南极4000米的冰下,有一片液态湖泊

作者:汪婕舒 | Jieshu Wang | 本文首发《Newton科学世界·数字版》


2015年1月25日下午5点12分,南极东部的冰层下,亿万年的寂静被打破了。俄罗斯人第二次钻穿了将近4000米厚的冰原。这一次,他们声称自己取到了1500万年前的干净湖水,也许能够揭开生命的秘密,甚至能启发科学家对外星生命的研究。这究竟是怎么回事呢?南极冰下竟然有液态水?让我们从100多年前开始谈起吧。

也许是因为世代生活在寒冷的东欧和西伯利亚,俄罗斯人天生就对极冷之境充满好奇,尤其是南极这片广袤的荒漠。早在19世纪末,俄罗斯革命家和地理学家彼得•克鲁泡特金(Peter Kropotkin)就提出,南极冰盖下可能存在有液态淡水。他认为,厚达几公里的冰盖产生了巨大的压力,升高了底层冰的温度,可能到达冰的融点,使底层的冰融化成水。

 

彼得•克鲁泡特金

怀着对南极的热情,1955年,苏联海洋学家米哈伊尔•索莫夫(Mikhail Somov)领导了苏联的第一次南极远征。他带着200多人,浩浩荡荡来到了南极戴维斯海沿岸,建立了苏联第一座南极科考站——和平站。他们发现了一处极其平坦的区域,并认为下面可能存在着湖泊。于是,他们又在这个地方建了一个科考站叫沃斯托克站(Vostok Station),又译东方站。和平站和东方站这两个名字来自于沙俄时代对南极地区的一次探险。在探险家法比安•戈特利布•冯•别林斯高晋(Fabian Gottlieb von Bellingshausen)于1819~1821年远征南极时,东方号,一艘沙俄海军的24门炮小型风帆战船,是冯•别林斯高晋所乘坐的旗舰。而和平号,这艘20门炮小型风帆战船,是远征副指挥官米哈伊尔•拉扎列夫(Mikhail Lazarev)的座舰。这两艘船在南极洲附近的海域中发现了无数岛屿,象征着俄罗斯人勇往无前的探险精神。甚至1961年将尤里•加加林送入太空的东方一号,苏联最成功的空间站和平号,也正是得名于这两艘船。

 

沃斯托克科考站的位置

沃斯托克科考站

沃斯托克站的条件非常艰苦。地球上自然界最冷的温度-89℃就是在此处测到的。在这里,苏联地理学家安德烈•卡皮查(Andrey Kapitsa)进行了艰辛的研究。通过飞机航拍的照片,他相信如此平滑的区域下一定隐藏着不为人知的秘密。他认为,这里的冰层极其厚,就像一张毯子,阻止了地热的消散,经年累月,热量就会融化下面的水,并会累积形成一个冰下湖。但是大多数人并不认同他——冰冷的南极存在液态水,这简直是开玩笑。1959年和1964年,皮卡察两次在冰面上进行人造地震实验,企图用声波来验证自己的理论——如果冰下真的存在液态水,那他们会收到两次不同的反射波,一个来自水面,一个来自湖底。他们确实收到了两次反射,但一次来自基岩,一次来自沉积层,没有发现任何湖泊的痕迹。卡皮查沮丧地回到了莫斯科,余生再也没有踏足过南极的土地。

1974年,一组英国科学家运用最新的60MHz机载雷达,对这一区域的冰下地形进行了勘测。雷达发出的电波能穿透冰层,告诉人们冰下深藏的秘密。这一年圣诞节,就像圣诞老人的礼物从天而降一般,科学家们在一堆崎岖的山脉中,赫然发现了一片平坦的低地。这到底是不是冰下湖?没有人知道,但各种猜测鹊起四方。

直到1991年,欧洲空间局(ESA)发射了欧洲遥感卫星ERS-1。这是ESA第一颗在越极轨道运行的地球观测卫星。1993年,这颗卫星终于证实了70年代的雷达发现——这里确实有一个冰下湖。在它拍摄的照片中,沃斯托克站所在的平坦区域是如此广阔,长约240公里,宽约50公里,面积约1.3万平方公里,呈狭长状,很像非洲的马拉维湖和西伯利亚的贝加尔湖。我国最大的内陆湖——青海湖面积为4583平方公里,只有它的三分之一大小。

 

异常平坦的区域

接下来,太空雷达的观测数据不仅证实了这个冰下湖的存在,还惊奇地发现,原来冰下湖在南极并不罕见。在南极厚厚的冰盖下,竟然隐藏着将近400个湖泊,以沃斯托克站所在的这个湖为最大。此湖就因沃斯托克站而称为沃斯托克湖。人们还发现,这些冰下湖之间还有河流相互连通。

南极冰盖下的湖泊和河流图/ZinaDeretsky/NSF

1996年,俄罗斯和英国的科学家们综合分析了沃斯托克湖的各种数据,包括机载透冰雷达成像和太空雷达测高的资料,发现沃斯托克湖深500米,藏有大量的液态水。这样,它不仅是南极最大的湖泊,还是全世界最大的湖泊之一(容积第6、深度第4、面积第16),湖中心还有一个小岛。这让科学家们兴奋不已。因为,如果沃斯托克湖中真的含有液态水,那它已经被冰封了1500万~2500万年!这简直就是一个时间胶囊,里面一定藏着远古时代的秘密,甚至可能有生命!但是,如果沃斯托克湖如安德烈•卡皮查所认为的,是在地热的作用下融化而成,那它应该从来没有和外界接触过,栖息生命的希望也相当渺茫。但有些地质学家根据沃斯托克湖的形状,认为它可能形成于3000万年前的地壳断裂。所以,它可能在最近一次冰雪覆盖整个南极大陆之前就存在了。如果真是这样,那时的沃斯托克湖中可能栖息着丰富的生命,从昆虫到鱼类应有尽有,那我们在其中找到生命证据的可能性也就大多了。

科学家们推测,沃斯托克湖被冰雪覆盖后,首先消失的是植物。唇亡齿寒,动物也将不复存在。这里缺乏光线,所以如果现在有生命,那一定是微生物。由于与世隔绝亿万年,甚至可能进化出许多全新的微生物。这些微生物也许能告诉我们关于生命起源和演化的奥妙。

然而,在取得湖水进行分析之前,这一切都只是猜测。那么,要如何窃取这颗时间胶囊中的宝物呢?

我们知道,冰和岩石一样,也是大自然历史的记录者,能将过往的时间篆刻成层。为了解读冰中的秘密,科学家们常钻取冰芯来进行研究。过去的大气层中有多少尘埃?痕量气体的水平如何?气候如何变迁?这些问题都能在冰芯中找到线索。钻取冰芯时,科学家们会使用一种空心钻头,在冰里钻出一个横截面为圆环形的孔洞,将中央的冰芯和周围硬结的冰体分离开。钻进一段(一般为4~6米),取出一段,清空一段,再一路往下。取出的冰芯再被切成1~2米长的小段,密封在塑料袋里保存。

GISP2(格陵兰岛冰盖第二计划)取出的1837米深处的冰芯,能看出明显的成层结构。

实际上,从20世纪70年代开始,在人们知道沃斯托克湖的存在之前,苏联科学家就已经开始在沃斯托克站附近钻取冰芯。但那时,他们只钻取了500~952米深的冰芯,从中得出末次冰期大概处在400米以下的深度。1984年,他们钻到了2202米;1990年,2546米;1993年,2755米。1995年冬天,一组由俄罗斯、法国和美国科学家组成的团队继续在此处钻探。1996年,他们钻到了3623米的深度。然而,这个项目被南极研究科学委员会叫停了,因为他们已经往孔洞内倒入了65吨的氟利昂和煤油。

 

沃斯托克湖的冰芯

原来,钻取冰芯有一个很严重的问题——污染。冰层埋藏越深,压力就越大。如果不加外力,超过300米深的孔洞就会自行闭合。所以,通常的做法是,往孔洞里灌入液体来保持压力,并防止冻结。这些液体需要满足一定的要求,比如密度、黏性、抗冻性等等。为此,人们尝试过许多种液体。比如说,1990~1993年的GISP2(格陵兰冰盖第二计划)使用的是乙酸正丁酯,但它的毒性、可燃性和腐蚀性引发了很多问题。俄罗斯人则喜欢采用一种双组份的液体,由低密度的烃类基质配以增稠剂氯氟烃(也就是氟利昂)。1996年的沃斯托克湖,他们使用的烃类基质是棕色煤油。钻到3623米深时,已经有65吨的氟利昂和煤油混合液灌进了冰孔,这会对冰芯造成污染。实际上,科学家们已经发现,大部分冰芯外层的铅含量都大大高于内部。此外,钻探和取芯设备没有消毒,假如真的检测出生命的迹象,何以得知不是外界带进去的呢?而且,钻探对冰下的湖水也会造成污染。设想一下,一片1500万年不见天日的纯净湖水受到了污染,使它的科学价值大打折扣,将多么令人扼腕!遗憾的是,在后来取出的沃斯托克湖水中含有1/1000的煤油,这就是污染的证明。我们只能希望它是在取出过程中被污染的,而下方的湖水依然与世隔绝。

装有沃斯托克湖冰芯的管子

钻探停了没关系,之前取出的将近4000米冰芯,已经够科学家们忙一阵了。这段冰芯包含了42万年的气候记录,很长时间以来都是唯一覆盖多个冰期的冰芯(直到2004年被欧洲南极冰芯钻探项目(EPICA)所超过)。在底层冰芯中,还发现了黑色的斑点,被认为是当年湖水表面的漂浮物,冻结在了冰层底部。

 

俄罗斯科学家正在分析沃斯托克湖的冰芯

1999年10月,科学家们宣布了一个振奋人心的消息——在3590米深的冰芯中首次发现了微生物。

沃斯托克湖冰芯中发现的细菌。图/John Priscu

之后,又陆续发现了多种多样的细菌和真菌。2013年,美国一个研究团队称,他们在4段冰芯中总共发现了3507个基因的序列,其中94%来自细菌,6%来自真核生物,2个来自古细菌。其中1623个可以被生物分类学所确认,与已知的湖水、卤水、海水、土壤、冰川、深海热液喷口等区域的生物类群相似。其中可能还包括好氧、厌氧、嗜冷、嗜热、嗜盐、嗜碱、嗜酸、自养和异养生物的基因片段,还有一些来自多细胞真核生物。科学家们甚至找到了甲壳纲动物、软体动物、海葵和鱼类的基因序列,还有一些序列属于与大型动物共生的细菌。然而,尽管俄罗斯人竭力维护这些结论,但大多数科学家却不得不承认,他们没法确认这些生物是原先就存在冰层中,还是钻取过程中造成的污染。他们在分析前采用了大量的去污染措施,但还是无法百分之百保证污染不会从裂缝中渗入冰芯内部。有科学家发现,沃斯托克湖冰芯外层的细菌密度和溶解有机碳的浓度比内部分别高出了3和2个数量级。如此巨大的区别,不得不让人产生怀疑。目前,科学家确认的污染物种已超过255个。

20世纪90年代,来自法国、苏联和美国的科学家手握冰芯,站在沃斯托克站外的合影。图/NOAA

2005年,俄罗斯科学家声称自己开发出了一种避免湖水污染的新技术——在接近湖面时,不再使用煤油和氟利昂,而是采用热融化的方式,并使用硅油来抗冻。于是,沃斯托克湖的钻探重新开动。终于,2012年2月5日,他们钻穿了3769.3米的冰层,到达了沃斯托克湖的冰水分界面。

俄罗斯科学家庆祝钻穿3769.3米的冰层

 

由于巨大的压力,钻穿的瞬间,湖水涌入孔内30~40米,并把1.5立方米的钻井液冲出了钻孔。湖水在钻孔底部结冰,将其堵塞。此外,压力还压裂了3300米深处的冰层,使钻井液渗了进去。为了防止污染,他们停止了钻孔。

沃斯托克湖钻探的冰层截面图

与此同时,美国科学家也开始在南极冰原上钻探冰下湖。但他们挑战的难度系数明显小很多。2005年,美国人钻穿了27米的冰层,到达了维达湖,在其中发现了大量常见的微生物。但维达湖其实算不上真正的冰下湖,因为它被隔离的时间非常短。2013年,他们又钻穿了800米冰层,到达了另一个南极冰下湖——惠兰斯湖(Lake Whillans)的表面,取得了水样,并拍下了湖底的照片。在惠兰斯湖的水样和沉积物中,科学家们发现了将近4000种微生物,它们组成了一个独特的生态系统。

惠兰斯湖底的照片

 

惠兰斯湖水培养出的细菌

然而,惠兰斯湖和沃斯托克湖并不一样。惠兰斯湖周期性地与表面的水接触,不像沃斯托克湖那样与外界隔离。

那么,为什么科学家对沃斯托克湖情有独钟?原来,在我们的太阳系中有一颗奇妙的行星——木卫二,如果你看过吴彦祖主演的《欧罗巴报告》,一定对木卫二上冰封万里的异星风光和新奇的外星生命印象深刻。根据观测发现,木卫二表面厚厚的冰层下可能存在着液态水组成的海洋。如果沃斯托克湖中存在生命,那将极大增加木卫二上发现生命的可能性。并且,沃斯托克湖与木卫二的高度相似,使得这里可以成为探索木卫二的练兵场。那些即将被送上太空的冰下探测器都可以在这里进行试验。所以,沃斯托克湖让各个领域的科学家趋之若鹜。每次有新发现,都能引起轩然大波,同时批评和质疑也纷至沓来。

2015年1月,永不放弃的俄罗斯科学家再次钻穿冰层,这一次他们钻到了3769.15米,再次到达冰水分界面。为了不污染湖水,他们用钛合金做了一个两米长的管子,其中包含泵水和加热系统,重达50公斤。

俄罗斯科学家使用的钛合金管结构

 

他们从同一个钻孔出发,在下方钻出了一条平行的孔,并用钛合金管取到了1升干净的湖水。如果这升湖水果真如他们所说的那样纯净,它将成为时间胶囊里最宝贵的财富,无数的奥秘将被它揭开。

如今,俄罗斯科学家正在紧锣密鼓地实验中。这一次,究竟能不能发现生命的迹象?这个亿万年不见天日的失落湖泊又能向我们揭示什么生命的秘密呢?让我们拭目以待吧!

 

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