НАУКА |ИЮНЬ 2024 Г.
Что вулканы Исландии рассказывают о ранней жизни на нашей планете
Спелеологи в металлургических «охлаждающих костюмах» выходят из сильной жары лавовой трубы, образовавшейся в результате извержения горы Фаградальсфьялль в 2021 году.
Франческо Сауро впервые исследовал пещеру, когда ему было 4 года. Он был со своим отцом, профессором географии, в горах Лессини, недалеко от северной итальянской деревни Боско Кьезануова, где вырос его отец. Его отец тоже был спелеологом-любителем, и поездка была своего рода предопределенным обрядом посвящения. «Единственное воспоминание об этих пещерах — это то, что я плакал», — вспоминает Сауро. «Мне было очень страшно из-за темноты». Когда Сауро было 12 лет, и он снова посетил этот район со своей семьей, основатель местного музея рассказал ему, что в соседней пещере хранятся кости древних пещерных птиц. «В тот момент мое любопытство преодолело страх», — говорит Сауро. С того дня он был на крючке.
Адриан Бриод из швейцарской компании по производству дронов Flyability управляет дроном, оснащенным лидарным сканером, для составления мельчайших карт сети лавовых трубок в 3D.
За почти три десятилетия с тех пор 39-летний геолог побывал в десятках пещер по всему миру: на островах в Атлантическом океане, внутри ледниковых мельниц в Альпах, под лесной подстилкой тропических лесов Амазонки. В 2013 году он обнаружил одни из старейших в мире пещер внутри горы, известной как Ауян Тепуи в Венесуэле. В общей сложности он обследовал более 60 миль этих скрытых миров, включая несколько пещер, неизвестных человечеству. Некоторым из них были миллионы лет. Другие образовались десятки тысяч лет назад. Недавно он исследовал пещеры, которые еще моложе: нетронутые полости, известные как лавовые трубы, образовавшиеся внутри остывающих насыпей расплавленной породы во время извержения вулкана Фаградальсфьялль на юге Исландии в 2021 году. Для исследователей, желающих ступить на неизведанную территорию, немногие пространства могут соответствовать новизне. Но помимо этого элементарного трепета, эти детские пещеры предлагают чрезвычайно редкую возможность изучить пещеристые миры практически с момента их зарождения.
Исследователи пересекают лавовое поле на полуострове Рейкьянес, чтобы исследовать вход в пещеру в мае 2023 года во время второй экспедиции на это место.
Наиболее распространенные пещеры на Земле образуются, когда дождевая вода смешивается с углекислым газом в почве и превращается в слабую кислоту, растворяя мягкие растворимые породы, такие как известняк внизу. Подобные «разрушительные» пещеры образуются внутри гор и скальных образований из менее растворимого материала, например базальта, когда проточная вода в течение длительного периода времени медленно разъедает камень. «Строительные» пещеры, напротив, образуются, когда текущая лава начинает остывать, создавая верхний корковый слой, который затвердевает в скалу. Когда расплавленная лава вытекает из-под коры, она оставляет после себя новую полость — лавовую трубку. «Эти пещеры были построены в одно мгновение геологического времени», — говорит Сауро. Размер лавовых трубок может варьироваться от небольшой полости диаметром всего три фута до большой камеры высотой более 150 футов. Они могут быть выполнены в виде одного трубопровода или в виде серии небольших соединенных между собой трубок. Некоторые могут быть «наложены» друг на друга — стопка пещер.
В палатке рядом с вулканом Мартина Каппеллетти (крайняя слева) и Ана Миллер, микробиологи, с руководителем экспедиции Франческо Сауро. Исследователи изучают сканы бактерий с высоким разрешением, собранные внутри пещеры.
Ежегодно извергаются от 50 до 70 из примерно 1500 действующих вулканов планеты. Когда в марте 2021 года началось извержение горы Фаградальсфьялль, завершив более чем 800-летний период покоя, мир наблюдал за этим с восхищением, отчасти потому, что извержение в другом месте Исландии десятью годами ранее выбросило гигантские облака пепла в атмосферу над Европой. Влияет на авиаперевозки. На этот раз такого нарушения не произошло. Вместо этого туристы из Исландии и со всего мира устремились к месту извержения, некоторые из них оказались в пределах 500 футов или около того от извержения, чтобы увидеть ярко-красную и малиновую лаву, хлынувшую из горы и каскадом стекающую по ее склонам. «Это был первый случай, когда у нас были камеры повсюду вокруг вулкана, и изображения исходили от тысяч туристов, которые собирались туда посмотреть это невероятное зрелище», — говорит Сауро.
Минеральные отложения после воздействия погодных условий и ультрафиолетового излучения. Поскольку некоторые «метастабильные» минералы могут меняться со временем, исследователи стремились быстро получить образцы.
Сауро, штатный спелеолог и президент общества географических исследований под названием Ла Вента, который также сотрудничает с НАСА и Европейским космическим агентством, помогая обучать астронавтов исследованию планет, следил за этими событиями из своего дома на севере Италии. Каждый день он часами просматривал фотографии и видеоматериалы с этого места. Этот богатый поток информации не только давал исследователям возможность отслеживать, как и где формировались пещеры. Это также предоставило редкую возможность изучить интерьеры пещер, которые еще не были затронуты живым веществом: наблюдать процесс охлаждения, образование минералов и раннюю микробную колонизацию этой среды в беспрецедентных подробностях. А поскольку пещеры были сформированы из лавы, температура которой превышала 1800 градусов по Фаренгейту, окружающая среда внутри была бы полностью стерильной. «Я думал: эй, как только извержение прекратится, это станет похоже на невероятную лабораторию», — вспоминает Сауро. «Это станет новым миром».
Гора Фаградальсфьялль на самом деле представляет собой не одну гору, а группу небольших хребтов на плато на полуострове Рейкьянес, примерно в 25 милях к юго-западу от Рейкьявика. Окрестности плоские и покрыты мхом. Извержение началось в долине между хребтами. В течение следующих нескольких месяцев Сауро начал строить планы. Он знал, что необходимо как можно скорее получить доступ к пещерам.
Миллер собирает образец минерала из пещеры, наполненной токсичными газами. Среди редких минералов, обнаруженных до сих пор, есть вульфит, обнаруженный ранее только один раз вблизи российского вулкана.
Это время имело решающее значение — урок, который спелеологи усвоили в 1994 году, изучая лавовые трубки, образовавшиеся после извержения Этны в Италии. Когда они вошли в трубы почти через год после прекращения извержения, когда температура внутри все еще была опасно высокой (158 градусов), исследователи обнаружили редкие кристаллы и минералы. Однако, вернувшись через шесть месяцев, эти минералы исчезли. Они были «метастабильными» — сохраняли форму только при высоких температурах. Когда лавовые трубы остыли, они исчезли, и появилась возможность рассмотреть их детально.
Чтобы подготовиться к входу в новые пещеры в Исландии, Сауро и его команде требовалось точное понимание того, где именно они формируются и какие трубы обеспечивают самый простой и безопасный доступ. Гро Педерсен, геологу из Северного вулканологического центра Исландского университета, было поручено собрать изображения. Она и Биргир Оскарссон из Исландского института естественной истории обследовали вулкан с самолета, пролетая над ним примерно раз в две недели в период с марта по сентябрь 2021 года. Они также собрали другие изображения, сделанные дронами, и спутниковые снимки. «Благодаря разным углам обзора нам удалось создать топографическую карту в дополнение к хорошей визуальной карте поля потока лавы», — говорит Педерсен.
Богдан Онак, минералог, использует тепловизионную камеру для составления карты температуры внутри пещеры. Температура одной стены пещеры, все еще светящейся, была зафиксирована при температуре почти 1100 градусов по Фаренгейту.
Сауро и его коллеги, получившие грант Национального географического общества, наконец приблизились к вулкану в сентябре 2021 года, примерно через неделю после того, как извержение утихло. Используя свои карты, команда определила на поверхности окна или «световые точки» — места, которые могли быть потенциальными входами во вновь образовавшиеся пещеры. Они пролетели над этим местом на дроне, оснащенном тепловизионными камерами, чтобы составить карту температуры в различных частях вулканического ландшафта. В мае 2022 года им удалось приблизиться к входам в несколько пещер, но тепловизионные камеры показали, что температура внутри все еще достигает 900 градусов. «Выходил горящий воздух», — говорит Сауро. «Ветер на улице был холодным. Контраст между экстерьером и интерьером был сумасшедшим».
Джованни Росси (в центре) и Томмазо Сантагата проходят через лавовую трубу длиной 1000 футов — одну из самых молодых пещер на Земле.
Сауро и члены его экспедиции наконец вошли в одну из пещер в октябре того же года, одетые в костюмы металлурга, рассчитанные на выдерживание высоких температур, и дыша из переносных резервуаров, наполненных сжатым воздухом, поскольку воздух внутри был слишком горячим для дыхания и насыщен токсичными газами. Стены все еще излучали тепло, как печь, а в некоторых местах температура пола составляла почти 400 градусов. Сауро и двое других членов команды, оснащенные тепловизионными камерами для наблюдения за обстановкой, осторожно продвигались вперед, как шеренга солдат, позволяя человеку в середине и человеку сзади отвести лидера линии на случай, если экспедиция внезапно развернется. Опасный. «Температура воздуха может измениться от 100 до 200 градусов по Цельсию всего за один метр», — говорит Сауро. В одной трубе, в которую вошел Сауро, стена пещеры все еще светилась, ее температура составляла почти 600 градусов по Цельсию (1100 градусов по Фаренгейту). «Это была одна из самых впечатляющих вещей, которые я видел», — говорит он. Педерсен посетил пещеры после того, как они еще больше остыли. «Я знаю очень мало мест на Земле, где вы можете погрузиться в вещи, рождение которых вы видели», — говорит она. «Это удивительно».
Два направления исследований интересовали Сауро и его коллег. Во-первых, они стремились изучить минералы, которые можно было найти внутри пещер, — те, которые образовались на стенах пещер и других каменистых поверхностях. Во-вторых, они надеялись выяснить, когда эти экстремальные места обитания будут заселены микроорганизмами, и понять, какие микробы будут процветать. Изучение того, как такие недавно образовавшиеся пещеры могут стать убежищем для жизни, могло бы помочь исследователям уточнить свои представления о том, как жизнь развивалась на Земле, а также дало бы указания о том, как и где искать признаки жизни, нынешней или прошлой, на других планетах, таких как как Марс. «Мы знаем, что лавовые трубы постоянно образовывались в марсианских вулканах», — объясняет Сауро. «Таким образом, они могли быть быстро колонизированы, став своего рода Ноевым ковчегом для марсианской жизни — если жизнь там когда-либо существовала».
Минеральные корки дают подсказку о том, какие микробы первыми колонизируют пещеры — обычно это те, которые, как обнаружили исследователи, могут получать энергию от окисления неорганических материалов, таких как сера, железо и медь.
Обеспокоенные тем, что некоторые минералы могут со временем измениться или исчезнуть, исследователи привезли на место сканирующий электронный микроскоп, чтобы получить изображения образцов с высоким разрешением и помочь им идентифицировать их. Рогир Мильтенбург, техник биотехнологической компании Thermo Fisher Scientific, разместил прибор в палатке рядом с вулканом и запустил внутри палатки генератор, чтобы поддерживать вакуум, необходимый для работы микроскопа. Условия были опасными: однажды, когда шел дождь, сквозь палатку начала течь река. «У меня был блок питания на полу, и, к счастью, вода как бы отводилась вокруг него», — вспоминает Мильтенбург. «Иначе у нас было бы короткое замыкание».
Минеральные корки дают подсказку о том, какие микробы первыми колонизируют пещеры — обычно это те, которые, как обнаружили исследователи, могут получать энергию от окисления неорганических материалов, таких как сера, железо и медь.
Исследователи обнаружили множество минералов в трещинах и бороздках на поверхности пещеры. «Мы нашли эту красивую белую вещь. А потом мы сказали: «Подожди, там зеленое, там синее», — говорит Богдан Онак, минералог из Университета Южной Флориды, который был частью команды. Используя стерильные шпатели, исследователи соскребли образцы и упаковали их в вакуумные пакеты. Поскольку вначале температура в лавовых трубах была очень высокой, Онак ожидал, что минералы будут полностью обезвоженными кристаллами, поэтому он был удивлен, обнаружив некоторые из них, текстура которых напоминала текстуру влажного сахара, что указывало на то, что, несмотря на высокую температуру, Молекулы воды в окружающей среде были включены во время минерализации. Собрав образцы, Сауро и его коллеги разворачивались и шли к палатке, чтобы посмотреть на то, что они нашли. Установив химический состав образца по изображениям, полученным с помощью электронного микроскопа, они обычно могли идентифицировать минерал в течение получаса.
Редкие формы минералов, в том числе натрий, калий и медь, растут вдоль трещин в стенках лавовой трубы с температурой 122 градуса по Фаренгейту на лавовом поле Фаградальсфьялль.
Команда ожидала найти некоторые минералы, такие как мирабилит, который состоит из водорода, натрия и серы. Но они также обнаружили новые минералы, образованные в результате сочетания меди с натрием, калием, серой и другими элементами, в результате чего появились редкие вещества, которые в настоящее время команда изучает более подробно. Одним из неожиданных минералов, например, стал вульфит — изумрудно-зеленый кристалл, в состав которого входят натрий и калий, а также сульфат меди. «В истории минералогии его находили только один раз — на территории российского вулкана», — говорит Фабрицио Нестола, минералог из Падуанского университета. Нестола, который проводит детальный анализ образцов минералов в своей лаборатории в Падуе, уверен, что некоторые из минералов окажутся совершенно новыми для науки, потенциально раскрывая пока неизвестные процессы, посредством которых происходит минерализация.
Образцы подготовлены для сканирующего электронного микроскопа на месте. Прибору, размещенному в палатке, требовался генератор для поддержания вакуума, который он использует для работы.
Тем временем коллеги-микробиологи Сауро собрали образцы с участков поверхности камней, отмеченных «биопленками» — участками, которые начали колонизировать бактерии. После извлечения образцов и анализа их ДНК в лабораториях за пределами места исследователи обнаружили, что в разных частях одной и той же пещеры процветали разные микроорганизмы. «Первые данные указывают на то, что бактерии окружающей среды, в основном связанные с почвой, начинают колонизацию», — говорит микробиолог Мартина Каппеллетти из Болонского университета. «Вероятно, изначально они переносятся внутрь пещеры воздушными потоками». Эти микроорганизмы могут процветать, потому что они способны существовать на камнях, то есть получать энергию от окисления неорганических материалов. Со временем, когда пещеры остыли, разнообразие микробов внутри пещер увеличилось. Результаты показывают, что такие формы жизни, которым для выживания не требуется вода или органическое вещество, должны иметь наилучшие шансы закрепиться в экстремальных условиях — будь то в далеком прошлом или на других планетах.
Действительно, отслеживание микробной колонизации поможет ученым, ищущим жизнь в других частях Вселенной. Даже на планетах, где условия на поверхности сегодня кажутся негостеприимными, лавовые трубы могли когда-то служить временным или постоянным убежищем для форм жизни, которые быстро колонизировали недра и выжили. «Если какая-то конкретная микробная жизнь способна быстро колонизировать лавовые трубы на Земле, почему этого не могло произойти на Марсе?» — говорит Сауро.
Вид изнутри лавовой трубы, стенки которой обрушились. «Если вы находитесь там во время землетрясений — это нехорошо», — невозмутимо заявил Сауро.
Пенелопа Бостон, директор Института астробиологии НАСА в Эймсе, Моффет Филд, описывает лавовые трубы как «модель того, что мы потенциально можем найти на других телах Солнечной системы». И вулканическая активность не ограничивается Землей и Марсом. Даже на Ио, одном из спутников Юпитера, есть действующие вулканы, что позволяет предположить, что на планетах и лунах за пределами нашей Солнечной системы тоже могут быть вулканы и лавовые трубы. Вот почему Бостон придает большое значение изучению пещер, которые исследует Сауро. «Я думаю, что определение мест по всему миру, где у нас есть возможность увидеть раннюю историю микробной колонизации с самого начала, заслуживает внимания всего мира», — говорит она.
Небольшое озеро лавы внутри пещеры, ныне затвердевшее.
Вихревой сегмент поверхностного лавового поля недалеко от кратера вулкана.
Деталь стены возле входа в пещеру.
Извержение Фаградальсфьялла утихло, но Сауро с интересом следит за новостями о других вулканах Исландии. В марте этого года, когда новое извержение началось на полуострове Рейкьянес, у горы Хагафелл, в нескольких милях к западу от Фаградальсфьяля, он размышлял о «новых трубках, образующихся буквально прямо сейчас». Эти неизведанные пещеры могут стать его следующим охотничьим угодьем.
55.3к
