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Ice-sealed lakes in Canada’s highest Arctic are ancient living laboratories


Posted by in The Polar Blog on Friday, March 13, 2015



Graduate student Sébastien Bourget taking samples on the summer ice of Lake A in the Canadian High Arctic. (Warwick Vincent, CEN/ArcticNet)

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How does life survive in one of the most inhospitable places on Earth and why does it matter? Warwick Vincent is finding answers on the bottoms of frozen lakes at the top of the world.

Vincent, a Canada Research Chair in biology at Laval University, studies ice-capped lakes on Ward Hunt Island and the northernmost coast of adjacent Ellesmere Island. Year-round ice cover has sealed off these unusual water bodies from the outside world for millennia. “They’re in the polar desert,” says Vincent. “Precipitation is very low — it looks like a desert —¬ but it’s very cold. In winter we’ve recorded temperatures there as low as -50 C, and an almost complete absence of light. But these lakes are far from dead. There’s a lot going on beneath the surface.”

Some of the lakes contain layers of ancient seawater, left over from when the northern coast emerged from the ocean thousands of years ago, as well as newer fresh water from precipitation and melting. The two types of water never mix. Water temperature increases with depth, the reverse of normal lakes. “[ice-capped lakes] act like greenhouses,” says Vincent, “absorbing energy through the ice. That energy accumulates and is stored. It’s an incredible laboratory: going down through the layers is like reading a textbook.”

In 2014, Vincent and his team cut a hole in the ice of Ward Hunt Lake and lowered a GoPro video camera, taking precautions to avoid contaminating the pristine waters with foreign organisms. Crystal-clear images of the ice filled the monitor screen and, intriguingly, it contained bubbles. That suggested biological activity. As the camera neared the bottom of the lake a remarkable underwater landscape came into view: a luxuriant layer of microbial mats, a carpet of mosses and some mysterious ring-like structures, as yet unidentified.

“There’s one group of organisms that do very well in this kind of environment,” says Vincent. “Cyanobacteria. Their colouring — brown, black or bright-coloured — is actually a form of sunscreen they developed billions of years ago when there was no ozone layer to protect them from ultraviolet radiation. They played an important role in the evolution of life. Then there are picocyanobacteria: take a little sugar cube, divide it by a million, then divide it by a million again, and that’s how small they are. They’re miniaturised solar cells, highly sophisticated. And they don’t just survive in these extreme environments — they thrive.”

An ice-capped lake with the deceptively prosaic name of “Lake A” harbours even tinier life forms known as wild viruses. “They occur naturally,” explains Vincent. “We discovered a unique group of them on Ellesmere Island, and we have evidence that they occur around the globe. In fact, wild viruses are the most widespread and abundant biological particles on Earth. And, because of their role in mobilizing carbon and transferring genetic information from cell to cell, they affect us directly. They’re an essential part of our planet’s life-support system.”

This new knowledge comes from a powerful new technique known as high-throughput DNA analysis, which provides far more information than a microscope and reveals precisely what sort of organisms are present. Its revelations are humbling, says Vincent. “In the past few years we’ve been discovering just how spectacular the biodiversity of planet Earth is. The northern edge of Canada is connected to the rest of the world. We’re exploring for life on Mars, but we really know very little about life on Earth. There’s a lot to learn.”


This is the latest in a continuing blog series on polar issues and research presented by Canadian Geographic in partnership with the Canadian Polar Commission. The polar blog appears online every two weeks at cangeo.ca/blog/polarblog, and select blog posts are featured in issues of Canadian Geographic. For more information on the Canadian Polar Commission, visit polarcom.gc.ca.



 

Des lacs scellés par la glace dans l’Extrême-Arctique canadien sont tels d’anciens laboratoires vivants

L’étudiant diplômé Sébastien Bourget prélève des échantillons sur la glace d’été du lac A dans l’Extrême-Arctique canadien. (Photo: Warwick Vincent, CEN/ArcticNet)

Comment la vie peut-elle survivre dans les endroits les plus inhospitaliers de la Terre et pourquoi s’en soucier? Warwick Vincent trouve des réponses au fond de lacs gelés dans les limites septentrionales du monde.

Vincent, titulaire d’une chaire de recherche en biologie à l’Université Laval, étudie des lacs couverts de glace sur l’île Ward Hunt et sur la côte la plus septentrionale de l’île d’Ellesmere, juste à côté. La couverture de glace permanente isole ces étendues d’eau inhabituelles du monde extérieur depuis des millénaires. « Elles se trouvent dans un désert polaire », dit Vincent. « Les précipitations sont très faibles — cela ressemble à un désert —, mais il fait très froid. L’hiver nous avons enregistré des températures pouvant atteindre -50 C et une absence de lumière quasi complète. Mais ces lacs sont loin d’être morts. Ils se passent bien des choses sous la surface. »

Certains des lacs renferment des couches d’eau de mer ancienne, vestiges du temps où la côte septentrionale émergeait de l’océan il y a des milliers d’années, ainsi que de la nouvelle eau douce issue des précipitations et de la fonte. Les deux eaux ne se mélangent jamais. La température de l’eau augmente avec la profondeur, l’inverse des lacs habituels. « Les lacs couverts de glace sont comme des serres », explique Vincent, « ils absorbent de l’énergie par la glace. Cette énergie s’accumule et est conservée. Il s’agit d’un laboratoire incroyable : en analyser les couches est tout comme de lire un manuel ».

En 2014, Vincent et son équipe ont pratiqué un trou dans la glace du lac Ward Hunt pour descendre une caméra vidéo GoPro, en prenant soin d’éviter de contaminer les eaux pures avec des organismes étrangers. Des images très nettes de la glace ont rempli le moniteur et, curieusement, on a noté la présence de bulles. Ce phénomène suggère une activité biologique. La caméra, une fois rendue presque au fond, a révélé un paysage sous-marin remarquable : couche luxuriante de tapis microbiens, tapis de mousse et quelques mystérieuses structures annulaires, encore non identifiées.

« Un groupe d’organismes vit très bien dans ce type d’environnement », dit Vincent. « Les cyanobactéries. Leur coloration — marron, noire ou couleurs vives — est en fait une forme d’écran solaire qu’elles ont développé il y a des milliards d’années pour se protéger du rayonnement ultraviolet alors qu’il n’y avait pas de couche d’ozone. Elles ont joué un rôle déterminant dans l’évolution de la vie. Il y a aussi les picocyanobactéries : prenez un cube de sucre, divisez-le par un million, recommencez et cela vous donnera une idée de leur petitesse. Il s’agit de piles solaires miniaturisées très sophistiquées. Elles ne font pas que survivre dans ces environnements extrêmes — elles y foisonnent. »

Un lac couvert de glace au nom trompeusement banal, le lac A, héberge des formes de vie encore plus petites qu’on qualifie de virus sauvages. « Ils existent naturellement », explique Vincent. « Nous en avons découvert un groupe très particulier sur l’île d’Ellesmere et des données révèlent qu’il y en a partout sur Terre. En fait, les virus sauvages sont les particules biologiques les plus répandues et abondantes sur la planète. En raison de leur rôle dans la mobilisation du carbone et le transfert de l’information génétique d’une cellule à l’autre, ils nous touchent directement. Ils constituent une des pièces essentielles du système de soutien de la vie planétaire. »

Ces nouvelles connaissances proviennent d’une technique puissante novatrice, l’analyse d’ADN à haut débit, qui procure bien plus de données qu’un microscope et révèle précisément la nature des organismes présents. Les résultats sont étonnants, dit Vincent. « Ces dernières années, nous avons découvert à quel point la biodiversité de la planète est spectaculaire. La frontière nord du Canada est en lien avec le reste du monde. Nous tentons de découvrir la vie sur Mars, mais nous en savons vraiment très peu sur la vie sur Terre. Il y a beaucoup à apprendre. »


Voici le plus récent billet d’un blogue sur les questions polaires et la recherche connexe présenté par Canadian Geographic en partenariat avec la Commission canadienne des affaires polaires. Le Blogue polaire sera affiché en ligne toutes les deux semaines à cangeo.ca/blog/polarblog et certains billets seront publiés dans de prochains numéros du magazine. Pour de plus amples renseignements sur la CCAP, veuillez visiter polarcom.gc.ca.




  Comments (1)

Great article !

Submitted by scott on Tuesday, October 20, 2015

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