Subglaziale Seen, die nie das Tageslicht erblicken, gehören zu den am wenigsten zugänglichen Grenzen der Wissenschaft und sind voller noch unerzählter Geschichten, als selbst die Planeten unseres Sonnensystems. Eines scheint sicher: Wo es Wasser gibt, gibt es Leben – selbst wenn sich das Wasser auf dem Grund eines kalten Sees befindet, in völliger Dunkelheit, unter mehr als einer halben Meile des westantarktischen Eisschilds.
Wie in berichtet AGU Fortschritte, analysierten Wissenschaftler den chemischen Fingerabdruck des Ozeans und von Mikroben, die aus Sedimenten und Wasser am Grund eines subglazialen Sees namens Mercer Lake gewonnen wurden, um erstmals zu beschreiben, wo die lebhaften Mikroben Kohlenstoff, die Energiequelle des Tages, gewinnen und ihn bewegen durch dieses äußerst desolate System. Sie verwendeten die Daten aus dem Sediment, den Mikroben und dem Kohlenstoffkreislauf, um auf die geologische Geschichte dieser Region zu schließen, und die Ergebnisse überraschten sie.
Während sie zuvor dachten, dass das Eis über dem Mercer Lake bis zu Hunderten von Jahrtausenden stabil gewesen sei, bestätigt diese neue Arbeit, dass der See vor etwa 6.000 Jahren mit dem Ozean verbunden war und die westantarktische Eisdecke kleiner war als heute. Dies war eine Zeit, in der das Klima relativ zum Ende der letzten Eiszeit und sogar zum heutigen anthropogenen Klimawandel stabil war.
„Dies ist das erste Mal, dass wir einen eindeutigen geologischen Beweis dafür haben, dass die Grundlinie des westantarktischen Eisschilds, die wie seine Küstenlinie ist, wo das Eis auf den Ozean trifft, mindestens 250 Kilometer weiter landeinwärts lag als heute – möglicherweise mehr.“ sagte Ryan Venturelli, Hauptautor der Studie und Assistenzprofessor an der Colorado School of Mines. Venturelli führte die Arbeit mit ihrem ehemaligen Ph.D. Berater, Meeresgeologe Brad Rosenheim am College of Marine Science der University of South Florida.
Mit anderen Worten, vor nur wenigen tausend Jahren zog sich der westantarktische Eisschild um etwa 155 Meilen zurück – ein paar Dutzend Meilen weniger als die Entfernung von New York nach Boston – bevor er wieder zu seiner modernen Konfiguration wuchs.
„Dies sind echte Zahlen aus Wasser- und Sedimentproben, die jetzt zur Validierung von Eisschildmodellen verwendet werden können“, sagte Venturelli.
Venturelli und Rosenheim holten die Proben aus dem Mercer Lake, ein paar hundert Meilen vom Südpol entfernt, als Teil eines 25-köpfigen Teams auf der historischen Expedition namens Subglacial Antarctic Lake Scientific Access oder SALSA. Sie waren von Dezember 2018 bis Januar 2019 vor Ort. Das Team verwendete einen sauber zugänglichen, kundenspezifischen Heißwasserbohrer, um den bislang längsten Kern aus einem subglazialen See zu entnehmen – etwa zwei Meter lang. Sie bohrten sich durch mehr als eine halbe Meile Eis, um es zu bekommen, und arbeiteten gegen die Uhr, während das mit Wasser gefüllte Loch wieder zufror.
Es war erst das zweite Mal in der Geschichte, dass Wissenschaftler einen Sedimentkern aus einem subglazialen See entnommen haben. (Der erste wurde 2013 aus Lake Whillans geborgen.)
„Diese Arbeit ist für uns ein großer Schritt nach vorne“, sagte Rosenheim. „Wir dachten, der Gletscher würde sich dorthin zurückziehen, wo er jetzt ist, aber er ging weit darüber hinaus, was darauf hindeutet, dass das Eis viel dynamischer ist, als wir dachten. Jetzt müssen wir dieses neue Verständnis in Modelle integrieren, damit wir besser vorhersagen können was in der Zukunft passieren kann, wenn sich der Planet erwärmt.“
Das Team verwendete Werkzeuge der Geochemie, einschließlich Isotopenanalysen und Radiokohlenstoffdatierung, um herauszufinden, wie Kohlenstoff durch das System zirkuliert. Sie kombinierten dies mit bekannten Schätzungen des mikrobiellen Stoffwechsels, um mathematisch zu bestätigen, wann sich die Erdungslinie des westantarktischen Eisschilds zurückzog.
„Vor dieser Studie hatten wir das maximale Ausmaß der letzten Deglaziation noch nicht bestätigt“, sagte Venturelli.
6.000 Jahre alter Kohlenstoff schmeckt einfach gut
„Es stellt sich heraus, dass die Bakterien, die in dieser Umgebung leben, robuste kleine Kerlchen sind, die mit dem auskommen, was sie dort unten haben“, sagte Venturelli. „Dieses Projekt bestätigt wirklich, dass dort, wo es Wasser gibt, Leben bestehen kann.“
Die Mikroben im See ernähren sich von 6.000 Jahre altem Kohlenstoff, der eingeführt wurde, als diese Region noch mit dem Ozean verbunden war.
Zur Erinnerung: Es gibt dort unten keine Sonne, die das Leben durch Photosynthese antreibt, wie es in den meisten Seen auf der Erde der Fall ist. „Dies ist kein See, wie wir ihn kennen“, sagte der Co-Autor der Studie und Mikrobenexperte Brent Christner von der University of Florida. „In Mercer Lake können die Mikroben zusätzlich zu diesem Kohlenstoffvorkommen von vor 6.000 Jahren chemische Energie aus physikalischen Prozessen nutzen, die mit der Eisdecke selbst verbunden sind“, sagte Christner.
Wenn sich das Eis bewegt, wird das darunter liegende Gestein in kleine Partikel pulverisiert, die im Wasser mobilisiert werden, und die Mikroben – hauptsächlich Bakterien und Archaeen – greifen während eines Prozesses namens Chemosynthese auf diese Mineralien zur Energiegewinnung zu. Archaea sind Mikroorganismen, die sich von Bakterien unterscheiden, die in anderen extremen Umgebungen gefunden wurden, wie z. B. heißen Quellen an Land und hydrothermalen Quellen in der Tiefsee.
Der Kohlenstoffvorrat im Sediment am Grund des Mercer Lake ist mindestens 100-mal größer als jeder andere Kohlenstoffvorrat im Kreislauf – und die Mikroben nutzen ihn effizient, sagte Venturelli. Sie nutzen auch Kohlenstoff, der aus stromaufwärts gelegenen Gewässern in das System eingebracht wird. Subglaziale Seen können kurzlebig sein und ähneln eher einem geflochtenen subglazialen Flusssystem als einem abgeschlossenen Seensystem.
„Stellen Sie sich diese Seen nicht als getrennte Ökosysteme vor, sondern als ein Netzwerk von Gemeinschaften, die durch den Transport von Wasser und Sedimenten miteinander verbunden sind“, sagte Christner.
Das Gesamtbild malen
Das Schicksal der antarktischen Eisdecke hat außergewöhnliche Auswirkungen auf den weltweiten Anstieg des Meeresspiegels. Wenn der gesamte westantarktische Eisschild schmelzen würde, würden Schätzungen zufolge die Küstenlinie rund um den Globus um mehr als 2,6 Meter verlängert.
„In der Klimawissenschaft gibt es viel hoffnungsloses Unheil und Finsternis“, sagte Venturelli. „Ich finde Hoffnung in der Tatsache, dass diese Arbeit hervorhebt, dass die Eisschilde viel dynamischer sind, als wir bisher angenommen haben, und wir müssen diese Idee der Reversibilität untersuchen – was waren die Zwangsmechanismen, die dazu geführt haben, dass sich das Eisschild wieder wohin bewegt hat ist es heute? – damit wir Zukunftsszenarien besser vorhersagen können.“
Wissenschaftler schätzen, dass es in der Antarktis möglicherweise mehr als 650 subglaziale Seen gibt – also haben sie zwischen dieser Kernstudie und der ersten im Jahr 2013 buchstäblich gerade erst begonnen, mit zwei Hauptdatenpunkten an der Oberfläche ihrer Geheimnisse zu kratzen. Aber eines ist sicher, sagt Venturelli: Ein Blick auf die Gletscherbasis, insbesondere auf das Wasser und die Sedimente in diesen subglazialen Seensystemen, sei die zusätzliche Mühe wert.
„Wir hätten diese Dinge nicht lernen können, indem wir von außen von einem Schiff aus in Meeressedimente stocherten“, sagte sie. „Manchmal braucht es einen neuen Blick auf ein altes Problem, um wirklich spannende Erkenntnisse zutage zu fördern.“
Mehr Informationen:
Ryan A. Venturelli et al, Beschränkungen für den Zeitpunkt und das Ausmaß des Rückzugs der deglazialen Erdungslinie in der Westantarktis, AGU Fortschritte (2023). DOI: 10.1029/2022AV000846