进入地球上最年轻的洞穴的炽热深处之旅

弗朗西斯科·索罗 (Francesco Sauro) 第一次探索洞穴是在他 4 岁的时候。当时，他和父亲（一位地理学教授）在莱西尼山脉，靠近意大利北部村庄博斯科·基耶萨诺瓦 (Bosco Chiesanuova)，他的父亲就是在那里长大的。他的父亲也是一名业余洞穴探险家，而这次旅行就像是一种预先安排好的成年礼。“我对那些洞穴唯一的记忆就是我哭了，”索罗回忆道。“我因为黑暗而非常害怕。”当索罗 12 岁时，他和家人再次来到这个地区，当地一家博物馆的创始人告诉他，附近的一个洞穴里有古代洞穴鸟的骨头。“在那一刻，我的好奇心战胜了我的恐惧，”索罗说。从那天起，他就迷上了洞穴探险。

在此后的近三十年里，这位 39 岁的地质学家跋涉到了世界各地的数十个洞穴：大西洋岛屿上、阿尔卑斯山冰川磨坊内、亚马逊雨林的森林地面下。 2013年，他在委内瑞拉奥扬特普伊山内发现了一些世界上最古老的洞穴。 总而言之，他已经勘察了超过 60 英里的这些隐藏世界，其中包括几个人类未知的洞穴。 有些已有数百万年的历史。 其他的形成于数万年前。 最近，他探索了更年轻的洞穴：被称为熔岩管的原始洞穴，是在 2021 年冰岛南部 Fagradalsfjall 火山喷发期间在冷却的熔岩堆内形成的。对于想要踏上未知领域的探险家来说，很少有空间可以匹配新颖性。 但除了这种基本的刺激之外，这些婴儿洞穴还提供了一个极其难得的机会来研究洞穴世界，几乎从它们起源的那一刻起。

地球上最常见的洞穴是当雨水与土壤中的二氧化碳混合并变成弱酸并溶解下面的石灰石等柔软的可溶岩石时形成的。 当流水长时间缓慢侵蚀石头时，由玄武岩等不易溶解的材料制成的山脉和岩层内就会形成类似的“破坏性”洞穴。 相比之下，“建筑”洞穴是在流动的熔岩开始冷却时形成的，形成顶部的硬壳层，然后凝固成岩石。 当地壳下的熔岩流出时，会留下一个新的空腔——熔岩管。 “这些洞穴是在地质时期的瞬间建成的，”索罗说。 熔岩管的大小不等，从直径仅三英尺的小空心到超过 150 英尺高的大熔岩室。 它们可以形成为单个导管，或者形成为一系列小的、互连的管。 有些可能是一个“分层”在另一个之上——一堆洞穴。

地球上约有 1,500 座活火山，其中每年有 50 到 70 座会喷发。 当法格拉达尔山 (Mount Fagradalsfjall) 于 2021 年 3 月开始喷发，结束了长达 800 多年的休眠状态时，全世界都着迷地注视着，部分原因是十年前冰岛其他地方的一次喷发向欧洲上空的大气中喷出了巨大的火山灰云，影响航空旅行。 这次没有出现这样的干扰。 相反，来自冰岛和世界各地的游客蜂拥而至，有些人来到了距离火山喷发 500 英尺左右的地方，一睹鲜红和深红色的熔岩从山上喷涌而下，从山坡上倾泻而下。 “这是我们在火山周围各处安装摄像头的第一个案例，图像来自成千上万前往那里观看这一令人难以置信的表演的游客，”索罗说。

索罗是一名全职洞穴学家，也是一个名为 La Venta 的地理探索协会的主席，他还与美国宇航局和欧洲航天局合作，帮助培训宇航员进行行星探索，他在意大利北部的家中监测着这些进展。 他每天花几个小时查看该网站的照片和视频片段。 这些丰富的信息流不仅让研究人员能够追踪洞穴的形成方式和地点。 它还提供了一个难得的机会来研究尚未被生命物质触及的洞穴内部：以前所未有的细节观察冷却过程、矿物质的形成以及早期微生物在这些环境中的定植。 而且由于洞穴是由温度超过华氏 1,800 度的熔岩形成的，所以里面的环境将是完全无菌的。 “我在想：嘿，一旦火山喷发停止，这里就会变成一个令人难以置信的实验室，”索罗回忆道。 “这将成为一个新世界。”

法格拉达尔山实际上并不是一座单独的山，而是位于雷克雅未克西南约 25 英里的雷克雅内斯半岛高原上的一群小山脊。 周围地势平坦，长满青苔。 喷发始于山脊之间的山谷。 在接下来的几个月里，萨罗开始制定计划。 他知道必须尽快进入洞穴。

时间至关重要，这是洞穴学家在 1994 年研究意大利埃特纳火山喷发后形成的熔岩管时得到的教训。 当他们在火山喷发停止近一年后进入管道时，内部温度仍然达到危险的 158 度，研究人员发现了稀有的晶体和矿物质。 然而六个月后返回时，这些矿物质都不见了。 它们是“亚稳态的”——只有在高温下才能保持形状。 随着熔岩管冷却，它们消失了，因此有机会详细检查它们。

为了准备进入冰岛的新洞穴，Sauro 和他的团队需要精确了解它们的具体形成位置以及哪些管道提供最简单、最安全的通道。 冰岛大学北欧火山中心的地质学家格罗·佩德森（Gro Pedersen）负责收集图像。 她和冰岛自然历史研究所的 Birgir Óskarsson 从 2021 年 3 月至 9 月期间每两周左右飞越火山一次，对这座火山进行了调查。他们还收集了无人机和卫星图像拍摄的其他图像。 “由于角度不同，除了熔岩流场的良好可视化地图之外，我们实际上还能够创建地形图，”佩德森说。

索罗和他的同事获得了国家地理学会的资助，终于在 2021 年 9 月，也就是火山喷发平息一周后，接近了这座火山。 利用地图，研究小组确定了表面的窗户或“天窗点”，这些位置是新形成的洞穴的潜在入口。 他们驾驶一架配备热成像摄像机的无人机飞越现场，绘制火山地貌不同部分的温度图。 2022年5月，他们能够接近几个洞穴的入口，但热像仪显示内部温度仍然达到900度。 “有燃烧的空气散发出来，”索罗说。 “外面的风很冷。 外部和内部之间的对比非常疯狂。”

10 月份，索罗和他的探险队成员终于进入了其中一个洞穴，他们穿着专门设计的耐高温冶金服，呼吸着装满压缩空气的便携式罐子，因为里面的空气太热而无法呼吸，而且充满了有毒气体。 墙壁仍然像火炉一样散发着热量，某些地方的地板温度接近四百度。 萨罗和另外两名队员配备了热成像仪来监控情况，像一排士兵一样小心翼翼地前进，让中间的人和后面的人拉回排长，以防探险队突然转向。危险的。 “气温可能会从 100 度变化到 200 度 [Celsius] 只需一米，”Sauro 说道。 绍罗进入的一根管子里，洞壁依然发光，温度接近 600 摄氏度（1,100 华氏度）。 “这是我看到的最令人印象深刻的事情之一，”他说。 彼得森在洞穴进一步冷却后参观了它们。 “我知道地球上很少有地方可以让你亲眼目睹事物的诞生，”她说。 “这真是太神奇了。”

Sauro 和他的同事对两项研究感兴趣。 首先，他们渴望研究在洞穴内发现的矿物质——那些形成在洞穴壁和其他岩石表面上的矿物质。 其次，他们希望发现这些极端栖息地何时会被微生物殖民，并辨别哪些微生物会繁衍生息。 了解这些新形成的洞穴如何开始孕育生命，可以帮助研究人员完善他们关于地球上生命如何发展的想法，并且还可以为如何以及在何处寻找其他行星上当前或过去的生命迹象提供指导，例如作为火星。 “我们知道火星火山中不断形成熔岩管，”索罗解释道。 “所以它们可能很快就会被殖民化，成为火星生命的诺亚方舟——如果那里曾经存在过生命的话。”

由于担心某些矿物质可能会随着时间的推移而发生变化或消失，研究人员将扫描电子显微镜带到现场，以生成样本的高分辨率图像，以帮助他们识别它们。 生物技术公司 Thermo Fisher Scientific 的技术员罗吉尔·米尔滕堡 (Rogier Miltenburg) 将仪器安置在火山旁边的帐篷内，并在帐篷内安装了一台发电机，以维持显微镜运行所需的真空。 情况很不稳定：有一次，下雨的时候，一条河开始流过帐篷。 “我把电源放在地板上，幸运的是水在它周围转移了，”米尔滕伯格回忆道。 “否则我们就会出现短路。”

研究人员沿着洞穴表面的裂缝和凹槽发现了多种矿物质。 “我们发现了这种美丽的白色东西。 然后我们说，‘等一下，那里是绿色的，那里是蓝色的，’”团队成员、南佛罗里达大学矿物学家博格丹·奥纳克 (Bogdan Onac) 说道。 研究人员使用无菌抹刀刮下样本并将其包装在真空密封袋中。 由于熔岩管中的温度一开始就很高，奥纳克预计这些矿物质是完全脱水的晶体，因此他惊讶地发现一些矿物质的质地类似于湿糖，这表明尽管温度很高，环境中的水分子在矿化过程中被吸收。 收集完样本后，萨罗和他的同事会转身走到帐篷里看看他们发现了什么。 通过从电子显微镜产生的图像中确定样品的化学成分，他们通常可以在半小时内识别出矿物。

研究小组原本预计会发现一些矿物质，例如芒硝，它由氢、钠和硫组成。 但他们还发现了由铜与钠、钾、硫和其他元素结合形成的新型矿物质，从而产生了该团队目前正在更详细研究的稀有物质。 例如，一种令人惊讶的矿物是黄铝矿——一种翠绿色的晶体，其成分包括钠、钾以及硫酸铜。 帕多瓦大学矿物学家法布里奇奥·内斯托拉 (Fabrizio Nestola) 表示：“矿物学史上只在俄罗斯火山遗址发现过一次。” 内斯特拉正在他的帕多瓦实验室对矿物样本进行详细分析，他确信有些矿物对科学来说是全新的，有可能揭示矿化发生的未知过程。

与此同时，萨罗的微生物学家同事从带有“生物膜”标记的岩石表面斑块中收集了样本，这些区域已经开始被细菌定殖。 在场外实验室提取样本并分析 DNA 后，研究人员发现同一洞穴的不同部位繁衍生息着不同的微生物。 “第一个数据表明，环境细菌（主要是与土壤相关的细菌）开始定植，”博洛尼亚大学微生物学家玛蒂娜·卡佩莱蒂（Martina Cappelletti）说。 “它们最初可能是通过气流输送到洞穴内的。” 这些微生物之所以能够繁衍生息，是因为它们能够在岩石上生存，也就是说，能够从氧化无机材料中获取能量。 随着时间的推移，随着洞穴的冷却，洞穴内微生物的多样性增加。 研究结果表明，这种不需要水或有机物就能生存的生命形式应该最有可能在极端环境中立足——无论是在遥远的过去还是在其他行星上。

事实上，追踪微生物定植将有助于科学家在宇宙其他地方寻找生命。 即使在今天表面条件似乎不适宜居住的行星上，熔岩管也可能曾经为迅速在内部定居并生存下来的生命形式提供了暂时或持久的庇护所。 “如果某些特定的微生物生命能够快速在地球上的熔岩管中定居，为什么这不会发生在火星上呢？” 萨罗说道。

美国宇航局艾姆斯莫菲特菲尔德天体生物学研究所所长佩内洛普·波士顿将熔岩管描述为“我们可能在太阳系其他天体上发现的东西的模型”。 火山活动不仅限于地球和火星。 甚至木星的卫星之一木卫一也有活火山，这表明太阳系之外的行星和卫星也可能有火山和熔岩管。 这就是为什么波士顿认为研究萨罗正在调查的洞穴具有巨大价值。 “我认为，在世界各地指定一些地方，让我们有能力从一开始就看到微生物定植的早期历史，这是值得全世界关注的事情，”她说。

法格拉达尔山的喷发已经平息，但索罗一直在饶有兴趣地关注有关冰岛其他火山的消息。 今年三月，当新的火山喷发开始时 雷克雅未克半岛在法格拉达尔山以西几英里的哈加菲尔山，他沉思着“新的管道正在形成，毫不夸张地说，现在就在形成”。 这些未知的洞穴可能是他的下一个狩猎场。