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氷河下湖は、氷河の下、通常は氷冠または氷床の下に存在する湖です。氷河下湖は、氷とその下の岩盤の境界に形成され、高圧下で氷の融点より高い温度で液体の水が存在できます。 [1] [2]時間の経過とともに、上部の氷は年間数ミリメートルの割合で徐々に溶けます。[3]融解水は氷の下の水圧が高い領域から低い領域へと流れ、何百万年も外部環境から隔離された液体の水の塊を形成します。[1] [4]
南極氷床の下で最初に氷下湖が発見されて以来、南極大陸、グリーンランド氷床の下、アイスランドのヴァトナヨークトル氷帽の下で400以上の氷下湖が発見されています。[5] [6] [7]氷下湖には地球上の液体の淡水のかなりの割合が含まれており、南極の氷下湖の体積だけでも約10,000 km 3、つまり地球上の液体の淡水の約15％と推定されています。[8]
氷河下湖は地球の大気から隔離された生態系であるため、氷、水、堆積物、生物の相互作用の影響を受けています。氷河下湖には、寒冷で栄養分の少ない環境に適応し、太陽からのエネルギー入力に依存しない生物地球化学的循環を促進する極限環境微生物の活発な生物群集が含まれています。 [9]氷河下湖とその住民は、宇宙生物学や地球外生命体の探索の分野で特に興味深いものです。[10] [11]
身体的特徴
氷河湖の水は、地熱が氷の表面での熱損失を相殺するため、液体のままである。上にある氷河からの圧力により、水の融点は0℃以下になる。氷河湖の天井は、水の圧力融点が温度勾配と交差する高さになる。南極最大の氷河湖であるボストーク湖では、湖の上の氷は周囲の氷床よりもはるかに厚い。高塩分氷河湖は、塩分含有量のために液体のままである。[5]
永久氷に覆われた湖のすべてが氷下湖であるとは言えません。通常の湖氷に覆われている湖もあります。永久氷に覆われた湖の例としては、南極のマクマード乾燥谷にあるボニー湖やホア湖、かつては氷下湖だった ホジソン湖などがあります。
静水圧シール
氷河下湖の水は、浮上面が地面の境界面よりはるかに高いことがあります。実際、氷河下湖は、その上の氷が必要な静水圧シールを形成できるほど薄ければ、理論的には丘の頂上にも存在できます。浮上面は、湖に氷を掘削した穴の水位と考えることができます。これは、その上の氷片が通常の棚氷であれば浮くであろう水位に相当します。したがって、天井は、その全周に沿って接地されている棚氷として考えることができ、これが捕捉棚氷と呼ばれている理由です。氷が湖の上を移動するとき、浮上線で湖に入り、接地線で湖を出ます。
静水圧シールは、湖の周囲の氷が非常に高く、等電位面が不浸透性の地面に沈むときに形成される。この氷縁の下の水は、静水圧シールによって湖に押し戻される。ボストーク湖の氷縁はわずか 7 メートルと推定されており、浮遊レベルは湖の天井から約 3 キロメートル上にある。[5]浮遊レベルが高いときに静水圧シールが貫通されると、水はヨークルフラウプに流れ出す。水路が溶けるため、他のプロセスによって流量がさらに速く増加しない限り、流量は指数関数的に増加する。一部の氷底湖では高い水頭が得られるため、ヨークルフラウプの流量は非常に高くなる可能性がある。 [7]氷底湖からの壊滅的な排水はアイスランドでよく知られている危険であり、火山活動によって十分な融解水が生成され、氷のダムや湖のシールが圧倒され、氷河決壊洪水を引き起こす可能性がある。[12]
氷河の動きへの影響
氷河下湖が氷のダイナミクスに及ぼす役割は不明である。確かにグリーンランド氷床では、氷河下水が複雑な方法で氷床の基底運動を強める働きをしている。[13]南極の回復氷河の下にある「回復湖」は、主要な氷河流の源流にあり、この地域のダイナミクスに影響を与えている可能性がある。[14]東南極のバード氷河の速度がわずかに（10%）上昇したのは、氷河下排水イベントの影響を受けた可能性がある。氷河下水の流れは、氷河流が100年単位で移動、加速、または停滞することが知られている下流地域で知られており、氷河下水が氷床の接地線を超えて排出される可能性があることを浮き彫りにしている。[15]
歴史と探検
ロシアの革命家で科学者のピョートル・A・クロポトキンは、 19世紀末に南極氷床の下に液体の淡水があるという考えを初めて提唱した。 [2] [16]彼は、氷床の底の地熱により、氷の下の温度が氷の融点（氷点下）に達する可能性があると示唆した。氷床下の淡水の概念は、ロシアの氷河学者 イゴール・A・ゾティコフによってさらに発展し、彼は理論的分析によって、下面の氷が溶けることで南極の氷が減少する可能性を実証した。[5] 2019年現在、南極には400を超える氷底湖があり、[7]さらに増える可能性があると疑われている。[5]氷底湖は、グリーンランド、 [6]アイスランド、カナダ北部でも発見されている。 [17]
初期の探検
南極における科学の進歩は、1882～1883年、1932～1933年、1957～1958年、2007～2008年の4回の国際極年（IPY）など、いくつかの主要な協力と連携の期間によるものです。1957～1958年のIPYの成功により、南極研究科学委員会（SCAR）と南極条約制度が設立され、氷河下湖を観測するためのより優れた方法論とプロセスを策定する道が開かれました。
1959年と1964年、ロシアの地理学者で探検家のアンドレイ・P・カピツァは、4回のソビエト南極探検のうち2回、地震探査を利用して南極のボストーク基地の地下の地層のプロファイルを作成した。この作業の本来の目的は、南極氷床の広範な調査を行うことだった。しかし、これらの調査で収集されたデータは30年後に使用され、ボストーク湖が氷河下湖であることの発見につながった。[18]
1950年代後半から、英国の物理学者スタン・エバンスとゴードン・ロビンは、氷の厚さを測るために電波氷河学の技術である電波エコー測深（RES）を使い始めました。 [19]氷底湖は、（RES）データによって、静水圧安定性に必要な表面傾斜角の約10倍で氷表面に対して傾斜する連続反射体および鏡面反射体として特定されます。1960年代後半には、彼らはRES機器を航空機に搭載し、南極氷床のデータを取得できるようになりました。 [20] 1971年から1979年の間に、南極氷床はRES機器を使用して広範囲にプロファイルされました。[20] RESを使用する技術は次のとおりです。氷の信号対雑音比を高めるために、50メートルの深さの穴が掘削されます。小さな爆発により音波が発生し、氷を通過します。[7]この音波は反射され、機器によって記録されます。波が下へ移動して戻ってくるのにかかる時間を記録し、氷中の既知の音速を使用して距離に変換します。[20] RES記録は、3つの特定の特徴によって氷底湖を識別できます。1) 氷床ベースからの特に強い反射で、隣接する氷の岩盤反射よりも強い。2) 経路に沿って発生する一定の強さのエコーは、表面が非常に滑らかであることを示します。3) 傾斜が1％未満の非常に平坦で水平な特徴。[21] [22]このアプローチを使用して、カピスタと彼のチームによって17の氷底湖が記録されました[23]。RESはまた、グリーンランドで最初の氷底湖の発見につながり[1]、これらの湖が相互につながっていることを明らかにしました。[3]
南極氷床のRESを用いた体系的なプロファイリングは、1971年から1979年の間に再び実施されました。この間、米国、英国、デンマークの協力により、東南極の約40％、西南極の約80％の調査が可能となり、氷河下の地形や湖の氷の流れの挙動がさらに解明されました。[4]
衛星探査
1990年代初頭、欧州リモートセンシング衛星（ERS-1）のレーダー高度計データにより、南緯82度までの南極の詳細な地図が作成されました。 [24]この画像では、ボストーク湖の北端付近に平坦な表面があることが明らかになり、ERS-1から収集されたデータにより、南極の氷河下湖の地理的分布がさらに明らかになりました。
2005年、ローレンス・グレイと氷河学者のチームは、RADARSATデータから表面氷の沈下と隆起を解釈し始めました。その結果、水の移動の影響を受ける水文学的に「活発な」氷底湖が存在する可能性があることが示されました。[25]
2003年から2009年にかけて、NASAの地球観測システムの一部であるICESat衛星を使用した氷面標高の長距離測定調査により、南極の活発な氷河下湖の大陸規模の地図が初めて作成されました。[25] 2009年には、クック湖が南極大陸で最も水文学的に活発な氷河下湖であることが明らかになりました。この湖の監視と調査には、 ICESat、CryoSat-2、先進宇宙搭載熱放射反射放射計、SPOT5などの他の衛星画像が使用されています。[26] [27]
Gray ら (2005) は、RADARSAT データから氷面の沈下と隆起を、氷河下の湖が満たされたり空になったりしている証拠と解釈し、これを「活動的な」湖と呼んだ。[28] Wingham ら (2006) は、レーダー高度計 (ERS-1) データを使用して、隆起と沈下が同時に起こっていることを示し、湖間の排水を示唆した。[29] NASA の ICESat 衛星はこの概念をさらに発展させる上で重要な役割を果たし、その後の研究でこの現象の広がりが実証された。[30] [31] ICESat は 2007 年に測定を中止し、検出された「活動的な」湖は Smith ら (2009) によってまとめられ、124 のそのような湖が特定された。湖が相互につながっているという認識により、湖を掘削する計画に対する新たな汚染の懸念が生じた (以下のサンプリング調査のセクションを参照)。
1970 年代半ばまで実施された有名な SPRI-NSF-TUD 調査によって、いくつかの湖が特定されました。この最初の調査以降、いくつかの小規模な調査によって南極大陸全体でさらに多くの氷河下湖が発見されました。特に Carter ら (2007) は、(RES) データセットの特性に基づいて、さまざまな氷河下湖のタイプを特定しました。
サンプリング遠征
2010年3月、アメリカ地球物理学連合チャップマン会議（ボルチモア）で第6回氷底湖に関する国際会議が開催された。この会議では、エンジニアや科学者が、温水ドリルの設計、水の測定とサンプリングおよび堆積物の回収のための機器、実験の清潔さと環境管理のプロトコルなど、氷の掘削プロジェクトで使用される機器と戦略について話し合うことができた。[20]この会議の後、SCARは氷の掘削遠征と氷底湖の現場（オンシチュ）測定とサンプリングの行動規範を起草した。この行動規範は、 2011年の南極条約協議国会議（ATCM）で批准された。2011年末までに、3つの別々の氷底湖掘削探査ミッションの実施が予定されていた。
2012年2月、ロシアのボストーク湖氷床コア掘削により、初めて氷底湖にアクセスした。[32]湖水はボーリング孔に溢れ、冬季には凍結し、再凍結した湖水（堆積氷）のサンプルは翌2013年の夏季に回収された。2012年12月、英国の科学者らがクリーンアクセス温水ドリルでエルズワース湖へのアクセスを試みたものの、 [33]機器の故障によりミッションは中止された。[34] 2013年1月、米国主導のウィランズ氷河氷床下アクセス調査掘削（WISSARD）遠征隊が西南極のウィランズ湖の微生物の測定とサンプル採取を行った。 [35] [36] 2018年12月28日、南極氷河下湖科学的アクセス（SALSA）チームは、高圧温水ドリルで1,067メートル（3,501フィート）の氷を溶かし、マーサー湖に到達したと発表しました。 [9]チームは水サンプルと深さ6メートルまでの底質サンプルを採取しました。
分布
南極大陸
南極の約400の氷下湖の大部分は、氷床に覆われた大きな氷下排水盆地がある氷分水嶺の近くに位置しています。最大のものはボストーク湖で、他にコンコルディア湖やオーロラ湖もその大きさで知られています。氷河の近くで確認される湖の数も増えています。[1] 1995年から2003年にかけて東南極氷床を周回したERS-2衛星による高度計調査では、氷床高度の異常が集中していることが示されました[37] 。これは、東南極の湖が氷河下システムによって供給され、氷河下水路を通じて基底融解水が運ばれていることを示しています。
南極最大の氷底湖は、東南極のドームC-ボストーク地域に集中しているが、これは厚い絶縁性の氷と、地殻変動の影響を受けた起伏の多い氷底地形によるものと考えられる。西南極では、エルズワース氷底湖がエルズワース山脈の中にあり、比較的小さく浅い。 [38 ]同じく西南極にあるサイプル海岸氷河流は、ウィランズ湖、エンゲルハート湖、マーサー湖、コンウェイ湖など、多数の小さな氷底湖の上に広がっており、 [38] [39] それらの下部には、ローワーコンウェイ湖 (LSLC) とローワーマーサー湖 (LSLM) と呼ばれる湖がある。[39]南極氷床の縁辺部の氷河後退により、東南極のプログレス湖や南極半島近くのアレクサンダー島南部のホジソン湖など、かつて氷底湖であったものがいくつか発見されている。[40]
グリーンランド
グリーンランド氷床の下にある氷底湖の存在は、ここ 10 年ほどで明らかになったばかりです。[いつ? ] 電波エコー測深測定により、氷床の北西部に 2 つの氷底湖があることが明らかになりました。[1]これらの湖は、基底氷の融解ではなく、近くの氷上湖からの排水によって補給されている可能性があります。 [41]氷床の南西端近くで、別の潜在的な氷底湖が特定されています。氷床の下の円形の窪みは、気候温暖化によって最近湖が排水されたことを示しています。[42]このような排水は、氷上融解水の貯蔵による氷床の底への熱伝達と相まって、氷の流れの速度とグリーンランド氷床の全体的な動作に影響を与えると考えられています。[41]
アイスランド
アイスランドの大部分は火山活動が活発で、2つの氷冠の下では大量の融解水が生成されます。この融解水は盆地や氷の大釜にも蓄積し、氷底湖を形成します。[7]これらの湖は、地熱噴出孔から氷冠の底への熱の輸送メカニズムとして機能し、その結果、排水によって失われた水を補充するために基底氷が溶けることがよくあります。[43]アイスランドの氷底湖の大部分は、ヴァトナヨークトル氷冠とミールダルスヨークトル氷冠の下にあり、そこでは熱水活動による融解により永久的な窪みが形成され、そこに融解水が満たされます。[7]氷底湖からの壊滅的な排水はアイスランドで知られている危険であり、火山活動により十分な融解水が生成され、氷のダムや湖のアザラシが圧倒され、氷河決壊による洪水を引き起こす可能性があります。[44]
グリムスヴェットンは、おそらくヴァトナヨークトル氷床の氷底湖の中で最もよく知られている。氷床の下にある他の湖は、スカトファ、パルスフィヨル、クヴェルクフィヨルの大釜の中にある。[7]注目すべきことに、グリムスヴェットンの氷底湖の水圧封鎖は、1996年にギャルプ火山の噴火による大量の融解水によってグリムスヴェットンの氷のダムが隆起するまで、そのまま残っていた。[45]
もう一つの重要な氷河湖の場所であるミールダルスヨークトル氷帽は、カトラ火山系の最南端にある活火山カルデラ系の上にあります。[ 44 ]ミールダルスヨークトル氷帽の下の熱水活動は、3つの主要な氷河下排水盆地に囲まれた領域内に少なくとも12の小さな窪みを作り出したと考えられています。[7]これらの窪みの多くには、火山の噴火による大規模で壊滅的な排水イベントの影響を受ける氷河下湖があり、近くの人々に重大な危険をもたらしていることが知られています。[44]
カナダ
ごく最近まで、カナダでは最終氷期の氷河下湖しか確認されていませんでした。[46]これらの古氷河下湖は、最終氷期極大期にローレンタイド氷床が前進する前に形成された谷を占めていた可能性が高いです。[47]しかし、カナダのヌナブト準州のデボン氷帽の下の岩盤のくぼみで、 RESによって2つの氷河下湖が確認されました。 [48]これらの湖は、下にある塩分を含む岩盤との相互作用の結果として高塩分になっていると考えられており、南極で確認されている数少ない塩分氷河下湖よりもはるかに孤立しています。[48]
エコロジー
表面の湖とは異なり、氷河下の湖は地球の大気から隔離されており、日光は当たらない。その水は超貧栄養性であると考えられており、つまり、生命に必要な栄養素の濃度が非常に低い。氷河下の湖では、低温、低栄養、高圧、完全な暗闇にもかかわらず、これらの生態系には何千もの異なる微生物種といくつかのより高等な生命の兆候が潜んでいることがわかっている。[9] [36] [49]極地の湖を研究する著名な科学者であるジョン・プリスク教授は、南極の氷河下の生態系を「地球最大の湿地帯」と呼んでいる。[50]
微生物と風化のプロセスは、ユニークな食物連鎖を駆動し、氷河湖の生態系を通じて栄養素とエネルギーを循環させる多様な化学反応を引き起こします。氷河湖の暗闇では光合成は起こりません。そのため、氷河湖の食物連鎖は化学合成と氷河期前に堆積した古代の有機炭素の消費によって駆動されます。 [36]栄養素は、氷河と湖の水の境界面、水文学的つながり、および氷河下堆積物の物理的、化学的、生物学的風化を通じて氷河湖に入り込む可能性があります。[9] [51]
生物地球化学サイクル
氷河下湖はほとんど直接サンプル採取されていないため、氷河下湖の生物地球化学に関する既存の知識の多くは、主に南極からの少数のサンプルに基づいています。サンプル採取されていない氷河下湖の溶質濃度、化学プロセス、生物多様性に関する推論は、上部の氷河の底にある付加氷（再凍結した湖水）の分析からも得られています。[52] [53]これらの推論は、付加氷はそれを形成した湖水と同様の化学的特徴を持つという仮定に基づいています。科学者はこれまで、酸素が過飽和している上層から無酸素で硫黄が豊富な下層まで、氷河下湖の多様な化学的状態を発見しています。 [54]典型的な貧栄養状態にもかかわらず、氷河下湖と堆積物には、地域的にも地球的にも重要な量の栄養素、特に炭素が含まれていると考えられています。[55] [12] [56] [57] [58]
湖と氷の境界面
氷河氷に閉じ込められた空気中のクラスレートは、閉鎖された氷河湖沼系に流入する酸素の主な供給源である。湖沼上の氷の底層が溶けると、クラスレートは氷の結晶構造から解放され、酸素などのガスが好気呼吸などのプロセスに微生物に利用可能となる。[59]一部の氷河湖では、湖と氷の境界面での凍結融解サイクルにより、湖沼上部の水の酸素濃度が通常の表層水の50倍にまで高くなることがある。[60]
氷河湖の上の氷河氷層が溶けることで、鉄、窒素、リンを含む鉱物に加えて、溶解した有機炭素と細菌細胞もその下の水に供給されます。[9] [12] [51]
水柱の中で
氷河の氷が溶けてできた空気中のクラスレートが氷河湖の水の主な酸素源であるため、ターンオーバーが遅い場合、酸素濃度は一般に水柱の深さとともに低下する。[61]氷河と湖の境界付近では、しばしば有酸素またはわずかに亜酸素の水が存在するが、湖の内部と堆積物では微生物の呼吸により無酸素状態が優勢である。[62]一部の氷河湖では、微生物の呼吸により湖内のすべての酸素が消費され、連結した氷河下環境から新しい酸素が豊富に含まれている水が流れ込むまで、完全に無酸素の環境が形成される。[63]氷が溶けて酸素が追加され、微生物による酸素の消費により、氷河下湖の水柱に酸化還元勾配が形成され、上層水では硝化などの好気性微生物媒介プロセスが、無酸素の底層水では嫌気性プロセスが発生する。 [51]
氷河下湖の溶質濃度は、ナトリウム、硫酸塩、炭酸塩などの主要なイオンや栄養素を含め、一般的な表層湖に比べて低い。[51]これらの溶質は、氷河の融解や堆積物の風化によって水柱に入る。[51] [58]溶質濃度が低いにもかかわらず、氷河下水の量が多いため、周囲の海に溶質、特に鉄を多く供給している。[64] [58] [65]南極氷床からの氷河下流出は、氷河下湖からの流出も含め、世界最大級の河川と同量の溶質を南極海に流入させると推定されている。 [58]
氷河下の水柱は、氷河下の排水システムを通じて氷床下の湖と川の間の水交換の影響を受けます。この行動は生物地球化学的プロセスにおいて重要な役割を果たしている可能性があり、特に酸素と栄養分の濃度に関して微生物の生息地の変化につながります。[51] [61] 氷河下の湖の水文学的連結性は、水の滞留時間、つまり水が氷河下の湖の貯水池内にとどまる時間も変えます。南極の内氷床の下にあるような長い滞留時間は、水と溶質源との接触時間が長くなり、滞留時間が短い湖よりも溶質の蓄積が多くなります。[58] [57]現在研究されている氷河下の湖の推定滞留時間は、ボストーク湖の約13,000年からウィランズ湖の数十年にまで及びます。[66] [67]
氷河湖の形態は、湖の水文学や循環パターンを変える可能性があります。氷が最も厚い地域では、融解の速度が速くなります。氷床が最も薄い地域では逆のことが起こり、湖水の再凍結が起こります。[22]融解速度と凍結速度の空間的な変化により、氷河湖全体で水の内部対流と溶質、熱、微生物群集の循環が起こり、これは地域の氷河湖によって異なります。[51] [61]
堆積物中
氷河下堆積物は主に氷河下岩盤の物理的風化によって形成された氷河堆積物で構成されています。[51]これらの堆積物では、特に硫化物の酸化中に微生物による酸素消費により無酸素状態が支配的です。[51] [17] [58]硫化鉱物は、上にある氷河による岩盤の風化によって生成され、その後、これらの硫化物は好気性または嫌気性細菌によって硫酸塩に酸化され、酸素が利用できないときには鉄を呼吸に使用できます。[59]
硫化物の酸化生成物は、特に滞留時間が長い湖沼において、氷河下堆積物中の炭酸塩鉱物やケイ酸塩鉱物の化学的風化を促進する可能性がある。 [51] [58] 湖沼堆積物からの炭酸塩鉱物やケイ酸塩鉱物の風化により、カリウム（K +）、マグネシウム（Mg 2+）、ナトリウム（Na +）、カルシウム（Ca 2+）などの他のイオンも湖水に放出される。[58]
無酸素性の氷河底堆積物におけるその他の生物地球化学的プロセスには、脱窒作用、鉄還元作用、硫酸還元作用、メタン生成作用などがある（下記の有機炭素の貯蔵庫を参照）。[51]
有機炭素の貯蔵庫
南極氷床下の氷床下堆積盆地には、推定約21,000ペタグラムの有機炭素が蓄積されており、そのほとんどは古代の海洋堆積物に由来しています。[56]これは、北極の永久凍土に含まれる有機炭素の量の10倍以上であり、 [68]現代の海洋堆積物に含まれる反応性炭素の量に匹敵する可能性があり、[69]氷床下堆積物は潜在的に重要でありながら十分に研究されていない地球規模の炭素循環の構成要素となっています。[57]氷床が崩壊した場合、氷床下の有機炭素はより容易に呼吸され、大気中に放出され、気候変動に対する正のフィードバックを生み出す可能性があります。[70] [56] [57]
氷河下の湖に生息する微生物は、堆積物の有機炭素の形態と運命を決定する上で重要な役割を果たしている可能性が高い。氷河下の湖の生態系の無酸素堆積物では、有機炭素が古細菌によってメタン生成に利用され、堆積物中にメタン包接化合物の大きなプールが形成される可能性があり、氷床崩壊時や湖水が氷床の縁に流れ込む際に放出される可能性がある。 [71]メタンが氷河下のウィランズ湖で検出されており、[72]実験ではメタン生成古細菌が南極と北極の氷河の下の堆積物で活動できることが示されている。[73]
氷河下の湖の堆積物に貯蔵されなかったメタンのほとんどは、酸素を豊富に含んだ上層水域のメタン酸化細菌によって消費されるようです。氷河下のウィランズ湖では、細菌による酸化が利用可能なメタンの99%を消費したことを科学者らは発見しました。 [72]また、グリーンランド氷床の下ではメタンの生成と消費が活発に行われているという証拠もあります。[74]
南極の氷河下水には、溶解性有機炭素と細菌バイオマスの形で、相当量の有機炭素が含まれていると考えられています。[12]氷河下湖の水に含まれる有機炭素の量は推定1.03 x 10 −2ペタグラムで、南極の氷河下堆積物に含まれる量よりはるかに少ないですが、すべての表層淡水に含まれる有機炭素の量（5.10 x 10 −1ペタグラム）より1桁少ないだけです。 [12]この比較的小さいが、潜在的に反応性の高い氷河下有機炭素の貯蔵庫は、科学者の地球規模の炭素循環に関する理解におけるもう1つのギャップを表している可能性があります。[12]
生物学
氷河下湖はもともと不毛であると考えられていましたが、[75]過去30年間で、氷河下湖の水、堆積物、および堆積した氷の中に活発な微生物や高等生命の兆候が発見されました。[9] [61]氷河下水には現在、細菌、古細菌、そしておそらくいくつかの真核生物を含む何千もの微生物種が含まれていることが知られています。 これらの極限環境生物は、氷点下の気温、高圧、低栄養、および異常な化学的条件に適応しています。[9] [61]氷河下湖の微生物の多様性と適応の研究は、宇宙生物学、および地球上の生命の歴史と限界を 研究する科学者にとって特に興味深いものです。
食物網の構造とエネルギー源
ほとんどの表層生態系では、光合成植物と微生物が主な一次生産者であり、湖の食物連鎖の基盤を形成している。氷河下の湖の永久暗闇では光合成は不可能であるため、これらの食物連鎖は化学合成によって駆動される。[36]氷河下の生態系では、化学合成は主に化学合成無機栄養微生物によって行われている。 [76] [63] [77]
植物と同様に、化学合成無機栄養生物は二酸化炭素（CO2 ）を新しい有機炭素に固定し、氷河下湖の食物連鎖の底辺で主要な生産者となっている。化学合成無機栄養生物は、太陽光をエネルギー源として利用するのではなく、岩石圏の無機元素を酸化または還元する化学反応からエネルギーを得る。氷河下生態系で化学合成無機栄養生物が一般的に利用する元素には、堆積物から風化した硫化物、鉄、炭酸塩などがある。[9]
堆積物から元素を動員することに加えて、化学合成無機栄養生物は、氷河下の生態系で従属栄養細菌を支えるのに十分な量の新しい有機物を作り出す。 [36] [63]従属栄養細菌は、化学合成無機栄養生物によって生成された有機物を消費するだけでなく、堆積物や氷河の融解から有機物を消費する。[12] [53]氷河下の湖の従属栄養生物は利用可能な資源にもかかわらず、非常にゆっくりと成長しているようで、これは彼らがエネルギーのほとんどを成長ではなく生存に費やしていることを示している可能性がある。[63]従属栄養生物の成長速度が遅いのは、氷河下の湖の低温によって微生物の代謝と反応速度が遅くなるためとも説明できる。[78]
変動する酸化還元条件と堆積物から得られる多様な元素は、氷河湖における他の多くの代謝戦略の機会を提供する。氷河湖の微生物が使用する他の代謝には、メタン生成、メタノトロフィー、および細菌が有機物を消費しながら無機元素を酸化する化学無機異栄養法がある。[72] [79] [36]
氷河下の湖に真核微生物や多細胞動物が存在するという限られた証拠は、氷河下の食物連鎖に関する現在の考えを拡張する可能性があります。[ 49 ] [ 80 ]もし存在するなら、これらの生物は細菌や他の微生物を食べて生き延びる可能性があります。
栄養制限
氷河下の湖の水は超貧栄養性であると考えられており、特に窒素とリンの濃度が低い。[51] [81]表層湖の生態系では、リンは伝統的に生態系の成長を制限する栄養素であると考えられてきたが、窒素とリンの両方の供給による共制限が最も一般的であるように思われる。 [82] [83]しかし、氷河下のウィランズ湖からの証拠は、窒素とリンの比率がレッドフィールド比と比較して非常に低いことを示す測定値に基づいて、窒素が一部の氷河下の水で制限栄養素であることを示唆している。[36]ある実験では、ウィランズ湖の細菌は窒素だけでなくリンも供給されるとわずかに速く成長することが示されており、これらの生態系の成長が窒素のみによって制限されるという考えと矛盾する可能性がある。[63]
調査された氷河下湖の生物多様性
氷河下湖の生物学的探査は南極大陸に集中しているが、サンプル採取のために南極氷床を掘削する財政的およびロジスティックな課題のため、南極氷河下湖の水の直接サンプル採取の成功例はウィランズ湖とマーサー湖に限られている。アイスランドのヴァトナヨークトル氷冠の下にある火山性の氷河下湖からもサンプル採取が行われている。
南極大陸
氷河下のウィランズ湖では、WISSARD探検隊が堆積物コアと水サンプルを採取したが、そこには1ミリリットルあたり13万個の微生物細胞と3,914種の異なる細菌種が含まれていた。[36]チームは12万年前の堆積物からアンモニア、メタン、硫黄を代謝している活性細菌を特定した。 [79]特定された細菌の中で最も豊富だったのは、チオバチルス、シデロキシアン、好熱性 ポラロモナス属に関連するものだった。 [36] [79]
2019年1月、SALSAチームは氷河下のマーサー湖から堆積物と水のサンプルを採取し、珪藻の殻と、甲殻類とクマムシの保存状態の良い死骸を発見した。[49]動物は死んでいたが、チームは1ミリリットルあたり1万個の細菌濃度も発見し、動物が細菌を摂取することで湖で生き延びる可能性があることを示唆した。[49]チームはサンプルの分析を続け、湖の化学と生物学をさらに調査する予定。
ボストーク湖は南極の氷底湖の中で最もよく研究されているが、その水はロシアが湖上で掘削作業中に採取した氷床コアの底から堆積氷を分析することによってのみ研究されてきた。活発に増殖している細菌や、細菌、古細菌、真核生物に由来する数千のユニークなDNA配列がボストーク湖の堆積氷で発見されている。[84] [52] [80]一部のDNAは、淡水ミジンコ、クマムシ、軟体動物に関連すると思われる種を含む多細胞真核生物に由来すると思われる。[80]これらの種は、ボストーク湖が最後に大気圏に出た数百万年前から湖で生き延び、変化する環境にゆっくりと適応してきた可能性がある。しかし、サンプルは採取中に掘削液に汚染された可能性が高いため、特定された生物の一部はおそらく湖に生息していなかった。[85]
南極におけるその他の氷河下サンプル採取活動には、テイラー氷河の下にある無酸素・高塩分水の氷河下プールがあり、そこには150万年から200万年前に大気から遮断された微生物群集が生息している。[86]テイラー氷河の下の細菌は、硫酸塩と鉄イオンを使って有機物を分解するという新しい代謝戦略を持っているようだ。[86]
グリーンランド
グリーンランド氷床の氷底湖の直接的なサンプル採取は試みられていない。しかし、氷底流出水のサンプル採取が行われ、メタン生成微生物とメタン酸化微生物が含まれていることがわかった。[74]細菌は氷床自体の中にも発見されているが、氷の中で活動している可能性は低い。[87]
アイスランド
アイスランドのヴァトナヨークトル氷冠の下にある氷底湖は、氷底火山活動による熱と化学物質の流入を受け、湖底の水と堆積物の化学組成に影響を与えるため、微生物にとってユニークな生息地となっている。 [88]グリムスヴォトン火山カルデラの下の湖では、活発な好冷独立栄養細菌が発見されている。 [89]東スカフターケティルとクヴェルクフィヤラロン氷底湖でも、多様性の低い微生物群集が見つかっており、そこには硫黄と鉄を嫌気性呼吸に利用できるジオバクター属やデスルフオスポロシヌス属などの細菌が含まれている。 [ 90 ]西スカフター湖では、無酸素の底水はメタン生成菌よりも酢酸生成菌が優勢であると思われる。[81]
古代の生命の避難所
場合によっては、氷河下の湖の水は数百万年もの間孤立しており、これらの「化石水」には進化的に異なる微生物群集が生息している可能性がある。[86]東南極の氷河下の湖の中には約2000万年前から存在しているものもあるが、南極氷床下の湖間の氷河下排水システムが相互につながっていることから、湖水は湖の存続期間全体を通じて孤立していなかった可能性が高い。[12]
原生代後期のスノーボールアース期とされる時期には、大規模な氷河作用により、地球の表面は1000万年にわたって完全に氷で覆われていた可能性がある。[91]生命は主に氷河および氷河下の環境で生き延びていたとみられ、現代の氷河下湖は地球の歴史におけるこの時期を理解する上で重要な研究システムとなっている。最近では、アイスランドの氷河下湖が第四紀氷河期に地下に生息する端脚類の避難所となっていた可能性がある。[92]
地球外生命への影響
氷河下湖は地球外の氷に覆われた水域の類似環境であり、地球外で生命が存在する可能性を研究する宇宙生物学の分野で重要な研究システムとなっている。地球の氷河下湖で極限環境微生物が発見されたことは、地球外天体でも同様の環境で生命が存続する可能性があることを示唆している。[11] [10]氷河下湖はまた、生物学的汚染に敏感な遠隔地でロジスティックス的に困難な場所での研究活動を計画するための研究システムを提供する。[93] [94]
木星の衛星エウロパと土星の衛星エンケラドゥスは、地球外生命体の探索において有望なターゲットである。エウロパには氷の地殻に覆われた広大な海があり、エンケラドゥスにも氷底海があると考えられている。[95] [96]エンケラドゥスの表面の割れ目から漏れ出る氷水蒸気の煙の衛星分析により、地表下での水素の大量生産が明らかになり、鉄を含む鉱物や有機物の減少を示唆している可能性がある。[97]
火星の氷河下湖は、2018年に火星探査機マーズ・エクスプレスのRESによって発見されました。[98]この水域は火星の南極層状堆積物の下で発見され、地熱加熱によって氷冠の下が溶けて形成されたと考えられています。[99]
参照
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- レーダーサット
- 先進宇宙搭載型熱放射反射放射計 (ASTER)
- ICEサット
- NASAの地球観測
- 傷跡
- クライオサット
- 南極の氷河下湖の一覧
- 氷河湖
- ボストーク湖
- ウィランズ湖
- エルズワース湖
- ウンター湖
- ホジソン湖
- 氷河湖
- 地底湖
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