В нескольких милях к югу от Ловелла, штат Вайоминг, недалеко от границы с Монтаной, северная железная дорога Берлингтон начинает постепенно подниматься с пастбищ и рощ из тополиного дерева. Трасса поднимается в ущелье медового цвета, прорезанное через известняк Мэдисона, формацию, уже древнюю к тому времени, когда динозавры бродили по побережью Вайоминга, а затем проходит над подземной камерой, расположенной на 30 футов ниже, известной как пещера Нижний Кейн. Вход в пещеру почти не виден, трещина, почти погребенная у крутого обломка железнодорожной насыпи.
Связанный контент
- Происхождение жизни
- ЭкоЦентр: Земля
Спотыкаясь по этому крутому склону позади команды ученых, я пробирался вперед сквозь 30-дюймовую трещину. Согнувшись пополам и пробираясь вперед во мраке, я проскользнул в быстро движущийся ручей и упал на четвереньках, прежде чем нашел достаточно места, чтобы стоять прямо на берегу грязи. Мои глаза скоро приспособились к тусклому сиянию моей фары, но моя кожа оставалась липкой; в отличие от большинства пещер на этой широте, которые круглый год остаются приятно прохладными, температура в Нижнем Кейне колеблется в неудобно влажных 75 градусах. Резкий, гнилой запах застрял у меня в горле.
В Нижнем Кейне нет ни одной из сверкающих колонн или известняковых «драпировок» подземных туристических мест, таких как пещеры Карлсбад в Нью-Мексико или мамонтовая пещера Кентукки. В Нижнем Кейне, едва превышающем типичную станцию метро Нью-Йорка, отсутствует даже самый скромный сталактит. Тем не менее, эта непритязательная пещера оказывается научным золотым рудником, привлекающим к своим влажным глубинам энергичную группу исследователей во главе с Аннет Саммерс Энгель из Техасского университета. Надев защитные маски для защиты от токсичных газов, которые поднимаются из трех подпружиненных водоемов, команда в 30-летней попытке следовать последней главе, чтобы понять редкую и экзотическую форму пещеры, которую представляет Кейн; только около дюжины из этих так называемых активных сульфидных пещер были найдены во всем мире. Когда впервые было предложено в начале 1970-х годов, теория их происхождения была настолько противоречивой, что научному сообществу потребовалось почти два десятилетия, чтобы принять ее. В конце концов, необычная геохимия этих пещер перевернула традиционное мышление о том, как они были сформированы.
Что еще более важно, открытие «темной жизни» - полных колоний микробов, процветающих в этих залитых кислотой, черных мрачных мирах, - отбросило давнюю веру в то, что пещеры в основном бесплодны и стерильны. Ученые охотятся в этих некогда скрытых глубинах на микробов, которые могут привести к новым методам лечения рака. И исследование пещер также влияет на мышление ученых о происхождении жизни на земле и ее возможного существования в других мирах. «Пещера - это совсем другая среда, это почти как путешествие на другую планету», - говорит геомикробиолог из New Mexico Tech Пенни Бостон. «В каком-то смысле это другая планета - часть нашей собственной планеты, которую мы еще не исследовали. Точно так же, как глубокие океаны стали доступны науке только в последние несколько десятилетий, теперь мы находим такие новаторские усилия, продолжающиеся в пещерах ». (Телевизионное исследование пещерных исследований« Таинственная жизнь пещер »выходит в эфире PBS. НОВА 1 октября.)
В конце 60-х годов аспирант Стэнфордского университета, ищущий интересную тему для своей кандидатской диссертации, стал первым ученым, который протолкнулся сквозь трещину на железнодорожной насыпи Вайоминга. Любопытство Стивена Эгемейера было сразу же вызвано необычайно теплой температурой и неприятными запахами Нижнего Кейна. Еще более странными были огромные грязные кучи рассыпчатого белого минерала, редко встречающегося в пещерах. Это был гипс или сульфат кальция, основной ингредиент Sheetrock или гипсокартона, материал, знакомый по строительству дома. Когда Эгемейер обнаружил, что источники в Нижнем Кейне не только горячие, но и барботируют газообразный сероводород (печально известный своим запахом ротенегг), он предположил, что сероводород активно работал над созданием Нижнего Кейна. Каким бы ни был подземный источник, потенциально ядовитый газ в конечном итоге поступал - будь то вулканические резервуары Йеллоустона на западе или нефтяные месторождения Бигхорн-Басина на юге - он пузырился из родниковой воды в пещеру. Естественно нестабильный, он реагировал с кислородом в воде с образованием серной кислоты. Кислота разъедала стены пещеры и производила гипс как побочный продукт.
Новаторские исследования Эгемейера никогда не были широко опубликованы и привлекли мало внимания в 70-х годах. Но пока он томился, другая группа ученых боролась с не менее загадочными загадками пещер. На этот раз научная охота на детективов развернулась далеко от бурных каньонов Вайоминга в затоптанных глубинах основного туристического направления, Карлсбадских пещер.
Ранняя история Карлсбада - это история одного человека, Джима Уайта. Будучи подростком в 1890-х годах, Уайт бродил возле своего лагеря в Гваделупских горах юго-востока Нью-Мексико, когда заметил странное темное облако, вздымающееся на полу пустыни. «Я думал, что это вулкан», - сказал он позже, - «но тогда я никогда не видел вулкана». Проследив облако до его истоков в устье гигантской пещеры, Уайт стоял потрясенный зрелищем миллионов пролившихся летучих мышей. на их ночной охотничий исход. Так началась его пожизненная одержимость Карлсбадскими Пещерами, которую он обычно исследовал один, лишь слабое мерцание керосиновой лампы, чтобы направлять его. Рассказы Уайта об огромном подземном лабиринте делали его чем-то вроде местного посмешища, пока он не убедил фотографа сопровождать его в пещеру в 1915 году. В последующие месяцы Уайт опускал посетителей в железное ведро на шаткой лебедке в темноту 170 ноги ниже. Сегодня, конечно же, его одинокая одержимость превратилась в национальный парк, привлекающий полмиллиона посетителей в год.
Но, пожалуй, самый удивительный аспект истории Карлсбада заключается в том, что даже в 1970-е годы, когда ежедневных летних посетителей исчислялось тысячами, минералогия пещер и ее многие загадочные особенности практически не изучались. Спелеология, или изучение пещер, была едва ли респектабельной наукой, и, по словам эксперта по пещерам Кэрол Хилл, геологи основного направления имели тенденцию отклонять как «грязных спелеологов» тех, кого привлекал предмет.
Затем, однажды в октябре 1971 года, Хилл и трое молодых аспирантов-геологов поднялись по крутой лестнице в одну из отдаленных комнат Карлсбада. Когда они карабкались по Тайной комнате, названной в честь странного шума, производимого там ветром, они были сбиты с толку голубоватой глиной у их ног и рассыпчатыми, похожими на кукурузные хлопья корками на стенах. В другом месте пещеры все еще были массивные блоки мягкого белого минерала. Таких блоков вообще не должно было быть.
Во-первых, этот минерал, гипс, быстро растворяется в воде. И традиционное объяснение того, как формируются пещеры, включает в себя действие воды - в большом количестве - просачивающейся через известняк в течение миллионов лет. Химия проста: когда дождь падает через атмосферу и стекает в почву, он поглощает углекислый газ и образует слабый кислый раствор - углекислоту. Эта слегка коррозийная грунтовая вода разъедает известняк и через века вытравливает пещеру.
Согласно этой общепринятой теории, все известняковые пещеры должны состоять из длинных узких коридоров. Тем не менее, как известно любому, кто прошел через главную достопримечательность Карлсбада, Большую комнату, это гигантский соборный зал, простирающийся на шесть футбольных полей. Если бы эта огромная пещера была вырублена крупной подземной рекой, она должна была бы размывать или сметать все на своем пути, включая гипс. И все же гигантские белые кучи вещей толщиной до 15 футов лежат на полу Большой Комнаты, одного из самых больших пещерных пространств в мире.
Озадаченный, Хилл был вынужден прийти к выводу, что в Гваделупских горах должен был работать какой-то кардинально другой метод формирования пещер. Вскоре она выдвинула теорию, аналогичную теории Эгемейера: сероводород, выделяемый соседними нефтяными и газовыми месторождениями, поднялся через горы и прореагировал с кислородом в подземных водах с образованием серной кислоты, которая затем съела пещеры в течение миллионов лет.,
Ее теория сероводорода вызвала сильный скептицизм среди геологов, которые искали доказательства, которые Карлсбад, как «мертвая» или уже не образующая пещеру, не мог предоставить. Чтобы подтвердить теорию Хилла, ученым нужно было исследовать место, где серная кислота все еще питалась в пещере - как это было в Нижнем Кейне. Но с годами маленькая пещера под железнодорожным путем была более или менее забыта.
В 1987 году, наконец, появилось дотошное исследование Хиллом Гуадалупов, совпавшее с публикацией работы Стивена Эгемейера после его смерти в 1985 году. Эти исследования, наряду с новыми открытиями нескольких других активных сульфидных пещер по всему миру, оказались вне всякого сомнения что пещеры в некоторых регионах были образованы серной кислотой. Но теперь возник более мучительный вопрос: как жизнь могла процветать в темных пещерах, полных ядовитого газа?
Один из моих самых страшных моментов при посещении Нижнего Кейна был, когда я направил свой луч фонарика на один из трех бассейнов пещеры. Прямо под поверхностью воды тянулся сумасшедший узор из вязких, пленочных матов с поразительными оттенками сине-черного, ярко-красного и яркого апельсина Day-Glo, как будто какой-то поп-художник 1960-х бросил краску во всех направлениях. В некоторых местах пятнистые оранжевые узоры напоминали мне изображения НАСА о бесплодной поверхности Марса. В других это выглядело так, как будто кто-то бросил соус для спагетти в воду. И плавая в воде прямо над каждым источником, паучьи белые нити, похожие на тонкую паутину, исполняли призрачный подводный танец в потоках, бурлящих снизу.
Все психоделические цвета принадлежали бактериальным матам, желатиновым пленкам углеродных соединений, генерируемых невидимыми микробами. Эти яркие побочные продукты бактериальной активности можно увидеть скоплением вокруг горячих источников в Йеллоустоне и в других местах, хотя на поверхности они могут быть подавлены конкуренцией со стороны водорослей и других организмов. Но что они делали здесь, в Нижнем Кейне, процветали так обильно в месте с ядовитыми газами и без солнечного света?
В течение большей части 20-го века ученые полагали, что никакие бактерии не могут существовать более чем в нескольких ярдах от верхнего слоя почвы или океанской грязи; ниже этого, думали ученые, жизнь просто кончилась. Затем, в 1977 году, произошло удивительное открытие странных трубчатых червей и других экзотических животных, все они сгрудились вокруг затопленных вулканов настолько глубоко в Тихом океане, что солнечный свет не достигает их. Оказалось, что эта потусторонняя экосистема почти полностью зависит от активности серолюбивых бактерий, которые процветают от ожоговых потоков и газов, выделяемых подводными жерлами. Вскоре последовали столь же поразительные откровения о микробах в других неожиданных местах: бактерии были обнаружены в кернах, пробуренных более чем в миле ниже Вирджинии, внутри скал из негостеприимной Антарктиды и более чем в шести милях в глубине Тихого океана на дне Марианской впадины. Некоторые ученые теперь предполагают, что скрытые подземные бактерии могут равняться массе всего живого материала выше.
Эта «темная жизнь», изолированная на миллиарды лет, открывает мучительные перспективы для ученых. Микробиологи надеются, что подземные бактерии могут привести к появлению новых антибиотиков или противораковых агентов. Специалисты НАСА расследуют их в надежде определить сигнатуры, которые они могли бы распознать в образцах горных пород с Марса или в зондах, которые могут однажды проникнуть в замерзшие моря Европы, одного из спутников Юпитера.
Но проблемой для всех этих охотников за подземными жуками является доступ, в который входит Нижняя Кейн. «Пещеры предлагают идеальное окно для входа в обычно скрытый мир микробной активности», - говорит Диана Нортуп, исследователь пещер в Университете. Нью-Мексико. «Некоторые исследователи предполагают, что жизнь эволюционировала сначала под землей и вышла на поверхность по мере улучшения условий. Если это правда, то исследования подземных микробов могут дать подсказки о природе некоторых из самых ранних форм жизни Земли ».
Хотя LowerKaneCave подарил мне мокроту и ушиб или два, мои неудобства были ничто по сравнению с милями извиваний и сдавливаний, необходимых для проникновения во многие другие сульфидные пещеры. Его доступность была одной из причин того, что Нижняя Кейн привлекла Аннет Саммерс Энгель впервые в 1999 году и с тех пор каждый год, что позволило ей и ее команде геологов, геохимиков и экспертов по ДНК с относительной легкостью доставлять и выводить научное оборудование. Их первоначальные испытания быстро подтвердили, что Стивен Эгемейер был прав: серная кислота, являющаяся результатом реакции сероводорода с кислородом, действительно все еще поглощала стены пещеры. Самый интригующий вопрос заключался в том, добавляли ли бактериальные маты Нижнего Кейна к кислотной атаке. Поскольку некоторые бактерии производят серную кислоту в качестве отходов, это, безусловно, казалось возможным. План Саммерса Энгеля состоял в том, чтобы решить этот вопрос с нескольких точек зрения. Например, тест ДНК может идентифицировать определенные микробы. Другие тесты могут сказать, питался ли микроб, скажем, серой или железом, и был ли он в стрессе или процветал.
Предварительные результаты поразили исследователей. «Когда мы впервые приехали в Нижний Кейн, - говорит Саммерс Энгель, - мы, естественно, предполагали, что каждый мат будет состоять в основном из окисляющих серу микробов. Это казалось здравым смыслом. Вместо этого мы обнаружили удивительную сложность ». Каждый коврик, на самом деле, оказался таким же разнообразным, как городской квартал Манхэттена. Было много питающихся серой микробов, все они питались газами, которые пузырились в источниках. Но была и буйная смесь других бактерий. Например, некоторые, не обращая внимания на серу, питались отходами, которые производили их соседи. Также не все жуки были выброшены случайно. Например, бактерии, потребляющие серу, собираются на верхней части мата; как жадные потребители кислорода, им нужен был воздух на поверхности пружины, чтобы выжить. Производители метана, которые не нуждаются в кислороде, как и ожидалось, были сосредоточены на дне мата.
Чтобы выяснить, как коврики в целом влияют на пещеру, ученые разработали тест элегантной простоты, включающий две пластиковые трубки, каждая из которых содержит идентичные известняковые чипсы. Устье одного было покрыто грубой пластиковой сеткой, позволяющей микробам и воде из источника циркулировать внутри. Другой был покрыт мембраной, которая впускала воду, но не пускала микробы. После погружения обеих трубок весной на несколько месяцев команда изучила чипы под микроскопом. Чип, подвергшийся воздействию как кислой воды, так и микробов, имел более глубокие ямки и шрамы, чем тот, который подвергался воздействию только воды. Здесь было доказательство того, что кислотообразующие микробы ускоряли создание пещеры. «Нет сомнений в том, что микробы добавляют к химическому химическому составу, который растворяет известняк, - говорит геохимик из Техасского университета Либби Стерн, - и что без матов Нижняя Кейн, вероятно, будет формироваться гораздо более медленными темпами».
Но еще одна находка была еще более заманчивой: совершенно новый вид микробов, предварительно идентифицированный биологом Бригама Юнга из университета Меган Портер. Новый организм, по-видимому, тесно связан с микробами, обнаруженными в подводных источниках глубоко в Тихом океане, вероятной точке возникновения возникновения жизни. «Это захватывающее открытие, - говорит Портер, - потому что оно подразумевает, что типы метаболизма, обнаруженные в LowerKaneCave, очень древние». Это также соответствует растущим свидетельствам того, что жизнь могла начаться в недрах. В подземных убежищах, таких как пещеры, подводные жерла и в почве, примитивные микробы были бы защищены от взрывов вулканов, метеорных бомбардировок и интенсивного ультрафиолетового излучения, которые сделали планету такой негостеприимной в первые годы. В этих древних убежищах, которые люди только что выяснили, как проникнуть, жизнь развивалась далеко от солнечного света, часто в экстремальных условиях жары и кислотности. Психоделические маты Кейна напоминают нам, какими, должно быть, были необычайно разнообразные и выносливые древние пионеры Земли.
Но горизонты исследований пещер простираются далеко за пределы нашей собственной планеты. Многие астрономы и геологи предполагают, что на Луне Юпитера Европа и Марс есть вода и подповерхностные условия, напоминающие наши собственные. Если микробы могут выжить в суровых условиях, то почему бы и нет? «Наша работа в пещерах расширила известные пределы жизни на нашей собственной планете», - говорит Пенни Бостон. «Но это также отличная генеральная репетиция для изучения биологических объектов на других планетах и подталкивания нашего воображения к соединению« внутренних-земных »Земли с таковыми из космоса».
