Głęboko pod powierzchnią ziemi, formacje skalne i mineralne leżały ukryte z sekretnym blaskiem. Pod czarnym światłem chemikalia skamieniały w połysku w genialnych odcieniach różu, niebieskiego i zielonego. Naukowcy używają tych cech fluorescencyjnych, aby zrozumieć, w jaki sposób powstały jaskinie i jak życie jest wspierane w ekstremalnych środowiskach, co może ujawnić, w jaki sposób życie może utrzymywać się w odległych miejscach, takich jak lodowata księżyca Jowisza.
Naukowcy przedstawią swoje wyniki na wiosennym spotkaniu American Chemical Society (ACS).
Jak się okazuje, chemia w jaskini wiatrowej Południowej Dakoty jest prawdopodobnie podobna do miejsc takich jak Europa – i łatwiejsza do osiągnięcia. Właśnie dlatego astrobiolog Joshua Sebree, profesor na University of Northern Iowa, skończył setki stóp podziemnych badań minerałów i form życia w tych ciemnych, chłodnych warunkach.
„Celem tego projektu jako całości jest lepsze zrozumienie chemii odbywającej się pod ziemią, która mówi nam o tym, jak można wspierać życie” – wyjaśnia.
Gdy Sebree i jego uczniowie zaczęli zapuszczać się w nowe obszary jaskini wiatrowej i innych jaskiń w USA, zmapowali formacje skalne, fragmenty, strumienie i organizmy, które znaleźli. Gdy badali, przynieśli również czarne światła (światła UV), aby spojrzeć na minerały w skałach.
Pod czarnym światłem niektóre obszary jaskiń zdawały się przekształcać w coś nieziemskiego, ponieważ części otaczających skał lśniły w różnych odcieniach. Dzięki zanieczyszczeniom złożonym w Ziemi miliony lat temu – skamieliny chemii, prawie – odcienie odpowiadały różnym stężeniom i rodzajom związków organicznych lub nieorganicznych. Te lśniące kamienie często wskazywały, gdzie woda kiedyś przenosiła minerały z powierzchni.
„Ściany wyglądały po prostu zupełnie puste i pozbawione wszystkiego interesującego” – mówi Sebree. „Ale potem, kiedy włączyliśmy czarne światła, to, co kiedyś było zwykłą brązową ścianą, zamieściło jasną warstwę fluorescencyjnego minerału, która wskazywała, gdzie kiedyś basen wody wynosił 10 000 lub 20 000 lat temu”.
Zazwyczaj, aby zrozumieć chemiczny skład cechy jaskini, próbka skały jest usuwana i zabrana z powrotem do laboratorium. Ale Sebree i jego zespół zbierają widma fluorescencyjne – która jest jak odcisk palca makijażu chemicznego – o różnych powierzchniach za pomocą przenośnego spektrometru podczas wypraw. W ten sposób mogą zabrać ze sobą informacje, ale zostawić jaskinię i nienaruszoną.
Anna van der Weide, studentka studiów na uniwersytecie, towarzyszyła Sebree w niektórych z tych badań. Korzystając z informacji zebranych podczas tych prac terenowych, buduje publicznie dostępny zapas odcisków palców fluorescencyjnych, aby pomóc w dostarczeniu dodatkowej warstwy informacji do tradycyjnej mapy jaskini i pomalować pełniejszy obraz jej historii i formacji.
Dodatni studenci studiów licencjackich przyczynili się do badania. Jacqueline Heggen dalej bada te jaskinie jako symulowane środowisko dla astrobiologicznych ekstremofili; Jordan Holloway opracowuje autonomiczny spektrometr, aby ułatwić pomiar, a nawet możliwe dla przyszłych misji pozaziemskich; a Celia Langemo studiuje biometrię, aby zapewnić eksploratorom ekstremalne środowiska. Ci trzej uczniowie przedstawiają również swoje ustalenia na ACS Spring 2025.
Robienie nauki w jaskini nie jest pozbawione jej wyzwań. Na przykład w 48-stopniowej temperaturze Minnesoty w Minnesoty w Minnesoty, zespół musiał zakopać akumulatory spektrometru w rękach, aby powstrzymać ich od umierania. Innym razem, aby osiągnąć interesujący obszar, naukowcy musieli wcisnąć przestrzenie mniej niż stopę (30 centymetrów) szerokości przez setki stóp, czasem tracąc but (lub spodnie). Lub musieliby stać głębokie kolano w zamarzającej wodzie jaskiniowej, aby wykonać pomiar, i mieć nadzieję, że ich instrumenty nie poszły na przypadkowe pływanie.
Ale pomimo tych przeszkód jaskinie ujawniły już bogactwo informacji. W Wind Cave zespół stwierdził, że wody bogate w mangan wykuły jaskinię i wyprodukowały w paski kality zebry, które świeciły różu w czarnym świetle. Kalcyty rosły pod ziemią, zasilane bogatą manganą wodą. Sebree uważa, że gdy te skały się rozbiły, ponieważ kalcyt jest słabszy niż wapień obejmujący również jaskinię, kalcyt działał również w celu rozszerzenia jaskini. „To zupełnie inny mechanizm formowania jaskini niż wcześniej był wcześniej oglądany” – mówi.
Unikalne warunki badawcze stanowiły niezapomniane wrażenia Van der Weide. „Naprawdę fajnie było zobaczyć, jak możesz zastosować naukę w terenie i dowiedzieć się, jak funkcjonujesz w tych środowiskach” – podsumowuje.
W przyszłości Sebree ma nadzieję jeszcze bardziej potwierdzić dokładność techniki fluorescencji poprzez porównanie jej z tradycyjnymi, niszczącymi technikami. Chce także zbadać wodę jaskiniową, która również fluoresuje, w jaki sposób życie na powierzchni Ziemi wpłynęło na życie głęboko pod ziemią i ponownie podłączając się do jego astrobiologicznych korzeni, zrozumieć, w jaki sposób podobna, bogata w minerała woda może wspierać życie w dalekich zasięgach naszego układu słonecznego.
Badania zostały sfinansowane przez NASA i konsorcjum Grant Space w Iowa.