探索冰島火山洞穴：用SEM揭示生命起源之謎

勀傑科技團隊譯

Thermo Fisher Scientific 強大且便於攜帶的掃描式電子顯微鏡，助力科學家團隊在此探險中取得突破性成果。

探險隊成員穿著冶金耐熱服，在剛形成的熔岩管內尋找新沉積的礦物和最初的生命跡象。
（Robbie Shone，《國家地理》）

SEM探險日誌-起源

分析儀器應用科學家Rogier Miltenburg 在Thermo Fisher Scientific 的任務─追逐熔岩中的生命起源

2023年9月，Miltenburg 參加了一次探險活動：前往新形成的熔岩洞。這些熔岩洞是冰島南部的法格拉達爾火山在休眠八個世紀後，於2021年3月開始噴出的熔岩所形成。在這些新鮮的熔岩管中，溫度可以使水沸騰，脆弱的牆壁如玻璃般鋒利，而這支由 23 人組成的探險隊正在尋找於此形成的第一個礦物和生命。

領導探險活動的義大利地質學家兼洞穴學家Francesco Sauro表示，本次由國家地理學會資助的首次探險，目的在揭示生命如何利用地下環境在地球各地擴展。美國太空總署天體生物學研究所前所長Penelope Boston也認為，這次對幫助開發新的研究和任務具有重大研究價值，因為這些情況也可能在太陽系的其他天體上發現。

SEM探險日誌-即時觀察真實生活的「任務」

身為一名分析儀器應用科學家，Miltenburg的任務是運輸、安裝和監控Thermo Scientific Phenom XL G2，這款方便攜帶的掃描式電子顯微鏡(SEM)對此次任務影響深遠。同時，SEM利用電子束而不是光來成像，可以顯示奈米級結構，遠超出傳統光學顯微鏡的解析度。這些能力使科學家能從洞穴牆壁上取樣在幾分鐘內，就可對高度不穩定的礦物質和微生物進行微觀樣品檢查。

除了提供熔岩管內內容物的高解析度、詳細影像外，SEM還使用電子色散光譜 (EDS)，分析樣品以確定其成分組成。

如果現場沒有掃描式電子顯微鏡(SEM)，樣品可能需要放入真空管中，再運送到另一個大城市的實驗室，才有落地式SEM可使用，這是一個很不方便的替代方案。因為從法格拉達爾火山的熔岩管中採集的大多數樣品都非常不穩定，當暴露在溫度和濕度變化時，它們會立即發生變化和降解。有些碎了、有些溶解在鹽水中，有些從試管中取出後會結晶。

Sauro說明「現場使用 SEM 使我們能夠觀察亞穩態礦物的原始晶體形態以及它們在SEM真空腔體中所發生的變化。此外，還使我們能夠識別哪些樣品具有微生物菌落。」

SEM探險日誌-組建團隊並製定計劃

拉文塔協會是一個專注於極端環境下地理探索的組織，Miltenburg也是此多元化專家團隊中的一員。這些科學家來自七所不同的大學和研究機構，其中包括火山學家、礦物學家、微生物學家和地質學家。Sauro為了促進跨學科和機構的合作，特別是與冰島科學家的合作，推動法格拉達爾山和其他地區的持續性研究。

Thermo Fisher Scientific 的 Rogier Miltenburg（中）向探險隊成員展示了該公司便攜式 SEM 的功能。
（Vittorio Crobu, La Venta）

火山通常位於幾乎無法到達的位置，而且地形往往很危險。然而，法格拉達爾山是高原上的一組山脊，距離雷克雅維克機場約 25 英里，交通便利。冰島氣象研究所 Veðurstofa Íslands 持續追蹤這個小島的 30 座活火山，由於法格拉達爾山的噴發是由低黏度的熔岩從裂縫中流出，而不是隨著岩石和火山灰直接爆炸而出，這使得對火山活動的監測變得較為容易。

第一批熔岩流於 2021 年 3 月中旬出現。

冰島南部的法格拉達爾山在休眠八個世紀後於 2021 年 3 月首次噴發，並且很快就成為一個旅遊景點，因為其地形比許多火山更易到達、熔岩流是噴湧的而非爆炸性的，同時，距離國家首都雷克雅未克僅 30 英里、國際機場 25 英里。

在為期六個月的火山噴發的第一周，成千上萬的遊客湧向該地點進行拍攝，這些照片和影片在網路廣泛流傳，這對於探險計劃非常有用。 Sauro也駐留在那，以提前觀察地形並尋找熔岩管的初始跡象。Sauro 解釋，剛形成時，熔岩管的溫度約為1,200°C。這些極端溫度創造了一個完全無菌的環境。只有當它冷卻到大約 100°C時，生命才開始形成，並透過風、雨和霧氣輸送進來。

SEM探險日誌-熔岩管的形成

當熔岩從地下流出並順坡而下時，地表冷卻並硬化成地殼，然後凝固成岩石。同時，內部的熔岩仍然處於熔融狀態，並繼續向下流動，留下地殼。這會創建一個稱為熔岩管的空洞穴。這些管道可以是單一通道或一系列洞穴。有時它們會一層一層地堆疊起來。

探險隊成員小心翼翼地穿過冷卻的熔岩流。
（Robbie Shone，《國家地理》）

熔岩管的尺寸範圍從150公尺寬到直徑超過20公尺。在冰島，管道通常高三到四公尺，寬兩到三公尺，雖然可以讓探險者不需要困難的在地上爬行而前，但這仍然是一項危險的工作，需要極大的細心和運動能力。

管壁有時會因殘留熱量而發光，一名團隊成員在一側壁上記錄到 410 °C的溫度。它們也可能很薄，容易因觸碰、冷卻、噪音或來自地球深處的震動而倒塌。Sauro和團隊使用他們在網路上找到的資料，以及冰島大學北歐火山中心和冰島自然歷史研究所拍攝的照片，持續監控法格拉達爾山，繪製熔岩場地圖並精確定位管道入口。

噴發開始大約一年後，研究團隊發現幾個管道開口周圍溫度已降至 250-300 °C。雖然這溫度相當於一個商用披薩烤箱，但仍適合人類使用特殊設備進行探索，包括耐高溫的冶金學家套裝、防毒面具以及足夠涼爽的攜帶式壓縮空氣瓶。

SEM探險日誌-設置大本營

在火山的南側，Sauro觀察到具探索價值的熔岩管，由於有安裝熱像儀的無人機可以繪製合適行走的路線，這樣就可以創建熔岩流的三維模型，避免每個人走在過熱的熔岩流表面。

Miltenburg驚嘆:「你可以感覺到熱量從岩石上散發出來，並看到熱量的折射。這是一個怪異的環境，就像行走在另一個星球上一樣。」當他攀登過程中，與探險隊成員討論著一個錯誤的步伐可能會讓人跌穿乾涸的熔岩，並墜入深不見底的裂縫。也有人議論，在先前同一座火山的探險中，科學家們曾被火山監測機構警告火山即將噴發，並不得不迅速從熔岩管中退出。

南佛羅裡達大學的礦物學家、探險隊成員Bogdan Onac 正在討論使用 Thermo Scientific Phenom XL G2
從新鮮熔岩管中採集的樣品影像。（Robbie Shone《國家地理》）

Miltenburg在距離幾條熔岩管入口僅幾碼的地方建立了科學大本營：一個帶有燃氣發電機的橙色帳篷，以確保其持續通風、供暖並保持乾燥。他將掃描式電子顯微鏡(SEM) 安置在帳篷一端的桌上，留出空間讓十幾位科學家圍繞顯示器進行觀察。儘管Miltenburg對設備很關心、經驗豐富且充滿信心，但仍然保持謹慎，這是桌上型掃描式電子顯微鏡的性能首次在火山側面進行測試。

很快，探險隊成員帶著從熔岩管壁採集到的第一批樣品衝進帳篷，他們將準備好的載有樣品碎片的載玻片放在掃描電鏡下。「老實說，這是我見過最漂亮的樣品。」Miltenburg微笑著說「這確實是一幅令人驚嘆的貝殼形狀和尖針結構的圖像。」他回憶道，每個人都圍過來驚嘆不已，時間似乎凝固了幾秒鐘，然後科學思維開始發揮作用，帳篷裡充滿了科學家對所見內容的討論。

「十五個人站在顯微鏡周圍觀察影像並討論數據，這是非常酷的部分，尤其不同專業知識的協作和科學討論是在探險的期間進行。」現場安裝掃描式電子顯微鏡(SEM)也意味著工作人員只需要從熔岩管中取得更少的樣品就可以進行分析。

Thermo Fisher 便攜式 SEM 拍攝的圖像顯示了從熔岩管中採集的礦物樣本，放大倍率為 5,900 倍。
（Rogier Miltenburg，Thermo Fisher Scientific）

「你會看到五個不同專業領域的人，談論著他們認為自己看到的東西；而其他人則討論著不同領域的專業知識。」他分享：「還有一次，有人說他們正在尋找一些之前從未在（洞穴中）發現過的東西，興奮之情溢於言表。你可以看到、聽到並感受到這些人是多麼熱愛自己的工作以及即將要做的事情。」

SEM探險日誌-地質學上的一瞬間

小組首次進入熔岩管道的探險僅持續了幾分鐘，他們停留在距入口約30公尺的範圍內活動，Sauro表示這段時間足以讓他們採集一些樣品、觀察環境，並測量溫度，然後迅速撤退。

「當你開始感覺到身體透過冶金服傳來熱量……這非常可怕，你必須決定什麼時候該出去。許多人被燒傷，甚至連防護衣內的衣服都被融化了，甚至有些人眼睛出現問題。某次我沒帶耳部防護進去，最後不得不摀著耳朵跑出去。」Sauro回憶著說。

當溫度降至 100 °C以下時，團隊看到了他們認為最重要的礦物構造。在這樣的溫度下，濕度會增加，並與牆上的硫氣體和金屬反應，「產生非常奇怪的礦物質。」Sauro說。當研究小組檢查這些熔岩管道時，他們使用生物發光計來尋找發光區域，在溫度降至 67°C以下（水停止快速蒸發的三相點），科學家發現了他們所期待的微生物生命跡象。

Thermo Fisher 的便攜式 SEM 可對從熔岩管中採集的細菌樣本進行高度放大的圖像。
（Rogier Miltenburg，Thermo Fisher Scientific）

透過Thermo Fisher Scientific的掃描式電子顯微鏡(SEM)放大功能，研究小組可以看到球狀細菌簇，嵌入膠狀基質或生物膜。在沒有陽光的管道環境，細菌會利用水中的礦物質和化學反應（例如氧化硫、鐵和銅）來產生能量並增殖。細菌生長產生的碳會吸引其他細菌。Sauro進一步說，在那裡分析的細菌最常見於土壤和含鹽環境。

Sauro在給《國家地理》的最終報告中寫道：「這些細菌代表了極端環境中的第一批殖民者，當溫度允許時（火山爆發結束後僅18 個月），生命會迅速增殖，這對天體生物學具有重要意義。

美國太空總署科學家也相當認可這次探險團隊的重大發現。