Een paar mijl ten zuiden van Lovell, Wyoming, nabij de grens met Montana, begint de noordelijke spoorweg van Burlington een geleidelijke klim uit weilanden en bosjes met Cottonwood. Het pad stijgt in een honingkleurige kloof die door Madison-kalksteen is gesneden, een formatie die al oud was toen dinosaurussen door de kusten van Wyoming zwierven en passeert boven een ondergrondse kamer, 30 voet lager, bekend als Lower Kane Cave. De ingang van de grot is bijna onzichtbaar, een scheur bijna begraven door het steil opgestapelde puin van de spoordijk.
gerelateerde inhoud
- De oorsprong van het leven
- EcoCenter: The Land
Ik strompelde langs deze enkel kronkelende helling achter een team van wetenschappers, kronkelde voeten eerst door de 30-inch scheur. Dubbel gebogen en mijn weg vooruit zoekend in de duisternis, gleed ik in een snel bewegende stroom en botste op handen en voeten voordat ik voldoende ruimte vond om rechtop op de modderbank te staan. Mijn ogen pasten zich snel aan de zwakke gloed van mijn koplamp aan, maar mijn huid bleef plakkerig; in tegenstelling tot de meeste grotten op deze breedtegraad die het hele jaar door aangenaam koel blijven, zweeft de temperatuur in Lower Kane op een oncomfortabel vochtige 75 graden. Een scherpe, rotte geur stak in mijn keel.
Lower Kane heeft geen van de sprankelende zuilen of kalksteen "gordijnen" van ondergrondse toeristische plekken zoals Carlsbad Caverns in New Mexico of MammothCave in Kentucky. Nauwelijks groter dan een typisch New York City metrostation, mist Lower Kane zelfs de bescheiden stalactiet. Toch blijkt deze niet-betoverende grot een wetenschappelijke goudmijn te zijn, die tot zijn vochtige diepten een energieke groep onderzoekers trekt, geleid door Annette Summers Engel van de Universiteit van Texas. Het dragen van veiligheidsmaskers om te beschermen tegen giftige gassen die opborrelen uit drie veergevoede zwembaden, streeft het nieuwste hoofdstuk na in een 30-jarige poging om de zeldzame en exotische vorm van grot die Kane vertegenwoordigt te begrijpen; slechts ongeveer een dozijn van deze zogenaamde actieve sulfide-grotten zijn wereldwijd gevonden. Toen ze voor het eerst in de vroege jaren zeventig werden voorgesteld, was de theorie van hun oorsprong zo controversieel dat de wetenschappelijke gemeenschap er bijna twee decennia over deed om het te omarmen. Uiteindelijk bracht de ongewone geochemie van deze grotten het conventionele denken teniet over hoe ze werden gevormd.
Nog belangrijker is dat de ontdekking van het 'donkere leven' - kolonies van microben die floreren in deze met zuur doordrenkte, pikzwarte onderwereld - een lang gekoesterd geloof heeft geworpen dat grotten meestal onvruchtbare en steriele plaatsen zijn. Wetenschappers jagen in deze eens verborgen diepten op microben die kunnen leiden tot nieuwe behandelingen voor kanker. En grotonderzoek heeft ook invloed op het denken van wetenschappers over de oorsprong van het leven op aarde en het mogelijke bestaan ervan op andere werelden. "Een grot is zo'n andere omgeving, het is bijna alsof je naar een andere planeet gaat, " zegt geomicrobioloog New Mexico Tech Penny Boston. “In zekere zin is het een andere planeet - het deel van onze eigen planeet dat we nog niet hebben verkend. Net toen de diepe oceanen pas in de afgelopen decennia toegankelijk werden voor de wetenschap, vinden we nu dat soort van baanbrekende inspanningen in grotten. ”(Een televisie-verkenning van grotonderzoek, “ Mysterious Life of Caves ”, uitgezonden op PBS's NOVA 1 oktober)
In de late jaren '60 werd een afgestudeerde student van StanfordUniversity die op zoek was naar een uitdagend onderwerp voor zijn proefschrift de eerste wetenschapper die door de scheur in de spoorwegdijk van Wyoming drong. De nieuwsgierigheid van Stephen Egemeier werd onmiddellijk gewekt door de ongewoon warme temperaturen en onaangename geuren van Lower Kane. Nog vreemder waren de enorme, modderige hopen van een kruimelig wit mineraal dat zelden in grotten wordt gevonden. Dit was gips of calciumsulfaat, het hoofdingrediënt in Sheetrock of gipsplaten, het materiaal dat bekend is uit de woningbouw. Toen Egemeier ontdekte dat de bronnen van Lower Kane niet alleen heet waren, maar ook waterstofsulfidegas borrelden (berucht om zijn rottenegggeur), theoretiseerde hij dat waterstofsulfide actief aan het werk was om Lower Kane uit te hakken. Uit welke ondergrondse bron uiteindelijk ook het potentieel giftige gas kwam - of de vulkanische reservoirs van Yellowstone in het westen of de olievelden van de BighornBasin in het zuiden - het borrelde uit het bronwater en in de grot. Natuurlijk onstabiel, reageerde het met zuurstof in het water om zwavelzuur te vormen. Het zuur at weg aan de grotmuren en produceerde gips als bijproduct.
Het baanbrekende onderzoek van Egemeier werd nooit breed gepubliceerd en trok weinig aandacht in de jaren '70. Maar terwijl het wegkwijnde, worstelde een andere groep wetenschappers met een aantal even raadselachtige grotraadsels. Deze keer ontvouwde de wetenschappelijke detectivejacht zich ver van Wyoming's ruige kloven in de goed vertrapte diepten van een belangrijke toeristische bestemming, Carlsbad Caverns.
Het vroege carlsbadverhaal is in wezen het verhaal van één persoon, Jim White. Als tiener zwierf White in de jaren 1890 rond zijn camping in de Guadalupe-bergen in het zuidoosten van New Mexico toen hij een vreemde donkere wolk zag opwaaien vanaf de woestijnbodem. "Ik dacht dat het een vulkaan was", zei hij later, "maar toen had ik nog nooit een vulkaan gezien." White volgde de wolk aan de oorsprong van een gigantische grot en stond verstijfd door het schouwspel van miljoenen vleermuizen die stroomden op hun nachtelijke jachtuittocht. Zo begon zijn levenslange obsessie met Carlsbad Caverns, die hij in het algemeen alleen verkende, met alleen het zwakke flikkeren van een kerosinelamp om hem te leiden. White's verhalen over een groot ondergronds labyrint maakten hem iets van een lokaal lachertje totdat hij een fotograaf overreedde om hem in 1915 de grot in te vergezellen. In de maanden die daarop volgden, liet White bezoekers in een ijzeren emmer op een wiebelige lier de duisternis in 170 voeten beneden. Tegenwoordig is zijn eenzame obsessie natuurlijk een nationaal park geworden dat een half miljoen bezoekers per jaar trekt.
Maar misschien is het meest verrassende aspect van het Carlsbad-verhaal dat zelfs in de jaren zeventig, toen dagelijkse bezoekers in de zomer duizenden telden, de mineralogie van de grotten en de vele raadselachtige kenmerken ervan nauwelijks waren bestudeerd. Speleologie, of de studie van grotten, was nauwelijks een respectabele wetenschap, en volgens grotexpert Carol Hill neigden reguliere geologen ertoe om degenen die zich tot het onderwerp aangetrokken voelden als 'vuile speleologen' te ontslaan.
Toen, op een dag in oktober 1971, klommen Hill en drie andere jonge afgestudeerden in de geologie een steile ladder op in een van de afgelegen kamers van Carlsbad. Terwijl ze door de mysteriekamer klauterden, genoemd naar het vreemde geluid dat wind daar maakte, werden ze verbijsterd door stukken blauwachtige klei aan hun voeten en kruimelige, cornflake-achtige korsten op de muren. Vreemd waren nog steeds de massieve blokken van een zacht, wit mineraal elders in de grot. Zulke blokken hadden er helemaal niet moeten zijn.
Ten eerste lost dit mineraal, gips, snel op in water. En de conventionele verklaring van hoe grotten worden gevormd, omvat de inwerking van water - veel ervan - dat gedurende miljoenen jaren door kalksteen sijpelt. De chemie is eenvoudig: als regen door de atmosfeer valt en in de grond druppelt, neemt het koolstofdioxide op en vormt een zwak zure oplossing, koolzuur. Dit mild corrosieve grondwater eet de kalksteen op en etst gedurende eeuwen weer een grot uit.
Volgens deze universeel geaccepteerde theorie moeten alle kalksteengrotten uit lange, smalle gangen bestaan. Maar zoals iedereen die door de hoofdattractie van Carlsbad heeft getrokken, de Big Room, weet, is het een gigantische, kathedraalachtige hal die zich uitstrekt over het equivalent van zes voetbalvelden. Had een grote ondergrondse rivier deze immense grot uitgehouwen, dan zou het alles op zijn pad hebben uitgehold of weggevaagd, inclusief gips. Maar gigantische witte hopen van het spul tot 15 voet dik liggen op de vloer van de Grote Zaal, een van de grootste grotruimten ter wereld.
Verbaasd werd Hill gedwongen te concluderen dat er in de Guadalupe-bergen een of andere drastisch andere methode van grotvorming aan het werk was geweest. Al snel kwam ze met een theorie die vergelijkbaar was met die van Egemeier: dat waterstofsulfide afgegeven door nabijgelegen olie- en gasvelden door de bergen was opgestaan en met zuurstof in grondwater had gereageerd om zwavelzuur te produceren, dat de grotten vervolgens miljoenen jaren had weggegeten .
Haar waterstofsulfide-theorie wekte een intense scepsis bij geologen, die bewijs zochten, dat Carlsbad, als een "dode" of niet langer vormende grot, niet kon leveren. Om de theorie van Hill te bevestigen, moesten wetenschappers een site onderzoeken waar zwavelzuur nog steeds aan het eten was in de grot - zoals in Lower Kane. Maar door de jaren heen was de kleine grot onder het spoor min of meer vergeten.
In 1987 verscheen Hill's nauwgezette studie van de Guadalupes eindelijk, samenvallend met de publicatie van het werk van Stephen Egemeier na zijn dood in 1985. Deze studies, samen met nieuwe ontdekkingen van een handvol andere actieve sulfide-grotten over de hele wereld, bleken zonder enige twijfel. dat grotten in sommige regio's werden gevormd door zwavelzuur. Maar nu rees een meer prikkelende vraag op: hoe kon het leven gedijen in pikdonkere grotten vol giftig gas?
Een van mijn spookachtigste momenten om Lower Kane te bezoeken, was toen ik mijn zaklamp op een van de drie zwembaden van de grot richtte. Net onder het wateroppervlak strekte zich een gek patroon van vezelige, filmachtige matten uit in verbluffende tinten blauw-zwart, vermiljoen en opzichtige Day-Glo-oranje, alsof een pop-artartiest uit de jaren 60 verf in alle richtingen had gesmeten. Op sommige plaatsen deden de gevlekte, ontpit oranje patronen me denken aan NASA-beelden van het kale oppervlak van Mars. Bij anderen leek het alsof iemand spaghettisaus in het water had gedumpt. En drijvend in het water direct boven elke veer, voerden spidery witte filamenten, zoals delicate spinnenwebben, een spookachtige onderwaterdans uit in de stromingen die omhoog borrelen.
De psychedelische kleuren behoorden allemaal tot bacteriematten, gelatineuze films van koolstofverbindingen gegenereerd door onzichtbare microben. Deze levendige bijproducten van bacteriële activiteit kunnen worden gezien clustering rond hete bronnen in Yellowstone en elders, hoewel ze aan de oppervlakte kunnen worden overweldigd door concurrentie van algen en andere organismen. Maar wat deden ze hier in Lower Kane, zo rijk gedijen op een plaats met giftige gassen en geen zonlicht?
Gedurende het grootste deel van de 20e eeuw geloofden wetenschappers dat er geen bacteriën meer dan een paar meter onder de grondlaag of oceaanmodder konden bestaan; daaronder, dachten wetenschappers, het leven vloeide gewoon weg. Toen, in 1977, kwam de verbazingwekkende ontdekking van bizarre buiswormen en andere exotische dieren, allemaal ineengedoken rond ondergedompelde vulkanen zo diep in de Stille Oceaan dat zonlicht hen niet bereikt. Dit buitenaardse ecosysteem bleek bijna volledig afhankelijk te zijn van de activiteit van zwavelminnende bacteriën, die gedijen bij de broeiende stromingen en gassen die vrijkomen door onderzeese openingen. Al even verrassende onthullingen over microben op andere onwaarschijnlijke plaatsen volgden al snel: bacteriën werden gevonden in kernen die meer dan een mijl onder Virginia waren geboord, in rotsen van onherbergzame Antarctica, en meer dan zes mijl diep in de Stille Oceaan aan de onderkant van de Marianas Trench. Sommige wetenschappers speculeren nu dat verborgen ondergrondse bacteriën gelijk kunnen zijn aan de massa van al het levende materiaal hierboven.
Dit 'donkere leven', dat miljarden jaren geïsoleerd is, biedt verleidelijke perspectieven voor wetenschappers. Microbiologen hopen dat ondergrondse bacteriën kunnen leiden tot nieuwe antibiotica of middelen tegen kanker. NASA-specialisten onderzoeken ze in de hoop handtekeningen te identificeren die ze misschien herkennen in gesteentemonsters van Mars of in sondes die op een dag de bevroren zeeën van Europa, een van Jupiter's manen, kunnen binnendringen.
Maar de uitdaging voor al deze jagers van ondergrondse insecten is toegang, waar Lower Kane binnenkomt. "Grotten bieden een perfect inloopvenster voor de normaal verborgen wereld van microbiële activiteit, " zegt Diana Northup, een grotonderzoeker aan de universiteit van New Mexico. “Sommige onderzoekers speculeren dat het leven eerst ondergronds evolueerde en naar de oppervlakte kwam naarmate de omstandigheden verbeterden. Als dit waar is, kunnen studies van ondergrondse microben aanwijzingen bieden voor de aard van enkele van de vroegste levensvormen van de aarde. "
Hoewel LowerKaneCave me een onderdompeling en een paar blauwe plekken had gegeven, waren mijn ongemakken niets vergeleken met de kilometers wriemelen en knijpen die nodig waren om door vele andere sulfide-grotten te dringen. De toegankelijkheid was een van de redenen waarom Lower Kane Annette Summers Engel voor het eerst aantrok in 1999 en sindsdien elk jaar, waardoor zij en haar team van geologen, geochemisten en DNA-experts relatief gemakkelijk wetenschappelijke apparatuur in en uit konden slepen. Hun eerste tests bevestigden snel dat Stephen Egemeier gelijk had: zwavelzuur, het resultaat van waterstofsulfide dat met zuurstof reageerde, at inderdaad nog steeds de grotwanden op. De meest intrigerende vraag was of de bacteriematten van Lower Kane bijdroegen aan de zuuraanval. Aangezien sommige bacteriën zwavelzuur als afvalproducten produceren, leek het zeker mogelijk. Het plan van Summers Engel was om de vraag vanuit verschillende invalshoeken aan te pakken. Een DNA-test kan bijvoorbeeld bepaalde microben identificeren. Andere tests kunnen uitwijzen of een microbe zich voedt met bijvoorbeeld zwavel of ijzer en of deze gestrest of bloeiend was.
Voorlopige resultaten wankelden over de onderzoekers. "Toen we voor het eerst in Lower Kane kwamen, " zegt Summers Engel, "gingen we er natuurlijk van uit dat elke mat voornamelijk uit zwaveloxiderende microben zou bestaan. Dat leek me logisch. Wat we in plaats daarvan vonden, was verbazingwekkende complexiteit. ”Elke mat bleek zelfs zo divers te zijn als een stadsblok in Manhattan. Er waren veel zwavel-etende microben, die allemaal gevoed werden door de gassen die in de bronnen borrelden. Maar er was ook een losbandige mix van andere bacteriën. Sommigen, zich bijvoorbeeld niet bewust van zwavel, voedden zich met het afval van hun buren. Noch werden de insecten allemaal willekeurig gegooid. Zwaveletende bacteriën, bijvoorbeeld, verzamelden zich aan de bovenkant van de mat; als hebzuchtige verbruikers van zuurstof hadden ze de lucht aan de oppervlakte nodig om te overleven. Methaanproducenten die geen zuurstof nodig hebben, waren voorspelbaar geconcentreerd op de bodem van de mat.
Om erachter te komen hoe de matten als geheel de grot aantasten, bedachten de wetenschappers een test van elegante eenvoud, met twee plastic buizen, die elk identieke kalksteenchips bevatten. De mond van een was bedekt met een ruwe plastic gaas, waardoor zowel microben als water uit de bron naar binnen konden wervelen. De andere was bedekt met een membraan dat water toeliet maar de microben buiten hield. Nadat beide buizen enkele maanden in het voorjaar waren ondergedompeld, bestudeerde het team de chips onder een microscoop. De chip die werd blootgesteld aan zowel het zure water als de microben was ernstiger ontpit en met littekens bedekt dan degene die alleen aan water was blootgesteld. Dit was het bewijs dat zuurproducerende microben de creatie van de grot versnelden. "Het lijdt geen twijfel dat microben bijdragen aan de zure chemie die de kalksteen oplost", zegt geochemist Libby Stern van de University of Texas, "en dat Lower Kane zich zonder de matten waarschijnlijk in een veel langzamer tempo zou vormen."
Maar een andere vondst was nog verleidelijker: een geheel nieuwe soort microbe, voorlopig geïdentificeerd door BrighamYoungUniversity-bioloog Megan Porter. Het nieuwe organisme lijkt nauw verwant aan microben die worden gevonden in onderzeese openingen diep in de Stille Oceaan, een waarschijnlijke oorsprong voor het ontstaan van leven. "Dit is een opwindende ontdekking, " zegt Porter, "omdat het impliceert dat de soorten metabolismen die in LowerKaneCave worden gevonden erg oud zijn." Het past ook bij groeiend bewijs dat het leven in de diepten is begonnen. In ondergrondse havens zoals grotten, onderzeese openingen en in de bodem, zouden primitieve microben beschut zijn geweest tegen de vulkanische explosies, meteoorbombardementen en intense ultraviolette straling die de planeet in zijn vroege jaren zo onherbergzaam maakte. In deze oude schuilplaatsen, die mensen pas net hebben uitgezocht hoe ze kunnen doordringen, evolueerde het leven ver van zonlicht, vaak in extreme omstandigheden van hitte en zuurgraad. Kane's psychedelische matten herinneren ons eraan hoe buitengewoon divers en winterharde pioniers van de aarde moeten zijn geweest.
Maar de horizon van grotonderzoek reikt ver voorbij onze eigen planeet. Veel astronomen en geologen speculeren dat Jupiters maan Europa en Mars elk water en ondergrondse omstandigheden hebben die op de onze lijken. Als microben hier in barre omstandigheden kunnen overleven, waarom ook daar niet? "Ons werk in grotten heeft de bekende grenzen van het leven op onze eigen planeet verbreed", zegt Penny Boston. "Maar het is ook een geweldige generale repetitie voor het bestuderen van biologische locaties op andere planeten en het stimuleren van onze verbeeldingskracht om de 'binnenaardse wezens' van de aarde te verbinden met die in de ruimte."
