宾夕法尼亚大学生物地球化学家乔恩·霍金斯(Jon Hawkings)和霍金斯实验室的高级研究协调员杰克·墨菲(Jack Murphy)栖息在格陵兰岛冰川边缘附近的一条河流旁，他们舀起了寒冷的融水样本，小心翼翼地快速密封瓶子，以尽量减少任何污染的机会。去年夏天，两人在格陵兰岛度过了近一个月。田野调查虽然风景优美，但并不迷人。“你站在一个巨大的冰川前，把你的手淹没在零摄氏度的水中;天气寒冷，刮风，尘土飞扬，“墨菲说。“我们必须发挥创意才能获得干净的样品。
回到宾夕法尼亚大学霍金斯的实验室 - BiCycles实验室，生物地球化学循环的缩写 - 这些冰川融化的集合为科学家们提供了一个窗口，了解各种地质，生物和化学过程，这些过程影响着从鱼类健康到气候变化的一切。
“我致力于元素在地球系统中的循环，”霍金斯说，他是2021年加入艺术与科学学院地球与环境科学系的助理教授。“我的主要研究兴趣是极地和高山地区，我的专长是冰川：它们在这些元素的循环中扮演的角色，以及作为生物群落的冰川，它们本身就蕴藏着生命。
直到最近，大多数科学家都忽视了冰川的巨大活力，霍金斯围绕这个领域塑造了他的职业生涯。结合实地考察和实验室调查，他的研究将他带到了各个地方，包括格陵兰岛、挪威、南极洲、巴塔哥尼亚和喜马拉雅山。他和他的同事从这些偏远地区带回的见解正在重塑科学家如何理解这些冰冷的环境对区域和全球系统的贡献。
活冰川
在它们的表面上，冰川和冰盖 - 定义为覆盖超过20，000平方英里的冰川冰块 - 确实看起来有些静止，没有生命。“这是这些环境的经典观点，像格陵兰岛和南极洲这样的地方：冰是冷的，冰是冻结的，那里没有多少生命，它们不是很有活力，”霍金斯说。
虽然在大多数情况下，冰川表面或冰川内没有立即识别的生物，但耐寒的藻类和微生物确实使这些空间非常活跃。
“在许多这些地方，冰盖的床上有液态水，就像在南极一样，”霍金斯说。“使用地球物理调查已经确定了650多个冰下湖泊，其中一些湖泊相互连接。
直到最近十年，科学家们才设法获取这些冰下湖泊中的水。与霍金斯有联系的一个研究伙伴关系使用重型设备干净地钻穿厚厚的冰层并对深水进行采样。“我们可以看到那里生活着什么，水的成分是什么，以及这告诉我们水如何在冰动，”他说。
一月份，霍金斯在ISME Communications杂志上发表了一篇论文，报道了生活在西南极冰盖下方湖泊中的微生物，发现这些冰下水生群落似乎是相互联系的，并且正在交换微生物生命，以及沉积物和营养物质。这是一个完整的复杂、互联的生态系统，以前是科学所不知道的。
运动中的冰
除了蕴藏生命之外，冰川的移动速度也相当缓慢，霍金斯说。它们有时被称为“冰河”。当它们流动时，冰可以像砂纸一样，磨碎它们所在的基岩。“基岩中的任何东西都可以被动员起来，如果它是反应性的，就会溶解到水中，”他说。
霍金斯研究了这种冰川驱动的侵蚀如何导致各种元素的释放。例如，11月发表在《全球生物地球化学循环》杂志上的一篇论文揭示了冰川释放到巴塔哥尼亚峡湾的硅和铁之间的关系。
霍金斯和他的实验室小组也将注意力转向冰川在将汞等毒素传播到水生生态系统中的作用。虽然由于工业活动，大量汞进入那里，但在2021年《自然地球科学》的一篇论文中，霍金斯及其同事指出，根据格陵兰冰盖的数据，冰盖床中天然存在的汞是另一个潜在的重要来源。
他们认为，全球其他地区也可能如此。例如，在某些挪威峡湾，由于汞含量异常高，禁止食用在那里捕获的鱼。
“我们预测其中一些汞来自冰川，”霍金斯实验室一年级博士研究员阿米娜优素福说。“冰川 - 岩石界面处侵蚀的岩石越多，被困住的岩石结合的汞就越有可能进入水生系统。
去年夏天，优素福与霍金斯一起在挪威实地收集了深入研究这个问题的样本，包括气候变化如何导致汞释放。
“我们的假设是，随着气候变暖，可能会出现一个正反馈回路，增加侵蚀并增加汞从冰川中排出，”优素福说。
博士后Eva Doting说，现实也可能更加复杂，她上个月在丹麦研究生工作后加入霍金斯实验室担任博士后研究员。“更多的熔体可能导致更多的汞被释放，或者可能意味着释放的汞被稀释了。我们想知道现在正在发生什么，以及随着气候变化将如何变化。
气候与环境的联系
虽然冰川只覆盖了地球陆地表面的10%，但霍金斯认为它们是气候变化环境影响的预兆。
“冰川是气候变化的晴雨表，”他说。它们集中在极地和高山地区，也意味着它们受到那里发生的快速变暖的影响。两极温度的上升速度是全球平均水平的四倍或更多倍。
“所以，这些并不是无关紧要的系统，”霍金斯说，“而且因为它们变化如此之快，我们真的需要了解它们如何继续应对未来10年，20年或100年将发生的气候变化。
除了预测未来，研究冰川还可以揭示地球隐藏的历史。上一次冰川最大值，当时地球陆地表面近30%被冰覆盖，“仅”在大约21，000年前。“在地质时间尺度上，这是一个非常短的时间，”霍金斯说。
冰川融化产生的大部分东西都不足为奇：水。霍金斯和他的团队正在研究的元素通常以微量存在于他们的样品中。这使得分析精度和防止污染变得至关重要。物质结构研究实验室新建的洁净室为BiCycles实验室提供了一个高科技环境来进行这些研究，配有加压工作空间，过滤空气罩，所需的防护服和短靴，以最大程度地降低污染风险，以及功能强大的质谱仪，能够识别给定样品中微量元素。
实验室的工具和技术不仅可以用于探索极端环境，还可以用于离家更近的环境。鉴于费城和其他当地社区的家庭和环境中铅和其他重金属的毒性问题，该组织希望应用他们的知识和尖端技术来帮助教育居民了解潜在的危害。
“我们希望向社区提供高水平的测试，因为我们的设施可以进行其他人无法或相当昂贵的测试，”墨菲说，他在研究生工作期间在特伦顿进行了类似的工作。
随着实验室的发展和在全球范围内建立的合作，霍金斯渴望在本地和全球产生更多的知识和影响。
“很多关于元素动员和全球系统的研究甚至在十年前都没有完成，”他说。“这是一个非常令人兴奋的工作领域。
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