Флуоресцентные пещеры могут объяснить, как жизнь сохраняется во внеземных условиях

Часть пещеры Ветров в Южной Дакоте, видимая при обычном белом освещении (изображение слева), превращается в нечто потустороннее, если поместить ее под ультрафиолетовое освещение (изображение справа). Автор: Joshua Sebree

Глубоко под поверхностью Земли, скальные и минеральные образования скрыты тайным блеском. Под черным светом химические вещества, окаменевшие внутри, сияют яркими оттенками розового, синего и зеленого. Ученые используют эти флуоресцентные особенности, чтобы понять, как образовались пещеры и как поддерживается жизнь в экстремальных условиях, что может пролить свет на то, как жизнь могла сохраняться в далеких местах, таких как ледяная луна Юпитера Европа.

Исследователи представили свои результаты на весеннем заседании Американского химического общества (ACS), которое проходило 23–27 марта.

Как оказалось, химия в пещере Ветров в Южной Дакоте, вероятно, похожа на такие места, как Европа, и до нее легче добраться. Вот почему астробиолог Джошуа Себри, профессор Университета Северной Айовы, оказался на глубине сотен футов под землей, исследуя минералы и формы жизни в этих темных, холодных условиях.

«Цель этого проекта в целом — попытаться лучше понять химию, происходящую под землей, которая рассказывает нам о том, как может поддерживаться жизнь», — объясняет он.

Когда Себри и его ученики начали исследовать новые области пещеры Уинд и других пещер по всей территории США, они наносили на карту скальные образования, проходы, ручьи и организмы, которые они находили. Во время исследований они также брали с собой свои черные фонари (ультрафиолетовые фонари), чтобы изучать минералы в скалах.

Под черным светом некоторые области пещер, казалось, трансформировались во что-то потустороннее, поскольку части окружающих пород светились разными оттенками. Благодаря примесям, застрявшим в Земле миллионы лет назад — почти химическим окаменелостям — оттенки соответствовали различным концентрациям и типам органических или неорганических соединений. Эти сияющие камни часто указывали, где вода когда-то несла минералы с поверхности.

«Стены выглядели совершенно пустыми и лишенными чего-либо интересного», — говорит Себри. «Но затем, когда мы включили черный свет, то, что раньше было просто коричневой стеной, превратилось в яркий слой флуоресцентного минерала, который указывал на то место, где 10 000 или 20 000 лет назад был бассейн с водой».

Несколько измерений флуоресценции зебрового кальцита в пещере Уинд были сделаны с помощью портативных спектрометров. Автор: Joshua Sebree

Обычно, чтобы понять химический состав пещерного объекта, образец породы извлекается и возвращается в лабораторию. Но Себри и его команда собирают спектры флуоресценции — что-то вроде отпечатка пальца химического состава — различных поверхностей, используя портативный спектрометр во время своих экспедиций. Таким образом, они могут взять информацию с собой, но оставить пещеру позади и нетронутой.

Анна Ван дер Вейде, студентка бакалавриата университета, сопровождала Себри в некоторых из этих исследований. Используя информацию, собранную во время полевых работ, она создает общедоступный перечень флуоресцентных отпечатков пальцев, чтобы помочь предоставить дополнительный слой информации к традиционной карте пещеры и нарисовать более полную картину ее истории и формирования.

Дополнительные студенты бакалавриата внесли свой вклад в исследование. Жаклин Хегген продолжает изучать эти пещеры как имитируемую среду для астробиологических экстремофилов; Джордан Холлоуэй разрабатывает автономный спектрометр, чтобы сделать измерения более простыми и даже возможными для будущих внеземных миссий; а Селия Лангемо изучает биометрию, чтобы обеспечить безопасность исследователей экстремальных сред. Эти три студента также представили свои выводы на ACS Spring 2025.

Одна из учениц Себри, Жаклин Хегген, демонстрирует светящиеся образования в пещере Ветра. Автор: Joshua Sebree

Заниматься наукой в пещере нелегко. Например, при температуре 48 градусов по Фаренгейту (9 градусов по Цельсию) в пещере Мистери-Кейв в Миннесоте команде пришлось закопать батареи спектрометра в грелки для рук, чтобы они не сели.

В других случаях, чтобы добраться до интересующей области, ученым приходилось протискиваться через пространства шириной менее фута (30 сантиметров) на протяжении сотен футов, иногда теряя в процессе ботинок (или штаны). Или им приходилось стоять по колено в ледяной пещерной воде, чтобы сделать измерение, и надеяться, что их приборы не поплывут случайно.

Но, несмотря на эти препятствия, пещеры уже открыли богатство информации. В пещере Ветра команда обнаружила, что богатые марганцем воды прорезали пещеру и создали полосатые зебровые кальциты внутри, которые светились розовым в черном свете.

Кальциты росли под землей, питаемые богатой марганцем водой. Себри считает, что когда эти породы разрушились, поскольку кальцит слабее известняка, также составляющего пещеру, кальцит также расширил пещеру. «Это совершенно другой механизм формирования пещер, нежели тот, который рассматривался ранее», — говорит он.

И уникальные условия исследования стали для Ван дер Вайде незабываемым опытом. «Было действительно здорово увидеть, как можно применять науку в полевых условиях, и узнать, как вы функционируете в этих условиях», — заключает она.

В будущем Себри надеется дополнительно подтвердить точность метода флуоресценции, сравнив его с традиционными деструктивными методами.

Он также хочет исследовать пещерную воду, которая также флуоресцирует, чтобы понять, как жизнь на поверхности Земли повлияла на жизнь глубоко под землей, и, возвращаясь к своим астробиологическим корням, понять, как похожая, богатая минералами вода может поддерживать жизнь в дальних уголках нашей Солнечной системы.

Больше информации: 4197876 - Developing a cave science spectral database for fluorescence inventory | Poster Board #961
4188774 - Spectroscopic analysis of caves: The influence of organic overburden on karst speleothems

Источник: American Chemical Society