Leven in Lake Vostok

LAKE VOSTOK bestaat en bevat leven. In het koudste, donkerste en diepste zoetwatermeer op aarde groeien bacteriën die genetisch verwant zijn met nu nog elders levende bacteriën. Dat nieuws brengt Science (10 december) in drie afzonderlijke artikelen. Het meer zelf is niet bemonsterd, maar er is onderzoek verricht aan een ijslaag die waarschijnlijk bestaat uit bevroren meerwater.

Lake Vostok bevindt zich onder bijna 4000 meter zuidpoolijs dicht in de buurt van de koudste plek op aarde, schuin onder het Russische onderzoeksstation Vostok. Van daaruit werd begin jaren tachtig de vermaarde Vostok-ijskern geboord. Dankzij luchtinsluitsels in dit ijs kon het aardse klimaat tot een periode van 160.000 jaar geleden worden gereconstrueerd. Inmiddels is deze waarde opgevoerd tot 420.000 jaar, want er is doorgeboord tot een diepte van 3.623 meter.

Al in 1965 voorspelde de Russische onderzoeker dr. A.P. Kapitsa op theoretische grond het voorkomen van smeltwater-lenzen onder het zuidpoolijs. Pas in 1973 (Nature, 5 oktober) kwamen er ook experimentele aanwijzingen voor. Echo's van hoogfrequente radiosignalen die door vliegtuigen werden uitgezonden toonden aan dat er op diverse plaatsen onder de Antarctische ijskap water moest zijn. In 1992 gaven radarmetingen van de ERS-1 satelliet nieuwe steun aan het vermoeden en in de zomer van 1994 verwekte Kapitsa op een congres sensatie met de beschrijving van het grootste sub-glaciale zuidpoolmeer, waarvan een uitloper zich precies onder het Vostok-boorgat bevindt. Het meer was dus zonder veel extra inspanning aan te boren.

Meer conventioneel seismisch onderzoek gaf in 1996 (Nature, 20 juni) definitieve bevestiging van de aanwezigheid van het subglaciale meer. Met zoet water, zoals werd afgeleid uit de relatie tussen de dikte van de bovenstaande ijslaag en de hoogte boven zeeniveau. In zoet water drijft ijs wat dieper dan in zout water. Lake Vostok heeft een oppervlak van 14.000 km² en een maximale diepte van 670 meter.

Vooral biologen dringen aan op aanboren van het meer: in het zoete water zouden zeer oude of op zijn minst zeer extreme levensvormen kunnen bestaan, want de gemiddelde leeftijd van het water in het meer wordt geschat op een miljoen jaar. Het milieu is er constant maar extreem: diepe duisternis, een temperatuur van twee à drie graden onder nul en een druk van meer dan 350 bar.

Het probleem is dat het Vostok-boorgat ijsvrij wordt gehouden met een antivries-mengsel van kerosine en freonen (cfk's) dat inmiddels 60 ton groot is. Dat mengsel zou het meer in één klap vervuilen als pardoes werd doorgeboord en ook zou de boorkop `moderne' bacteriën in het water kunnen brengen. Er wordt daarom nog steeds nagedacht over de minst gevaarlijke benadering van het meer. Juist om vervuiling te voorkomen is het boorwerk vanuit station Vostok in januari 1998 beëindigd. De kop van de boorbeitel bevindt zich nu 120 meter van het meeroppervlak.

Het opwindende nieuws is dat de beitel daarmee onbedoeld al praktisch in meerwater is terechtgekomen: bevroren meerwater. Uit diverse analyses van de laatste 85 meters ijs die werden doorboord blijkt dat dit ijs zich scherp onderscheidt van de 3,5 kilometer ijs erboven dat in essentie uit samengeperste sneeuw bestaat. Het eerste Science-artikel, van Franse en Russische onderzoekers, geeft een opsomming van argumenten waaruit dit kan worden afgeleid. Doorslaggevend is een afwijkend hoog gehalte van de isotopen deuterium (zwaar waterstof) en O-18 (zwaar zuurstof) in het ijs.

Men neemt nu aan dat het meeroppervlak in een geologisch warmer verleden `hoger stond' dan nu. De plaats van de ijs-water-scheiding wordt bepaald door het evenwicht tussen een geringe geothermische opwarming van onderaf en afkoeling naar boven.

Twee onafhankelijke groepen wetenschappers onderzochten de aard en de activiteit van bacteriën die zij aantroffen in ijs op een afstand van 34 meter respectievelijk 20 meter boven de boorkop. Een groep aangevoerd door J. Priscu telde met behulp van fluorescentie-kleurtechnieken en – nog directer – met behulp van scanning eleKtronen microscopie een hoeveelheid van 3.000 tot 40.000 cellen per ml gesmolten ijs. DNA-fingerprint-techniek wees uit dat de meeste bacteriën behoren tot de – zeer heterogene – groep van de Proteobacteriën. Men noemt de geslachten Acidovorax, Comamonas, Afipia en Actinomyces. Dit wijst op organismen met nogal exotische metabolismen. Maar Priscu c.s. vonden in hun eerste kweekproeven nog geen aanwijzingen voor metabolische activiteit, mogelijk doordat niet bij 350 maar maar bij gewone druk (1 bar) werd gekweekt. Drukafhankelijke (barofiele) bacteriën groeien het best onder hoge druk.

Wel lijken de voorwaarden voor groei niet ongunstig. In het meerijs zijn tamelijk hoge gehaltes organisch gebonden koolstof gevonden. Verder zijn er voldoende hoeveelheden mineralen, al is het gehalte nitraat laag. De tot ijs samengeperste sneeuw voert in zijn luchtinsluitsels ook veel zuurstof aan, maar het is zeer de vraag hoeveel daarvan in opneembare vorm over blijft. Bij de heersende temperatuur en druk kan zuurstof in zogenoemde gashydraten (clathraten) een chemische binding aangaan met water.

De onderzoeksgroep van D.M. Karl bevestigt de resultaten van Priscu min of meer. Karl c.s. tellen, met dezelfde technieken, dichter bij de boorkop 200 tot 300 cellen per ml gesmolten ijs. Daarnaast vinden ze nogal wat lipopolysaccharide, dat is celwand-materiaal van zogenoemde Gram-negatieve bacteriën. Van belang is dat zij wèl metabolische activiteit konden aantonen: radioactief gemerkt glucose en acetaat werd opgenomen en verbrand. De Vostok-bacteriën zijn `still alive and kicking'.