Как светящиеся камни помогают искать жизнь вне Земли

Глубоко под землей скрыты скальные и минеральные образования, обладающие тайным сиянием. В ультрафиолетовом свете химические соединения, окаменевшие миллионы лет назад, начинают светиться яркими оттенками розового, синего и зеленого. Ученые используют эти флуоресцентные свойства, чтобы понять процессы формирования пещер и механизмы поддержания жизни в экстремальных условиях. Такие исследования могут пролить свет на возможность существования жизни в отдаленных уголках Солнечной системы, например, на ледяном спутнике Юпитера Европе.

Результаты своей работы исследователи представят на весенней конференции Американского химического общества ACS Spring 2025, которая пройдет с 23 по 27 марта и соберет около 12 000 презентаций по различным научным темам.

Химические условия в пещере Wind Cave в Южной Дакоте, как выясняется, могут быть схожи с условиями на Европе, но при этом гораздо доступнее для изучения. Именно поэтому астробиолог Джошуа Себри, профессор Университета Северной Айовы, проводит исследования на глубине сотен футов, изучая минералы и формы жизни в этих темных и холодных условиях.

Себри объясняет, что общая цель проекта заключается в том, чтобы лучше понять химические процессы, происходящие под землей, которые рассказывают о возможностях поддержания жизни.

Исследуя новые участки пещеры Wind Cave и других пещер по всей территории США, Себри и его студенты картируют скальные образования, проходы, ручьи и найденные организмы. Во время экспедиций они используют ультрафиолетовые фонари для изучения минералов в породах.

Под ультрафиолетовым светом некоторые участки пещер преображаются, напоминая иные миры: части окружающих пород начинают светиться разными оттенками. Благодаря примесям, попавшим в породу миллионы лет назад – своего рода химическим окаменелостям – оттенки свечения соответствуют разным концентрациям и типам органических или неорганических соединений. Эти светящиеся камни часто указывают на места, куда вода когда-то приносила минералы с поверхности.

Себри отмечает, что изначально стены кажутся совершенно пустыми и лишенными чего-либо интересного. Однако при включении ультрафиолетовых фонарей то, что было просто коричневой стеной, превращается в яркий слой флуоресцирующего минерала, указывающий на место, где 10 000 или 20 000 лет назад находился водоем.

Обычно для определения химического состава пещерных образований образец породы извлекают и доставляют в лабораторию. Но команда Себри использует портативный спектрометр прямо во время экспедиций для сбора спектров флуоресценции – своеобразных «отпечатков пальцев» химического состава – с различных поверхностей. Это позволяет получить необходимую информацию, не нарушая целостности пещеры.

Анна Ван Дер Вейде, студентка университета, участвовала в некоторых из этих исследований. Используя данные, собранные во время полевых работ, она создает общедоступный каталог флуоресцентных «отпечатков». Этот каталог призван дополнить традиционные карты пещер еще одним информационным слоем, создавая более полную картину истории и формирования пещер.

В исследовании участвуют и другие студенты. Жаклин Хегген изучает пещеры как смоделированную среду для астробиологических экстремофилов – организмов, выживающих в экстремальных условиях. Джордан Холлоуэй разрабатывает автономный спектрометр для упрощения измерений, в том числе для будущих внеземных миссий. Селия Лангемо занимается изучением биометрии для обеспечения безопасности исследователей в экстремальных средах. Эти трое студентов также представят свои результаты на ACS Spring 2025.

Проведение научных исследований в пещерах сопряжено с трудностями. Например, в пещере Mystery Cave в Миннесоте при температуре 9 градусов Цельсия команде пришлось обогревать батареи спектрометра грелками для рук, чтобы они не разрядились. В других случаях, чтобы добраться до интересующего участка, ученым приходилось протискиваться через проходы шириной менее 30 сантиметров на протяжении сотен футов, иногда теряя при этом обувь или даже части одежды. Им также приходилось стоять по колено в ледяной пещерной воде для проведения измерений, надеясь, что приборы случайно не «искупаются».

Несмотря на эти препятствия, пещеры уже предоставили богатую информацию. В пещере Wind Cave команда обнаружила, что богатые марганцем воды не только сформировали пещеру, но и создали полосчатые кальциты («зебровый камень»), которые светятся розовым в ультрафиолете. Эти кальциты росли под землей, питаясь водой, богатой марганцем. Себри полагает, что когда эти породы разрушались, кальцит, будучи менее прочным, чем известняк, также составляющий пещеру, способствовал ее расширению. Он считает, что это представляет собой совершенно иной механизм формирования пещер, чем те, что рассматривались ранее.

Уникальные условия исследования оставили незабываемые впечатления у Анны Ван Дер Вейде. Она заключает, что было очень интересно увидеть, как наука применяется в полевых условиях, и понять, как человек функционирует в таких средах.

В будущем Себри надеется дополнительно подтвердить точность метода флуоресценции, сравнив его с традиционными, разрушающими методами анализа. Он также планирует исследовать пещерную воду, которая тоже флуоресцирует, чтобы понять, как жизнь на поверхности Земли повлияла на жизнь глубоко под землей. Возвращаясь к своим астробиологическим интересам, он стремится понять, как подобные, богатые минералами воды могут поддерживать жизнь в дальних уголках нашей Солнечной системы.