image: Una sección de la Cueva del Viento de Dakota del Sur vista bajo luz blanca normal (imagen izquierda) se transforma en algo diferente cuando se coloca bajo luz UV (imagen derecha). view more
Credit: Joshua Sebree
SAN DIEGO, 25 de marzo de 2025 — En las profundidades de la superficie terrestre, formaciones rocosas y minerales esconden un brillo secreto. Bajo una luz ultravioleta, los agentes químicos fosilizados en su interior resplandecen en tonos brillantes de rosa, azul y verde. Los científicos están usando estas características fluorescentes para comprender cómo se formaron las cuevas y cómo se sostiene la vida en entornos extremos, lo que puede revelar cómo la vida podría persistir en lugares lejanos, como la luna helada de Júpiter, Europa.
Los investigadores presentarán sus resultados en el encuentro de primavera de la American Chemical Society (ACS). El encuentro de primavera de 2025 de la ACS, que se realizará del 23 al 27 de marzo, incluye unas 12 000 presentaciones sobre diversos temas científicos.
Resulta que la química de la Cueva del Viento de Dakota del Sur es probablemente similar a lugares como Europa—y mucho más accesible. Es por eso que el astrobiólogo Joshua Sebree, profesor de la Universidad del Norte de Iowa, terminó a cientos de metros bajo tierra investigando los minerales y las formas de vida en estas condiciones oscuras y frías.
«El objetivo de este proyecto en general es tratar de entender mejor la química que se está produciendo bajo tierra y que nos habla de cómo puede sostenerse la vida», explica.
Cuando Sebree y sus estudiantes comenzaron a adentrarse en nuevas áreas de la Cueva del Viento y de otras cuevas en todo Estados Unidos, mapearon las formaciones rocosas, los pasajes, las corrientes y los organismos que encontraron. Mientras exploraban, también llevaban sus luces ultravioletas (UV) para observar los minerales en las rocas.
Bajo la luz ultravioleta, ciertas áreas de las cuevas parecían transformarse en algo de otro mundo, ya que partes de las rocas circundantes brillaban en diferentes tonos. Gracias a las impurezas atrapadas en la Tierra hace millones de años (casi como fósiles químicos), los tonos correspondían a diferentes concentraciones y tipos de compuestos orgánicos o inorgánicos. Estas piedras brillantes a menudo indican dónde el agua alguna vez transportaba minerales de la superficie.
«Las paredes se veían completamente vacías y no tenían nada de interesante», dice Sebree. «Pero luego, cuando encendimos las luces ultravioleta, lo que antes era una simple pared marrón se convirtió en una capa brillante de mineral fluorescente que indicaba dónde había estado una poza de agua hace 10 000 o 20 000 años».
Normalmente, para entender la composición química de una característica de cueva, se retira una muestra de roca y se lleva al laboratorio. Sin embargo, Sebree y su equipo recopilan los espectros de fluorescencia, que son como la huella dactilar de la composición química, de diferentes superficies con un espectrómetro portátil en sus expediciones. De esa manera, pueden llevarse la información pero dejan la cueva intacta.
Anna Van Der Weide, una estudiante universitaria de la institución, ha acompañado a Sebree en algunas de estas exploraciones. A partir de la información recopilada durante ese trabajo de campo, está construyendo un inventario de huellas de fluorescencia de acceso público para ayudar a proporcionar información adicional al mapa tradicional de la cueva y ofrecer una imagen más completa de su historia y formación.
Otros estudiantes universitarios también han contribuido al estudio. Jacqueline Heggen está explorando estas cuevas como un entorno simulado para los extremófilos astrobiológicos; Jordan Holloway está desarrollando un espectrómetro portátil para facilitar las mediciones y hacerlas posibles incluso en futuras misiones extraterrestres; y Celia Langemo está estudiando biométricas para mantener seguros a los exploradores de entornos extremos. Estos tres estudiantes también presentan sus hallazgos en el encuentro de primavera de 2025 de la ACS.
Hacer ciencia en una cueva también conlleva desafíos. Por ejemplo, a 48 grados Fahrenheit (9 grados Celsius) en la Cueva Misteriosa de Minnesota, el equipo tuvo que enterrar las baterías del espectrómetro en calentadores de mano para evitar que agotaran. Otras veces, para llegar a un área de interés, los científicos tuvieron que pasar por espacios de menos de un pie (30 centímetros) de ancho durante cientos de pies, a veces perdiendo un zapato (o pantalón) en el proceso. O tenían que sumergirse hasta las rodillas en agua helada de la cueva para tomar una medida, esperando que sus instrumentos no se empapen accidentalmente.
Pero a pesar de estos obstáculos, las cuevas ya han revelado una gran cantidad de información. En la Cueva del Viento, el equipo descubrió que las aguas ricas en manganeso habían tallado la cueva y producido las calcitas de cebra rayadas en su interior, que brillaban de color rosa bajo la luz ultravioleta. Las calcitas crecieron bajo tierra, alimentadas por el agua rica en manganeso. Sebree cree que cuando estas rocas se rompieron, ya que la calcita es más débil que la caliza que también comprende la cueva, la calcita contribuyó a expandir la cueva. «Es un mecanismo de formación de cuevas muy diferente al que se ha estudiado antes», afirma.
Y las condiciones de investigación únicas han proporcionado una experiencia memorable a Van Der Weide. «Fue realmente genial ver cómo se puede aplicar la ciencia en el campo y aprender a trabajar en esos entornos», concluye.
En el futuro, Sebree espera obtener confirmación adicional de la exactitud de la técnica de fluorescencia al compararla con las técnicas tradicionales destructivas. También quiere investigar el agua de la cueva que también fluoresce para entender cómo la vida en la superficie de la Tierra ha afectado a la vida profundamente subterránea y, mediante la reconexión con sus raíces astrobiológicas, entender cómo el agua similar rica en minerales puede sustentar la vida en las profundidades de nuestro sistema solar.
La investigación fue financiada por la NASA y el Iowa Space Grant Consortium.
El martes 25 de marzo se publicará un vídeo Headline Science sobre este tema. Los reporteros pueden acceder a los vídeos durante el período de retención, y una vez que se levante el embargo, las mismas URL permitirán al público acceder al contenido. Visite el programa de la ACS Spring 2025 para obtener más información sobre esta presentación, “Fluorescent caves could explain how life persists in extraterrestrial environments,” “Spectroscopic analysis of caves: The influence of organic overburden on karst speleothems,” y otras presentaciones científicas.
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La sociedad American Chemical Society (ACS) es una organización sin fines de lucro fundada en 1876 y aprobada por el Congreso de los Estados Unidos. La ACS se ha comprometido a mejorar la vida de todas las personas mediante la transformación del poder de la química. Su misión es promover el conocimiento científico, empoderar a la comunidad global y defender la integridad científica, y su visión es un mundo construido basándose en la ciencia. La Sociedad es líder mundial en la promoción de la excelencia en la educación científica y en el acceso a información e investigación relacionadas con la química a través de sus múltiples soluciones de investigación, publicaciones revisadas por expertos, conferencias científicas, libros electrónicos y noticias semanales periódicas de Chemical & Engineering News. Las revistas de la ACS se encuentran entre las más citadas, las más fiables y las más leídas en la literatura científica; sin embargo, la propia ACS no realiza investigación química. Como líder en soluciones de información científica, su división CAS se asocia con innovadores internacionales para acelerar los avances mediante la preservación, la conexión y el análisis de los conocimientos científicos del mundo. Las sedes principales de la ACS se encuentran en Washington, D.C., y Columbus, Ohio.
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Nota para los periodistas: Notifique que esta investigación se presentó en una reunión de la American Chemical Society. La ACS no realiza investigaciones, sino que publica y difunde estudios científicos revisados por expertos.
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Title
Developing a cave science spectral database for fluorescence inventory
Abstract
A resource inventory in cave studies is a systematic approach to cataloging and analyzing the natural features found within a cave. This process involves identifying and documenting speleothems (like stalactites, stalagmites, and flowstones) to understand their composition, formation, and historical development. By examining these features, researchers can gain insights into the cave’s geological history and compare it with other caves.
A method we have developed in a resource inventory is the fluorescence inventory, which involves analyzing the unique fluorescence fingerprints of speleothems. When exposed to UV light, these features exhibit distinct fluorescent patterns that reveal hidden details, such as flowstone bands obscured by dust. The UV light reveals more features of the cave that were previously hidden due to surface dust covering them. The light is able to look behind the surface and illuminate features obscure to the eye in white light. The additional hidden features that are able to be added to the cave inventory provide more pieces to the puzzle of the cave and its formation. Using UV light with a filter and a spectrometer, fluorescent patterns are captured and photographed to determine the composition and to compare spectra within the cave and across different caves.
To document and analyze the data effectively, a survey and mapping system has been developed. If a cave map is available, fluorescent features are noted relative to existing survey markers. If not, a survey and sketch of the cave passage are made. Data from the spectrometer, the three spectra per location, are graphed and averaged to reduce random errors and provide a clearer "fingerprint" of the speleothems. This information is compiled into a spreadsheet with details on cave locations, survey markers, fluorescence data, and additional notes, facilitating a thorough analysis of the cave's resources.
The mapping system also allows for an efficient overlay of fluorescent findings onto existing cave maps. If a map already exists, the fluorescent data can be easily integrated, marking new features that were previously undetected by traditional methods. In caves where no maps exist, a survey is taken, and the fluorescent data can then be layered onto these maps. This dual capability enhances the overall resource inventory by not only documenting visible features but also illuminating hidden ones, creating a more comprehensive and multi-layered understanding of the cave environment.
Title
Spectroscopic analysis of caves: The influence of organic overburden on karst speleothems
Abstract
In order to understand the pathways by which life could be sustained within the Solar System, extreme environments on Earth must first be examined. Within the Solar System, the icy moons of Europa and Enceladus harbor organics within interstitial lakes which may be able to sustain life. Titan’s liquid methane cycle may create caves that are karstic in nature, carved in the organically rich dunes of the surface. To determine the availability of resources on other planets, terrestrial comparisons must be available to characterize components trapped within foreign materials.
Terrestrial caves present an opportunity to examine the flow of organics in an environment that is mostly isolated from external realms yet remains within human reach. As water passes through the overburdened material, decomposed plant materials and other organics are drawn into the water. Organically laced water can further create calcite features, such as flowstone, that store a record of organics from the surface. When exposed to ultraviolet light, the organically laced water and speleothems fluoresce. Utilizing noninvasive in-situ techniques, a portable spectrometer can be used to examine the unique color fingerprint of flowstone when exposed to ultraviolet light. Cave water has been collected and further examined to understand the fluorescence within the water itself. By freezing cave water with liquid nitrogen, cryogenic ice features, similar to what may be on Europa or Enceladus can be created and studied, providing clues into the behaviors of organics on the icy moons of the Solar System. Liquid chromatography mass spectrometry can be used to determine molecules that contribute to speleothem’s fluorescence nature.
Surface conditions of karst environments can alter the fluorescence of water and flowstone underground. Wind Cave National Park harbors pristine ancient water sources that contain trace materials from the Madison Aquifer. Coldwater Cave in Iowa has frequently flowing water that forms large flowstone features along the passageway. In Minnesota, Mystery Cave is a flood cave located within a secondary growth forest biome which contains calcite features from calcium-rich water. The comparison of cave environments allows for the examination of fluorescent cave water from currently flowing, old, or ancient water sources. Using primarily three different national/state park caves to form a holistic perspective, potential variables that aid in the flow of organics can be evaluated.