https://frosthead.com

Underjordiske overraskelser

Et par miles syd for Lovell, Wyoming, nær Montana-grænsen, begynder Burlington nordlige jernbane en gradvis stigning ud af græsarealer og bomuldstræer. Sporet stiger ind i en honningfarvet kløft, der er skåret gennem Madison kalksten, en formation, der allerede var ældgamle, da dinosaurerne strejfede om Wyomings kyststrande, passerer derefter over et underjordisk kammer, 30 meter under, kendt som Lower Kane Cave. Hulens indgang er næsten usynlig, en revne næsten begravet af den stejle stablede murbrokker på jernbanedalen.

Relateret indhold

  • Livets oprindelser
  • EcoCenter: Landet

Når jeg snublede ned ad denne ankelvridende hældning bag et team af videnskabsfolk, squirkede jeg fødderne først gennem 30-tommer revnen. Bøjet dobbelt og fumlende min vej frem i dysterhed, gled jeg ind i en hurtig bevægende strøm og fløj over alle fire før jeg fandt plads nok til at stå oprejst på mudderbanken. Mine øjne justerede sig snart efter den svage glød fra min forlygte, men min hud forblev klistret; i modsætning til de fleste huler på denne breddegrad, der forbliver behageligt køligt året rundt, svæver temperaturen i Lower Kane på en ubehageligt fugtig 75 grader. En skarp, rådd lugt sidder fast i min hals.

Nedre Kane har ingen af ​​de mousserende søjler eller kalksten "gardiner" af underjordiske turiststeder såsom New Mexicos Carlsbad huler eller Kentucky's Mammoth Cave. Nej, kun Kane er større end en typisk New York City metrostation, og den mangler selv den ydmeste stalaktit. Alligevel viser denne uudnyttede hule sig at være en videnskabelig guldmine, der trækker til sin fugtige dybde en energisk gruppe forskere, ledet af Annette Summers Engel fra University of Texas. Bærende sikkerhedsmasker for at beskytte mod giftige gasser, der boble op fra tre springfodrede puljer, forfølger teamet det seneste kapitel i en 30-årig indsats for at forstå den sjældne og eksotiske form for hule, som Kane repræsenterer; kun omkring et dusin af disse såkaldte aktive sulfidgrotter er fundet over hele verden. Da den første gang blev foreslået i de tidlige 1970'ere, var teorien om deres oprindelse så kontroversiel, at det videnskabelige samfund tog næsten to årtier at omfavne det. Til sidst vælter den usædvanlige geokemi af disse huler konventionel tankegang om, hvordan de blev dannet.

Mere markant har opdagelsen af ​​”mørkt liv” - skønne kolonier af mikrober, der trives i disse syre-gennemvulmede, grå-sorte netværger - kastet en langvarig tro på, at huler hovedsagelig er golde og sterile steder. Forskere jager i disse engang skjulte dybder efter mikrober, der kan føre til nye kræftbehandlinger. Og hulforskning påvirker også forskernes tanker om livets oprindelse på jorden og dets mulige eksistens på andre verdener. ”En hule er sådan et andet miljø, det er næsten som at gå til en anden planet, ” siger New Mexico Tech geomikrobiolog Penny Boston. ”På en måde er det en anden planet - den del af vores egen planet, som vi endnu ikke har udforsket. Ligesom de dybe oceaner først blev tilgængelige for videnskab i de sidste par årtier, finder vi nu den slags banebrydende indsats, der foregår i huler. ”(En fjernsynsundersøgelse af huleforskning, “ Mysterious Life of Caves, ”udsendes på PBS's NOVA 1. oktober.)

I slutningen af ​​60'erne blev en kandidatstuderende fra StanfordUniversity, der søgte efter et udfordrende emne til sin ph.d.-afhandling, den første videnskabsmand, der skubbede igennem sprækket i Wyoming jernbanedømning. Stephen Egemeiers nysgerrighed blev straks vekket af Lower Kane's usædvanlige varme temperaturer og ubehagelige lugte. Endnu fremmed var de enorme, mudrede dynger af et smuldrende hvidt mineral, der sjældent findes i huler. Dette var gips, eller calciumsulfat, den vigtigste ingrediens i Sheetrock eller gips, det kendte materiale fra husbyggeri. Da Egemeier opdagede, at Lower Kane's fjedre ikke kun var varme, men boblede hydrogensulfidgas (berygtet for dets rottenegg-lugt), teoretiserede han, at hydrogensulfid aktivt arbejdede med at udskære Lower Kane. Uanset hvilken underjordisk kilde den potentielt giftige gas i sidste ende kom fra - hvad enten de vulkaniske reservoirer fra Yellowstone mod vest eller oliefelterne i BighornBasin mod syd - boblede det ud af springvandet og ind i hulen. Naturligvis ustabil reagerede den med ilt i vandet til dannelse af svovlsyre. Syren spiste væk ved hulevæggene og producerede gips som et biprodukt.

Egemeiers banebrydende forskning blev aldrig bredt udgivet og tiltrækkede lidt opmærksomhed i 70'erne. Men selvom det svækkede, kæmpede en anden gruppe af videnskabsfolk med nogle lige så forundrede huler. Denne gang udfoldedes den videnskabelige detektivjagt langt fra Wyoming 'robuste kløfter i de godt trampede dybder i en større turistdestination, Carlsbad Caverns.

Den tidlige Carlsbad-historie er i det væsentlige historien om et enkelt individ, Jim White. Som teenager i 1890'erne vandrede White nær sin campingplads i Guadalupe-kysterne i det sydøstlige New Mexico, da han opdagede en mærkelig mørk sky hvirvlende op fra ørkenbundet. ”Jeg troede, at det var en vulkan, ” sagde han senere, ”men så havde jeg aldrig set en vulkan.” Sporende skyen til sin oprindelse ved mundingen af ​​en gigantisk hule, stod White transfixed af skue af millioner af flagermus hældende ude på deres natlige jagtudvandring. Så begyndte hans livslange besættelse over Carlsbad-huler, som han generelt udforskede alene med kun den svage flimring af en parafinlampe for at lede ham. Whites fortællinger om en enorm underjordisk labyrint gjorde ham til noget af en lokal lattermagasin, indtil han overtalte en fotograf til at ledsage ham ind i hulen i 1915. I de måneder, der fulgte, ville White sænke besøgende i en jernspand på en wobbly vinsch ind i mørket 170 fødder under. I dag er naturligvis hans ensomme besættelse blevet en nationalpark, der tegner en halv million besøgende om året.

Men måske er det mest overraskende aspekt af Carlsbad-historien, at selv så sent som i 1970'erne, hvor daglige sommerbesøgere var nummereret i tusinder, var hulerne mineralogi og dens mange forvirrende træk næppe blevet undersøgt. Speleologi eller studiet af huler var næppe en respektabel videnskab, og ifølge hulkeekspert Carol Hill havde de almindelige geologer en tendens til at afvise dem som "uvorne hulere" som blev tiltrukket af emnet.

Derefter, en dag i oktober 1971, klatrede Hill og tre andre unge geologestudenter en stejl stige ind i et af Carlsbads fjernkamre. Da de klatrede rundt om Mystery Room, opkaldt efter den mærkelige støj fra vinden der, blev de forvirrede af pletter af blålig ler ved deres fødder og smuldrende, cornflake-lignende skorpe på væggene. Odder var stadig de massive blokke af et blødt, hvidt mineral andre steder i hulen. Sådanne blokke burde slet ikke have været der.

For det første opløses dette mineral, gips, hurtigt i vand. Og den konventionelle forklaring af, hvordan huler dannes, involverer handlingen af ​​vand - masser af det - der perkolererer gennem kalksten gennem millioner af år. Kemien er enkel: når regn falder gennem atmosfæren og siver ned i jorden, opsamler den kuldioxid og danner en svag sur opløsning, kulsyre. Dette mildt ætsende grundvand spiser kalksten væk og æter over huler en hule.

I henhold til denne universelt accepterede teori skulle alle kalkhuler have lange, smalle korridorer. Som enhver, der har vandret gennem Carlsbads hovedattraktion, Big Room, ved, er det alligevel en gigantisk, katedrallignende hal, der strækker sig over ækvivalentet med seks fodboldbaner. Havde en stor underjordisk flod skåret ud denne enorme hul, burde den have eroderet eller fejet til side alt på sin vej, inklusive gips. Alligevel ligger kæmpe hvide dynger af de ting, der er op til 15 meter tykke, på gulvet i det store rum, et af verdens største hulrum.

Hill blev forvirret og blev tvunget til at konkludere, at en drastisk anden metode til huldannelse må have været på arbejde i GuadalupeMountain. Snart kom hun med en teori, der ligner Egemeiers: at brintsulfid, der blev afgivet af nærliggende olie- og gasfelter, var steget op gennem bjergene og reageret med ilt i grundvandet for at producere svovlsyre, som så havde spist hulerne i flere millioner år .

Hendes hydrogensulfidteori vakte intens skepsis blandt geologer, der søgte bevis, som Carlsbad, som en ”død” eller ikke længere dannede hulrum, ikke kunne give. For at bekræfte Hill's teori havde forskere behov for at undersøge et sted, hvor svovlsyre stadig spiste væk ved hulen - som det var i Lower Kane. Men i årenes løb var den lille hule under jernbanesporet mere eller mindre glemt.

I 1987 dukkede Hill's omhyggelige undersøgelse af Guadalupes omsider sammen med offentliggørelsen af ​​Stephen Egemeiers arbejde efter hans død i 1985. Disse undersøgelser viste sammen med nye opdagelser af en håndfuld andre aktive sulfidgrotter rundt om i verden over enhver tvivl at huler i nogle regioner blev dannet af svovlsyre. Men nu opstod et mere fristende spørgsmål: Hvordan kunne livet trives inden i bekmørke huler fulde af giftig gas?

Et af mine mest uhyggelige øjeblikke på besøg i Lower Kane var, da jeg sigtede min lommelygte til en af ​​hulens tre puljer. Lige under vandoverfladen strakte et vanvittigt mønster af snor, filmagtig matting i forbløffende nuancer af blå-sort, vermilion og plyndrende Day-Glo-orange, som om en pop-kunstner fra 1960'erne havde kastet maling i alle retninger. Nogle steder mindede de plettede, spidsede orange mønstre mig om NASA-billeder af den karrige overflade på Mars. I andre så det ud som om nogen havde dumpet spaghettisauce i vandet. Og flydende i vandet direkte over hvert forår udførte edderkoppehvide filamenter, som sarte cobwebs, en spøgelsesfuld undervandsdans i strømme, der boblede op nedenfra.

De psykedeliske farver hørte alle til bakteriemåtter, gelatinøse film af kulstofforbindelser genereret af usynlige mikrober. Disse levende biprodukter af bakterieaktivitet kan ses sammenklynge omkring varme kilder i Yellowstone og andre steder, selvom de på overfladen kan overvældes af konkurrence fra alger og andre organismer. Men hvad gjorde de her i Nedre Kane og trivedes så rigeligt på et sted med giftige gasser og uden sollys?

I det meste af det 20. århundrede mente forskere, at ingen bakterier kunne eksistere mere end et par meter under jordbund eller havmudder; under det, troede videnskabsmænd, blev livet simpelthen forvirret. Derefter, i 1977, kom den forbløffende opdagelse af bizarre rørorme og andre eksotiske dyr, alle sammenkædet omkring nedsænkede vulkaner så dybt i Stillehavet, at sollys ikke når dem. Dette andet verdensomspændende økosystem viste sig næsten udelukkende at afhænge af aktiviteten af ​​svovlelskende bakterier og trives med de skoldende strømme og gasser frigivet af undersøiske ventilationsåbninger. Lige overraskende afsløringer om mikrober på andre usandsynlige steder fulgte snart: bakterier blev fundet i kerner, der blev boret mere end en kilometer under Virginia, inde i klipper fra uvurderlig Antarktis og mere end seks miles dybt i Stillehavet i bunden af ​​Marianas-grøften. Nogle forskere spekulerer nu i, at skjulte bakterier under jorden kan være lig med massen af ​​alt levende materiale ovenfor.

Dette "mørke liv", isoleret i milliarder af år, åbner for fristende udsigter for forskere. Mikrobiologer håber, at underjordiske bakterier kan føre til nye antibiotika eller anticancer. NASA-specialister undersøger dem i håb om at identificere underskrifter, som de muligvis kan genkende i stenprøver fra Mars eller i sonder, der måske en dag kan trænge ind i det frosne hav i Europa, en af ​​Jupiters måner.

Men udfordringen for alle disse jægere af underjordiske bugs er adgang, og det er her, nedre Kane kommer ind. ”Grotter tilbyder et perfekt walk-in-vindue til den normalt skjulte verden af ​​mikrobiel aktivitet, ” siger Diana Northup, en huleundersøger ved universitetet i New Mexico. ”Nogle forskere spekulerer i, at livet udviklede sig under jorden og flyttede til overfladen, efterhånden som forholdene blev bedre. Hvis dette er sandt, kan undersøgelser af underjordiske mikrober give antydninger til arten af ​​nogle af jordens tidligste livsformer. ”

Selvom LowerKaneCave havde givet mig en blødgøring og et blå mærke eller to, var mine ubehageligheder intet sammenlignet med de kilometer, der krøllede og klemmede krævede for at trænge igennem mange andre sulfidgrotter. Dets tilgængelighed var en af ​​grundene til, at Lower Kane tiltrækkede Annette Summers Engel først i 1999 og hvert år siden, hvilket gjorde det muligt for hende og hendes team af geologer, geokemister og DNA-eksperter med relativt let at trække videnskabeligt udstyr ind og ud. Deres første test bekræftede hurtigt, at Stephen Egemeier havde haft ret: svovlsyre, resultatet af hydrogensulfid, der reagerede med ilt, spiste faktisk stadig hulens vægge. Det mest spændende spørgsmål var, om Lower Kane's bakteriemåtter føjede til syreangrebet. Da nogle bakterier producerer svovlsyre som affaldsprodukter, syntes det bestemt muligt. Summers Engel's plan var at tackle spørgsmålet fra flere forskellige vinkler. En DNA-test kan for eksempel identificere bestemte mikrober. Andre tests kan fortælle, om en mikrobe, der fodres med fx svovl eller jern, og om den var stresset eller blomstrede.

De foreløbige resultater kom over forskerne. ”Da vi først kom til Nedre Kane, ” siger Summers Engel, ”antog vi naturligvis, at hver måtte hovedsageligt ville bestå af svovloxiderende mikrober. Det virkede som sund fornuft. Det, vi fandt, i stedet var en forbløffende kompleksitet. ”Hver måtte viste sig faktisk at være så mangfoldig som en Manhattan-blok. Der var masser af svovlspisende mikrober, som alle fodrede gasserne, der boblede op i fjedrene. Men der var også en urolig blanding af andre bakterier. For eksempel fodret nogle, der var uvidende om svovl, affaldet, der blev genereret af deres naboer. Bugs blev heller ikke alle sammen kastet tilfældigt. For eksempel samledes svovlspisende bakterier øverst på måtten; som grådige forbrugere af ilt, havde de brug for luften ved forårets overflade for at overleve. Metanproducenter, der ikke har brug for ilt, koncentreredes forudsigeligt i måttens bund.

For at finde ud af, hvordan måtterne som helhed havde indflydelse på hulen, udtænkte forskerne en test af elegant enkelhed, der involverede to plastrør, der hver indeholdt identiske kalkstenflis. Munden på den ene var dækket med et rå plastnet, så både mikrober og vand fra fjederen kunne virvel indeni. Den anden var dækket med en membran, der gik ind i vand, men holdt mikroberne ude. Efter at have neddyppet begge rør om foråret i flere måneder, studerede teamet chipsene under et mikroskop. Chippen, der blev eksponeret for både det sure vand og mikroberne, var mere grovt og arret end den, der blev udsat for vand alene. Her var beviset for, at syreproducerende mikrober accelererede oprettelsen af ​​hulen. "Der er ingen tvivl om, at mikrober tilføjer den syrekemi, der opløser kalksten, " siger geokemiker Libby Stern, University of Texas, "og at uden måtterne ville Nedre Kane sandsynligvis dannes i et meget langsommere tempo."

Men et andet fund var endnu mere fristende: en helt ny art af mikrob, der foreløbigt blev identificeret af BrighamYoung universitetsbiolog Megan Porter. Den nye organisme ser ud til at være nært beslægtet med mikrober, der findes ved undersøiske åbninger dybt i Stillehavet, et sandsynligt sted for oprindelsen af ​​liv. ”Dette er en spændende opdagelse, ” siger Porter, ”fordi det indebærer, at de typer af stofskifte, der findes i LowerKaneCave, er meget eldgamle.” Det passer også med voksende bevis for, at livet kan være begyndt i dybet. I havoverflader som huler, åbninger under jorden og i jorden ville primitive mikrober have været beskyttet mod de vulkanske eksplosioner, meteor bombardementer og intens ultraviolet stråling, der gjorde planeten så uvurderlig i sine tidlige år. I disse gamle tilbageslag, som mennesker kun lige har fundet ud af, hvordan de trænger igennem, udviklede livet sig langt fra sollys, ofte under ekstreme forhold med varme og surhedsgrad. Kines psykedeliske måtter minder os om, hvor ekstraordinær mangfoldig og hårdfør jordens gamle pionerer må have været.

Men huleforskningens horisonter strækker sig langt ud over vores egen planet. Mange astronomer og geologer spekulerer i, at Jupiters måne Europa og Mars hver har havvand og underjordiske forhold, der ligner vores egne. Hvis mikrober kan overleve under barske forhold her, hvorfor ikke der også? ”Vores arbejde i huler har udvidet de kendte grænser for liv på vores egen planet, ” siger Penny Boston. ”Men det er også en god klædeprøvetid til at studere biologiske steder på andre planeter og skubbe vores forestillinger til at forbinde jordens 'indre jordbund" med dem i det ydre rum. "

Underjordiske overraskelser