TOP 科学杂志报道：与飞纳电镜一起探索地球最年轻洞穴的炙热深处

《史密森尼（Smithsonian）》杂志,隶属于美国史密森尼学会,该学会 1846 年成立。《史密森尼（Smithsonian）》杂志是美国华盛顿特区的史密森学会发行刊物,于 1970 年出版第一期杂志。

索罗,一位专注洞穴研究的洞穴学家,他跨越国界与美国宇航局和欧洲航天局携手合作,致力于宇航员的行星探索训练工作。他每天花数小时查看现场的照片和视频,这些丰富的信息,不仅让研究人员得以追踪洞穴的形成过程与具体位置,也提供了一个难得的机会,使科学家有机会深入探究未经生命物质触碰的洞穴深处：在细节层面,观察冷却过程、矿物生成以及这些环境中早期微生物群落的诞生。

穿着冶金用"冷却服"的洞穴学家

1994 年,洞穴学家研究了意大利埃特纳火山喷发后形成的熔岩管。研究人员在火山喷发停止近一年后进入熔岩管,发现里面尽管余温高达 158℃,却存在着罕见的晶体与矿物。然而,六个月后回到实验室时,这些亚稳态的矿物已经因为温度的降低分解消失,错失了详细研究的机会。这次经历深刻体现了在恶劣环境中进行快速样本采集并及时表征的重要性。

为了准备进入冰岛的新洞穴,索罗及其团队需要掌握洞穴形成的具体位置,以及哪些通道较为简单安全。在国家地理学会的资助下,于 2021 年 9 月,即在火山停止喷发大约一周后,索罗团队接近这座火山。他们运用精心绘制的地图,成功确定了地表的"天窗点"——这些点极有可能是新形成的洞穴入口。研究团队在该区域放置一架搭载热成像摄像机的无人机,细致地记录下火山不同区域的温度数据。

1.研究人员操作一架配备有激光雷达扫描仪的无人机,对熔岩管网络进行精细的三维绘图

鉴于一些矿物会随着时间改变或消失,这一次在冰岛法格拉达尔火山,为了避免出现类似情况,研究人员携带飞纳台式扫描电镜大样品室版 Phenom XL G2,将其安置在火山旁边的帐篷内,使用发电机以维持扫描电镜正常运行。

"环境条件非常恶劣,记得有一次突如其来的降雨,帐篷内积流成河。我把电源设备放置在地板上,所幸水流绕过了它,"工作人员回忆道。

2.在火山旁,研究人员依靠这台飞纳台式扫描电镜进行矿物分析,这对火山口生态系统和生命起源的研究具有重要的价值。

2022 年 5 月,通过热成像摄像机传回的数据显示,里面的温度仍然高达 900℃。索罗描述了他们所遇到的情景："空气仿佛在燃烧,一股热浪扑面而来。而外面的风却寒冷刺骨,这种内外温差所形成的鲜明对比,简直令人难以置信。"

研究人员穿过一条 1000 英尺长的熔岩管

（地球上最年轻的洞穴之一）

"空气温度在一米之内就能从 100℃ 骤升至 200℃,"索罗描述道。索罗进入的管道中,洞穴墙壁在发光,温度接近 600℃（1100华氏度）。"这是我见过的最为震撼的景象之一,"他感慨道。

索罗团队的研究主要集中在两个领域：首先,他们热衷于探索洞穴内所发现的矿物,尤其是那些在洞壁及其他岩石表面逐渐形成的矿物。其次,他们期待揭示这些环境何时成为微生物群落的领地,并鉴定出哪些微生物在此类环境中能够繁衍生息。深入探究这些新生洞穴如何逐步孕育生命,不仅有助于科研人员对地球生命发展过程的认知更加完善,而且对于科研人员在其他行星,如火星上寻找生命迹象的工作具有重要的指导意义。

研究人员发现,这些微生物通常能够通过氧化无机物质（如硫、铁和铜）来获取能量。

在考察现场,Phenom XL 飞纳台式扫描电镜对于快速识别和分析矿物样本起到了非常重要的作用：

研究人员在洞穴表面的裂隙与凹槽中发现了各种矿物。"我们发现了这种美丽的矿物,有白色的、绿色的、蓝色的等等。"南佛罗里达大学的矿物学家博格丹·奥纳克回忆道。研究人员用无菌刮刀刮下样本,并将其放置在真空密封袋中。收集样本后,索罗及其同事们便回到帐篷中,利用飞纳台式电镜的图像来确定样本的化学构成,他们通常能在半小时内识别出矿物,大大地提高了样本采集和分析的效率。

研究人员在飞纳台式扫描电镜下发现几种稀有矿物

追寻微生物的繁殖路径,将帮助科学家在宇宙中寻找生命。索罗提问："既然地球上一些特定的微生物能在熔岩管道中迅速繁衍,那么在火星上为何不能上演同样的生命奇迹呢？"

从内部观察一个已经坍塌的熔岩管

美国宇航局艾姆斯研究中心 NASA 天体生物学研究所所长佩内洛普·博斯顿博士将熔岩管形容为"太阳系其他天体可能存在现象的缩影"。火山活动并不仅限于地球和火星,即便是在木星的卫星之一IO上,也能观察到活跃的火山活动。这表明,太阳系外的行星和卫星同样可能存在火山以及熔岩管。因此,博斯顿博士认为索罗正在研究的洞穴具有很高的参考价值。

01洞穴内一个已经凝固的小熔岩湖

02.绳状熔岩（熔岩流表面构造）

03.洞穴入口附近的墙壁细节

法格拉达尔火山的喷发虽然已经平息,索罗对冰岛其他火山的动态依然保持着浓厚的兴趣。今年 3 月,雷克雅内斯半岛上的 Hagafell 山,距离法格拉达尔仅几英里之遥,突然开始了新的喷发。索罗望着那片火山喷发的壮丽景象,心中沉思："新的熔岩管道正在形成。"这些神秘莫测的洞穴,或许将成为他下一次探险的目的地。