Kilka kilometrów na południe od Lovell w stanie Wyoming, w pobliżu granicy z Montaną, północna linia kolejowa Burlington rozpoczyna stopniową wspinaczkę z pastwisk i gajów bawełny. Szlak wznosi się w miodowy wąwóz przecięty wapieniem Madison, formacją już starożytną, gdy dinozaury wędrowały po brzegach Wyoming, a następnie przechodzi nad podziemną komorą, 30 stóp poniżej, znaną jako Jaskinia Dolna Kane. Wejście do jaskini jest prawie niewidoczne, szczelina prawie zakopana przez stromo ułożony gruz nasypu kolejowego.
powiązana zawartość
- Początki życia
- EcoCenter: The Land
Potykając się po tym skręcie stawu skokowego za zespołem naukowców, najpierw wierciłem się przez 30-calowe pęknięcie. Zgięty podwójnie i szamocząc się w mroku, poślizgnąłem się w szybko płynącym strumieniu i zatoczyłem się na czworakach, zanim znalazłem wystarczająco dużo miejsca, by stać prosto na błotnistym brzegu. Wkrótce moje oczy przyzwyczaiły się do słabego blasku reflektora, ale skóra pozostała lepka; w przeciwieństwie do większości jaskiń na tej szerokości geograficznej, które pozostają przyjemnie chłodne przez cały rok, temperatura w Lower Kane unosi się w niewygodnie wilgotnym 75 stopniach. Cierpki, zgniły zapach utkwił mi w gardle.
Lower Kane nie ma błyszczących kolumn ani wapiennych „draperii” podziemnych miejsc turystycznych, takich jak Carlsbad Caverns w Nowym Meksyku czy MammothCave w Kentucky. Niewiele większa niż typowa stacja metra w Nowym Jorku, Lower Kane nie ma nawet najskromniejszego stalaktytu. Jednak ta niepozorna jaskinia okazuje się być naukową kopalnią złota, wciągając w jej wilgotne głębiny energiczną grupę naukowców, kierowaną przez Annette Summers Engel z University of Texas. Zakładając maski ochronne, aby uchronić się przed toksycznymi gazami wydobywającymi się z trzech zbiorników zasilanych wiosną, zespół kontynuuje ostatni rozdział w 30-letnim wysiłku, aby zrozumieć rzadką i egzotyczną formę jaskini, którą reprezentuje Kane; na całym świecie znaleziono tylko kilkanaście takich tzw. jaskiń z aktywnymi siarczkami. Po raz pierwszy zaproponowana na początku lat 70. teoria ich powstania była tak kontrowersyjna, że społeczność naukowa zajęła jej prawie dwie dekady. Ostatecznie niezwykła geochemia tych jaskiń obaliła konwencjonalne myślenie o tym, jak powstały.
Co ważniejsze, odkrycie „ciemnego życia” - żywych kolonii drobnoustrojów kwitnących w tych zalanych kwasem, ciemnych jak smoła czarnych światach - wyrzuciło od dawna przekonanie, że jaskinie to głównie jałowe i sterylne miejsca. Naukowcy szukają w tych ukrytych niegdyś głębinach mikroorganizmów, które mogą prowadzić do nowych metod leczenia raka. Badania w jaskiniach wpływają również na myślenie naukowców o pochodzeniu życia na Ziemi i jego możliwym istnieniu na innych światach. „Jaskinia to zupełnie inne środowisko, to prawie jak podróż na inną planetę”, mówi geomikrobiolog z New Mexico Tech Penny Boston. „W pewnym sensie jest to kolejna planeta - część naszej własnej planety, której jeszcze nie zbadaliśmy. Tak jak głębokie oceany stały się dostępne dla nauki dopiero w ciągu ostatnich kilku dziesięcioleci, teraz znajdujemy tego rodzaju pionierski wysiłek w jaskiniach. ”(Telewizyjne badanie badań jaskini„ Tajemnicze życie jaskiń ”pojawia się w PBS NOVA 1 października)
Pod koniec lat 60. absolwent Uniwersytetu Stanforda, który szukał trudnego tematu do swojej pracy doktorskiej, stał się pierwszym naukowcem, który przecisnął się przez szczelinę w nasypie kolejowym Wyoming. Ciekawość Stephena Egemeiera natychmiast wzbudziły niezwykle ciepłe temperatury i nieprzyjemne zapachy Dolnego Kane'a. Jeszcze dziwniejsze były ogromne, zabłocone hałdy kruchego białego minerału, rzadko spotykane w jaskiniach. Był to gips lub siarczan wapnia, główny składnik Sheetrock lub płyt kartonowo-gipsowych, materiał znany z budowy domu. Kiedy Egemeier odkrył, że źródła Dolnego Kane'a były nie tylko gorące, ale bulgotały gazowy siarkowodór (znany ze swojego zapachu rottenegg), wysunął teorię, że siarkowodór aktywnie pracuje przy wykrawaniu Dolnego Kane. Z każdego podziemnego źródła potencjalnie toksyczny gaz ostatecznie pochodził - czy to wulkaniczne zbiorniki Yellowstone na zachodzie, czy pola naftowe w BighornBasin na południu - bulgotały z wody źródlanej i do jaskini. Naturalnie niestabilny reagował z tlenem w wodzie, tworząc kwas siarkowy. Kwas zjadał ściany jaskini i wytwarzał gips jako produkt uboczny.
Pionierskie badania Egemeiera nigdy nie były szeroko publikowane i przyciągały niewielką uwagę w latach 70. Ale podczas gdy inna istniała w tyle, inna grupa naukowców zmagała się z równie zagadkowymi zagadkami jaskiniowymi. Tym razem polowanie na naukowego detektywa odbyło się z dala od trudnych kanionów Wyoming w dobrze zdeptanych głębinach dużego ośrodka turystycznego, Carlsbad Caverns.
Wczesna historia Carlsbad jest zasadniczo historią jednego człowieka, Jima White'a. Jako nastolatek w latach 90. XIX wieku White wędrował w pobliżu swojego kempingu w górach Guadalupe w południowo-wschodnim Nowym Meksyku, gdy zauważył dziwną ciemną chmurę wirującą z pustynnej podłogi. „Myślałem, że to wulkan”, powiedział później, „ale nigdy nie widziałem wulkanu.” Śledząc chmurę do jej źródła u ujścia gigantycznej jaskini, White stał zauroczony widowiskiem milionów wylewających się nietoperzy na nocny odpływ myśliwski. Tak zaczęła się jego dożywotnia obsesja na punkcie jaskiń Carlsbadu, którą na ogół badał sam, z ledwie wyczuwalnym migotaniem lampy naftowej. Opowieści White'a o rozległym podziemnym labiryncie uczyniły go czymś w rodzaju lokalnego śmiechu, dopóki nie przekonał fotografa, aby towarzyszył mu w jaskini w 1915 roku. W następnych miesiącach White opuszczał gości w żelaznym wiadrze na chwiejnej wyciągarce w ciemność 170 stopy poniżej. Dziś jego jedyną obsesją stał się park narodowy, który przyciąga pół miliona turystów rocznie.
Być może najbardziej zaskakującym aspektem historii Carlsbad jest to, że jeszcze w latach siedemdziesiątych XX wieku, kiedy codzienne letnie odwiedziny liczyły tysiące osób, mineralogia jaskiń i jej wiele zagadkowych cech nie były badane. Speleologia, czyli nauka o jaskiniach, była ledwo poważaną nauką, a według eksperta od jaskiń Carol Hill geolodzy z głównego nurtu zwykle odrzucali jako „brudnych jaskiniowców” tych, których pociągał ten temat.
Pewnego dnia w październiku 1971 r. Hill i trzech innych młodych absolwentów geologii wspięli się po stromej drabinie do jednej z odległych komnat Carlsbadu. Gdy wspinali się po Tajemniczym Pokoju, nazwanym na cześć dziwnego hałasu wytwarzanego tam przez wiatr, zaskoczyły ich plamy niebieskawej gliny u ich stóp i kruche, przypominające płatki kukurydziane skorupy na ścianach. Odder wciąż był masywnymi blokami miękkiego, białego minerału gdzie indziej w jaskini. Takie bloki nie powinny w ogóle tam być.
Po pierwsze, ten minerał, gips, szybko rozpuszcza się w wodzie. A konwencjonalne wyjaśnienie, jak powstają jaskinie, polega na działaniu wody - jej dużej ilości - przenikającej przez wapień przez miliony lat. Chemia jest prosta: gdy deszcz spada przez atmosferę i wycieka do gleby, zbiera dwutlenek węgla i tworzy słaby kwasowy roztwór, kwas węglowy. Ta lekko korozyjna woda gruntowa zjada wapień i przez eony wytrawia jaskinię.
Zgodnie z tą powszechnie przyjętą teorią wszystkie wapienne jaskinie powinny składać się z długich, wąskich korytarzy. Jednak, jak każdy, kto wędrował przez główną atrakcję Carlsbadu, Big Room, wie, jest to gigantyczna, przypominająca katedrę sala rozciągająca się na równowartość sześciu boisk piłkarskich. Gdyby wielka podziemna rzeka wyrzeźbiła tę ogromną jaskinię, mogłaby zerodować lub zmieść wszystko na swojej drodze, w tym gips. Jednak gigantyczne białe stosy materiałów o grubości do 15 stóp leżą na podłodze Big Room, jednej z największych jaskiń na świecie.
Zdziwiony Hill był zmuszony dojść do wniosku, że pewna drastycznie inna metoda formowania jaskiń musiała zadziałać w górach Guadalupe. Wkrótce wymyśliła teorię podobną do teorii Egemeiera: siarkowodór wydzielany przez pobliskie pola naftowe i gazowe wzniósł się w górach i zareagował z tlenem w wodzie gruntowej, tworząc kwas siarkowy, który następnie zjadł jaskinie przez miliony lat .
Jej teoria siarkowodoru wzbudziła duży sceptycyzm wśród geologów, którzy szukali dowodów, których Carlsbad, jako „martwa” lub już nie formująca się jaskinia, nie był w stanie zapewnić. Aby potwierdzić teorię Hilla, naukowcy musieli zbadać miejsce, w którym kwas siarkowy wciąż zjadał jaskinię - tak jak to było w Lower Kane. Ale przez lata mała jaskinia pod torami kolejowymi była mniej więcej zapomniana.
W 1987 r. Wreszcie pojawiły się skrupulatne badania Guadalupesa Hill'a, zbieżne z publikacją pracy Stephena Egemeiera po jego śmierci w 1985 r. Badania te, wraz z nowymi odkryciami garstki innych aktywnych jaskiń siarczkowych na całym świecie, okazały się ponad wszelką wątpliwość że jaskinie w niektórych regionach zostały utworzone przez kwas siarkowy. Ale teraz pojawiło się bardziej kuszące pytanie: jak życie może się rozwijać w ciemnych jaskiniach pełnych toksycznych gazów?
Jedną z moich najstraszniejszych chwil w Dolnym Kane było skierowanie latarki na jeden z trzech basenów jaskini. Tuż pod powierzchnią wody rozciągał się szalony wzór sznurków, matujących w zaskakujących odcieniach niebiesko-czarnego, cynobru i jaskrawej pomarańczy Day-Glo, jakby jakiś popowy artysta z lat 60. rzucał farbą we wszystkich kierunkach. W niektórych miejscach cętkowane, dziurawe pomarańczowe wzory przypominały mi zdjęcia NASA na jałowej powierzchni Marsa. W innych wyglądało to tak, jakby ktoś rzucił sos spaghetti do wody. I unoszące się w wodzie bezpośrednio nad każdą wiosną, pająkowate białe włókna, jak delikatne pajęczyny, wykonały upiorny podwodny taniec w prądzie bulgoczącym z dołu.
Wszystkie psychodeliczne kolory należały do mat bakteryjnych, galaretowatych warstw związków węgla wytwarzanych przez niewidzialne drobnoustroje. Te żywe produkty uboczne aktywności bakteryjnej można zaobserwować skupiające się wokół gorących źródeł w Yellowstone i innych miejscach, chociaż na powierzchni mogą być przytłoczone przez konkurencję glonów i innych organizmów. Ale co oni tu robili w Dolnym Kane, kwitnąc tak obficie w miejscu z trującymi gazami i bez światła słonecznego?
Przez większość XX wieku naukowcy uważali, że żadna bakteria nie może istnieć więcej niż kilka jardów pod warstwą gleby lub błota oceanicznego; poniżej, jak sądzili naukowcy, życie po prostu zgasło. Potem, w 1977 roku, nastąpiło zdumiewające odkrycie dziwacznych robaków rurowych i innych egzotycznych zwierząt, które skupiały się wokół zanurzonych wulkanów tak głęboko na Pacyfiku, że nie dociera do nich światło słoneczne. Okazało się, że ten nieziemski ekosystem prawie całkowicie zależy od aktywności bakterii kochających siarkę, które żyją w prażących prądach i gazach uwalnianych przez podwodne otwory wentylacyjne. Wkrótce potem pojawiły się równie zaskakujące informacje o drobnoustrojach w innych mało prawdopodobnych miejscach: bakterie znaleziono w rdzeniach wywierconych ponad milę poniżej Wirginii, w skałach z niegościnnej Antarktydy i ponad sześć mil głęboko na Pacyfiku, na dnie rowu Marianas. Niektórzy naukowcy spekulują teraz, że ukryte bakterie pod powierzchnią mogą być równe masie wszystkich żywych materiałów powyżej.
To „ciemne życie”, izolowane od miliardów lat, stwarza kuszące perspektywy dla naukowców. Mikrobiologowie mają nadzieję, że podziemne bakterie mogą prowadzić do nowych antybiotyków lub leków przeciwnowotworowych. Specjaliści NASA badają je w nadziei na zidentyfikowanie podpisów, które mogliby rozpoznać w próbkach skał z Marsa lub w sondach, które pewnego dnia mogą przeniknąć zamarznięte morza Europy, jednego z księżyców Jowisza.
Ale wyzwaniem dla wszystkich tych łowców podziemnych robaków jest dostęp, do którego wkracza Lower Kane. „Jaskinie oferują idealne okno do normalnie ukrytego świata aktywności mikrobiologicznej”, mówi Diana Northup, badaczka jaskiń na uniwersytecie Nowego Meksyku. „Niektórzy badacze spekulują, że życie ewoluowało najpierw pod ziemią i przemieszczało się na powierzchnię w miarę poprawy warunków. Jeśli to prawda, to badania drobnoustrojów podpowierzchniowych mogą dać wskazówki co do natury niektórych z najwcześniejszych form życia na Ziemi. ”
Chociaż LowerKaneCave dało mi moczenie i siniak lub dwa, moje dolegliwości były niczym w porównaniu z milami wijącymi się i ściśnięciami wymaganymi do penetracji wielu innych jaskiń siarczkowych. Jej dostępność była jednym z powodów, dla których Lower Kane po raz pierwszy przyciągnęła Annette Summers Engel w 1999 roku i co roku, pozwalając jej i jej zespołowi geologów, geochemików i ekspertów DNA wozić sprzęt naukowy ze względną łatwością. Wstępne testy szybko potwierdziły, że Stephen Egemeier miał rację: kwas siarkowy, będący wynikiem reakcji siarkowodoru z tlenem, rzeczywiście wciąż zjadał ściany jaskini. Najbardziej intrygujące pytanie brzmiało, czy maty bakteryjne Lower Kane zwiększają atak kwasu. Ponieważ niektóre bakterie wytwarzają kwas siarkowy jako produkty odpadowe, z pewnością wydawało się to możliwe. Plan Summersa Engela polegał na rozwiązaniu problemu z kilku różnych punktów widzenia. Na przykład test DNA może zidentyfikować określone drobnoustroje. Inne testy mogą stwierdzić, czy drobnoustrój żywi się, powiedzmy, siarką czy żelazem, i czy jest zestresowany, czy kwitnie.
Wstępne wyniki zaskoczyły naukowców. „Kiedy po raz pierwszy przyjechaliśmy do Lower Kane”, mówi Summers Engel, „naturalnie założyliśmy, że każda mata składa się głównie z drobnoustrojów utleniających siarkę. To wydawało się zdrowym rozsądkiem. To, co znaleźliśmy, było zadziwiającą złożonością. ”Każda mata okazała się tak różnorodna jak blok Manhattanu. Było wiele drobnoustrojów jedzących siarkę, wszystkie odżywiające się gazami bulgotającymi w źródłach. Ale była też buntownicza mieszanka innych bakterii. Na przykład niektórzy, nieświadomi obecności siarki, odżywiali się odpadami wytwarzanymi przez sąsiadów. Błędy nie zostały też zrzucone losowo. Na przykład bakterie zjadające siarkę gromadzą się na szczycie maty; jako chciwi konsumenci tlenu potrzebowali powietrza na powierzchni źródła, aby przetrwać. Producenci metanu, którzy nie potrzebują tlenu, skoncentrowali się, jak można było przewidzieć, na dnie maty.
Aby dowiedzieć się, jak maty jako całość wpływały na jaskinię, naukowcy opracowali test eleganckiej prostoty, obejmujący dwie plastikowe rurki, z których każda zawiera identyczne wapienne wióry. Usta jednego z nich pokryte były prymitywną plastikową siatką, umożliwiającą wirowanie zarówno drobnoustrojom, jak i wodzie ze źródła. Drugi był przykryty membraną, która przepuszczała wodę, ale chroniła przed drobnoustrojami. Po kilkumiesięcznym zanurzeniu obu probówek wiosną zespół zbadał chipy pod mikroskopem. Czip wystawiony zarówno na działanie kwaśnej wody, jak i drobnoustrojów był poważniej wżerowany i pokryty bliznami niż ten wystawiony na działanie samej wody. Oto dowód, że drobnoustroje wytwarzające kwas przyspieszają tworzenie jaskini. „Nie ma wątpliwości, że drobnoustroje zwiększają skład chemiczny kwasu, który rozpuszcza wapień”, mówi geby z University of Texas, Libby Stern, „i że bez mat Lower Kane prawdopodobnie tworzyłby się w znacznie wolniejszym tempie”.
Ale kolejne odkrycie było jeszcze bardziej kuszące: zupełnie nowy gatunek drobnoustroju, wstępnie zidentyfikowany przez biologa BrighamYoungUniversity, Megan Porter. Nowy organizm wydaje się blisko spokrewniony z drobnoustrojami znajdującymi się w otworach podmorskich głęboko na Pacyfiku, prawdopodobnym punkcie początkowym pojawienia się życia. „To ekscytujące odkrycie”, mówi Porter, „ponieważ sugeruje, że rodzaje metabolizmu występujące w LowerKaneCave są bardzo stare.” To również pasuje do rosnących dowodów na to, że życie mogło się rozpocząć w głębinach. W schronach pod powierzchnią, takich jak jaskinie, podmorskie otwory wentylacyjne i gleba, prymitywne drobnoustroje byłyby chronione przed wybuchami wulkanów, bombardowaniami meteorów i intensywnym promieniowaniem ultrafioletowym, które sprawiły, że planeta była tak niegościnna we wczesnych latach. W tych starożytnych schroniskach, które ludzie dopiero odkryli, jak przenikać, życie ewoluowało z dala od światła słonecznego, często w ekstremalnych warunkach gorąca i kwasowości. Psychodeliczne maty Kane'a przypominają nam, jak niezwykli byli różnorodni i odporni starożytni pionierzy ziemi.
Ale horyzonty badań nad jaskiniami rozciągają się daleko poza naszą planetę. Wielu astronomów i geologów spekuluje, że księżyc Jowisza, Europa i Mars, zawierają wody i warunki pod powierzchnią podobne do naszych. Jeśli drobnoustroje mogą tu przetrwać w trudnych warunkach, to dlaczego nie? „Nasza praca w jaskiniach poszerzyła znane granice życia na naszej planecie” - mówi Penny Boston. „Ale to także świetna próba ubioru do badania miejsc biologicznych na innych planetach i pobudzenia naszej wyobraźni do połączenia ziemskich„ wewnętrznych ziemian ”z kosmicznymi”.
