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Findet Leben einen Weg, um nach tausenden von Jahren Abgeschiedenheit in Seen, die unter antarktischem Eis verschlossen sind, zu existieren. Diese Frage hat ein Team von Forschern und Bohringenieuren im Südsommer 2018/19 sechs Wochen lang beantwortet und dabei über 1‘067 Meter Eis durchbohrt, um den im Jahr 2007 zufällig entdeckten Mercer Subglacial Lake zu untersuchen.
Teilweise versuchen Forscher des Projekts SALSA (Subglacial Antarctic Lakes Scientific Access) besser zu verstehen, wie sich die Eisdecke der Westantarktis verhält und wie ihre Zukunft in einer sich erwärmenden Welt aussehen könnte. Die Wissenschaftler wollen aber auch wissen, was unter dem Eis in einer Umgebung passiert, die seit tausenden, vielleicht auch hunderttausenden von Jahren von der Aussenwelt abgeschnitten sind. Es gibt ein ganzes System von Wasser, das unter dem Eis fließt. Es besteht die Möglichkeit, dass mikroskopische Kreaturen in dieser Umgebung gedeihen, obwohl sie vollständig von der Sonne und der Atmosphäre abgeschnitten sind. Der einzige Weg, um ein vollständiges Bild von den Vorgängen unter dem Eis zu erhalten, bestand darin, sorgfältig hinein zu bohren und direkt Wasser- und Sedimentproben zu nehmen. „Wir haben uns alle zu diesem interdisziplinären Projekt zusammengeschlossen“, sagte John Priscu, Ökologe an der Montana State University und leitender Wissenschaftler des Projekts.
Sauber halten
Auf dem Höhepunkt Ende Dezember 2018 lebten im SALSA-Camp mehr als 50 Wissenschaftler, Ingenieure und Hilfspersonal. Um all ihre Vorräte, die Bohrmaschine und die gesamte wissenschaftliche Ausrüstung zum Standort zu transportieren, musste das Team sie mehr als 1‘000 Kilometer von der amerikanischen McMurdo Station über das karge Ross-Schelfeis und die Whillans- und Mercer-Eisströme transportieren. In zwei Saisons schleppten Traktoren fast eine 500‘000 Kilogramm Ausrüstung und Material zum und vom entfernten Standort.
Sobald die gesamte Ausrüstung eingetroffen und das Lager eingerichtet war, machten sich das Bohr-Team daran, mit ihrem Heißwasserbohrer ein tiefes Loch in die Eisdecke zu schmelzen, um den See in mehr als 1.000 Metern Tiefe zu erreichen. Das Bohren selbst dauerte ungefähr eine Woche Als sie den See erreichten waren sie bereit ihre ersten Proben vom See zu nehmen.
Sie mussten aber vorsichtig sein. Ausschlaggebend für diese Bemühungen war, sicherzustellen, dass der gesamte Prozess so sauber wie möglich ist, um die darunter liegende Umwelt zu schützen.
„Ein sauberer Zugang ist aus zwei Gründen wirklich wichtig. Zum einen, um den Kontinent zu schützen. Es ist der letzte unberührte Ort“, sagte Priscu. „Zweitens, um unsere Proben zu schützen, damit wir sie nicht kontaminiert werden.“
Bereits vor Beginn der Bohrarbeiten haben die Forscher zahlreiche Schritte unternommen, um sicherzustellen, dass der gesamte Prozess sauber und frei von Verunreinigungen ist. Die Heißwasserbohrmaschine verwendet gefiltertes Wasser mit einer Temperatur, die hoch genug ist, um das Wasser im Wesentlichen zu pasteurisieren und alle darin eingetauchten Oberflächenmikroben abzutöten. Alle wissenschaftlichen Geräte und Instrumente, die das Bohrloch in den See hinuntergingen, wurden gründlich gereinigt und mit Desinfektionsmittel besprüht, um zu verhindern, dass per Anhalter Mikroben das darunter liegende Ökosystem stören. Darüber hinaus installierte das Team an der Oberfläche einen Ring mit leistungsstarken UV-Lichtquellen, um alle Geräte weiter zu sterilisieren. „Alles, was in dieses Bohrloch ging, geht durch diesen riesigen UV-Lampenring, der einen Hot Dog kochen könnte“, sagte Priscu.
Jagd nach Kohlenstoff
Kohlenstoff ist der Schlüssel, um zu verstehen, was unter dem Eis passiert. Das Element ist für das Funktionieren des Lebens von entscheidender Bedeutung. Wenn man also versteht, wie Organismen Kohlenstoff verbrauchen und verarbeiten, kann man viel über eine Nahrungskette erfahren. „Wir verwenden eine spezielle Radiokarbon-Technik, die ich entwickelt habe, um festzustellen, ob Radiokarbon vorhanden ist oder nicht“, sagte Brad Rosenheim, Meereswissenschaftler an der University of South Florida. „Der Grund dafür ist, dass wenn sich in einer dieser Proben Radiokohlenstoff befindet, diese in Kontakt mit der Atmosphäre sein mussten, in der sich in den letzten 50.000 Jahren Radiokohlenstoff gebildet hat.“
Es ist schwierig, festzustellen, wie lange es die westantarktische Eisdecke schon gibt. Mikrofossilien, die in anderen nahe gelegenen Regionen im Sediment unter dem Eis eingebettet gefunden wurden, zeigen, dass die Eisdecken der Antarktis vor fünf bis 15 Millionen Jahren ein Schatten dessen waren, was sie heute sind. „Die Eisdecke war viel kleiner, das Meer hätte eine größere Fläche bedeckt, und das wäre eine Meeresbucht oder eine riesige große Bucht gewesen“, sagte Mark Skidmore, Erdwissenschaftler an der Montana State University.
Aber wie oft sich der Eisschild gebildet, zusammengebrochen und erneut reformiert hat, ist eine große offene Frage. Wenn es vor vielen Hunderttausenden oder sogar Millionen von Jahren zu formen begann und bis jetzt solide blieb, würde jeder Kohlenstoff dort unten uralt sein, und wissenschaftliche Werkzeuge würden es Forschern ermöglichen, es sehr genau zu datieren.
Das von Rosenheim analysierte Kohlenstoffisotop Kohlenstoff-14 ist leicht radioaktiv und bildet sich nur, wenn Kohlenstoff den kosmischen Strahlen der Sonne ausgesetzt wird. Spurenmengen sind in allen terrestrischen und marinen Ökosystemen allgegenwärtig. In Umgebungen, die von der Atmosphäre isoliert sind, z. B. unter mehr als tausend Metern Eis, zerfällt der vorhandene Funkkohlenstoff jedoch mit vorhersehbarer Geschwindigkeit und kann nicht wieder aufgefüllt werden, sodass er schließlich vollständig aus dem System verschwindet.
Wenn das Team in seinen Proben Radiokohlenstoff findet, bedeutet dies, dass das Eis die Region seit höchstens 50.000 Jahren bedeckt hat und die Eisdecke der Westantarktis möglicherweise weniger stabil und anfälliger für einen Zusammenbruch ist, wenn sich das Klima erwärmt.
„Unter der Antarktis ist möglicherweise viel Kohlenstoff gespeichert, und wenn der Eisschild der Westantarktis relativ schnell schmilzt, was einige Modelle vorhersagen, besteht das Potenzial, viel Kohlenstoff freizulegen und / oder freizusetzen“, sagte Skidmore. „Es gab viele Debatten und Diskussionen darüber, ob unter dem Eis möglicherweise viel Methan produziert wird. Wenn das Eis relativ schnell schmilzt, wird es in die Atmosphäre freigesetzt.“
Es lebt
Gleichzeitig untersuchen die Forscher auch den Kohlenstoffkreislauf der Lebewesen, die derzeit in den kalten Tiefen leben. „Der Lake Mercer wird von Mikroben dominiert“, sagte Wei Li, ein Mikrobiologe an der Montana State University. „Ich schaue, wer dort lebt und warum sie dort leben und wie sie dort leben. Das Erste ist, herauszufinden, ob es dort Leben gibt und welche Art von Biodichte es gibt“, sagte Li. „Wir haben Wasser aufgenommen, ein spezielles Mikroskop im Feldlabor eingerichtet und die DNA mit einem Farbstoff eingefärbt, damit die Bakterien unter dem Mikroskop aufleuchten. Dann zählen wir die Zellen und sehen ihre Morphologie an, um herauszufinden, wie dicht sie am Lake Mercer sind. Das gibt uns einen ersten Eindruck von der Lebenssituation dort unten.“
Erste Ergebnisse zeigen, dass es für die Organismen schwierig ist, in dieser dunklen, isolierten Umgebungen zu überleben. Nährstoffe sind selten und das Leben ist spärlich. Li arbeitet jetzt daran zu verstehen, welche Art von Organismen es gibt und wie sie den Kohlenstoff verbrauchen, der in der Nähe ist. Li und andere Biologen des SALSA-Teams wollen herausfinden, was das Ökosystem dominiert: ob es Organismen sind, die aus dem vorhandenen anorganischen Kohlenstoff (Autotrophen) ihre eigenen Lebensmittel herstellen können oder Organismen, die sich von anderen Organismen ernähren.
„Um die Materialquellen zu identifizieren, die das Leben in diesem einzigartigen Ökosystem unterstützen, untersuchen die Wissenschaftler des Teams alle Arten von Analysen, insbesondere stabile Isotopenmessungen“, sagte Li. „Das gibt uns eine enorme Menge an Informationen darüber, wie sich die Umwelt gebildet hat und wo die Quellen für Wasser, organischen Kohlenstoff und Sedimente liegen.“
Der Multi-Corer ist ein leistungsfähiges Instrument, um den Kohlenstoffkreislauf des Ökosystems zu verstehen, aber sie mussten vorsichtig sein, ihn an derselben Stelle wie das Forscherteam zu verwenden, das versucht, radioaktive Kohlenstoffisotope zu verwenden, um das Sediment zu datieren.
Der natürlich vorkommende Radiokohlenstoff, den Wissenschaftler zur Kohlenstoffdatierung verwenden, tritt in solchen Spuren auf, dass die Teams zusätzliche Schritte unternehmen mussten, um sicherzustellen, dass die Proben nicht versehentlich kontaminiert wurden.
Um dies zu verhindern, bauten die Wissenschaftler zwei völlig getrennte Labore für die Experimente. Eines, in dem die Forscher ihren Tracer-Radiokohlenstoff verwenden konnten, und eines, das als radiokohlenstofffrei eingestuft wurde, in dem sie Proben kohlenstoffdatieren konnten, ohne sich um Kontaminationen zu sorgen.
„Wir treffen sehr strenge Vorsichtsmaßnahmen, um die Anzahl der Frequenzweichen zu begrenzen“, sagte Rosenheim. „Nicht einmal ein Schraubenzieher sollte sich zwischen den Laboren bewegen, geschweige denn eine Person.“
Es ist das erste Mal, dass diese beiden Techniken so nah beieinander eingesetzt werden. Die Forscher entwickelten diese „getrennte Umgebung“, um Forschungstechniken direkt nebeneinander anwenden zu können. Die beiden Techniken ergänzen sich gegenseitig und ermöglichen Forschern ein umfassenderes Verständnis sowohl der alten Geschichte als auch der gegenwärtigen Bedingungen des Sees, wodurch sich die Menge der während des Projekts gesammelten Informationen erheblich erhöht.
Die Forscher stöbern noch immer in den zahlreichen Proben, die sie während ihrer Zeit auf der Eisdecke entnommen haben. Mit so vielen Aufgaben werden die Mitglieder des Teams in den kommenden Monaten mikrobielle DNA-Sequenzen erstellen, Wasser analysieren und fossile Proben untersuchen.
„Wir werden viel Zeit in Labors verbringen, in denen Studenten Mikroproben untersuchen, Proben verarbeiten und die Ergebnisse analysieren“, sagte Priscu und fügte hinzu, dass SALSA neben den mehr als 25 US-amerikanischen Wissenschaftlern auch internationale Mitarbeiter hat. „Wir haben Samples, die nach Korea gehen, wir haben Samples, die nach Italien gehen, wir haben Samples, die nach Großbritannien gehen. Also gibt es viel zu tun und viel zu verfolgen.“
Quelle: Antarctic Sun