне озера Восток подтверждается также результатами изотопных исследований озерного льда, выполненных специалистами Арктического и антарктического института, а также данными минералогического анализа включений осадочных пород, которые были обнаружены во льду и исследованы учеными ВНИИ Океангеология и ВСЕГЕИ.

При проведении биологических исследований ледяных кернов, полученных при бурении, основной проблемой является их деконтаминация, т.е. удаление всех привнесенных извне организмов или их ДНК.

Основными методами исследования, впервые примененного биологами Петербургского института ядерной физики НИЦ Курчатовский институт во главе с Булатом Сергеем Алексеевичем для решения этой суперсложной задачи, стали методы молекулярной филогенетики. На практике это выглядит как судебная микробиология, когда по отпечатку ДНК идентифицируют вид микроба. Химический анализ льда и его анализ на содержание пыли показывает, что антарктический лед (особенно до появления там человека) чрезвычайно чист, и его обработка и последующие анализы требуют соблюдения определенных условий. К таким условиям относится необыкновенная чистота всего, с чем соприкасается лед при его обработке. Так, процедуры обработки и анализа проводятся в специальных строго изолированных несколькими шлюзами чистых комнатах, снабженных особой системой фильтрации воздуха, чтобы максимально снизить попадание частиц пыли (размером 0.5 микрона и более). Современное аналитическое химическое оборудование очень чувствительно, прибор «различает» во что вы одеты - в чистую специальную (часто разовую) одежду или в то, в чем сидите в офисе или ходите по улице. Не меньшее значение имеет и вода, которой обмывают лед. Цикл очистки воды, пригодной для работы со льдом, состоит из нескольких этапов. В итоге получают такую ультрачистую воду, по сравнению с которой дважды дистиллированная вода выглядит как слабоминерализованная.

5 февраля 2012 г. на российской антарктической станции «Восток» произошло событие, которое стало мировым достижением отечественных ученых: на глубине 3769.3 м буровой снаряд впервые в мире вошел в воды подледникового озера Антарктиды - Восток. Методика проникновения в озеро, разработанная Российскими учеными, полностью подтвердилась. Благодаря разности давлений в озере и скважине, вода из озера поднялась в скважину, вытесняя при этом буровую жидкость, которой заполнена скважина.

После проникновения в озеро в феврале 2012 г. озерная вода поступила в скважину на высоту 400 м и там замерзла. Керны льда свежезамороженной воды озера Восток были получены в ходе последующего разбуривания скважины в январе 2013 г. во время 58-й Российской Антарктической Экспедиции. Они были доставлены в Петербург в конце мая 2013 г. на борту НИС «Федоров». В ходе бурения в сезон 2012-2013 гг. было пройдено около 200 м. При этом после прохождения около 50 м буровой снаряд отклонился от старого ствола скважины 5Г-2, заполненного свежезамороженной водой. Поэтому, на настоящий момент для исследования озерной воды имеется 54 м кернов льда.

В конце января – начале марта 2013 г. в ПИЯФ НИЦ КИ были завершены биологические исследования намерзшей на буровой снаряд при проникновении в 2012 году озерной воды. В результате этих исследований были получены данные, всесторонний анализ которых позволил выявить одну группу бактерий, которая прошла все контроли на контаминацию. В мировых базах данных этот филотип не только не удалось идентифицировать на уровне вида-рода-семейства (сходство по ДНК последовательности с известными таксонами оказалось менее 86%), но и классифицировать путем филогенетического анализа на уровне филума (крупного раздела Царства Бактерии). Данный результат предварительный, поскольку количество воды, намёрзшей на буровом снаряде, было невелико (150 мл воды).

Сейчас в ПИЯФ НИЦ КИ продолжаются исследования свежезамороженной воды озера Восток, доставленной в Петербург.

После достижения скважиной поверхности озера появилась реальная возможность начать детальное изучение толщи вод и донных отложений подледникового озера «Восток». Основной проблемой при этом является разработка такой технологии проникновения в толщу водной среды озера, при которой будет исключено загрязнение озера буровой жидкостью, заполняющей скважину. Эта задача требует разработки уникальных устройств, регистрирующих гидрофизические, гидрохимические и микробиологические параметры в режиме on-line, а также допускающих стерильный отбор проб воды и грунта в объемах, необходимых для проведения последующих лабораторных анализов. Эти устройства разрабатываются в лабораториях Петербургского института ядерной физики НИЦ КИ.

Гатчинская правда, № 74 (20518) от 8 июля

Читайте также