Пещера освещённого дома

слизистые сталактиты (snottites) в Cueva de Villa Luz

Схема пещеры освещенного дома

Пещера освещённого дома (англ. Cave of the Lighted House, исп. Cueva de Villa Luz, Cueva de la Sardina, Cueva de las Sardinas, Cueva del Azufre) — пещера, расположенная в 2 километрах к югу от города Тапихулапа (муниципалитет Теапа в штате Табаско, южная Мексика). Относится к гипогенному типу, то есть образована в результате действия поступающей из недр планеты, а не просачивающейся сверху воды. Пещера появилась в результате размывания серо-насыщенными водотоками блока микрокристаллического известняка нижне-мелового периода. Пещера освещённого дома является одной из 3 пещер в мире (наряду с пещерой Лечугия в США и пещерой Мовиле в Румынии), которые образовались в результате воздействия серной кислоты на горные породы. Происхождение поступающего в пещеру сероводорода окончательно не выяснено, но существует 2 его возможных источника: нефтяной бассейн Вилья в примерно 65 километрах к северо-западу (по другим источникам в 50 километрах) или проходящий в 10 километрах от пещеры андезитовый поток третичного периода (который породил извергающийся с 1982 года вулкан Эль-Чичон в 50 километрах к западу от пещеры). Некоторые специалисты на основе содержания изотопа серы ³⁴S в атмосферном сероводороде и химического анализа подземных вод склоняются к версии нефтяного происхождения сероводорода в пещере.

Окрестности

Пещера расположена в холмистой зоне тропического климата с пышной растительностью и обильными осадками (550 сантиметров в год). Вмещающий пещеру блок известняка находится в простирающейся на северо-запад геологической антиклинали с центральным возвышением к югу от пещеры освещённого дома по оси восток-северо-восток. К северо-востоку от пещеры бьёт не меньше 9 насыщенных серой поверхностных и подземных источников, схожих по температуре и уровню кислотности с пещерой освещённого дома и приуроченных к северо-северо-западной (пониженно-вогнутой) границе указанной антиклинали. При этом в 3 поверхностных источниках и 2 подземных (в пещере The Other Buzzing Passage) зафиксированы пузырьки газа (предположительно диоксид углерода CO₂). Ученые предполагают, что другие источники тоже имели в своей составе газ, но утратили его до выхода на поверхность.

Пещера является единственной в своем блоке известняка, однако рядом с пещерой освещённого дома расположено еще несколько пещер в известняковых породах. Бьющие из под земли ключи питают подземные водоемы пещеры El Azufre. В 27 километрах к западо-северо-западу на поверхность земли выходит фреатическая подземная система в виде сернистого целебного источника. Химический состав и температура указанных источников также имеет много общего с водными потоками пещеры освещённого дома. В 7 километрах к востоку от El Azufre находится популярная среди туристов пещера Grutas de Cócona, появившаяся в результате размывания известняка гипогенными потоками (в настоящее время вода в пещеру не поступает). В 1 километре к востоку от пещеры освещённого дома находится аналогичная древняя гипогенная пещера Grutas de Cuesta Chica.

Использование

Пещера освещённого дома была известна и посещалась местным коренным народом Мексики и потомком Ольмеков Зоки (Zoque) из Тапихулапа и ее окрестностей на протяжении веков (которые в сухой сезон ловили рыбу в пещерном потоке, обставляя это как специальную церемонию под названием La Ceremonia de la Pesca). Индейцы поднимались к пещере на лодках по реке Almandro, откуда к пещере освещённого дома ведет тропа. Хозяйственное использование пещеры как место рыбалки обеспечивало местные племена источником пропитания, когда запасы еды от прежнего урожая заканчивались, а время сбора нового урожая еще не наступало. Перед каждой рыбалкой во время специальной ритуальной церемонии шаманы просили богов-хранителей пещеры (носивших имена «Дед» и «Бабушка») позволить людям воспользоваться их дарами. Сама ловля рыбы происходила в 100 метрах от входа выше по течению подземного потока традиционным для Центральной Америки методом: в воду опускали измельченные корни лозы барбариса и известь, которые вытесняли из воды кислород и заставляли рыбу подниматься к поверхности, одновременно делая ее вялой из-за нехватки кислорода. Проводившаяся на протяжении доисторических и исторических времен церемония была заброшена только в середине 1940-х годов, после перерыва возрождена в 1987 году местным жителем Хосе Васкесом и теперь организуется каждую весну, привлекая сотни людей. Чтобы уменьшить вредное воздействие сероводорода, местные племена не проникают в глубину пещеры и стараются побыстрее покинуть пещеру освещённого дома. Рыбалка проводится при помощи свечей, а саму рыбу сушат, чтобы избавиться от привкуса серы.

Изучение

Сама пещера представляет собой научный интерес как легкодоступный (например не требующий для проникновения по сравнению с румынской пещерой Мовиле погружения в воду в водолазном снаряжении) для изучения пример развитой хемоавтотрофной экосистемы (основанной на хемосинтезе пищевой цепочки) и спелеогенеза (образования пещер) на основе соединений серы, а также как место проведения религиозных ритуалов коренными жителями Мексики в древности. Изучение пещеры затруднено опасными для здоровья людей газами (сероводородом, угарным газом, углекислым газом, сернистым газом) которыми насыщена атмосфера пещеры освещённого дома (что требует применения химических анализаторов для определения уровня сероводорода в воздухе и зачастую делает возможным работу в пещере только в противогазах). Первое научное исследование пещеры осуществили биологи Гордон и Розена в 1962 году (задачей которых было изучение обитающих там рыб, насекомых и пауков). В феврале 1987 года пещеру посетили спелеологи Jim Pisarowicz и Warren Netherton, которым местные жители рассказали о вытекающем из пещеры странном потоке белого цвета (сделанные ими фотографии внутри пещеры были представлены на собрании Национального спелеологического общества в 1988 году). В ходе экспедиции 1988 года химик и спелеолог Марк Минтон с помощью индикаторной бумаги определил уровень кислотности капель из снотитов (англ. snottites). Снотиты представляют собой слизистые сталактиты с живущими внутри них колониями микробов. Экспедиция 1989 года провела отбор проб атмосферного сероводорода, а также собрала образцы серы и гипса для изотопного анализа. Во время экспедиции 1988 года была составлена предварительная, а во время экспедиций 1996—1997 и 1998 года — точная карта пещеры. Также во время экспедиции 1996—1997 года были собраны образцы отложений со стен, пола, потолка и сталактитов для биологического анализа, что дало более глубокое изучение колоний бактерий в среде с низких уровнем pH. В 1989 году индикаторной трубкой насоса Kitagawa (типы SA и SB) был осуществлён первый забор проб воздуха для определения уровня сероводорода. Всего в результате 9 поездок февраля-марта 1989 года, 3 экспедиций декабря 1996 года и 6 экспедиций января 1997 года было собрано 82 пробы воздуха в 8 местах пещеры (результаты обобщены в таблице № 2). В январе 1998 года пещеру посетила комплексная группа исследователей в составе спелеологов, биологов, микробиологов, геологов, гидрохимиков и минерологов. В настоящее время пещеру изучают Peggy Palmer (гидрохимия и смежные темы искусства), Diana Northup из университета Нью-Мексико (микробная биология), José Palacios-Vargas из Национального автономного университета Мексики (биология беспозвоночных), Harvey DuChene (серная минералогия) и Jakob Parzefall из университета Гамбурга (изучение рыб).

Морфология пещеры

Пещера имеет общую изученную длину в 1 900 метров (без учета нескольких, недоступных для человека расщелин). Общая высота пещеры (точнее разница между самой высокой и самой низкой точкой) составляет порядка 25 метров. Главный тоннель пещеры повторяет направление простирающейся на северо-восток жилы коренной породы (около главного выхода коренная порода меняет свое направление на восток и пещера тоже повторяет этот изгиб). В своем простирании пещера понижается вниз к главному входу по мало-угловому геологическому срыву. В том месте, где круто-наклонный (до степени разлома) геологический разрыв под прямым углом пересекает пещеру, существует локальное расширение размеров подземных проходов. Помимо главного входа пещера освещённого дома соединена с поверхностью 24 или 25 (по разным источникам) вертикальными колодцами провально-карстового происхождения (попадающий через которые в пещеру солнечный свет и дал ей название «пещера освещённого дома»). В этих колодцах встречаются такие характерные для карстового ландшафта элементы, как природные перемычки-мосты, карровые стенки и каменные глыбы на дне. Дно пещеры представлено труднорастворимой коренной породой с разрушением преимущественно эрозией от текущего по нему подземного потока и в отличии от стен и потолка имеет малое количество отложений от химического выщелачивания известняка. Образовавший пещеру поток течет на уровне 80 метров от поверхности мирового океана и 40 метров от местного гидрологического уровня (рек Amatán и Oxocotlan).

Натечные образования

Из натечных образований наибольшее распространение в пещере получили скопления кристаллов селенита, которые сформировались в субаэральной (воздушной) среде на коренной породе стенок над пещерными потоками. Россыпи и отдельные экземпляры кристаллов селенита обычно располагаются на нижней части свисающих с потолка каменных наростах и вогнутых вниз сторонах уступов. Кристаллы селенита имеют длину 2-4 сантиметра и обычно сопутствуют (попадаются вместе) с гроздям мелкокристаллической серы и микробными вуалями снотитов (англ. snottites). На западной стороне Sala Grande обнаружено небольшое скопление boxwork. Пол пещеры покрыт пастообразным налетом из микрокристаллического гипса с уровнем кислотности pH 1,0-3,0. Стены пещеры покрыты налетом из белого moonmilk («пещерное молоко») и слизи черного, коричневого, оранжевого, зеленого и красного цвета.

Традиционные кальцитовые образования мало распространены в пещере освещенного дома. В местах взаимодействия сернистой пещерной воды и попадающей через провальные колодцы поверхностной воды возникли травертиновые отложения в Snot Heaven и Midway Springs. Кальцитовые отложения также встречаются около Casa de los Murciélagos, в северо-восточной оконечности Zoo и у входа в The Other Buzzing Passage. В прилегающей к главному входу основному тоннелю пещеры обнаружено несколько сильно поврежденных коррозией сталактитов и известняковых вуалей. В близко расположенных к выходам на поверхность частям пещеры с повышенным содержанием кислорода в атмосфере обнаружены окаменелые ископаемые сталактиты и сталагмиты.

Водоёмы

Из пола пещеры бьют 20 источников термальной (с температурой в 28 градусов — что на 3 градуса больше обычной температуры других местных водотоков) насыщенной серой воды. Дополнительно из узких, недоступных для изучения трещин вытекает еще 4 ручья. Все указанные источники сливаются в один единый поток, который течет через пещеру к ее выходу и затем впадает в близлежащую реку. В дождливый сезон расход воды в главном потоке составляет 290 литров в секунду (замеры января 1998 года), а в сухой сезон — 270 литров в секунду (замеры апреля 1998 года). Также через вертикальные колодцы в своде в пещеру попадают воды весенних ливней. Согласны измерениям уровень кислотности (pH) в пещерных источниках составляет 6.6-7.3 (±0.1), а главного потока — от 7,2 в верховьях у ключей до 7,4 на выходе из пещеры. В течении главного водотока замечены плывущие белые нити 2-3 сантиметров длиной.

Все пещерные воды делятся на 2 категории: 1. имеющие высокое содержание H₂S (300—500 миллиграммов на литр), pCO2=0,03-0,1 атмосферы, без признаков O₂ и 2. с низким содержанием H₂S (менее 0,1 миллиграмма на литр), pCO2=0,02 атмосферы, низким содержанием O₂ (до 4,3 миллиграмма на литр). Воды пещеры освещённого дома представляют собой смесь сульфатов, карбонатов и хлоридов.

Таблица № 1. Анализ подземного потока пещеры освещённого дома (Gordon и Rosen 1962 год).

Температура (апрель 1946 года)	28 °C
Температура (декабрь 1955 года)	30 °C
Кислотность (pH)	7.0 — 7.2
хлорид	1.5 x 10-2 M
натрий	2 x 10-5 M
калий	3 x 10-4 M
кальций	6 x 10-3 M
фосфат	Не обнаружено
сульфат	9 x 10-3 M
Сероводород	Слабый запах в воде

Атмосфера

Химический состав пещерной атмосферы нестабилен: нередко случается эпизодическое повышение уровня сероводорода и угарного газа, а также понижение концентрации кислорода в воздухе (до 9,6 % по сравнению с обычными 21 %). Важную роль в регулировании состава воздуха играют вертикальные колодцы в потолке пещеры, через которые наружу уходит сероводород и угарный газ, в внутрь поступает кислород. Вредные газы концентрируются в низких частях пещеры. В воздухе пещеры высока концентрация сероводорода, однако его уровень ниже в районе главного входа и провальных колодцев и наоборот выше в глубине пещеры (достигая максимума в Sala Grande-Bat Room). Данная закономерность вероятна связана с проникновением в пещеру внешнего воздуха, который разбавляет насыщенную сероводородом атмосферу пещеры. Также концентрация сероводорода понижается в самых высоких и сравнительно сухих местах пещеры. Концентрация H₂S временами доходит до 210 пропромилле, а SO₂ до 35 пропромилле. Человек ощущает присутствие сероводорода в воздухе еще при входе в пещеру в виде сильного запаха тухлых яиц.

Таблица № 2. Анализ проб воздуха пещеры освещённого дома на содержание сероводорода по результатам отобранных в 9 поездках 82 проб воздуха (1989, 1996 и 1997 годы). SD — статистический разброс данных относительно среднего значения, N — количество взятых проб воздуха на данном участке, Range — концентрация сероводорода в воздухе в пропромилле

Место	Значение	SD	N	Range
Main Entrance Room	15.67	7.50	18	6-30
Big Room by Cat Box	19.22	5.81	9	10-27
End of Zoo-downstream	5.67	3.65	9	1-12
Sala Grande-Bat Room	40.00	10.72	10	25-55
Sala Grande	18.22	6.11	9	8-25
Fresh Air area	1.00	1.05	9	0-3
Entrance-Skylight	11.11	6.01	10	3-18
Zoo	9.89	4.38	9	3-16

Химические реакции

В пещере освещённого дома идет несколько химических реакций (в упрощенной схеме поступающий из недр планеты сероводород при смешивании с водой превращается в серную кислоту, которая в свою очередь при взаимодействии с известняком преобразует его в гипс). Снизу в кислородную атмосферу пещеры поступает насыщенная сероводородом вода, а сверху через горную породу просачивается дождевая влага. Часть поступающего в пещеру сероводорода растворяется в подземных водотоках до элементарной серы (которая придает потоку цвет от молочно-прозрачного до непрозрачного), а часть выделяется в атмосферу пещеры освещённого дома. При взаимодействии пещерной воды и атмосферного кислорода сероводород соединяется с кислородом, образуя в результате реакции элементарную серу и воду. Эта реакция может иметь как абиотический, так и биологический (микробный) характер.

2 H₂S + O₂ → 2Sº + 2H₂O

Другие бактерии из серы и сероводорода создают серную кислоту:

2Sº + 3O₂ + 2H₂O → 2SO4²⁻ + 4H⁺

H₂S + 2O₂ → SO₄²⁻ + 2H⁺

Серная кислота при растворении в воде распадается на анионы сульфата SO4²⁻ и катионы водорода H₊.

Содержащийся в известняке карбонат кальция при взаимодействии с серной кислотой распадается и в качестве одного из продуктов данной реакции образуются сульфат-ионы:

CaCO₃ + H₂SO₄ → Ca²⁺ + H₂O + CO₂ + SO₄^2-

Карбонат кальция расщепляется при взаимодействии с катионами водорода с высвобождением ионов кальция:

CaCO₃ + 2H₊ → Ca²⁺ + H₂O + CO₂

Ионы кальция при взаимодействии с сульфат-ионами образуют гипс:

Ca²⁺ + SO₄²⁻ + 2H₂O → CaSO₄·2H₂O

Еще одной протекающей в пещере реакцией является взаимодействие углекислого газа с водой с образованием угольной кислоты. Углекислый газ поступает из пещерной атмосферы, гипогенных вод, а также от вышеперечисленных реакций.

CO₂ + H₂O → H₂CO₃

Конечным результатом всех химических реакций является замещение известняка гипсом по стенам и потолку пещеры. Однако сформировавшийся слой гипса постепенно обваливается на дно пещеры (где разрушается и уносится наружу водой) и химическое взаимодействие серной кислоты идет уже с новыми, более глубокими слоями известняка. Ученые оценивают возраст пещеры в несколько тысяч лет, что делает пещеру освещённого дома сравнительно молодой среди большинства пещер Земли. Исходя из объема поступающего в пещеру сероводорода и активности микробного сообщества, ученые предполагают, что нынешняя морфология (очертания) пещеры является ее временным состоянием и в будущем изменится в результате активного спелеогенеза.

Из дна пещеры бьёт более дюжины ключей, в воде которых высока концентрация сероводорода (источником которого по мнению ученых является либо близлежащее месторождение нефти либо вулкан Эль-Чичон). При взаимодействии с растворяющимся в воде кислородом сероводород окисляется до коллоидной серы, придающей водным потокам прозрачный белый цвет. Часть сероводорода выделяется из раствора в воздух пещеры и, взаимодействуя с атмосферным кислородом и водой, окисляется до серной кислоты, которая, в свою очередь, разрушает известняк с образованием гипса и угольной кислоты. Отчасти спелеогенезу способствует деятельность окисляющих серу бактерий. Также при взаимодействии атмосферы пещеры и воды образуется углекислый газ. Газовый состав пещеры нестабилен: заметные флуктуации претерпевает концентрация сероводорода, кислорода и угарного газа.

Обитатели пещеры

Вуали хемоавтотрофных бактерий в пещере освещенного дома

Все постоянно обитающие в пещере живые организмы были вынуждены приспособиться к повышенному уровню сероводорода в воздухе. Основу трофической цепи пещеры составляют хемоавтотрофные бактерии, окисляющие сероводород воздуха до серной кислоты, а также бактерии, восстанавливающие серу в ходе обратного процесса. Генетический анализ 19 отобранных случайным образом образцов бактерий показал, что 18 их видов являются родственниками 3 видов Thiobacilli и еще 1 вид близок к Acidimicrobium ferrooxidans. Крайне многочисленные, они образуют подвешенные к стенам и сводам пещеры «бактериальные вуали» (англ. microbial veils), состоящие из похожих на солому трубчатых сталактитов, занавесов (драпировок) и U-образных петель до 50 сантиметров длиной. Эти бактериальные вуали даже получили специальное название снонитов (англ. snottites) и представляют собой колонии микробов (некий вертикальный аналог микробных пленок на поверхности водоемов). Помимо снотитов хемоавтотрофные бактерии образуют формирования иной формы, получившие у ученых названия phlegm balls и biovermiculations. От хемоавтотрофных микробов получают энергию другие микробы и бактерии. На этих микробных скоплениях живут мелкие беспозвоночные: клещи, мошки и черви. Снотиты концентрируются вокруг источников воды, а в сухие годы по наблюдениям января и апреля 1998 года их количество в пещере уменьшается (также в сухие сезоны засыхают и теряют яркую окраску колонии бактерий). В результате жизнедеятельности бактерий в вуалях собираются капли раствора серной и угольной кислоты с довольно низким pH — 0,5—3,0.

Стены и пол пещеры вдоль водных потоков покрыты разноцветным налетом из колоний бактерий и грибков, в составе которых встречаются и неорганические материалы. На известняковых стенах пещеры попадаются колонии слизистого, коричневого и пятнистого biovermiculation (стенной аналог снотитов).

Некоторые налеты состоят из микроорганизмов зеленого цвета (приобретенного в результате количественного превосходства сферических бактерий над цианобактериями), которые растут и в темных местах. В пещере также многочисленны микробные налеты белого, красного и черного цвета.

В нижних районах подземного потока заметное количество вещества вносится через помёт летучих мышей и органику, поступающую через провалы в своде (однако этот источник питательный веществ выполняет вспомогательную роль в основанной на хемосинтезе пещерной экосистеме). Из макроскопических организмов наибольшего обилия достигают комары-звонцы Tendipes fuvipilus, вероятно, питающиеся бактериями (возможно, на стадии водных личинок). Микробный эколог Kathy Lavoie из State University of New York at Plattsburgh^[en] насчитала в пещере 70 мошек на 1 квадратный дюйм. Комары концентрируются на зеленой слизи над потоком. Из других беспозвоночных в пещере многочисленны пауки, жуки, сверчки, клещи, которые предположительно питаются микробами, мошками или друг другом. В пещере обитают Amblypygi. В ручьях обильны Poecilia mexicana — рыбы из отряда карпообразных. Отличительными особенностями обитающих в пещере Poecilia mexicana является повышенный уровень гемоглобина (в связи с низким содержанием кислорода в подземных водотоках) и меньший размер глаз по сравнению с ее поверхностными видами. Согласно желудочному анализу рацион рыб состоит в большей степени из бактериальный нитей и личинок мошек, а в меньшей — из гуано летучий мышей в нижней части подземного потока. Также существуют наблюдения захвата и пожирания рыбами водных полужестокрылых. Рыбы являются вершиной пищевой цепочки в пещере и не имеют естественных врагов, кроме человека. Из других позвоночных в пещере освещённого дома обитают несколько видов летучих мышей (4 вида семейства Phyllostomid из Leaf-nosed bat, Free-tailed bat и 1 вид вампиров). Также имели место случаи обнаружения угрей, черепах (вероятно случайные посещения) и отпечатков ног, предположительно принадлежащие грызуну Tepeizcuinte (Пака из семейства Агутиевых).

По мнению микробиолога Penny Boston экосистема пещеры освещённого дома может служить примерным аналогом гипотетической жизни в пещерах Марса, если она там существует.

Литература

• Кислая пещера // Наука и жизнь, 1999, № 4.
• Hose L. D., Pisarowicz J. A. (1999) Cueva de Villa Luz, Tabasco, Mexico: reconnaissance study of an active sulfur spring cave and ecosystem. Journal of Cave and Karst Studies 61(1): 13-21.
• Hose L.D., Palmer A.N., Palmer M.V., Northup D.E., Boston P.J., Duchene H.R. Microbiology and geochemistry in a hydrogen-sulphide-rich karst environment. Journal of Chemical Geology volume 169, issues 3-4, 1 september 2000, pages 399—423.
• WATER, GAS, AND PHYLOGENETIC ANALYSES FROM SULFUR SPRINGS IN CUEVA DE VILLA LUZ, TABASCO, MEXICO
• CAVE OF THE SULFUR EATERS
• ELIOT J. L. DEADLY HAVEN
• PETIT C. THE WALLS ARE ALIVE
• HERBERMAN E. CAVE OF GOO!

Ссылки

• Cueva-de-Villa-Luz в Викимапии.
• http://www.wikidata.org/wiki/Q3777100?uselang=ru