Рожденный жизнью. Уран: от атома до месторождения
Рожденный жизнью. Уран: от атома до месторождения
Владимир Печенкин
Ресурсы Земли не вечны. Человечество уже поглядывает в космос в надежде пополнить минеральную базу. Но что нас ждет за пределами родной планеты?Синтезируя огромное количество научных сведений на стыке геологии и биологии доказывается, что руды урана, золота, железа – побочный продукт биосферы. Так есть ли месторождения на планетах, где нет Жизни?Захватывающая книга Владимира Печенкина заинтересует не только любознательного читателя, но и послужит предметом дискуссии среди геологов и биологов.
Рожденный жизнью
Уран: от атома до месторождения
Владимир Печенкин
Иллюстрации, использованные в книге, взяты из опубликованных в открытой печати научных трудов. Ссылки на источник заимствования указаны под соответствующей иллюстрацией.
© Владимир Печенкин, 2024
ISBN 978-5-0062-3375-1
Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero
Предисловие
Геохимия и биохимия до последнего времени развивались как независимые науки, первая из которых изучала природные реакции в минеральной среде, а вторая – реакции в среде живого вещества. Однако жизнь зародилась и развивалась в минеральной среде, и между ними неизбежно должно было возникнуть некоторое взаимодействие. Отделившаяся от геологии еще в XIX веке палеонтология выявила сложную эволюцию жизни в истории Земли. Однако эта эволюция рассматривалась как результат развития форм жизни, с приспособлением к меняющимся условиям среды. Обратное воздействие жизни на геологическую среду не привлекало особого внимания, хотя признавалось биогенное происхождение таких формаций, как каустобиолиты, известняки, диатомиты и пр. О возможной роли организмов в формировании месторождений металлов, кроме, пожалуй, железа, большинство геологов не задумывалось. Такие объекты априори связывались с магматизмом, вулканизмом, гидротермами, т. е. с процессами, протекающими в глубинах недр Земли и остающимися пока недоступными для непосредственного изучения. При этом молчаливо полагалось, что сами эти глубинные процессы протекали в общем единообразно в течение всей геологической истории.
В 80-е гг. прошлого столетия советскими учеными В. И. Казанским, Н. П. Лаверовым и А. И. Тугариновым была опубликована работа «Эволюция уранового рудообразования», в которой впервые демонстрировалось, что типы месторождений этого металла закономерно сменяют друг друга в геологической истории Земли. Такую эволюцию оказалось возможным проследить благодаря развитию метода радиохронологического датирования времени образования урановых минералов. Однако связи эволюции месторождений урана с эволюцией жизни на Земле эти авторы тогда не усматривали.
В те же годы появилась еще одна работа, название которой созвучно рецензируемой книге: «Уран и жизнь» Неручева. В этом труде автор впервые задался вопросом о влиянии радиоактивности урана на жизненные процессы. Однако, по его мнению, это влияние было в основном негативным и сводилось к массовым заморам ископаемой фауны в бассейнах, в воды которых при вулканических извержениях мог поступать ядовитый уран. Высказывалась также мысль о том, что радиоактивность урана могла интенсифицировать мутацию и тем самым ускорять эволюцию. Однако возможность прижизненного накопления урана организмами до пределов, вызывающих их гибель, вызывала большие сомнения, т. к. процесс естественного отбора должен бы был приводить к возникновению форм, с пониженной способностью такого накопления. Развитие подобного «уранового барьера» у растений было установлено А. А. Ковалевским. Пример, на котором в основном базировались выводы Неручева (майкопские отложения ураноносного костного детрита), мог интерпретироваться и как посмертная сорбция урана фосфатным веществом костей, что и было впоследствии подтверждено дополнительными исследованиями.
Автором предлагаемой работы впервые предпринята попытка логически увязать эволюцию мира органической жизни с эволюцией неорганической системы Земли, при учете того, что такое влияние было взаимным. Геологические процессы, меняя лик Земли, меняли условия жизни и стимулировали создание новых ее форм, более приспособленных к новым условиям, но и сама жизнь существенно меняла геохимические обстановки приповерхностной геосферы, провоцируя миграцию и перераспределение некоторых элементов, включая уран, медь, золото, железо и др. При этом, если темпы геологических преобразований составляют десятки – сотни миллионов лет, то темпы эволюции жизни в благоприятных условиях могут занимать лишь тысячелетия. Таким образом, по воздействию на природу Земли, именно жизнь оказывается главным преобразующим фактором, к каковому выводу практически и приходит автор рецензируемой книги.
Автор создавал свой труд полностью в порядке личной инициативы, без какой-либо финансовой поддержки. Создавал без отрыва от своей основной работы, никак не связанной с темой книги. Единственным стимулом для него, очевидно, являлось собственное любопытство. И силе этого любопытства можно только позавидовать. Им проработано очень большое количество различных литературных источников, в том числе таких, какие по своему названию внимания большинства геологов-рудников просто бы не привлекли. Это позволило ему глубоко вникнуть в проблему зарождения и развития жизни на Земле, а собственный опыт геолога-разведчика помог оценить влияние биологических изменений на эволюцию уранового рудообразования.
Его труд представляет несомненный интерес для широкого круга специалистов в области наук о Земле, включая не только геологов, но и географов, экологов и даже социологов, напоминая последним, что в природе все диалектически взаимосвязано и, используя ресурсы Земли, человечество меняет эту природу. Последствия такого обратного воздействия мы только еще начинаем осознавать, как проблему глобального потепления.
Книга написана в стиле научно-популярных изданий, легко и с интересом читается. Она представляется вполне доступной и полезной для студентов и школьников старших классов, задумывающихся о выборе специальности.
Заслуженный геолог России,
М. В. Шумилин,
профессор, д-р геол.-минерал. наук
Лауреат гос. премии СССР
Ответ на урок по биологии полвека спустя
Законы природы – неизменны.
Но в борьбе за правду невозможного
Безумец —
Пресуществляет самого себя,
А приспособившийся замирает
На пройденной ступени.
Максимилиан Волошин
Приветствую тебя, читатель!
Обязан предупредить – может, это вовсе и не твоя книга? В ней ты не найдешь глубоко проработанных теорий уранового рудообразования: для этого существуют академические издания. Это не мемуары, не байки из полевой жизни геологов и не подведение жизненных итогов, скорее – очередная попытка разобраться, как устроен наш мир. Все, что здесь изложено, может оказаться правдой, но, уверен, далеко не все согласятся с этим. Некоторые мысли в книге могут показаться спорными, а для кого-то и вовсе неприемлемыми и крамольными. Могу только повторить мысль британского ученого, популяризатора науки: «Я не жду, что вы мне поверите, и лишь хочу сказать, что этот сценарий, наряду с некоторыми другими, согласуется со всеми нашими знаниями»[1 - Цит. по: Лэйн Н. Вопрос жизни. Энергия, эволюция и происхождение сложности. – М.: АСТ: CORPUS, 2018. – 480 с.].
Когда в школе мы проходили по биологии тему происхождения Жизни, отец задал мне вопрос: «Хорошо, Жизнь не может существовать без неживой материи, а может ли неорганический мир обойтись без Жизни?» В то время ответ казался мне однозначным: «Конечно может!»
Спустя много десятилетий, я неожиданно вспомнил старый разговор. Странная вещь – детские впечатления, они хранятся где-то в подсознании и неожиданно всплывают… книгой.
Надеюсь, она получилась такой, что тебе, читатель, придется задуматься, а может, и поспорить со мной. Буду этому только рад. Приглашаю вместе поразмышлять о взаимоотношениях живой и неживой материи и посмотреть, насколько они переплетены. Взяв за основу повествования историю химического элемента урана, проследим путь этого металла от отдельных атомов, появившихся в космосе, до месторождений, формирующихся на Земле сегодня.
Почему уран? Во-первых, это крайне подвижный элемент, который отзывчиво реагирует на изменение геохимической и биохимической обстановки. Во-вторых, благодаря радиоактивному распаду он служит «геологическими часами» и большинство заслуживающих доверия датировок (и в этой книге, в частности), опираются на урановый «хронометраж». В силу своих свойств этот химический элемент, пожалуй, один из лучших «инструментов» из таблицы Менделеева для познания истории Земли.
Ну и, помимо прочего, моя судьба сложилась так, что в поисках этого металла мне довелось поколесить по свету от песков Средней Азии и Ирана до каменистых пустынь китайской Гоби и от русских степей до африканской саванны. Так что уран мне знаком несколько больше, чем другие элементы.
В начале нашего исследования остановимся на том, как бактерии подготавливали планету, перерабатывая космическое вещество в земные минералы и породы. Разберемся, отчего уран задержался на старте и почему его первые месторождения появились спустя лишь два миллиарда лет после рождения Земли. Зададимся вопросом, могли ли микроорганизмы запустить атомные реакторы на планете, и как это отразилось на биосфере.
Поймем, отчего на одних этапах развития Земли появлялись одни типы месторождений, а на других – иные, совсем не похожие.
В заключение отправимся на Марс и посмотрим, имеет ли смысл там искать урановые (и не только) месторождения.
В ходе работы у меня забрезжил ответ на вопрос полувековой давности, правда, пока только на примере месторождений золота, урана, железа. Вся книга – единое доказательство, и, чтобы согласиться со мной или оспорить мои выводы, тебе, читатель, придется прочесть ее до конца.
Прав я или нет, не столь важно, ведь сказано, что «писатель только начинает книгу, ее завершает читатель»[2 - Слова приписываются американской писательнице Элизабет Йейтс. Who wrote «A writer only begins a book. A reader finishes it»? [Электронный ресурс] // Stack Exchange Network. (дата обращения: 12.03.2023).]. Так что ответное слово за тобой.
От радия к урану. Немного истории
В едином миге яростного взрыва
Вы источили вечности огня:
Вы поняли сплетенья косных масс,
Вы взвесили и расщепили атом,
Вы в недра зла заклинили себя.
И ныне вы заложены, как мина,
Заряженная в недрах вещества!
Максимилиан Волошин
В центре Европы на границе Богемии и Саксонии находится невысокий горный хребет – Рудные горы. С древних времен здесь добывали медь, олово, железо, свинец, но прославились Рудные горы благодаря серебру. На южных, богемских склонах, в начале XVI века, около одного из месторождений появился поселок, названный Таль, (от немецкого слова Tal – долина). Вскоре разросшийся городок в честь покровителя рудокопов святого Иоахима переименовали в Йоахимсталь. Здесь из местного серебра начали чеканить деньги – «йоахимсталеры». Благодаря высокому качеству монет они с готовностью принимались по всей Европе, в том числе и в Московии, где их называли «талеры Яхима», или попросту «ефимками». Европейцы предпочитали называть эти монеты просто «талеры», а со временем, уже за океаном, название трансформировалось в «доллары».
Но не все благополучно в то время обстояло в Европе. В середине XVII века несколько протестантских семей из-за религиозных преследований покинули родную Богемию и обосновались на немецкой стороне Рудных гор, основав новое поселение, которое назвали в честь своего курфюрста Йоханна-Георга II – Йоханнгеоргенштадт. Новый поселок, по сути, не отличался от множества рядом расположенных шахтерских городков: здесь так же первым делом была организована пивоварня и начал работать шинок, и только потом руки у горожан дошли до сооружения ратуши и церкви. Как и любой шахтерский городок того времени, его окружали наспех вырытые искателями счастья неглубокие норы; те из них, которые оказывались рудными, превращались в шахты. Ландшафт украшали протяженные сточные канавы, мутные от шлаков, и высокие, местами дымящиеся отвалы; повсюду разносился запах серы. В лучшие времена вокруг города работало 180 (!) рудников, где добывалось серебро. Среди серебряных руд время от времени встречался странный иссиня-черный минерал, напоминающий жирным блеском смолу. Его увесистые куски легко ломались на части, похожие по форме на почки или ракушки. Минерал был настолько тяжел, что не вызывало сомнений – он содержит большое количество ценного металла. Но сколько ни пытались горняки извлечь из рудной массы что-нибудь полезное, все без толку – ни плавильный тигель, ни ртуть, ни кислота не могли с ним справиться. В конце концов, рудокопы перестали обращать на него внимание и стали считать его пустой породой, выбрасывая в отвалы. За жирный смоляной блеск и пустые надежды, минерал получил название «смоляная обманка» – Pechblende, от немецких слов pech – смола и blende – обманывать, ослеплять.
К концу XVIII века основные шахты в окру?ге истощились, и Йоханнгеоргенштадт начал приходить в упадок. О фартовых временах напоминали только названия заброшенных серебряных приисков: «Благословенье», «Нежданное счастье», «Божья милость». Правда, время от времени сюда наведывались господа с утонченным вкусом, желающие приобрести необычные минералы для своих коллекций. Как-то проездом с курортного Карлсбада (до которого всего 25 километров) здесь побывал тайный советник Гёте из Веймара и приобрел красивый образец руды.
Вот и берлинский естествоиспытатель Мартин Генрих Клапрот отобрал в заброшенной шахте Йоханнгеоргенштадта для изучения образцы смоляной обманки. Чутье не подвело исследователя – в этом минерале ему удалось выделить новый химический элемент. Незадолго до его опытов астрономы расширили границы Солнечной системы: впервые со времен античности была открыта новая планета, получившая название по имени греческого бога неба Урана. Вспомнив традиции астрологов, когда каждой планете соответствовал свой металл, Клапрот предложил назвать новый элемент в честь недавно открытой планеты ураном, а минерал смоляная обманка получил название-аналог – урановая смолка.
Клапрот же нашел и применение урану – оказалось, его окислы способны окрашивать стекло в красивый ярко-желтый и зеленый цвета, кроме того, окрашенное стекло обладало флюоресценцией. В результате, часть урановой смолки, которая раньше шла в отбросы, стала приобретаться стеклодувами. Знаменитое богемское стекло окрасилось новыми красками, это помогло чешским мастерам добиться общеевропейского доминирования и практически вытеснить с рынка конкурентов-венецианцев, торгующих муранским стеклом.
Пятьдесят лет уран Клапрота числился металлом, и только в 1841 г. француз Эжен Пелиго доказал, что, несмотря на характерный металлический блеск, это не элемент, а его окисел – UO
. Пелиго удалось получить чистый уран – тяжелый металл серо-стального цвета.
Исследование нового металла продвигалось неторопливо. Через сто лет после открытия Клапрота было обнаружено, что соединения урана способны засвечивать фотоматериалы через светонепроницаемую черную бумагу, а таинственные, невидимые, исходящие от него лучи делают окружающий воздух электропроводным.
В самом начале ХХ века смоляная обманка преподнесла еще ряд сюрпризов: Мария Кюри столкнулась со странным обстоятельством: излучение урановой смолки во много раз превосходило излучение чистого урана. Объяснение могло быть только одно – обманка содержит еще какой-то неизвестный элемент. И он был открыт, да не один, а сразу три: полоний, актиний и радий. При этом радий, даже не чистый, а в составе выделенных твердых солей, излучал в миллионы раз сильнее, чем уран!
Вскоре выяснилось: таинственные радиоактивные лучи способны не только засвечивать фотопластинки. Примеси радия при взаимодействии с сульфидами цинка и меди дают состав, который светится в темноте зеленым светом. В моду вошли часы со светящимися стрелками, этой магической субстанцией покрывались стрелки компасов и военных приборов. Выпуском чудо-краски под названием «Undark» («Не темно») занялась американская корпорация «US Radium» («Американский Радий»).
Радий представлялся обывателю чудесным эликсиром, способным продлить молодость. Врачи рекомендовали его как лечебное средство едва ли не против всех болезней, от простуды до рака. У медиков появился интерес к урановым рудникам Йоханнгеоргенштадта и Йоахимсталя. По их наблюдениям, шахтеры там якобы никогда не страдают ревматизмом, подагрой и невралгиями! Эскулапы связывали это с выделяемым в урановых шахтах радиоактивным газом – радоном, которым дышат горняки. В это же время было установлено, что не только воздух, но и шахтные воды рудников радиоактивны.
Предприимчивый булочник Кун из Йоханнгеоргенштадта (история, как видим, сохранила его фамилию) наладил доставку радиоактивной воды из шахт себе домой и сделал на этом приличный гешефт. Чудо-воду он начал разливать в бутылки, а рядом с пекарней установил кабинки с ваннами, где предлагал ревматическим больным исцеляющие процедуры. Идею подхватили профессиональные доктора и создали модную водолечебницу в Йоахимстале (которая, кстати, действует до сих пор). И местные кулинары тоже не отставали: в пансионатах и отелях новомодных курортов к столу подавали свежий хлеб, выпечку и даже пиво на радиоактивной воде.
Радиотерапия пошла в массы. В аптеках появились кожаные мешочки, с расфасованной смоляной обманкой, где содержание окиси урана достигало 43%. Если носить такой мешочек на теле, препарат своим излучением якобы излечивал ревматические заболевания. Австрийская фабрика радия «Нойленгбах» наладила продажу радиоактивных грязей в пятикилограммовых мешках для домашних ванн с обещанием: «При длительном применении – поразительно стойкий эффект».
Французская косметическая фирма «Tho-Radia» («Торий и Радий») начала выпуск «лучистого» туалетного мыла, губной помады и омолаживающих лосьонов, молочка для лица, кремов для кожи, пудры. Девушкам обещали, что их лица будут сиять от счастья, благодаря радию и торию.
И сильный пол не был забыт – компания из Денвера выбросила на рынок радиоактивные таблетки для борьбы с «мужской слабостью»: «Принимайте радий в таблетках перед едой 3 раза в день – и все будет o’key!»
Коммерция резко подняла цену на этот металл. Максимального значения она достигла в 1906 году и составила 175 тысяч долларов за грамм! За один грамм. Тогдашних долларов. Насколько это много? Нагляднее определить цену радия не через ассигнации, а через другой металл. В 1906 году тройская унция золота (31,103 грамма) стоила 20,67 доллара. То есть 1 грамм золота стоил 66 центов с хвостиком. Получается, 1 грамм радия стоил столько же, сколько примерно 265 килограммов золота! Радий стал самым дорогим веществом на планете – началась радиевая лихорадка.
Радий относится к рассеянным элементам и не образует собственных минералов – он в виде изоморфных примесей входит в состав урановых соединений, а потому в одночасье возрос интерес к урановым рудам.
Первый радиевый завод был построен под Парижем в 1904 году, урановая руда для которого поступала в основном из месторождений Рудных гор. Но вскоре австрийское правительство наложило эмбарго на вывоз руды из Йоахимсталя (который к тому времени оказался в составе Австро-Венгрии) и построило собственный завод по извлечению радия.
Его огромная цена стимулировала поиск урановых руд и добычу на всех континентах. В переработку были вовлечены ванадиевые урансодержащие руды месторождений плато Колорадо (США). До поры из этой руды добывался только ванадий, а уран выбрасывался как ненужный балласт. Открытие радия все изменило – отныне уран стал главным компонентом руды. Предприимчивые американцы живо наладили добычу радия и к 1913 году уже обеспечивали почти половину мировой поставки этого металла, а к началу 20-х годов – все 80%, но вскоре американские бизнесмены прогорели. В 1914 году в Африке (Бельгийское Конго, провинция Катанга) было открыто месторождение урана Шинколобве с богатейшими рудами, содержавшими до 50—60% оксида урана. Если для получения 1 грамма радия в США надо было переработать 300—400 тонн руды с низким содержанием урана, то африканской руды требовалось менее 10 тонн. Рентабельность добычи уран-ванадиевых руд плато Колорадо окончательно была добита открытием богатых месторождений ванадия в Перу.
Бельгия, построившая свой завод, благодаря африканским рудам, быстро стала монополистом на рынке радия, давая 95% всей мировой продукции, но в 30-х годах их потеснили канадцы, открыв месторождение богатых руд Порт-Радий. Металл, производимый в Канаде, оказался даже дешевле бельгийского. В 1939 году канадцы и бельгийцы поделили мировой рынок, заключив соглашение об объеме производства.
Проводились работы по поиску урановых руд и в нашей стране.
В самом начале ХХ века в Русском Туркестане было открыто Тюя-Муюнское уранованадиевое месторождение, которое с 1907 по 1913 годы эксплуатировалось частным «Ферганским акционерным обществом для добычи редких металлов». Руда вывозилась на переработку в Петербург. С началом Первой мировой добыча и переработка прекратились, а 655 тонн руды «зависло» на складах «Ферганского акционерного общества».
В марте 1918 года руда была объявлена государственным достоянием и в связи с угрозой вторжения немецких войск в Петроград вывезена на Урал, несмотря на то, что германская сторона настойчиво предлагала передать ей «в счет платежей по Брестскому договору радиоактивные остатки и месторождения радиевых руд»[3 - ЦГАНХ СССР, Ф 3106, д. 101. Цит. по: Зенченко В. П. Мифы и факты об уране. Краснокаменск-Иркутск: Сосновгеология, 2002. – 397 с.]. Неподалеку от Перми был организован Пробный радиевый завод, который в суматохе гражданской войны попал в руки Колчака со всем радием. Но, в отличие от золотого запаса, радий «Верховного правителя России» не заинтересовал.
С 1927 года началась добыча радиоактивных элементов и на другом среднеазиатском месторождении – Табошар.
Руды наших месторождений были крайне бедные – с содержанием U
O
около 0,5%, соответственно и перелопатить рудной массы для получения радия приходилось неизмеримо больше, чем из месторождений Африки или Канады.
Общее количество добытого радия увеличивалось быстрыми темпами. Если к 1916 году во всем мире было получено 48 граммов радия, то через 10 лет его уже было 340 г. Затоваривание рынка привело к быстрому снижению цены. И радиевая лихорадка сошла на нет.
К 1940 г. мировой фонд радия составил 1000 г. В настоящее время радия накоплено около 3 кг, и его запасы практически не расходуются. Сейчас добыча радия прекращена, более того, при переработке урановых руд радий считается вредным побочным продуктом, требующим безопасного захоронения.
В конце тридцатых годов набирающая мощь Германия стала выдвигать территориальные требования к европейским соседям. 7 марта 1936 г., не встретив сопротивления, немцы вошли в Рейнскую демилитаризованную зону. 12 марта 1938 г. произошел аншлюс Австрии. 30 сентября 1938 года «партнеры» в лице Англии, Франции, Италии и Германии подписали Мюнхенское соглашение, согласно которому к Германии отходила Судетская область Чехословакии. На следующий день после того, как англичане и французы предали чехов, Гитлер соблаговолил подписать декларацию о взаимном ненападении между Германией и Великобританией, а несколько позже – с Францией.
Обычно историки обращают внимание на тот факт, что с приобретением Судет увеличилось население Германии, возросла ее экономическая мощь и так далее. Но немцы приобрели нечто бо?льшее, чем население и военные заводы: на северных (немецких) склонах Рудных гор было известно только одно небольшое месторождение, где в мизерных количествах добывался уран – Йоханнгеоргенштадт. Основная добыча (к 1938 году – до 20 тонн урановой руды) осуществлялась на чешских склонах – из месторождений Йоахимсталя, который к тому времени был переименован на чешский лад в Яхимов. Получив Судеты, немцы стали монополистами европейского урана.
А спустя три месяца в открытой печати появилось сообщение немецких физиков об открытии явления ядерного деления: атом урана способен делиться с выделением огромного количества энергии. В одночасье этот металл превратился в стратегический, из которого (пока, правда, в перспективе) можно изготавливать заряды чудовищной разрушительной силы. Это было случайное совпадение, или нацисты «попридержали» публикацию и загодя приобрели урановорудную базу? В удачные совпадения в политике верится с трудом, так что вопрос открыт.
Между тем гонка за обладание ядерным оружием началась. Считается, что первыми к финишу пришли американцы, сконструировав атомную бомбу и испытав ее на мирных жителях Хиросимы и Нагасаки.
Конечно же, именно американские ученые создали это чудо-оружие, это всем известно от… американцев. Однако в последние годы стали появляться публикации, основанные на рассекреченных документах сороковых годов, доказывающие, что первыми сделали (и, возможно, даже испытали) атомное оружие все-таки немцы. Более того, достаточно убедительно показывается, что американцы сбросили на Японию трофейные атомные бомбы, сделанные немецкими инженерами, и совсем не в рамках Манхэттенского проекта. Интересующихся отсылаем к соответствующей литературе[4 - Например: Фаррелл Дж. Черное солнце Третьего рейха. Битва за «оружие возмездия». – М.: Эксмо, 2008; Кук Н. Охота за точкой «zero». – М.: Яуза; Эксмо, 2005; Robert K. Wilcox. Japan’s Secret War: Japan’s Race against Time to Build its Own Atomic Bomb. William Morrow amp; Company, 1985 и многочисленные публикации в интернете.]. Так это или нет, вопрос, конечно, интересный, но он уводит в сторону от урановой темы. Нас интересует не собственно бомба, а уран для ее изготовления.
Но прежде, еще один пассаж.
После опубликования в открытой печати сообщения немецких ученых Отто Гана и Фрица Штрассмана о делении уранового ядра, материалы, связанные с ураном, стали подвергаться цензуре и засекречиваться по всему миру. Наша неторопливая бюрократическая машина наложила гриф секретности на все исследования, связанные с ураном, только весной 1941 года. Потом была война. А после победы в своем хозяйстве решил навести порядок заместитель наркома боеприпасов В. А. Махнёв, который распорядился прислать ему из Бюро изобретений НКО СССР все заявки на изобретения и отзывы на них, так или иначе связанные с атомной тематикой. Среди них оказалась и заявка на изобретение В. А. Маслова и В. С. Шпинеля «Об использовании урана в качестве взрывчатого и отравляющего вещества», датированная 17 октября 1940 года[5 - Заявка на изобретение В. А. Маслова и В. С. Шпинеля «Об использовании урана в качестве взрывчатого и отравляющего вещества» // Атомный проект СССР: документы и материалы. Т. 1. 1938—1945. Ч. 1. М.: Наука; Физматлит, 1998. С. 193—196.]. Документ настолько точно описывает схему ядерного заряда, испытанного американцами в Японии в 1945 году, сам ядерный взрыв и его последствия, что это невольно вызывает удивление и одновременно возникает крамольный вопрос: кто у кого украл секрет создания атомной бомбы? Несомненно, Курчатов пользовался материалами разведки, но не дремала также разведка немцев и наших союзников. Так что кому принадлежит приоритет в конструировании ядерного заряда – вопрос еще тот. Но самое забавное в этой ситуации – на заявку шлепнули печать «Секретно» от 15 декабря 1945 года и опять положили под сукно, и это в разгар работ И. В. Курчатова! Отлично сработали наши чиновники и в 1940, и в 1945 году!
Но вернемся к урану. Были ли немцы обеспечены сырьем для создания атомной бомбы? Однозначно, да. Присоединив Судетскую область, они завладели практически всеми действующими урановыми рудниками Европы. Справедливости ради надо отметить, эти месторождения были разработаны довольно слабо, наиболее освоенным было Яхимовское, но и там для получения промышленных количеств руды нужны были значительные капитальные вложения для увеличения добычи.
Но проводить масштабные работы по добыче урана из европейских месторождений немцам даже не пришлось. Весной 1940 года, начав военную кампанию на Западном фронте, войска вермахта захватили Бельгию. В ходе молниеносного удара немцы завладели 1200 тоннами богатой урановой руды, доставленной из Африки на склады радиевого завода в Оолене, недалеко от Антверпена всего пару месяцев назад. В то время это была половина всего добытого урана в мире! Так что сырья для экспериментов и изготовления атомной бомбы у немецких физиков было в избытке. Об этом говорит и такой факт. В 1943 году, когда Германия начала испытывать острый дефицит вольфрама, использовавшегося в качестве сердечника в бронебойных снарядах, вольфрам стали заменять… ураном. Так что боеприпасы с сердечником из урана – изобретение еще 40-х годов, сделанное немцами не от хорошей жизни[6 - США применили боеприпасы с ураном пятьдесят лет спустя во время войны против Ирака (1991 г.) и Югославии (1999 г.).].
После того, как Германия приобрела Судеты и буквально на следующий день прекратила поставки урана из Яхимовских рудников, европейцы заподозрили неладное, а уж когда появилось сообщение Отто Гана и Фрица Штрассмана о делении уранового ядра, стало ясно: немцы активно ведут исследования в области атомной энергии. Но с какой целью?
Наиболее продвинутыми в области изучения атомного ядра в тридцатые годы считались французские ученые. Франция имела отлично оснащенную лабораторию в Коллеж де Франс и государственную поддержку. Немцы на тот момент тоже числились в передовиках, но после того, как к власти пришли нацисты, многие физики-ядерщики из Германии, Италии и Венгрии эмигрировали в Англию и Америку, и самоуверенные европейцы посчитали, что без ученых не арийской крови нацистская Германия не способна на проведение крупномасштабных исследований.
Однако, когда немцы завладели ураном Чехии, затем – Бельгии, захватили Францию и начали боевые действия против англичан, у европейцев снобизма поубавилось, и весной 1940 года британское правительство приступило к финансированию собственного ядерного проекта в тесной кооперации с французами, и в июле того же года британские физики, усиленные пополнением из Франции, сформулировали генеральную идею бомбы.
Оставалось самое сложное: воплотить теорию в изделие, пригодное к применению. Справиться с этим было сложнее. Промышленность Британии не обладала необходимой мощью. Синтезировать идею англичане смогли, присвоив часть интеллектуального труда французов и ученых-эмигрантов других стран Европы. И с сырьем у англичан проблем не возникло – уран, который добывался в Канаде (доминионе Великобритании) для радиевых нужд, был переориентирован на атомный проект, получивший название «Тьюб эллойс» («Tube Alloys»). Но при сооружении производственных систем возникли сбои. Не хватало электроэнергии. Металлургия не располагала технологиями создания сверхпрочных сплавов для работы с химически агрессивными элементами атомного производства. Не существовало аппаратов сверхточной сварки и так далее.
Америка к тому времени вышла из экономического кризиса 30-х годов и обладала мощнейшей индустрией, способной справиться с выпуском изделий любой сложности. Кроме того, Белый дом был способен надавить на партнеров по коалиции, чтобы последние поделились достигнутыми результатами. Что и было изящно проделано Рузвельтом.
В июле 1942 г. для англичан назревала катастрофа в Северной Африке. Немцы подходили к Александрии – оставалось совсем немного, чтобы перекрыть Суэцкий канал и выйти на нефтяные месторождения Ближнего Востока. Черчиллю надо было спасать империю – ему позарез требовалась американская помощь для удара в тыл армии Роммеля со стороны Алжира и Марокко. Рузвельт обещал помочь союзнику, но в обмен предложил перевести работы по «Тьюб эллойс» на американскую землю. Ведь за океаном безопаснее, да и в техническом плане возможностей больше, и, кроме того, сырьевые ресурсы рядом – американцы успели вывезти остававшиеся на складах Конго 1250 тонн урана, да и месторождения Канады и штата Колорадо под боком.
Выхода у лидера трещавшей империи не было, и он вынужден был согласиться. Англичане, «обчистившие» французских коллег с присвоением всех патентов на открытия, сами оказались в положении ограбленных, и к 13 августа 1942 г. все работы по атомному проекту были переведены на территорию США. В этот день родилось и его кодовое наименование «Проект Манхэттен». Англичан и прочих «французов» сразу же отодвинули в сторону. По крайней мере, уже 2 декабря 1942 г. на запуск первого экспериментального реактора англичан не допустили. Спустя годы англичане пытались убедить мир, что именно они были мозгом «Манхэттенского проекта», а американцы выступали только в роли тупой мускульной силы. Тем не менее Англия получила атомное оружие лишь в 1952 году, а Франция – в 1960.
К исходу Второй мировой войны человечество открыло ящик Пандоры, освободив титаническую энергию урана. Согласно греческой мифологии, бог Уран – порождение Хаоса. Мы подошли к черте, когда накопленный на оружейных складах уран способен уничтожить жизнь на планете и опрокинуть ее в Хаос.
Космическая круговерть. Небо в алмазах
Мир распахнулся в центильоны раз.
Соотношенья дико изменились,
Разверзлись бездны звездных Галактей,
И только Богу не хватило места.
Максимилиан Волошин
Зададимся такими вопросами: как вообще появился уран на Земле? Откуда взялись минералы урана? Они всегда были на Земле? Но ведь когда-то и Земли не существовало! Значит, весь уран из космоса? А разве в космосе барражируют минералы урана? Про железные метеориты слышал каждый, а вот про урановые…
Давайте разбираться. И начнем издалека. Из такого далека, в котором ничего не было. Вообще ничего. Даже света. «И сказал Бог: да будет свет. И стал свет…» – и далее по тексту. Если посмотреть с позиций креационизма, все давным-давно описано и разъяснено в книге Бытия: Земля, и все, что на ней и в недрах, было создано в ходе акта Творения, причем ударными темпами.
Если же встать на путь эволюционизма, то процесс формирования нашего мира выглядит несколько дольше недели. Но, что примечательно, космология, как и Библия, утверждает: в Начале Начал произошло отделение Света от Тьмы: примерно 13,8 млрд лет назад случился Большой взрыв, когда Пространство, Энергия и Материя возникли из непостижимой Пустоты. Проверить опытным путем это невозможно, и выводы ученых, как и утверждения теологов, остается принимать на веру.
Собственно, Большой взрыв не привел к образованию минералов. Никакие кристаллические соединения не могли образоваться и тем более сохраниться в бешеном вихре, явившемся из Ниоткуда. По расчетам физиков, понадобилось около полумиллиарда лет, чтобы в остывающем котле Большого взрыва образовались первые атомы – атомы водорода и гелия.
Спустя еще каких-то 300 миллионов лет под действием гравитации возникли первые звезды, в недрах которых начались термоядерные реакции и образование более тяжелых элементов – вплоть до железа. Сегодня принято считать, что все элементы тяжелее железа, в том числе уран, возникли в результате взрывов сверхновых.
Но недавние изыскания специалистов в этой области предполагают более экзотические процессы. Ученые считают, что здесь замешаны так называемые примордиальные черные дыры – небольшие аналоги «обычных» черных дыр звездной массы, возникавшие в первые мгновения жизни Вселенной из особо плотных скоплений темной материи. Они обладали множеством необычных свойств, в том числе способностью проникать внутрь более крупных объектов, не разрывая их на части, как это делают обычные черные дыры[7 - Cotner E., Kusenko A., Primordial black holes from scalar field evolution in the early universe // Phys. Rev. 2017, V. 96. doi:10.1103/PhysRevD.96.103002.].
При столкновении с пульсаром примордиальная черная дыра буквально «выедает» его изнутри. В соответствии с законами физики, уменьшение радиуса приводит к резкому возрастанию скорости вращения пульсара, да так, что от него начинают отлетать «ошметки».
Материя нейтронной звезды, обладающая сверхвысокой плотностью и полностью состоящая из нейтронов, после подобного «катапультирования» становится нестабильной и превращается в «обычную» материю, при этом рождаются атомы тяжелых элементов.
Именно тогда в космосе появился и уран. Пока только элемент уран, а не его минералы. По оценкам ученых это случилось около 6,6 млрд лет назад. В это же время во Вселенной образовались и первые минералы, это были кристаллы чистого углерода – графит и алмаз. Да-да, небо расцветилось алмазами, правда, чрезвычайно мелкими – размерами с наночастицы. Постепенно к первым углеродистым образованиям начали добавляться и другие высокотемпературные твердые вещества, сложенные из соединений кальция, магния, азота и кислорода.
Перенесемся вперед во времени – примерно на 9 миллиардов лет от Большого взрыва.
На задворках Галактики, где-то на полпути от центра Млечного пути в это время существовало гигантское облако, состоящее из газа и ледяной пыли. Такие межзвездные облака существуют многие миллионы лет без видимых изменений, но иногда какое-нибудь событие может привести к нарушению равновесия, например, ударная волна от взрыва ближайшей звезды. Вероятно, похожий спусковой механизм 4,7 млрд лет назад послужил началом формирования Солнечной системы. Получив импульс начального сжатия и вращения и пополнившись новым веществом, «наше» облако начало сжиматься под действием собственного гравитационного поля. Сначала очень неторопливо вихревые потоки, состоящие из газа и пыли, стали втягиваться внутрь, образуя спираль, сходящуюся в центре формирующегося газового сгустка. По мере нарастающей гравитации облако крутилось все быстрее и быстрее, сжимаясь и ускоряя вращение, оно уплотнялось и расплющивалось в форме диска, в центре которого росло новое небесное тело – наше будущее Светило. Постепенно давление и температура внутри шара поднялись до точки ядерного синтеза, и… Солнце зажглось.
Подробности процессов, сформировавших Землю и другие тела Солнечной системы, частично сохранились в метеоритах. Самые распространенные из них – хондриты, возраст которых определен учеными в 4,65 млрд лет. Они образовались, когда ядерный реактор Солнца пришел в действие и колоссальный выброс энергии воспламенил окружающее пространство. Вспыхнувший огненный смерч сплавил частицы межзвездной пыли в крохотные вязкие капли – хондры (от др.-греч. ??????? – зерно, гранула). В результате пульсирующего излучения молодого Солнца хондры переплавлялись и цементировались (спекались) микроскопическими частичками космической пыли – образовывались хондриты. Это происходило в короткий промежуток времени между рождением Солнца и формированием планет.
Вращение газово-пылевого облака продолжалось несколько миллионов лет. В космической центрифуге хондриты сталкивались и спаивались в более крупные тела – планетезимали. Энергия, возникающая при их столкновении, не уступала ядерной, а запредельные температуры и давление приводили к переплавлению хондр и возникновению новых минералов. Наиболее тяжелые из них «стекали» к центру планетезималей, образуя плотное железо-никелевое ядро, которое обрамлялось вязкой оболочкой из минералов кремния.
Столкновение планетезималей не всегда приводило к их слиянию, иногда, соударяясь, они вновь рассыпались на мелкие «брызги», образуя другой тип метеоритов – ахондриты, в которых хондры уже были переплавлены с образованием новых минералов. Из железо-никелевых ядер, разрушенных планетезималей, образовывались железные метеориты, а из краевых «корок» – «каменные».
По оценке американского ученого Роберта Хейзена, минеральная история Вселенной началась с образования всего двух минералов – графита и алмаза, через несколько миллионов лет в звездной пыли присутствовало уже около десятка новых минеральных образований. В хондритах их количество достигает шести десятков, а в ахондритах – порядка 250[8 - Hazen R. M., Papineau D., Bleeker W., et al. Mineral evolution // American Mineralogist/ 2008, V. 93. P. 1693—1720.].
А что уран? Химические анализы показывают, что в метеоритах он уже содержится. В углеродистых хондритах его содержание достигает 0,0074 ppm (в процентах это составляет – 0,00000074%), в ахондритах – немного больше – 0,07—0,15 ppm (или 0,000007—0,000015%). Но собственно минералы урана в метеоритах пока отсутствуют, в микроскопических количествах он прячется в межзерновом пространстве метеоритов или входит в состав других минералов.
Но не все планетезимали соударяясь вновь рассыпались метеоритами, некоторые достигли очень больших размеров и известны как астероиды, другие и вовсе превратились в планеты, как в малые, так и в полновесные, которые сегодня известны как Марс, Венера, Земля…
Итак, Земля сформировалась. И на ней появился уран. Все-таки из космоса (откуда ж ему еще взяться). Но минералов урана на планете все еще нет. Молодая Земля слеплена из мешанины хондритов, ахондритов, обломков мелких планетезималей, протопланет, и на ней царит первозданный хаос.
Одни исследователи, как, например, Р. Хейзен или В. Е. Хаин, считают, что Земля формировалась как раскаленный шар и первые земные минералы начали формироваться на поверхности остывающей планеты на границе с холодным космосом. Другие, как О. Ю. Шмидт или Дж. Койпер, полагают, что Земля никогда не была полностью расплавленным космическим телом. Изначально она была холодной, и падающие планетезимали только обжигали Землю, но при отсутствии атмосферы место удара быстро остывало.
Новорожденная Земля, «роды» которой продолжались порядка 10 миллионов лет, имела достаточно однородный состав – не существовало еще ни земного ядра, ни коры, ни атмосферы, ни гидросферы. Первичное вещество планеты по усредненному составу представляло резко выраженную ультраосновную породу. Планета представляла собой суровую холодную пустыню с черным небом, яркими немигающими звездами, желтым слабо греющим Солнцем, светимость которого была на 25—30% ниже современной, и непомерно большим диском Луны. Рельеф напоминал испещренную кратерами поверхность Луны, недра были сложены темно-серым первичным веществом. Других пород на Земле пока не существовало.
Изначально холодной была наша юная планета или представляла раскаленный шар, можно было бы с уверенностью сказать, имея в руках неопровержимые доказательства в виде сохранившегося каменного материала первичного вещества. Сегодня можно делать самые различные предположения о том, чем была изначально сложена поверхность Земли, но пикантность ситуации в том, что первоначальные породы, покрывавшие тогда планету, не сохранились, они… утонули. В этом сходятся апологеты как «холодной», так и «горячей» теории происхождения Земли. Правда, они предлагают различные варианты течения событий, но сходятся в одном: в ходе развития планеты первичное вещество оказалось тяжелее и опустилось в раскаленную магму, где переплавилось с образованием новых минералов и горных пород.
Несмотря на колоссальные усилия геологов всего мира найти самые древние породы Земли, достоверно определенный возраст наиболее древних образований не превышает 3,75—3,8 млрд лет, в то время как возраст планеты определяется в 4,6 млрд лет. То есть никаких материальных свидетельств о составе земли за первые 800 миллионов лет не сохранилось? Почти не сохранилось!
В начале века появились сообщения австралийских геологов о находках обломочных зерен минерала циркона, с возрастом… 4,2—4,3 и даже 4,4 млрд лет. О них стоит рассказать подробнее. Тем более что уран имеет к ним прямое отношение.
Уран очень долго не мог обзавестись собственными минералами – более полутора миллиардов лет он находил себе убежища на поверхностях и в микротрещинах пород, входил в состав расплавов, растворов, в общем, крутился как мог. Значительное количество атомов урана приютилось в кристаллических решетках чужих минералов, где они и расположились с комфортом, словно кукушата в неродном гнезде.
Процесс этот в минеральном царстве не так уж и редок и называется изоморфизмом – когда атомы одного химического элемента замещают в кристаллической решетке атомы другого, сходного по размерам. Чаще всего «для проживания» атомы урана выбирали именно минерал циркон (Рис. 1). Надо сказать, что и выбор минералов первые полтора миллиарда лет был не слишком богат. Циркон оказался очень гостеприимным: его кристаллы помимо урана часто вмещают атомы гафния, редких земель, ниобия, тантала, тория; содержания урана в цирконе достигают 1,5%, а иногда и больше!
Рис. 1. Зерно циркона под микроскопом. Увеличение 320 раз.
По [Таусон, 1961[9 - Таусон Л. В. Геохимия редких элементов в гранитоидах. – М.: Изд-во Акад. Наук СССР, 1961. – 231 с.]]. а – микрофотография зерна; б – микрорадиография того же зерна. Темные полоски – треки от распадающихся радиоактивных элементов
Химический элемент цирконий обзавелся собственным кристаллическим «домом» одним из первых на Земле, при этом получившийся минерал циркон оказался на редкость прочным. Хотя он и уступает по твердости алмазу, но в отличие от последнего стойко переносит ударные нагрузки.
Изучая архейские конгломераты и песчаники возрастом 3,5 млрд лет, австралийские ученые выделили из них небольшие кристаллики цирконов, возраст которых оказался равным почти 4,4 млрд лет[10 - Wilde S., Valley J. W., Peck W. H., Graham C. M. Evidence from detrital zircons for the existence of continental crust and oceans on the Earth 4.4 Gyr ago // Nature. 2001, V. 409 (6817). P. 175—178.]. Как такое может быть – породы одного возраста, а минералы в ней намного старше? Объяснение простое: цирконы были вымыты из более древних, первозданных пород.
В неблагоприятных химических условиях кристаллы циркона начинают растворяться, но только лишь обстановка наладится, они снова приступают к самосборке, словно птица Феникс. Процесс этот исследован еще недостаточно. Как отмечает Т. В. Каулина (доктор геолого-минералогических наук, сотрудник Кольского научного центра РАН): «Практически нет работ, посвященных выявлению общих закономерностей образования и преобразования циркона в природе». Кроме того, нам почти ничего не известно о том, какова была химическая среда на протопланетной поверхности[11 - Каулина Т. В. Образование и преобразование циркона в полиметаморфических комплексах. – Апатиты: Кольский научн. центр РАН, 2010. – 144 с.]. Среди архидревних кристаллов циркона попадаются экземпляры с «луковичным» строением, сердцевина которых окружена рядом более молодых слоев. При этом прослеживается закономерность – чем ближе к центру минерала, тем богаче концентрация урана: кристаллы циркона частично растворялись, выпуская в «свободный полет» своих урановых и прочих «кукушат», входящих в кристаллическую решетку, а затем обрастали новыми, уже «очищенными» слоями (Рис. 2).
На разрушение цирконового «убежища» влияли не только внешние факторы среды, но и некоторые «квартиранты». Радиоактивные частицы, образующиеся в ходе распада урана, разрушали структуру циркона изнутри, в результате чего он становился метамиктным[12 - Метамиктизация – переход кристаллических минералов в аморфное состояние в результате радиоактивного превращения элементов, входящих в их состав. Метамиктизация происходит в результате нарушения связей в кристаллической решетке под воздействием радиоактивного излучения. Но при нагревании метамиктичные минералы способны вернуться к первичному состоянию.]. Конечным продуктом радиоактивного превращения урана является радиогенный свинец, размер атомов которого больше, чем у элементов, входящих в минерал циркон. Атомы свинца втискиваются в кристаллическую решетку циркона, словно медведь в теремок, и кристалл как бы «распирает». Его правильная форма нарушается. Такой циркон называют уже иначе – циртолитом[13 - От греческого «киртос» – кривой, выпуклый (имеется в виду искривленность граней кристаллов).].
Рис. 2. Фотография зонального циркона, полученная катодолюминисцентным методом. Для наглядности зоны окрашены. Возраст кристалла около 4,4 млрд лет. [Изображение с сайта livescience.com[14 - Confirmed: Oldest Fragment of Early Earth is 4.4 Billion Years Old [Электронный ресурс] // livescience.com. URL: https://www.livescience.com/43584-earth-oldest-rock-jack-hills-zircon.html (дата обращения: 28.07.2022).]].
Радиусы атомов, составляющих минерал циркон (ZrSiO
) следующие:
цирконий Zr – 160 пм, кремний Si – 132 пм, кислород О – 60 пм,
уран U – 138 пм, а свинец Pb – 175 пм.
Пикометр (пм) – единица измерения длины, равная одной триллионной (то есть 1/1.000.000.000.000) части метра. Пикометр меньше нанометра в тысячу раз.
Известно, что элемент уран состоит из двух основных изотопов:
U и
U, – причем
U распадается быстрее, а значит миллиарды лет назад его было больше. Поэтому процесс разрушения кристаллической решетки циркона протекал тогда быстрее[15 - В природе существует несколько изотопов урана, важнейшими являются уран-238 (
U) и уран-235 (
U). Первого на Земле примерно 99,3%, а второго – какие-то несчастные 0,7%. Они отличаются временем распада. Период полураспада урана-238 составляет 4,5 миллиарда лет, а урана-235 – 700 миллионов лет. То есть за 4,5 миллиарда лет количество урана-238 уменьшилось на земле в два раза, а уран-235 уменьшается вполовину каждые 700 миллионов лет. Простые арифметические подсчеты показывают, что за те же 4,5 миллиарда лет количество изотопа урана-235 сократилось почти в семьдесят раз. То есть в первых цирконах концентрация высокоактивного
U была в десятки раз выше.]. Но существовал в то время еще один, еще более короткоживущий радиоактивный изотоп – плутоний-244.
В журнале «Science» в октябре 2004 года была опубликована статья американских геологов[16 - Turner G., Harrison T. M., Holland G., et al. Extinct 244Pu in ancient zircons // Science. 2004, V. 306. P. 89—91.], в которой приводились доказательства былого наличия плутония-244 (
Pu) в исследованных цирконах. Этот ныне потухший изотоп имел период полураспада всего 82 миллиона лет и «вымер» в течение первых 600 миллионов лет после образования Земли. Но его присутствие еще более ускоряло процесс разрушения древних цирконов.
Освобождавшиеся из кристаллической решетки атомы урана «выпархивали» на свободу и при благоприятных обстоятельствах готовы были образовывать свои устойчивые минеральные соединения.
Кроме циркона уран в виде изоморфных включений входит в состав апатита, монацита, пирохлора, колумбита и других минералов, правда, не в таких количествах.
Да, у геологов нет образцов первичных пород Земли, и все же, в их руках есть реальные «образцы» урана того времени. Правда, микроскопические. Ну, уж что сохранилось…
Молодая земля.
Космическое вещество превращается в земное. Первая минералогическая революция
?
Из вихрей и противоборств возник
Мир осязаемых
И стойких равновесий.
И равновесье стало веществом.
Но этот мир разумный и жестокий
Был обречен природой на распад.
Максимилиан Волошин
?
Итак, Земля сформировалась. Что увидел бы геолог, попади он на новорожденную планету?
Во-первых, ему потребовался бы скафандр. Атмосферы на Земле не было – ни кислородной, ни бескислородной. Газы во время образования планет Солнечной системы унесло солнечным ветром далеко на периферию, где и образовались планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, состоящие в значительной мере из водорода, гелия, аммиака, метана и прочих летучих компонентов. Так что, если бы на юной Земле и образовалась какая-никакая атмосфера – ее бы тотчас сдуло. Гидросферы на планете тоже не было: ни рек, ни морей, ни облаков, ни подземных вод.
Во-вторых, ноги геолога проваливались бы в реголит, который покрывал поверхность планеты. Минералогический анализ отобранных проб показал бы, что вся планета состоит всего из 2—3 сотен минералов[17 - Сегодня на Земле насчитывается уже более 5 тысяч минералов.], среди которых преобладали самородное (метеоритное) железо и его сплавы с никелем (камасит и тэнит), а также железисто-магнезиальные силикаты, обобщенную формулу которых можно представить в виде R
[SiO
], где «R» это Mg, Fe
, Mn и Ca в разных пропорциях. Изредка можно было встретить оливин, пироксены, плагиоклаз, графит, циркон, хромит, магнетит, апатит и микроскопические кристаллы алмаза. А если бы была возможность пробурить скважину хоть до центра планеты – образцы пород и минералов с глубины оставались бы те же. Ведь Земля на первых порах представляла хаотическое скопление спрессованных гравитацией однородных обломков планетезималей и метеоритов.
Вулканов на поверхности планеты пока не было, зато в районе экватора вокруг Земли, словно кольцо вокруг современного Сатурна, еще вращался остаточный рой мелких планетезималей. Падая на Землю, они взрывались, перепахивая и размельчая реголит. Колоссальные температуры, возникающие при ударах, быстро гасились окружающим холодным космосом. Но и этот остаточный рой вскоре иссяк, и вблизи Земли осталось только одно космическое тело – Луна. Ее восходы и закаты представляли пугающе-завораживающую картину: низко нависающий лунный диск занимал добрую половину небосвода – его видимые размеры в 300—350 раз превышали сегодняшние. И если бы наш геолог действительно оказался в это время на планете, он погиб бы от ежесуточных перепадов давления, создаваемого притяжением нашего спутника.
Новорожденная Земля представляла равновесную систему. И все-таки этот мир, по словам Максимилиана Волошина, «был обречен природой на распад». И космическое вещество неотвратимо стало переплавляться в земное. Процесс происходил крайне медленно, да и «раскачалась» Земля не сразу, а произошло это благодаря процессу, который запустила… Луна.
Общеизвестно, наша спутница создает на Земле приливные волны, которые на побережье морей и океанов можно наблюдать воочию. Но Луна влияет и на земную твердь, правда, сегодня для глаза это не заметно, однако на самых ранних этапах развития Земли, когда лунный диск нависал над планетой на высоте всего 7000 км, высота приливов достигала 1,5 км! Причем, воздымалась сама Земля, океанов в то время еще не было. Впрочем, и сейчас вблизи подлунной точки твердая Земля поднимается на 46 сантиметров.
И вращалась планета в то время значительно быстрее – сутки составляли всего 6 часов: Солнцу хватало три часа, чтобы пересечь небосвод и через три часа вновь взойти с востока над безжизненным горизонтом. Наша спутница не могла с такой же скоростью оборачиваться вокруг планеты, поэтому приливной «горб», возникающий на поверхности Земли, постоянно опережал Луну, убегая вперед. Луна же своим притяжением изо всех сил пыталась тормозить убегающую каменную приливную волну, в результате вращение Земли постепенно замедлялось. Но Луна с такой силой тянула этот «горб» на себя, что сама «отклонялась» в обратную сторону – то есть радиус лунной орбиты постоянно возрастал. С точки зрения физики, Луна отдалялась от Земли согласно действию кинетической энергии вращающегося тела (Рис. 3). Сегодня Луна уходит от Земли со скоростью 4 см в год и находится на расстоянии 384,4 тысячи км.
Рис. 3. Схема приливного взаимодействия Земли с Луной:
F – приливная сила, тормозящая вращение Земли; f – приливная сила,
ускоряющая орбитальное обращение Луны; ? – угол запаздывания приливов. По [Сорохтин, Ушаков, 2002[18 - Сорохтин О. Г., Ушаков С. А. Развитие Земли. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 2002. – 560 с.]].
Сейчас трудно представить, как в то отдаленное время по поверхности планеты несся колоссальный каменный вал, делая сотни оборотов в год. Согласно расчетам, он передвигался со скоростью не менее тысячи километров в час! А энергия вызываемых им приливных землетрясений в 17 тысяч раз превосходила энергетический уровень современной сейсмичности Земли[19 - Там же.]. Максимальной амплитуды приливные горбы достигали на экваторе и постепенно уменьшались к полюсам.
Породы внутри циклопической «волны» полуторакилометровой высоты разогревались от трения, однако наработанное тепло почти все уходило в открытый космос, ведь Земля еще не была защищена атмосферой. Но в глубине планеты началось постепенное увеличение температуры, которое без видимых последствий накапливалось в течение 600 миллионов лет. Наконец, к началу архея (около 4 млрд лет назад) недра в районе экватора прогрелись настолько, что метеоритное железо, входящее в состав первичного космического вещества начало плавиться.
Удельная плотность железа составляет 7,85 г/см
, а у прочих силикатных минералов, принесенных из космоса, – 3,27—2,37 г/см
. Такая более чем двукратная разница привела к тому, что расплавленное железо под действием гравитации стало медленно просачиваться вниз, а избавившиеся от тяжести металла силикаты начали всплывать. Процесс преобразования космического вещества в земное стартовал.
Термодинамические расчеты показывают: гравитационное расслоение вещества сопровождалось выделением огромного количества тепла. Чем больше железа выплавлялось и опускалось под действием гравитации в сторону центра Земли, тем больше выделялось тепла, которое растапливало выше и ниже залегающие слои. Началось зарождение и расширение астеносферы – пластичного слоя Земли. Процесс шел крайне медленно – со скоростью около 2 мм в год. Тем не менее он приобрел необратимый характер: стремление тяжелых расплавов железа вниз вызывало встречное движение силикатов – был запущен процесс конвекции – своеобразный «мотор» Земли. Физическое обоснование возникновения диссипативных структур, разновидностью которого является процесс конвекции, дал Илья Пригожин[20 - Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой. – М.: Прогресс, 1986. – 432 с.].
Представим, что наше расплавленное железо медленно движется по колоссальной вертикальной скважине, основание которой находится в центре Земли, а устье выходит к поверхности. Стекающий металл постепенно смещает центр тяжести столба железа к основанию. При этом его потенциальная энергия (произведение массы тела на высоту подъема) неизбежно уменьшается. Но суммарная энергия Земли, если верить законам сохранения, остается неизменной. При этом потенциальная энергия, теряющаяся при стекании железа, преобразуется в кинетическую энергию молекул – то есть уходит в нагрев. Согласно расчетам, эта энергия составляет величину 4х10
кал. Этого с лихвой хватает, чтобы растопить недра изначально холодной планеты.
Примерно 3,8 млрд лет назад астеносферный слой в районе экватора расширился настолько, что его отдельные перегретые «протуберанцы» стали пробиваться к поверхности планеты, сокрушая первозданную холодную оболочку (Рис. 4). Земля начала активно «дышать»: вырывавшиеся из недр расплавы растекались лавовыми полями, выделяя огромное количество жидкости и газов. Началось формирование атмосферы и гидросферы. Планета покрылась одеялом перегретых облаков, которые состояли в основном из водяного пара (75%) и углекислого газа – СО
(15%), остаток приходился на соединения серы и другие вулканические газы, часть из которых оставалась в атмосфере, а часть растворялась в водах зарождающегося океана.
Рис. 4. Разрушение первичной коры Земли.
Черное поле – расплавы железа и его окислов; точки – формирующийся
астеносферный слой, обедненный железом; черточки – первичное земное
вещество; эллипсы со стрелками – конвекционные потоки; фонтаны – выбросы вулканов (H
O, CO
, CO, SO
, H
S, CH
и др.). По [Сорохтин, Ушаков, 2002[21 - Сорохтин, Ушаков, 2002. Указ. соч.]]
с дополнениями.
Появившиеся мелководные морские бассейны начали гасить приливную энергию, и со временем она перестала заметно влиять на разогрев планеты. Но Луна уже сделала свое дело, послужив спусковым механизмом конвективных потоков. С этого времени начинается собственно геологическое развитие планеты за счет внутренней энергии.
Справедливости ради, надо заметить, что в разогрев Земли вносил свою долю и радиоактивный распад урана, тория, калия, а в то давнее время еще и плутония и других трансурановых элементов, которые к сегодняшнему дню распались. Вот только гравитационная дифференциация весь свой жар выделяла в узком прослое астеносферы, а радиоактивный распад «пытался» прогреть всю землю разом. Но уж слишком распылены были отдельные атомы радиоактивных элементов – может ли согреть отдельная искорка? Современные месторождения урана или тория содержат концентрации радиоактивных элементов в сотни тысяч раз выше, но «температура» этих месторождений не отличается от окружающих пород. Хотя полностью игнорировать тепло радиоактивного распада не стоит – особенно на самых ранних периодах развития, когда еще не «самоликвидировались» трансурановые элементы.
Между тем процесс гравитационной дифференциации вещества набирал обороты, и на Земле начала складываться неустойчивая ситуация.
Плотность первородных космических отложений, покрывавших Землю, составляла около 4 г/см
, а образовавшийся астеносферный слой после избавления от железа был гораздо легче – 3,2—3,3 г/см
, причем мощность этого слоя неуклонно возрастала. Холодный и более тяжелый космический материал какое-то время еще держался на поверхности вязкого расплава, но ситуация не могла сохраняться вечно и закономерно разрешилась «утоплением» первичного вещества в астеносфере. Там оно со временем переплавилось и постепенно превратилось в земное.
Закончился догеологический этап развития Земли – катархей. Начался архей.
Не успело утонуть в недрах последнее первородное вещество, как планета начала одеваться новой корой. Конвективные потоки продолжали поставлять к поверхности пышущую магму, наполненную растворенными газами. Вырываясь из недр, адское варево выплескивалось прямо в космическую пустоту, где царил вечный холод и практически отсутствовало давление.
При резком перепаде давления магма буквально «вскипала», выпуская растворенные газы и пары воды, а шоковое понижение температуры быстро остужало раскаленную смесь, превращая ее в пористый базальт. Плотность этой породы невелика – всего 2,8—2,9 г/см
, поэтому возникавшие над конвективными ячейками базальтовые массивы в прямом смысле слова плавали по поверхности мантии, подобно мясной пенке в кипящем бульоне.
Состав этой «пенки» был уже не тот, что у первородного вещества. Базальт, рожденный в горниле астеносферы, состоит из минералов группы пироксенов и плагиоклазов. Пироксены недалеко ушли от классических железо-магнезиальных силикатов – в них только несколько увеличилось содержание кремния и кислорода – (Mg, Fe)
Si
O
. А вот плагиоклазы – другое дело, здесь место железа прочно занял алюминий, к которому присоединились в разных пропорциях натрий и кальций. Химическая формула плагиоклазов – NaAlSi
O
– CaAl
Si
O
, где натрий и кальций способны полностью замещать друг друга. В базальтах резко преобладают так называемые основные плагиоклазы, где главенствует кальций.
Плагиоклазы ознаменовали появление на земле новой обширной группы минералов – алюмосиликатов, где слились в триумвирате самые распространенные на Земле элементы: кислород, кремний и алюминий.
С появлением базальтов первая минералогическая революция свершилась – космическое вещество превратилось в земное.
Плагиоклазы – это условная сотня минералов, представленная непрерывным изоморфным рядом (твердым раствором) натриево-кальциевых алюмосиликатов от альбита (NaAlSi
O
) до анортита (CaAl
Si
O
). Состав плагиоклаза обозначают номером по процентному содержанию анортита. Например, плагиоклаз №84 представляет изоморфную смесь, содержащую 84% анортита и 16% альбита. При этом четыре промежуточные точки ряда получили собственные названия: олигоклаз (20% An), андезин (40% An), лабрадор (60% An) и битовнит (80% An), но по действующей номенклатуре Международной минералогической ассоциации (IMA), эти промежуточные члены твердого раствора не должны считаться минералами.
C увеличением анортитовой составляющей в плагиоклазах убывает содержание кремнезема, в связи с чем плагиоклазы от №0 до №30 называются кислыми, №30—50 – средними и №50—100 – основными.
В виде примесей плагиоклазы иногда содержат K
O (до нескольких процентов) и другие окислы.
Мощность астеносферы на первых порах была невелика, и конвективные ячейки, возникшие в ее толще, имели небольшие размеры, но их было достаточно много. С расширением астеносферы вширь и вглубь увеличивался объем циркулирующей мантии и возрастали размеры конвективных ячеек. Сталкиваясь, они спаивались друг с другом, образуя ядра будущих архейских щитов (Рис. 5а-б).
Поступающий из недр расплавленный базальт, постепенно расползаясь, обволок всю поверхность планеты сплошным хрупким, но пока маломощным панцирем. Но снизу поступали на-гора все новые порции вещества, которому уже некуда было растекаться, и базальтовые плиты начали громоздиться друг на друга. Под собственным весом нагромождения базальтовых пластин все глубже погружались в перегретую мантию, но за счет высокой пористости первозданные материки высоко вздымались над уровнем океана. По оценке отечественных геологов, уровень стояния континентов в течение всего архея и начала раннего протерозоя был исключительно высоким, их поверхность возвышалась над океанами на 4—6 км[22 - Сорохтин Н. О., Сорохтин О. Г. Высота стояния континентов и возможная природа раннепротерозойского оледенения // Докл. РАН. – 1997. – Т. 354, N 2. С. 234—237.].
Незаметно пролетело полтора миллиарда лет, и к концу архея сложилась ситуация, зеркально противоположная той, которая была в начале эона, когда остатки космического вещества погрузились в астеносферу. Теперь картина оказалась перевернутой: под тонкой земной корой образовалась мощная толща раскаленного вязкого слоя, обогащенная в нижней части тяжелым расплавленным железом, а в центре Земли все еще сохранялось холодное первичное космическое вещество. Теперь уже более легкая и жесткая сердцевина планеты оказалась заключена в глубине вязкой, но более тяжелой субстанции. Рано или поздно ситуация должна была стабилизироваться.
Если в начале архея расплавленная лента астеносферы окольцовывала Землю только в узком тропическом поясе, то со временем, разрастаясь к полюсам и на глубину, кольцевой слой жидкого железа практически полностью «обернул» первичное вещество, за исключением высоких широт, где холодная сердцевина планеты до поры оставалась жестко связанной с еще не разогретыми полярными областями. Прогрев полярных областей полностью замкнул первичное вещество в оболочке расплавленного железа и нарушил хрупкое равновесие. Холодная сердцевина Земли начала всплывать, словно поплавок, а на его место постепенно стекло тяжелое железо, образовав металлическое ядро (Рис. 5в-г).
Рис. 5. Последовательные этапы развития процесса зонной дифференциации земного вещества и формирования плотного ядра Земли. Черное – расплавы железа и его окислов; белое – мантия, обедненная железом и сидерофильными элементами; черточки – первичное земное вещество; радиальная штриховка – континентальные массивы. По [Сорохтин, Ушаков, 2002[23 - Сорохтин, Ушаков, 2002. Указ. соч.]].
Время всплытия остаточного холодного вещества оценивается в 400, а может быть, и все 500 миллионов лет (геология не терпит суеты). Такой чудовищный по масштабам «бульк» в центре планеты привел в конце архея к полной перестройке конвективных течений и образованию гигантской одноячеистой конвективной структуры с единым восходящим потоком над местом всплытия бывшей сердцевины Земли и нисходящим – над областью стока железа. Центростремительные потоки над нисходящей конвективной структурой стянули обособленные до этого континентальные массивы в первый в истории планеты суперконтинент Моногея (Рис. 5г). Процесс сопровождался колоссальным столкновением плит и крупнейшим в истории Земли кеноранским тектономагматическим диастрофизмом, которым завершился архейский этап развития Земли.
Наступил протерозой. До сегодняшнего дня остается 2,5 миллиарда лет.
Пока мы рассматривали процессы, которые происходили в недрах планеты. А какие события в это время разыгрывались на поверхности? А на поверхности появилась Жизнь.
Жизнь вносит коррективы.
Когда нечего есть, станешь и камни грызть
В начале был единый Океан,
Дымившийся на раскаленном ложе.
И в этом жарком лоне завязался
Неразрешимый узел жизни: плоть,
Пронзенная дыханьем и биеньем.
Планета стыла.
Жизни разгорались.
Максимилиан Волошин
Пока мы рассматривали процессы, которые происходили с огромными массами вещества. Теперь перейдем от планетарных масштабов к микромиру.
В мире звезд и планет важнейшую роль играет гравитация. В наномире, где обитают атомы, она не так важна. Здесь правит электромагнитная сила, которая проводит работу по перестановке отдельных атомов и молекул, образуя все многообразие веществ в нашем мире.
Атомы почти полностью состоят из пустоты. В центре расположено крошечное ядро из протонов и нейтронов, а по удаленным орбитам, каждая из которых связана со своим энергетическим уровнем, носятся электроны. При любой возможности они стремятся попасть ближе к ядру, ведь тогда орбита получается короче, и энергии требуется меньше. Обычно электрон вращается вокруг своего ядра, но, если подворачивается более «заманчивое предложение», этот изменщик может перескочить в соседний атом с незаполненной внешней орбитой. В результате этой «незаконной связи» образуется новое вещество. По сути, вся атомно-молекулярная жизнь основана на эквилибристике электронов.
Химическая связь между атомами возникает, когда их электронные оболочки объединяются. В одних случаях электронное облако делится по-братски – пополам. В других – более «наглый» атом перетягивает электронное «одеяло» на себя, и тогда перед вторым партнером встает дилемма: довольствоваться краешком облака, теснее прижимаясь к наглецу, или вовсе остаться без электрона. В случае, если облако растягивается на два ядра, образующаяся стабильная связка атомов называется молекулой.
Любая химическая реакция – это столкновение молекул и атомов, в результате чего происходит перераспределение их электронных облаков. Молекулы, словно гиперактивные дети, постоянно носятся туда-сюда и все время сталкиваются. Иногда от этого у них что-нибудь отваливается, или, наоборот, притягивается. Но для свободы передвижения нужно пространство маневра, а его не всегда хватает.
Первоначально Земля представляла спрессованные глыбы космических пород. С точки зрения химика, это были твердые вещества, состоящие из бесчисленного числа перемешанных молекул. В твердом веществе атомы «замурованы» в кристаллических решетках, словно узники в одиночных камерах, и электроны практически лишены возможности завязывать связи «на стороне», поэтому с образованием новых минералов в то время было туго.
Рождение сугубо земных минералов началось со скрипом в образующемся вязком астеносферном слое, когда атомы получили относительную свободу, барахтаясь в густом раскаленном расплаве. И только когда магма вырвалась наружу, все завертелось в сумасшедшем темпе. Огнедышащий ад обуял планету – извергающаяся лава вскипала у поверхности парами воды и исходила вулканическими газами. Перегретые частицы вулканического пепла сталкивались, терлись друг о друга, а баллоэлектрический эффект[24 - Баллоэлектрический эффект – электризация водяных капель, возникающая при распылении водяной струи на отдельные мелкодисперсные капли.] многократно усиливал электризацию пепла. И без того черное небо планеты (кислородной подушки у Земли пока не было) заволокли наэлектризованные пепло-газовые тучи, прорезаемые бесконечными вспышками молний.
По подсчетам вулканологов, в ходе извержения вулкана Тятя на Курилах в 1973 году число молний измерялось десятками миллионов! И это всего за два дня извержения, и из одного вулкана[25 - Мархинин Е. К. Вулканы и жизнь: (проблемы биовулканологии). – М.: Мысль, 1980. – 196 с.].
В момент разряда в канале молний химические элементы ионизируются: электроны получают свободу. Дотошные исследователи подсчитали, что каждая молния выбрасывает в окружающее пространство 1х10
свободных электронов!
В пепло-газовом вулканическом столбе есть все необходимые для образования жизни компоненты: водяной пар, водород, аммиак, углеводороды, СО, СО
, соединения серы и т. д. По мнению отечественного геолога Е. К. Мархинина – основателя биовулканологии, – «Вулканические извержения, и в первую очередь пепло-газовые вулканические столбы, явились мощными природными химическими реакторами, в которых в большом масштабе образовывались сложные, биологически важные органические соединения – „молекулы жизни“. Именно с образования этих вулканогенных „молекул жизни“ на Земле началась молекулярная эволюция по пути к преобразованию неживой материи в живую, приведшая впоследствии к возникновению жизни»[26 - Там же.]. Но, с другой стороны, если разряд электричества способен породить органические молекулы, то он же может и растерзать их в клочья.
Современные исследователи полагают, что добиологические молекулы, давшие впоследствии старт Жизни, образовались в ходе менее затратных химических реакций. Например, Михаил Никитин, научный сотрудник НИИ физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского полагает, что жизнь возникла в грязи, точнее вокруг грязевых вулканов (такие вулканы «извергаются» не благородной лавой, а жидкой глиной)[27 - Никитин М. Происхождение жизни. От туманности до клетки. – М.: Альпина нон-фикшн, 2018. – 542 с.], а известный популяризатор науки, британский биохимик Ник Лейн считает, что для возникновения Жизни и вовсе необходимо и достаточно было всего лишь трех компонентов: горной породы, воды и углекислого газа[28 - Лэйн, Ник, 2018. Указ. соч.]. То есть жизнь возникла на грани трех агрегатных состояний вещества – твердого, жидкого и газообразного. Но американские ученые палеонтолог Питер Уорд и геобиолог Джо Киршвинк все же уверены, что именно катаклизмы способствовали появлению жизни, причем больше, чем все остальные силы вместе взятые[29 - Уорд П., Киршвинк Д. Новая история происхождения жизни на Земле. – СПб.: Питер, 2016. – 464 с.]. Есть мнение, что основной вклад в этот процесс внес уран[30 - Adam Z. Actinides and life’s origins // Astrobiology, 2007, V. 7. P. 852—872.], но это представляется малоубедительным – ведь в раннем архее уран еще не накопил значительных концентраций и не обзавелся собственными минералами, чтобы дать толчок зарождающейся Жизни. Все это занимательно, но… не наша тема.
Так возникла жизнь или эдак – не принципиально, для нас важнее, как она «работает». Для ее поддержания нужен постоянный приток энергии. Для всех живых организмов (и для нас, людей, в том числе) это потенциальная химическая энергия, заключенная в пищевых веществах. Мы заряжаемся пищей, которая содержит избыточные электроны и вдыхаем кислород, который их принимает. Организм расщепляет пищу, отрывая электроны, которые проходят сквозь клетки, участвуя в сложном комплексе химических реакций. В ходе этого процесса клетки вырабатывают аденозинтрифосфат (АТФ) – молекулу, которая действует как накопитель энергии почти во всех живых организмах. То есть для получения энергии организм постоянно должен пропускать через себя поток электронов, получая их с пищей. Мы живем, заряжаясь электронами.
На заре Жизни мир был полон свободных электронов и некоторые организмы приспособились питаться электрической энергией, вкушая голые электроны «без гарнира». Сегодня выявлено около десятка разновидностей древнейших бактерий, потребляющих электричество напрямую[31 - Meet the electric life forms that live on pure energy. [Электронный ресурс] // NewScientist URL: https://www.newscientist.com/article/dn25894 (дата обращения: 01.08.2022).]. Причем при закислении среды до рН=2 (что примерно соответствует кислотности первобытного океана и архейской атмосферы) «прожорливость» этих микробных сообществ возрастает на два порядка[32 - Malvankar N. S., Vargas M., Nevin K., et al. Structural Basis for Metallic-Like Conductivity in Microbial Nanowires // mBio. 2015, V. 6 (2). doi: 10.1128/mBio.00084—15.]. Косвенно это может означать, что разнообразие подобных микроорганизмов в те эпические времена было значительно больше, но, не сумев приспособиться к изменяющейся обстановке, далеко не все из них дожили до наших дней.
Со временем вулканическая вакханалия молодой планеты стала утихать, количество «неприкаянных» электронов в окружающей среде снизилось, и бактериям пришлось переходить на новый рацион питания. Выжили те, которые приспособились встраиваться в геохимические циклы, и использовать электроны, которыми обмениваются химические элементы во время реакций.
В ходе геохимического круговорота, запущенного Луной, первородные космические породы и минералы вступали в химические реакции с образованием новых, уже сугубо земных отложений. Процессы сопровождались выделением или поглощением тепла и энергии, при этом преобладали окислительно-восстановительные реакции, происходящие благодаря обмену электронов между веществами. К чисто химическим реакциям начали присоединяться непрошенные участники – микроорганизмы – так называемые хемоавтотрофы[33 - Хемоавтотрофы – организмы, чаще всего бактерии, которые образуют органические вещества за счет энергии окисления неорганических веществ. По типу питания все организмы разделяются на автотрофные и гетеротрофные. Автотрофные, то есть «самостоятельно питающиеся», умеют превращать неорганический углерод в органику (делают живое из неживого). Гетеротрофы не способны к этому и являются, по сути дела, нахлебниками автотрофов: они полностью зависят от производимых ими органических соединений. Автотрофы синтезируют органику из СО
. При этом хемоавтотрофы для этого пристраиваются к какой-нибудь химической реакции, а фотоавтотрофы используют энергию солнца. Фотоавтотрофы делятся в свою очередь на аноксигенных (не выделяющих кислород) и оксигенных, или кислородных.], используя электроны для своих нужд. С помощью белков-ферментов они научились многократно ускорять реакцию, и, если реакция идет с выделением энергии, она подхватывается живым веществом и используется для синтеза АТФ. Имея запас АТФ хемоавтотрофы получают возможность осуществлять уже те реакции, которые идут с поглощением энергии, например, синтез органики из углекислого газа.
Донорами электронов для хемоавтотрофов архея могли выступать водород и сероводород, двухвалентное железо или соединения аммиака. В поисках пропитания – необходимых электронов и микроэлементов – бактерии с энтузиазмом принялись разлагать горные породы. С той поры хемоавтотрофы ведут с горными породами настоящую войну, воздействуя на них богатым арсеналом химического оружия. Некоторые бактерии в процессе жизнедеятельности выделяют муравьиную, уксусную, пропионовую, азотную, серную (вплоть до 10%-ого раствора, способного прожечь бумагу!) и другие кислоты, разрушающие минералы.
В течение первого миллиарда лет существования биосферы прокариоты здорово «пощипали» каменную оболочку Земли и между делом сократили свою кормовую базу. Но Жизнь не стояла на месте: все это время одна за другой появлялись новые формы микробов и бактерий со своими способами получения энергии из окружающего пространства.
Примерно 3,7—3,2 млрд лет назад некоторые микробы научились немного «подкармливаться» солнечным светом. Да, это уже был фотосинтез, но пока еще не полноценный – аноксигенный, в ходе которого не происходит выделения кислорода. Световую энергию солнца бактерии научились переводить в разность электрохимических потенциалов, которая использовалась клеткой для синтеза АТФ. Конечно, это был гораздо менее эффективный способ утилизации солнечной энергии по сравнению с настоящим фотосинтезом, но зато и более простой.
Живые существа, овладевшие секретом аноксигенного фотосинтеза, получили доступ к неисчерпаемому источнику энергии – солнечному свету. Но их зависимость от дефицитных химических веществ все еще сохранялась, ведь для фотосинтеза одного света мало – нужна еще какая-нибудь субстанция, от которой можно оторвать электрон: например, сероводород или железо.
Ориентировочно в это же время (свыше 3,2 млрд лет назад) появились и гетеротрофы. Это значит, что к этому времени микробы-первопроходцы накопили «жирок» и Земля обзавелась достаточным количеством органики, способным прокормить новое поколение Жизни. Появились так называемые бродильщики. Кислород в то время еще был в жутком дефиците, поэтому они приспособились получать энергию за счет бескислородной ферментации (сбраживания) отмерших собратьев.
«Сообразив», что в одиночку прожить трудно, микробы на самых ранних этапах развития Жизни начали сотрудничать, сообща решая задачи выживания. Высшим достижением первого миллиардолетия жизни стали сложные микробные сообщества – бактериальные маты, которые появились предположительно 3,55 млрд лет назад. В основе их жизнедеятельности еще лежал аноксигенный фотосинтез. Эта форма жизни господствовала на планете в неизменном виде сотни миллионов лет, пока Жизнь не совершила новое открытие: примерно 2,7 млрд лет назад появились цианобактерии, открывшие миру кислородный фотосинтез. Жизнь приспособилась перерабатывать лучевую энергию солнца с бо?льшим КПД. Это «изобретение» стало важнейшим поворотным пунктом: в ходе оксигенного фотосинтеза донором электрона является уже не горная порода, а поистине неисчерпаемый земной ресурс – обычная вода, а побочным продуктом – кислород. Кислородный фотосинтез сделал бактерии независимыми от соединений серы и железа и открыл перед ними небывалые возможности. Но за все надо платить – кислород оказался настоящим ядом для существовавших на тот момент форм жизни. Спокойному существованию анаэробных организмов микроорганизмов на планете пришел конец: началась борьба за выживание. И все-таки, несмотря на появление цианобактерий, господство прокариот на Земле продолжалось еще почти два миллиарда лет.
Возникшие в архее бактериальные маты по уровню целостности вплотную приблизились к настоящему организму, но все-таки не достигли этого уровня. Прокариоты так и не смогли дать начало многоклеточным организмам, для этого они были слишком эгоистичны: каждый отдельный микроб «был сам за себя» и теоретически имел возможность вернуться к самостоятельной жизни вне коллектива. В этом сообщество мата схоже с муравейником – каждый муравей тоже может в любой момент покинуть собратьев – но долго ли он протянет в этом жестоком мире? Как и в муравейнике, жильцы бактериальной колонии имели свои обязанности. «Настройка» этого сообщества происходила в зависимости от меняющихся условий среды.
Первоначально бактериальные маты, вероятно, состояли из двух слоев, то есть это был еще не мат, а так – биопленка. Ее верхний этаж населяли аноксигенные фототрофы, которые к этому времени научились синтезировать органику из углекислого газа атмосферы. Но чтобы преобразовать энергию света в энергию электронов силенок им не хватало, и они отнимали электроны у того же железа, растворенного в водах первичного океана. Тут им на помощь приходили электробактерии. Современные исследования показывают, что эти последние могут объединяться в «нанопровода» длиной до нескольких сантиметров (вполне достаточно, при «стандартной» толщине пленки в 1—2 см) и переносить электрон по живой электроцепи[34 - Kato S., Hashimoto K., Watanabe K. Microbial interspecies electron transfer via electric currents through conductive minerals // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2012, V. 109 (25). 10042—10046.]. Эдакий живой «электропровод», опускался в «подпол», нащупывал в мутной воде ион железа, забирал у него электрон и передавал в верхние слои мата собратьям для пропитания, с помощью которого они и превращали углерод углекислого газа в органические молекулы.
Нижний слой биопленки был представлен «падальщиками». Здесь обитали бродильщики, которые питались «чем бог послал» – отмершей органикой верхнего слоя и отжившими свой век (сгоревшими на работе, так сказать) электрическими бактериями. Этот этаж они делили с анаэробными хемолитотрофами: серными бактериями, железобактериями и другими, которые занимались переработкой и утилизацией горных пород.
Пытаясь защититься от жесткого ультрафиолетового излучения, бактерии верхнего слоя выделяли липкую субстанцию (выражаясь по-научному – внеклеточное полимерное вещество) на которую налипала мельчайшая муть, плавающая в океане. Процесс можно сравнить с накоплением пыли на мебели у нерадивой хозяйки. Кроме того, микробные сообщества научились изменять среду обитания: при наличии в воде большого количества взмученных частиц они стали синтезировать поверхностно-активные вещества – сурфактанты, в присутствии которых частицы оседали и слипались[35 - Громов Б. В. Цианобактерии в биосфере // Соросовский образовательный журнал. 1996. N 9. С. 33—39.]. Жить под защитой тонкого полупрозрачного слоя осадка микроорганизмам было выгодно: все-таки это была какая-никакая дополнительная защита от ультрафиолета, да и необходимая микробам влага здесь дольше сохранялась. Но когда накапливался критический слой минеральной пыли, затемнявший свет, бактерии прорастали сквозь еще не схватившийся осадок этажом выше, образуя новую поверхность. И это продолжалось снова и снова. Так бактерии, утилизируя водную муть древних океанов слой за слоем, начали строить свои жилища. Нижележащие осадки постепенно минерализовались, образуя полосчатые волнообразные отложения – строматолиты[36 - Строматолиты (др.-греч. ?????? «ковер, подстилка» и ????? «камень») – ископаемые (чаще карбонатные) отложения выпуклой или неровной формы, образовавшиеся в результате жизнедеятельности бактериальных матов на мелководье.]. Современные строматолиты прирастают со скоростью 0,3 мм в год, правда, они растут несколько по-другому. Двухэтажные маты архея – раннего докембрия только структурировали естественное осадконакопление, подчеркивая границы слойков отмершей органикой, – строматолиты не создавались бактериями. Полосчатость строматолитов объясняется изменением скорости образования осадка. Если налипание минеральной «пыли» было медленным, бактерии прорастали через рыхлый осадок, словно по расписанию и без проблем. При «лавинообразном» накоплении осадка микроорганизмы проползали сквозь накопившийся аномально толстый слой с трудом и не без потерь. На этой стадии сообщество было наиболее уязвимо и теряло по пути часть товарищей. Некоторым из «усопших» «повезло» сохраниться до наших дней в виде тончайших нитей окаменевшего органического вещества – керогена толщиной 2—7 мкм (человеческий волос имеет диаметр 80—110 мкм). Окаменевшие остатки недоползших до поверхности микробных цепочек идентифицированы учеными в строматолитах Онвервахта (ЮАР) и Варравуна (Западная Австралия) возрастом 3,5 млрд лет[37 - Сумина. Е. Л. Экспериментальное изучение сообщества нитчатых цианобактерий и проблема морфогенеза строматолитов: дисс. канд. биол. наук. М. 2008. – [Электронный ресурс] // Палеофорум. URL: http://www.paleoprom.ru/221-2/ (дата обращения: 24.09.2020).]. То есть слоистость древнейших строматолитов связана с чередованием периодов вольготной жизни бактерий и периодами «темных» веков, когда им приходилось бороться за существование.
Другое дело – цианобактериальные маты, которые появились позже. Они формировали осадок иначе: строматолиты росли уже не под матом, а непосредственно внутри него. К этому времени цианобактерии уже полностью освоили фотосинтез: днем они активно захватывали растворенный в воде углекислый газ, а ночью – нет. За счет этого в толще мата возникали суточные перепады кислотности среды, на которых гидрокарбонат кальция, растворенный в воде, – Ca (HCO
)
кристаллизовался мельчайшими корочками карбоната кальция – Ca (CO
), наращивая отложения строматолита[38 - Превращение гидрокарбоната кальция в карбонат кальция можно наблюдать дома на кухне. Гидрокарбонат кальция – это, по сути, «жесткая вода», которая при кипячении оседает в чайнике накипью, образуя Ca (CO3).].
Микроорганизмы, возводя свои постройки, работали не только строителями, но и как фильтры и сорбенты разных элементов, четко отражая особенности окружающей среды во время роста. Строматолиты архейского возраста далеко не всегда сложены чистым карбонатом кальция (известняком), в отличие от более молодых – протерозойских, они часто представлены магниевым или железистым карбонатом – доломитом (CaMg (CO
)
) или сидеритом (FeCO
). Весь архей происходило образование строматолитов, которые специализировались не только на карбонатах, но и на кремнистом веществе (SiO
), изредка они формировались на основе фосфатов (Ca
PO
)
)[39 - Еганов Э. А. Фосфоритообразование и строматолиты. – Новосибирск: ин-т геол. и геофиз. СО АН СССР, 1988. – 90 с.].
По сути, строматолиты – окаменевшие маркеры Жизни, обнаружив их, можно с уверенностью утверждать, что в это время биосфера уже вовсю преобразовывала каменную оболочку планеты. Древнейшие строматолиты найдены в кратоне Пилбара в Западной Австралии и в зеленокаменном поясе Барбетон в Южной Африке – их почтенный возраст составляет 3,5—3,3 миллиарда лет[40 - Westall F. A stratiform stromatolite from 3.33 Ga-old biolaminated sediments in the Barberton Greenstone Belt, South Africa // Geobiology of Stromatolites. Intern. Kalkowsky-Symposium Gottingen, October 4—11, 2008. Abstract Volume. Universitatsverlag Gottingen. 2008. P. 37—38.]; следы жизни в строматолитах Карелии и Приднепровья Украины ненамного моложе – 3,1—3,0 млрд лет[41 - Тимофеев Б. В. Микрофитофоссилии раннего докембрия. – Л.: Наука, 1982. – 128 с.]. Не первый год научное сообщество ломает копья о происхождении отложений формации Исуа в Гренландии. Регулярно появляются публикации об их биогенном происхождении. С такой же периодичностью печатаются опровержения. Противники и сторонники подтверждения или опровержения самых ранних следов жизни не могут прийти к консенсусу. Относительно недавно была опубликована статья австралийских геологов в содружестве с британским ученым из Оксфорда Кларком Френдом, утверждающая, что в отложениях формации Исуа в Гренландии сохранились строматолиты возрастом 3,8—3,7 млрд лет[42 - Nutman A. P., Bennett V. C., Friend C. R, et al. Rapid emergence of life shown by discovery of 3,700-million-year-old microbial structures // Nature. 2016, V. 537 (7621). doi: 10.1038/nature19355.].
Но в поисках наиболее ранних следов жизни этих исследователей обошли ученые из Калифорнийского университета в Лос-Анжелесе. В микроскопических австралийских цирконах, тех самых, где геологи обнаружили следы урана, биологи рассмотрели зачатки жизни. Они утверждают, что выделенные ими из цирконов наночастицы углерода имеют смещенное изотопное соотношение, типичное для живых систем, то есть, по мнению исследователей, это несомненные следы жизни, существовавшей на Земле 4,1 миллиарда лет назад[43 - Bell E., Boehnke P., Harrison M., Mao W. Potentially biogenic carbon preserved in a 4.1 billion-year-old zircon // Proceedings of the National Academy of Science. 2015, V. 112 (47). P. 14518—14521.]. Правда, что это были за организмы и в каких условиях они жили – большой вопрос. Да и вообще, был ли мальчик? Вернее, микроб.
Вот, например, какую шутку с исследователями выкинули те же цирконы. Группа немецких и австралийских ученых под руководством Мартины Меннекен обнаружила в кристаллах циркона возрастом 4,3 миллиарда лет микроскопические вкрапления алмазов[44 - Menneken M., Nemchin A. A., Geisler T., et al. Wilde Hadean diamonds in zircon from Jack Hills, Western Australia // Nature. 2007, V. 448 (7156). P. 917—920.] и начала делать далеко идущие выводы. Однако в 2013 году исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде установили, что пресловутые алмазы входили в полировальную пасту, которой обрабатывали цирконы при подготовке к исследованию[45 - Dobrzhinetskaya L., Wirth R., Greena H. Diamonds in Earth's oldest zircons from Jack Hills conglomerate, Australia, are contamination // Earth and Science Letters. 2014, V. 387. P. 212—218.].
Геохимия и биохимия. Единство и борьба. Вторая минералогическая революция
?
Вник в вещество, впился, как паразит,
В хребет земли неугасимой болью,
К запретным тайнам подобрал ключи…
Максимилиан Волошин
?
Итак, микроорганизмы принялись преобразовывать планету.
Микробное сообщество, объединившееся в бактериальный мат, могло выжить только на границе трех сред: атмосферы, воды и горной породы. Отсутствие одной из составляющих означало гибель колонии. Но земной ландшафт архейского времени благоволил Жизни. В воздухе преобладали водяные пары и вулканические газы, а содержание CO
было в сотню раз больше, чем сейчас. Знойный, правильнее сказать – горячий и влажный климат и обилие углекислоты в атмосфере способствовали разложению пород, и бактерии приняли участие в этом процессе со всем жаром своей души. Они расплодились настолько, что по образному выражению микробиолога Г. А. Заварзина в то время существовал «единый цианобактериальный мат от моря и до моря»[46 - Заварзин Г. А. Развитие микробных сообществ в истории Земли // Проблемы доантропогенной эволюции биосферы. М.: Наука, 1993. С. 212—222.], покрывающий всю планету. Биологи из Флориды с помощью молекулярной биологии установили температуру воды в этом море, которая держалась на уровне 60—70 °С[47 - Gaucher E. A., Govindarajan S, Ganesh O. Palaeotemperature trend for Precambrian life inferred from resurrected proteins // Nature. 2008, V. 451. P. 704—707.].
Странное это было море – все побережье покрыто осклизлыми каменными столбами с нашлепками бактериальных матов. Да и берегов нормальных тогда не существовало – были безбрежные отмели, которые, не успев обнажиться и просохнуть после отлива, тут же заливались приливными водами. Сутки на планете были еще короткие, и отливы сменялись приливами каждые несколько часов. Такой ныне «вымерший» ландшафт получил название «ни суша, ни море» – это был сущий рай для содружеств микроорганизмов. Похожий островок такого ландшафта сохранился у берегов Австралии (Рис. 6).
Рис. 6. Современные строматолиты, растущие в геологическом заповеднике
Хамелин Пул, залив Шарк Бей, Западная Австралия.
Фото: Википедия / Пол Харрисон (CC BY-SA 3.0)
Местами эту панораму нарушали вздымающиеся громады зарождающихся протоматериков, которые обрывались в море черными лавовыми потоками. Вода в океане была мутной, вязкой от взвеси вулканического пепла, растворенного железа, карбонатов, да и морской бриз не отличался свежестью ароматов. Не видно было еще и белоснежных пляжей. Самый распространенный минерал наших дней – кварц – пока не появился, и песчаные морские побережья – дело будущего. Хотя нет, кое-где уже были намыты узкие полоски песков, пока, правда – черных. Такие пляжи, сложенные перемытым вулканическим песком, можно увидеть и сегодня в районе действующих вулканов – на Курилах или Камчатке, например. Дно океанов к этому времени оказалось полностью выстлано тонкой (относительно, конечно) корой базальтов, а из глубин планеты поступали все новые порции магмы.
Казалось, этот мир будет существовать вечно, но его исподволь начали менять живые организмы.
Из-за низкого содержания кремнезема базальтовые породы очень неустойчивы к атмосферным воздействиям. Изучение керна скважин морского бурения показало, что их разрушение наиболее активно происходит именно на отмелях[48 - Блюман Б. А. Выветривание базальтов и несогласия в коре океанов: возможные геодинамические следствия // Региональная геология и металлогения. 2008. N 35. C. 72—86.]. На скорость выветривания базальтов влияют многие факторы: различная соленость воды, агрессивная атмосфера, суточные перепады температуры, но подавляющий вклад в их разрушение (до 75%) вносят микроорганизмы[49 - Staudigel H., Furnes H., McLoughlin N., et al. 3.5 billion years of glass bioalteration: volcanic rocks as a basis for microbial life? // Earth-Science Rev. 2008, V. 89 (3). P. 156—176.]. Особенно быстро изменения происходят в базальтовом стекле[50 - Базальтовое стекло образуется при закаливании (очень быстром остывании) базальтовой лавы и имеет тот же химический состав, что и базальт. Подводные базальтовые излияния до 20% состоят из вулканического стекла.]. Интенсивный химический обмен, который происходит между морской водой и свежей изверженной породой, служит роскошной «кормовой базой» для хемолитотрофных организмов[51 - Staudigel H., et al., 2008. Указ. соч.] (Рис. 7). Бактерии торопятся заселить эти «пастбища», не дожидаясь, пока они остынут. Тут уж кто успел, тот и съел. Исследования, проведенные на стерильном, только что излившемся базальте показали, лишь только лава начинает остывать, первые попавшие на ее поверхность бактериальные споры прорастают и начинают бурное «пиршество» уже при 113 ?[52 - Stetter K.O. Hyperthermophiles in the history of life // Phil. Trans. Roy. Soc. 2006, V. 361, P. 1837—1843.]. И живет эта невидимая глазу мелочь не только на поверхности, но и проникает вглубь, изъедая породу и образуя губчатую сеть полостей микронных диаметров. Проходит всего несколько лет, и горная порода превращается в насыщенное водой «нанорешето». Описаны случаи, когда «прожорливость» бактерий буквально обрушивала скалы: бактерии «подъедают» базальтовые острова до такой степени, что из-за ослабления породы происходят подводные оползни[53 - Fisk M. R., Storrie-Lombardi M. C., Douglas S., Popa R., McDonald G., Di Meo-Savoie C. Evidence of biological activity in Hawaiian subsurface basalts // Geochem. Geophys. Geosystems. 2003, V. 4 (12). P. 1—24.]. И речь не только о современных бактериях – в южноафриканских архейских базальтах пояса Барбетон исследованы микроскопические ходы, «выеденные» микроорганизмами. В этих «норках», в ходе бактериально-палеонтологических исследований, обнаружены и «останки» микробов, почивших 3,5 миллиарда лет тому назад[54 - Furnes H., Banerjee N., Muehlenbachs K., et al. 2004. Early Life Recorded in Archean Pillow Lavas // Science. 2004, V. 304 (5670). P. 578—581]. Ученые, сопоставляя микробные комплексы из древних и современных пород убедились, что архейские базальты были заселены микробами так же густо, как и современные[55 - Asta?eva M. M., Rozanov A. Yu., Sharkov E. V., et al. Pillow lavas volcanic glasses (ancient and recent) and traces of life in them // Geophysical Research. 2010, V. 12. EGU General Assembly 2010, held 2—7 May, 2010 in Vienna, Austria, P. 1472.]: каждый кубометр базальтового стекла может «прокормить» до 2,5х10
анаэробных железобактерий[56 - Журавлев А. Сотворение Земли. Как живые организмы создали наш мир. – М.: Альпина нон-фишн, 2018. – 514 с.]. Если перевести цифры в более удобоваримые, получается, что в одной песчинке базальта размером в миллиметр кормится 25 миллионов бактерий! Тесновато живут, но при этом у каждой своя отдельная норка-квартирка.
Конец ознакомительного фрагмента.
Текст предоставлен ООО «Литрес».
Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию (https://www.litres.ru/chitat-onlayn/?art=70400863?lfrom=390579938) на Литрес.
Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.
notes
Примечания
1
Цит. по: Лэйн Н. Вопрос жизни. Энергия, эволюция и происхождение сложности. – М.: АСТ: CORPUS, 2018. – 480 с.
2
Слова приписываются американской писательнице Элизабет Йейтс. Who wrote «A writer only begins a book. A reader finishes it»? [Электронный ресурс] // Stack Exchange Network. (дата обращения: 12.03.2023).
3
ЦГАНХ СССР, Ф 3106, д. 101. Цит. по: Зенченко В. П. Мифы и факты об уране. Краснокаменск-Иркутск: Сосновгеология, 2002. – 397 с.
4
Например: Фаррелл Дж. Черное солнце Третьего рейха. Битва за «оружие возмездия». – М.: Эксмо, 2008; Кук Н. Охота за точкой «zero». – М.: Яуза; Эксмо, 2005; Robert K. Wilcox. Japan’s Secret War: Japan’s Race against Time to Build its Own Atomic Bomb. William Morrow amp; Company, 1985 и многочисленные публикации в интернете.
5
Заявка на изобретение В. А. Маслова и В. С. Шпинеля «Об использовании урана в качестве взрывчатого и отравляющего вещества» // Атомный проект СССР: документы и материалы. Т. 1. 1938—1945. Ч. 1. М.: Наука; Физматлит, 1998. С. 193—196.
6
США применили боеприпасы с ураном пятьдесят лет спустя во время войны против Ирака (1991 г.) и Югославии (1999 г.).
7
Cotner E., Kusenko A., Primordial black holes from scalar field evolution in the early universe // Phys. Rev. 2017, V. 96. doi:10.1103/PhysRevD.96.103002.
8
Hazen R. M., Papineau D., Bleeker W., et al. Mineral evolution // American Mineralogist/ 2008, V. 93. P. 1693—1720.
9
Таусон Л. В. Геохимия редких элементов в гранитоидах. – М.: Изд-во Акад. Наук СССР, 1961. – 231 с.
10
Wilde S., Valley J. W., Peck W. H., Graham C. M. Evidence from detrital zircons for the existence of continental crust and oceans on the Earth 4.4 Gyr ago // Nature. 2001, V. 409 (6817). P. 175—178.
11
Каулина Т. В. Образование и преобразование циркона в полиметаморфических комплексах. – Апатиты: Кольский научн. центр РАН, 2010. – 144 с.
12
Метамиктизация – переход кристаллических минералов в аморфное состояние в результате радиоактивного превращения элементов, входящих в их состав. Метамиктизация происходит в результате нарушения связей в кристаллической решетке под воздействием радиоактивного излучения. Но при нагревании метамиктичные минералы способны вернуться к первичному состоянию.
13
От греческого «киртос» – кривой, выпуклый (имеется в виду искривленность граней кристаллов).
14
Confirmed: Oldest Fragment of Early Earth is 4.4 Billion Years Old [Электронный ресурс] // livescience.com. URL: https://www.livescience.com/43584-earth-oldest-rock-jack-hills-zircon.html (дата обращения: 28.07.2022).
15
В природе существует несколько изотопов урана, важнейшими являются уран-238 (
U) и уран-235 (
U). Первого на Земле примерно 99,3%, а второго – какие-то несчастные 0,7%. Они отличаются временем распада. Период полураспада урана-238 составляет 4,5 миллиарда лет, а урана-235 – 700 миллионов лет. То есть за 4,5 миллиарда лет количество урана-238 уменьшилось на земле в два раза, а уран-235 уменьшается вполовину каждые 700 миллионов лет. Простые арифметические подсчеты показывают, что за те же 4,5 миллиарда лет количество изотопа урана-235 сократилось почти в семьдесят раз. То есть в первых цирконах концентрация высокоактивного
U была в десятки раз выше.
16
Turner G., Harrison T. M., Holland G., et al. Extinct 244Pu in ancient zircons // Science. 2004, V. 306. P. 89—91.
17
Сегодня на Земле насчитывается уже более 5 тысяч минералов.
18
Сорохтин О. Г., Ушаков С. А. Развитие Земли. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 2002. – 560 с.
19
Там же.
20
Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой. – М.: Прогресс, 1986. – 432 с.
21
Сорохтин, Ушаков, 2002. Указ. соч.
22
Сорохтин Н. О., Сорохтин О. Г. Высота стояния континентов и возможная природа раннепротерозойского оледенения // Докл. РАН. – 1997. – Т. 354, N 2. С. 234—237.
23
Сорохтин, Ушаков, 2002. Указ. соч.
24
Баллоэлектрический эффект – электризация водяных капель, возникающая при распылении водяной струи на отдельные мелкодисперсные капли.
25
Мархинин Е. К. Вулканы и жизнь: (проблемы биовулканологии). – М.: Мысль, 1980. – 196 с.
26
Там же.
27
Никитин М. Происхождение жизни. От туманности до клетки. – М.: Альпина нон-фикшн, 2018. – 542 с.
28
Лэйн, Ник, 2018. Указ. соч.
29
Уорд П., Киршвинк Д. Новая история происхождения жизни на Земле. – СПб.: Питер, 2016. – 464 с.
30
Adam Z. Actinides and life’s origins // Astrobiology, 2007, V. 7. P. 852—872.
31
Meet the electric life forms that live on pure energy. [Электронный ресурс] // NewScientist URL: https://www.newscientist.com/article/dn25894 (дата обращения: 01.08.2022).
32
Malvankar N. S., Vargas M., Nevin K., et al. Structural Basis for Metallic-Like Conductivity in Microbial Nanowires // mBio. 2015, V. 6 (2). doi: 10.1128/mBio.00084—15.
33
Хемоавтотрофы – организмы, чаще всего бактерии, которые образуют органические вещества за счет энергии окисления неорганических веществ. По типу питания все организмы разделяются на автотрофные и гетеротрофные. Автотрофные, то есть «самостоятельно питающиеся», умеют превращать неорганический углерод в органику (делают живое из неживого). Гетеротрофы не способны к этому и являются, по сути дела, нахлебниками автотрофов: они полностью зависят от производимых ими органических соединений. Автотрофы синтезируют органику из СО
. При этом хемоавтотрофы для этого пристраиваются к какой-нибудь химической реакции, а фотоавтотрофы используют энергию солнца. Фотоавтотрофы делятся в свою очередь на аноксигенных (не выделяющих кислород) и оксигенных, или кислородных.
34
Kato S., Hashimoto K., Watanabe K. Microbial interspecies electron transfer via electric currents through conductive minerals // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2012, V. 109 (25). 10042—10046.
35
Громов Б. В. Цианобактерии в биосфере // Соросовский образовательный журнал. 1996. N 9. С. 33—39.
36
Строматолиты (др.-греч. ?????? «ковер, подстилка» и ????? «камень») – ископаемые (чаще карбонатные) отложения выпуклой или неровной формы, образовавшиеся в результате жизнедеятельности бактериальных матов на мелководье.
37
Сумина. Е. Л. Экспериментальное изучение сообщества нитчатых цианобактерий и проблема морфогенеза строматолитов: дисс. канд. биол. наук. М. 2008. – [Электронный ресурс] // Палеофорум. URL: http://www.paleoprom.ru/221-2/ (дата обращения: 24.09.2020).
38
Превращение гидрокарбоната кальция в карбонат кальция можно наблюдать дома на кухне. Гидрокарбонат кальция – это, по сути, «жесткая вода», которая при кипячении оседает в чайнике накипью, образуя Ca (CO3).
39
Еганов Э. А. Фосфоритообразование и строматолиты. – Новосибирск: ин-т геол. и геофиз. СО АН СССР, 1988. – 90 с.
40
Westall F. A stratiform stromatolite from 3.33 Ga-old biolaminated sediments in the Barberton Greenstone Belt, South Africa // Geobiology of Stromatolites. Intern. Kalkowsky-Symposium Gottingen, October 4—11, 2008. Abstract Volume. Universitatsverlag Gottingen. 2008. P. 37—38.
41
Тимофеев Б. В. Микрофитофоссилии раннего докембрия. – Л.: Наука, 1982. – 128 с.
42
Nutman A. P., Bennett V. C., Friend C. R, et al. Rapid emergence of life shown by discovery of 3,700-million-year-old microbial structures // Nature. 2016, V. 537 (7621). doi: 10.1038/nature19355.
43
Bell E., Boehnke P., Harrison M., Mao W. Potentially biogenic carbon preserved in a 4.1 billion-year-old zircon // Proceedings of the National Academy of Science. 2015, V. 112 (47). P. 14518—14521.
44
Menneken M., Nemchin A. A., Geisler T., et al. Wilde Hadean diamonds in zircon from Jack Hills, Western Australia // Nature. 2007, V. 448 (7156). P. 917—920.
45
Dobrzhinetskaya L., Wirth R., Greena H. Diamonds in Earth's oldest zircons from Jack Hills conglomerate, Australia, are contamination // Earth and Science Letters. 2014, V. 387. P. 212—218.
46
Заварзин Г. А. Развитие микробных сообществ в истории Земли // Проблемы доантропогенной эволюции биосферы. М.: Наука, 1993. С. 212—222.
47
Gaucher E. A., Govindarajan S, Ganesh O. Palaeotemperature trend for Precambrian life inferred from resurrected proteins // Nature. 2008, V. 451. P. 704—707.
48
Блюман Б. А. Выветривание базальтов и несогласия в коре океанов: возможные геодинамические следствия // Региональная геология и металлогения. 2008. N 35. C. 72—86.
49
Staudigel H., Furnes H., McLoughlin N., et al. 3.5 billion years of glass bioalteration: volcanic rocks as a basis for microbial life? // Earth-Science Rev. 2008, V. 89 (3). P. 156—176.
50
Базальтовое стекло образуется при закаливании (очень быстром остывании) базальтовой лавы и имеет тот же химический состав, что и базальт. Подводные базальтовые излияния до 20% состоят из вулканического стекла.
51
Staudigel H., et al., 2008. Указ. соч.
52
Stetter K.O. Hyperthermophiles in the history of life // Phil. Trans. Roy. Soc. 2006, V. 361, P. 1837—1843.
53
Fisk M. R., Storrie-Lombardi M. C., Douglas S., Popa R., McDonald G., Di Meo-Savoie C. Evidence of biological activity in Hawaiian subsurface basalts // Geochem. Geophys. Geosystems. 2003, V. 4 (12). P. 1—24.
54
Furnes H., Banerjee N., Muehlenbachs K., et al. 2004. Early Life Recorded in Archean Pillow Lavas // Science. 2004, V. 304 (5670). P. 578—581
55
Asta?eva M. M., Rozanov A. Yu., Sharkov E. V., et al. Pillow lavas volcanic glasses (ancient and recent) and traces of life in them // Geophysical Research. 2010, V. 12. EGU General Assembly 2010, held 2—7 May, 2010 in Vienna, Austria, P. 1472.
56
Журавлев А. Сотворение Земли. Как живые организмы создали наш мир. – М.: Альпина нон-фишн, 2018. – 514 с.
Владимир Печенкин
Ресурсы Земли не вечны. Человечество уже поглядывает в космос в надежде пополнить минеральную базу. Но что нас ждет за пределами родной планеты?Синтезируя огромное количество научных сведений на стыке геологии и биологии доказывается, что руды урана, золота, железа – побочный продукт биосферы. Так есть ли месторождения на планетах, где нет Жизни?Захватывающая книга Владимира Печенкина заинтересует не только любознательного читателя, но и послужит предметом дискуссии среди геологов и биологов.
Рожденный жизнью
Уран: от атома до месторождения
Владимир Печенкин
Иллюстрации, использованные в книге, взяты из опубликованных в открытой печати научных трудов. Ссылки на источник заимствования указаны под соответствующей иллюстрацией.
© Владимир Печенкин, 2024
ISBN 978-5-0062-3375-1
Создано в интеллектуальной издательской системе Ridero
Предисловие
Геохимия и биохимия до последнего времени развивались как независимые науки, первая из которых изучала природные реакции в минеральной среде, а вторая – реакции в среде живого вещества. Однако жизнь зародилась и развивалась в минеральной среде, и между ними неизбежно должно было возникнуть некоторое взаимодействие. Отделившаяся от геологии еще в XIX веке палеонтология выявила сложную эволюцию жизни в истории Земли. Однако эта эволюция рассматривалась как результат развития форм жизни, с приспособлением к меняющимся условиям среды. Обратное воздействие жизни на геологическую среду не привлекало особого внимания, хотя признавалось биогенное происхождение таких формаций, как каустобиолиты, известняки, диатомиты и пр. О возможной роли организмов в формировании месторождений металлов, кроме, пожалуй, железа, большинство геологов не задумывалось. Такие объекты априори связывались с магматизмом, вулканизмом, гидротермами, т. е. с процессами, протекающими в глубинах недр Земли и остающимися пока недоступными для непосредственного изучения. При этом молчаливо полагалось, что сами эти глубинные процессы протекали в общем единообразно в течение всей геологической истории.
В 80-е гг. прошлого столетия советскими учеными В. И. Казанским, Н. П. Лаверовым и А. И. Тугариновым была опубликована работа «Эволюция уранового рудообразования», в которой впервые демонстрировалось, что типы месторождений этого металла закономерно сменяют друг друга в геологической истории Земли. Такую эволюцию оказалось возможным проследить благодаря развитию метода радиохронологического датирования времени образования урановых минералов. Однако связи эволюции месторождений урана с эволюцией жизни на Земле эти авторы тогда не усматривали.
В те же годы появилась еще одна работа, название которой созвучно рецензируемой книге: «Уран и жизнь» Неручева. В этом труде автор впервые задался вопросом о влиянии радиоактивности урана на жизненные процессы. Однако, по его мнению, это влияние было в основном негативным и сводилось к массовым заморам ископаемой фауны в бассейнах, в воды которых при вулканических извержениях мог поступать ядовитый уран. Высказывалась также мысль о том, что радиоактивность урана могла интенсифицировать мутацию и тем самым ускорять эволюцию. Однако возможность прижизненного накопления урана организмами до пределов, вызывающих их гибель, вызывала большие сомнения, т. к. процесс естественного отбора должен бы был приводить к возникновению форм, с пониженной способностью такого накопления. Развитие подобного «уранового барьера» у растений было установлено А. А. Ковалевским. Пример, на котором в основном базировались выводы Неручева (майкопские отложения ураноносного костного детрита), мог интерпретироваться и как посмертная сорбция урана фосфатным веществом костей, что и было впоследствии подтверждено дополнительными исследованиями.
Автором предлагаемой работы впервые предпринята попытка логически увязать эволюцию мира органической жизни с эволюцией неорганической системы Земли, при учете того, что такое влияние было взаимным. Геологические процессы, меняя лик Земли, меняли условия жизни и стимулировали создание новых ее форм, более приспособленных к новым условиям, но и сама жизнь существенно меняла геохимические обстановки приповерхностной геосферы, провоцируя миграцию и перераспределение некоторых элементов, включая уран, медь, золото, железо и др. При этом, если темпы геологических преобразований составляют десятки – сотни миллионов лет, то темпы эволюции жизни в благоприятных условиях могут занимать лишь тысячелетия. Таким образом, по воздействию на природу Земли, именно жизнь оказывается главным преобразующим фактором, к каковому выводу практически и приходит автор рецензируемой книги.
Автор создавал свой труд полностью в порядке личной инициативы, без какой-либо финансовой поддержки. Создавал без отрыва от своей основной работы, никак не связанной с темой книги. Единственным стимулом для него, очевидно, являлось собственное любопытство. И силе этого любопытства можно только позавидовать. Им проработано очень большое количество различных литературных источников, в том числе таких, какие по своему названию внимания большинства геологов-рудников просто бы не привлекли. Это позволило ему глубоко вникнуть в проблему зарождения и развития жизни на Земле, а собственный опыт геолога-разведчика помог оценить влияние биологических изменений на эволюцию уранового рудообразования.
Его труд представляет несомненный интерес для широкого круга специалистов в области наук о Земле, включая не только геологов, но и географов, экологов и даже социологов, напоминая последним, что в природе все диалектически взаимосвязано и, используя ресурсы Земли, человечество меняет эту природу. Последствия такого обратного воздействия мы только еще начинаем осознавать, как проблему глобального потепления.
Книга написана в стиле научно-популярных изданий, легко и с интересом читается. Она представляется вполне доступной и полезной для студентов и школьников старших классов, задумывающихся о выборе специальности.
Заслуженный геолог России,
М. В. Шумилин,
профессор, д-р геол.-минерал. наук
Лауреат гос. премии СССР
Ответ на урок по биологии полвека спустя
Законы природы – неизменны.
Но в борьбе за правду невозможного
Безумец —
Пресуществляет самого себя,
А приспособившийся замирает
На пройденной ступени.
Максимилиан Волошин
Приветствую тебя, читатель!
Обязан предупредить – может, это вовсе и не твоя книга? В ней ты не найдешь глубоко проработанных теорий уранового рудообразования: для этого существуют академические издания. Это не мемуары, не байки из полевой жизни геологов и не подведение жизненных итогов, скорее – очередная попытка разобраться, как устроен наш мир. Все, что здесь изложено, может оказаться правдой, но, уверен, далеко не все согласятся с этим. Некоторые мысли в книге могут показаться спорными, а для кого-то и вовсе неприемлемыми и крамольными. Могу только повторить мысль британского ученого, популяризатора науки: «Я не жду, что вы мне поверите, и лишь хочу сказать, что этот сценарий, наряду с некоторыми другими, согласуется со всеми нашими знаниями»[1 - Цит. по: Лэйн Н. Вопрос жизни. Энергия, эволюция и происхождение сложности. – М.: АСТ: CORPUS, 2018. – 480 с.].
Когда в школе мы проходили по биологии тему происхождения Жизни, отец задал мне вопрос: «Хорошо, Жизнь не может существовать без неживой материи, а может ли неорганический мир обойтись без Жизни?» В то время ответ казался мне однозначным: «Конечно может!»
Спустя много десятилетий, я неожиданно вспомнил старый разговор. Странная вещь – детские впечатления, они хранятся где-то в подсознании и неожиданно всплывают… книгой.
Надеюсь, она получилась такой, что тебе, читатель, придется задуматься, а может, и поспорить со мной. Буду этому только рад. Приглашаю вместе поразмышлять о взаимоотношениях живой и неживой материи и посмотреть, насколько они переплетены. Взяв за основу повествования историю химического элемента урана, проследим путь этого металла от отдельных атомов, появившихся в космосе, до месторождений, формирующихся на Земле сегодня.
Почему уран? Во-первых, это крайне подвижный элемент, который отзывчиво реагирует на изменение геохимической и биохимической обстановки. Во-вторых, благодаря радиоактивному распаду он служит «геологическими часами» и большинство заслуживающих доверия датировок (и в этой книге, в частности), опираются на урановый «хронометраж». В силу своих свойств этот химический элемент, пожалуй, один из лучших «инструментов» из таблицы Менделеева для познания истории Земли.
Ну и, помимо прочего, моя судьба сложилась так, что в поисках этого металла мне довелось поколесить по свету от песков Средней Азии и Ирана до каменистых пустынь китайской Гоби и от русских степей до африканской саванны. Так что уран мне знаком несколько больше, чем другие элементы.
В начале нашего исследования остановимся на том, как бактерии подготавливали планету, перерабатывая космическое вещество в земные минералы и породы. Разберемся, отчего уран задержался на старте и почему его первые месторождения появились спустя лишь два миллиарда лет после рождения Земли. Зададимся вопросом, могли ли микроорганизмы запустить атомные реакторы на планете, и как это отразилось на биосфере.
Поймем, отчего на одних этапах развития Земли появлялись одни типы месторождений, а на других – иные, совсем не похожие.
В заключение отправимся на Марс и посмотрим, имеет ли смысл там искать урановые (и не только) месторождения.
В ходе работы у меня забрезжил ответ на вопрос полувековой давности, правда, пока только на примере месторождений золота, урана, железа. Вся книга – единое доказательство, и, чтобы согласиться со мной или оспорить мои выводы, тебе, читатель, придется прочесть ее до конца.
Прав я или нет, не столь важно, ведь сказано, что «писатель только начинает книгу, ее завершает читатель»[2 - Слова приписываются американской писательнице Элизабет Йейтс. Who wrote «A writer only begins a book. A reader finishes it»? [Электронный ресурс] // Stack Exchange Network. (дата обращения: 12.03.2023).]. Так что ответное слово за тобой.
От радия к урану. Немного истории
В едином миге яростного взрыва
Вы источили вечности огня:
Вы поняли сплетенья косных масс,
Вы взвесили и расщепили атом,
Вы в недра зла заклинили себя.
И ныне вы заложены, как мина,
Заряженная в недрах вещества!
Максимилиан Волошин
В центре Европы на границе Богемии и Саксонии находится невысокий горный хребет – Рудные горы. С древних времен здесь добывали медь, олово, железо, свинец, но прославились Рудные горы благодаря серебру. На южных, богемских склонах, в начале XVI века, около одного из месторождений появился поселок, названный Таль, (от немецкого слова Tal – долина). Вскоре разросшийся городок в честь покровителя рудокопов святого Иоахима переименовали в Йоахимсталь. Здесь из местного серебра начали чеканить деньги – «йоахимсталеры». Благодаря высокому качеству монет они с готовностью принимались по всей Европе, в том числе и в Московии, где их называли «талеры Яхима», или попросту «ефимками». Европейцы предпочитали называть эти монеты просто «талеры», а со временем, уже за океаном, название трансформировалось в «доллары».
Но не все благополучно в то время обстояло в Европе. В середине XVII века несколько протестантских семей из-за религиозных преследований покинули родную Богемию и обосновались на немецкой стороне Рудных гор, основав новое поселение, которое назвали в честь своего курфюрста Йоханна-Георга II – Йоханнгеоргенштадт. Новый поселок, по сути, не отличался от множества рядом расположенных шахтерских городков: здесь так же первым делом была организована пивоварня и начал работать шинок, и только потом руки у горожан дошли до сооружения ратуши и церкви. Как и любой шахтерский городок того времени, его окружали наспех вырытые искателями счастья неглубокие норы; те из них, которые оказывались рудными, превращались в шахты. Ландшафт украшали протяженные сточные канавы, мутные от шлаков, и высокие, местами дымящиеся отвалы; повсюду разносился запах серы. В лучшие времена вокруг города работало 180 (!) рудников, где добывалось серебро. Среди серебряных руд время от времени встречался странный иссиня-черный минерал, напоминающий жирным блеском смолу. Его увесистые куски легко ломались на части, похожие по форме на почки или ракушки. Минерал был настолько тяжел, что не вызывало сомнений – он содержит большое количество ценного металла. Но сколько ни пытались горняки извлечь из рудной массы что-нибудь полезное, все без толку – ни плавильный тигель, ни ртуть, ни кислота не могли с ним справиться. В конце концов, рудокопы перестали обращать на него внимание и стали считать его пустой породой, выбрасывая в отвалы. За жирный смоляной блеск и пустые надежды, минерал получил название «смоляная обманка» – Pechblende, от немецких слов pech – смола и blende – обманывать, ослеплять.
К концу XVIII века основные шахты в окру?ге истощились, и Йоханнгеоргенштадт начал приходить в упадок. О фартовых временах напоминали только названия заброшенных серебряных приисков: «Благословенье», «Нежданное счастье», «Божья милость». Правда, время от времени сюда наведывались господа с утонченным вкусом, желающие приобрести необычные минералы для своих коллекций. Как-то проездом с курортного Карлсбада (до которого всего 25 километров) здесь побывал тайный советник Гёте из Веймара и приобрел красивый образец руды.
Вот и берлинский естествоиспытатель Мартин Генрих Клапрот отобрал в заброшенной шахте Йоханнгеоргенштадта для изучения образцы смоляной обманки. Чутье не подвело исследователя – в этом минерале ему удалось выделить новый химический элемент. Незадолго до его опытов астрономы расширили границы Солнечной системы: впервые со времен античности была открыта новая планета, получившая название по имени греческого бога неба Урана. Вспомнив традиции астрологов, когда каждой планете соответствовал свой металл, Клапрот предложил назвать новый элемент в честь недавно открытой планеты ураном, а минерал смоляная обманка получил название-аналог – урановая смолка.
Клапрот же нашел и применение урану – оказалось, его окислы способны окрашивать стекло в красивый ярко-желтый и зеленый цвета, кроме того, окрашенное стекло обладало флюоресценцией. В результате, часть урановой смолки, которая раньше шла в отбросы, стала приобретаться стеклодувами. Знаменитое богемское стекло окрасилось новыми красками, это помогло чешским мастерам добиться общеевропейского доминирования и практически вытеснить с рынка конкурентов-венецианцев, торгующих муранским стеклом.
Пятьдесят лет уран Клапрота числился металлом, и только в 1841 г. француз Эжен Пелиго доказал, что, несмотря на характерный металлический блеск, это не элемент, а его окисел – UO
. Пелиго удалось получить чистый уран – тяжелый металл серо-стального цвета.
Исследование нового металла продвигалось неторопливо. Через сто лет после открытия Клапрота было обнаружено, что соединения урана способны засвечивать фотоматериалы через светонепроницаемую черную бумагу, а таинственные, невидимые, исходящие от него лучи делают окружающий воздух электропроводным.
В самом начале ХХ века смоляная обманка преподнесла еще ряд сюрпризов: Мария Кюри столкнулась со странным обстоятельством: излучение урановой смолки во много раз превосходило излучение чистого урана. Объяснение могло быть только одно – обманка содержит еще какой-то неизвестный элемент. И он был открыт, да не один, а сразу три: полоний, актиний и радий. При этом радий, даже не чистый, а в составе выделенных твердых солей, излучал в миллионы раз сильнее, чем уран!
Вскоре выяснилось: таинственные радиоактивные лучи способны не только засвечивать фотопластинки. Примеси радия при взаимодействии с сульфидами цинка и меди дают состав, который светится в темноте зеленым светом. В моду вошли часы со светящимися стрелками, этой магической субстанцией покрывались стрелки компасов и военных приборов. Выпуском чудо-краски под названием «Undark» («Не темно») занялась американская корпорация «US Radium» («Американский Радий»).
Радий представлялся обывателю чудесным эликсиром, способным продлить молодость. Врачи рекомендовали его как лечебное средство едва ли не против всех болезней, от простуды до рака. У медиков появился интерес к урановым рудникам Йоханнгеоргенштадта и Йоахимсталя. По их наблюдениям, шахтеры там якобы никогда не страдают ревматизмом, подагрой и невралгиями! Эскулапы связывали это с выделяемым в урановых шахтах радиоактивным газом – радоном, которым дышат горняки. В это же время было установлено, что не только воздух, но и шахтные воды рудников радиоактивны.
Предприимчивый булочник Кун из Йоханнгеоргенштадта (история, как видим, сохранила его фамилию) наладил доставку радиоактивной воды из шахт себе домой и сделал на этом приличный гешефт. Чудо-воду он начал разливать в бутылки, а рядом с пекарней установил кабинки с ваннами, где предлагал ревматическим больным исцеляющие процедуры. Идею подхватили профессиональные доктора и создали модную водолечебницу в Йоахимстале (которая, кстати, действует до сих пор). И местные кулинары тоже не отставали: в пансионатах и отелях новомодных курортов к столу подавали свежий хлеб, выпечку и даже пиво на радиоактивной воде.
Радиотерапия пошла в массы. В аптеках появились кожаные мешочки, с расфасованной смоляной обманкой, где содержание окиси урана достигало 43%. Если носить такой мешочек на теле, препарат своим излучением якобы излечивал ревматические заболевания. Австрийская фабрика радия «Нойленгбах» наладила продажу радиоактивных грязей в пятикилограммовых мешках для домашних ванн с обещанием: «При длительном применении – поразительно стойкий эффект».
Французская косметическая фирма «Tho-Radia» («Торий и Радий») начала выпуск «лучистого» туалетного мыла, губной помады и омолаживающих лосьонов, молочка для лица, кремов для кожи, пудры. Девушкам обещали, что их лица будут сиять от счастья, благодаря радию и торию.
И сильный пол не был забыт – компания из Денвера выбросила на рынок радиоактивные таблетки для борьбы с «мужской слабостью»: «Принимайте радий в таблетках перед едой 3 раза в день – и все будет o’key!»
Коммерция резко подняла цену на этот металл. Максимального значения она достигла в 1906 году и составила 175 тысяч долларов за грамм! За один грамм. Тогдашних долларов. Насколько это много? Нагляднее определить цену радия не через ассигнации, а через другой металл. В 1906 году тройская унция золота (31,103 грамма) стоила 20,67 доллара. То есть 1 грамм золота стоил 66 центов с хвостиком. Получается, 1 грамм радия стоил столько же, сколько примерно 265 килограммов золота! Радий стал самым дорогим веществом на планете – началась радиевая лихорадка.
Радий относится к рассеянным элементам и не образует собственных минералов – он в виде изоморфных примесей входит в состав урановых соединений, а потому в одночасье возрос интерес к урановым рудам.
Первый радиевый завод был построен под Парижем в 1904 году, урановая руда для которого поступала в основном из месторождений Рудных гор. Но вскоре австрийское правительство наложило эмбарго на вывоз руды из Йоахимсталя (который к тому времени оказался в составе Австро-Венгрии) и построило собственный завод по извлечению радия.
Его огромная цена стимулировала поиск урановых руд и добычу на всех континентах. В переработку были вовлечены ванадиевые урансодержащие руды месторождений плато Колорадо (США). До поры из этой руды добывался только ванадий, а уран выбрасывался как ненужный балласт. Открытие радия все изменило – отныне уран стал главным компонентом руды. Предприимчивые американцы живо наладили добычу радия и к 1913 году уже обеспечивали почти половину мировой поставки этого металла, а к началу 20-х годов – все 80%, но вскоре американские бизнесмены прогорели. В 1914 году в Африке (Бельгийское Конго, провинция Катанга) было открыто месторождение урана Шинколобве с богатейшими рудами, содержавшими до 50—60% оксида урана. Если для получения 1 грамма радия в США надо было переработать 300—400 тонн руды с низким содержанием урана, то африканской руды требовалось менее 10 тонн. Рентабельность добычи уран-ванадиевых руд плато Колорадо окончательно была добита открытием богатых месторождений ванадия в Перу.
Бельгия, построившая свой завод, благодаря африканским рудам, быстро стала монополистом на рынке радия, давая 95% всей мировой продукции, но в 30-х годах их потеснили канадцы, открыв месторождение богатых руд Порт-Радий. Металл, производимый в Канаде, оказался даже дешевле бельгийского. В 1939 году канадцы и бельгийцы поделили мировой рынок, заключив соглашение об объеме производства.
Проводились работы по поиску урановых руд и в нашей стране.
В самом начале ХХ века в Русском Туркестане было открыто Тюя-Муюнское уранованадиевое месторождение, которое с 1907 по 1913 годы эксплуатировалось частным «Ферганским акционерным обществом для добычи редких металлов». Руда вывозилась на переработку в Петербург. С началом Первой мировой добыча и переработка прекратились, а 655 тонн руды «зависло» на складах «Ферганского акционерного общества».
В марте 1918 года руда была объявлена государственным достоянием и в связи с угрозой вторжения немецких войск в Петроград вывезена на Урал, несмотря на то, что германская сторона настойчиво предлагала передать ей «в счет платежей по Брестскому договору радиоактивные остатки и месторождения радиевых руд»[3 - ЦГАНХ СССР, Ф 3106, д. 101. Цит. по: Зенченко В. П. Мифы и факты об уране. Краснокаменск-Иркутск: Сосновгеология, 2002. – 397 с.]. Неподалеку от Перми был организован Пробный радиевый завод, который в суматохе гражданской войны попал в руки Колчака со всем радием. Но, в отличие от золотого запаса, радий «Верховного правителя России» не заинтересовал.
С 1927 года началась добыча радиоактивных элементов и на другом среднеазиатском месторождении – Табошар.
Руды наших месторождений были крайне бедные – с содержанием U
O
около 0,5%, соответственно и перелопатить рудной массы для получения радия приходилось неизмеримо больше, чем из месторождений Африки или Канады.
Общее количество добытого радия увеличивалось быстрыми темпами. Если к 1916 году во всем мире было получено 48 граммов радия, то через 10 лет его уже было 340 г. Затоваривание рынка привело к быстрому снижению цены. И радиевая лихорадка сошла на нет.
К 1940 г. мировой фонд радия составил 1000 г. В настоящее время радия накоплено около 3 кг, и его запасы практически не расходуются. Сейчас добыча радия прекращена, более того, при переработке урановых руд радий считается вредным побочным продуктом, требующим безопасного захоронения.
В конце тридцатых годов набирающая мощь Германия стала выдвигать территориальные требования к европейским соседям. 7 марта 1936 г., не встретив сопротивления, немцы вошли в Рейнскую демилитаризованную зону. 12 марта 1938 г. произошел аншлюс Австрии. 30 сентября 1938 года «партнеры» в лице Англии, Франции, Италии и Германии подписали Мюнхенское соглашение, согласно которому к Германии отходила Судетская область Чехословакии. На следующий день после того, как англичане и французы предали чехов, Гитлер соблаговолил подписать декларацию о взаимном ненападении между Германией и Великобританией, а несколько позже – с Францией.
Обычно историки обращают внимание на тот факт, что с приобретением Судет увеличилось население Германии, возросла ее экономическая мощь и так далее. Но немцы приобрели нечто бо?льшее, чем население и военные заводы: на северных (немецких) склонах Рудных гор было известно только одно небольшое месторождение, где в мизерных количествах добывался уран – Йоханнгеоргенштадт. Основная добыча (к 1938 году – до 20 тонн урановой руды) осуществлялась на чешских склонах – из месторождений Йоахимсталя, который к тому времени был переименован на чешский лад в Яхимов. Получив Судеты, немцы стали монополистами европейского урана.
А спустя три месяца в открытой печати появилось сообщение немецких физиков об открытии явления ядерного деления: атом урана способен делиться с выделением огромного количества энергии. В одночасье этот металл превратился в стратегический, из которого (пока, правда, в перспективе) можно изготавливать заряды чудовищной разрушительной силы. Это было случайное совпадение, или нацисты «попридержали» публикацию и загодя приобрели урановорудную базу? В удачные совпадения в политике верится с трудом, так что вопрос открыт.
Между тем гонка за обладание ядерным оружием началась. Считается, что первыми к финишу пришли американцы, сконструировав атомную бомбу и испытав ее на мирных жителях Хиросимы и Нагасаки.
Конечно же, именно американские ученые создали это чудо-оружие, это всем известно от… американцев. Однако в последние годы стали появляться публикации, основанные на рассекреченных документах сороковых годов, доказывающие, что первыми сделали (и, возможно, даже испытали) атомное оружие все-таки немцы. Более того, достаточно убедительно показывается, что американцы сбросили на Японию трофейные атомные бомбы, сделанные немецкими инженерами, и совсем не в рамках Манхэттенского проекта. Интересующихся отсылаем к соответствующей литературе[4 - Например: Фаррелл Дж. Черное солнце Третьего рейха. Битва за «оружие возмездия». – М.: Эксмо, 2008; Кук Н. Охота за точкой «zero». – М.: Яуза; Эксмо, 2005; Robert K. Wilcox. Japan’s Secret War: Japan’s Race against Time to Build its Own Atomic Bomb. William Morrow amp; Company, 1985 и многочисленные публикации в интернете.]. Так это или нет, вопрос, конечно, интересный, но он уводит в сторону от урановой темы. Нас интересует не собственно бомба, а уран для ее изготовления.
Но прежде, еще один пассаж.
После опубликования в открытой печати сообщения немецких ученых Отто Гана и Фрица Штрассмана о делении уранового ядра, материалы, связанные с ураном, стали подвергаться цензуре и засекречиваться по всему миру. Наша неторопливая бюрократическая машина наложила гриф секретности на все исследования, связанные с ураном, только весной 1941 года. Потом была война. А после победы в своем хозяйстве решил навести порядок заместитель наркома боеприпасов В. А. Махнёв, который распорядился прислать ему из Бюро изобретений НКО СССР все заявки на изобретения и отзывы на них, так или иначе связанные с атомной тематикой. Среди них оказалась и заявка на изобретение В. А. Маслова и В. С. Шпинеля «Об использовании урана в качестве взрывчатого и отравляющего вещества», датированная 17 октября 1940 года[5 - Заявка на изобретение В. А. Маслова и В. С. Шпинеля «Об использовании урана в качестве взрывчатого и отравляющего вещества» // Атомный проект СССР: документы и материалы. Т. 1. 1938—1945. Ч. 1. М.: Наука; Физматлит, 1998. С. 193—196.]. Документ настолько точно описывает схему ядерного заряда, испытанного американцами в Японии в 1945 году, сам ядерный взрыв и его последствия, что это невольно вызывает удивление и одновременно возникает крамольный вопрос: кто у кого украл секрет создания атомной бомбы? Несомненно, Курчатов пользовался материалами разведки, но не дремала также разведка немцев и наших союзников. Так что кому принадлежит приоритет в конструировании ядерного заряда – вопрос еще тот. Но самое забавное в этой ситуации – на заявку шлепнули печать «Секретно» от 15 декабря 1945 года и опять положили под сукно, и это в разгар работ И. В. Курчатова! Отлично сработали наши чиновники и в 1940, и в 1945 году!
Но вернемся к урану. Были ли немцы обеспечены сырьем для создания атомной бомбы? Однозначно, да. Присоединив Судетскую область, они завладели практически всеми действующими урановыми рудниками Европы. Справедливости ради надо отметить, эти месторождения были разработаны довольно слабо, наиболее освоенным было Яхимовское, но и там для получения промышленных количеств руды нужны были значительные капитальные вложения для увеличения добычи.
Но проводить масштабные работы по добыче урана из европейских месторождений немцам даже не пришлось. Весной 1940 года, начав военную кампанию на Западном фронте, войска вермахта захватили Бельгию. В ходе молниеносного удара немцы завладели 1200 тоннами богатой урановой руды, доставленной из Африки на склады радиевого завода в Оолене, недалеко от Антверпена всего пару месяцев назад. В то время это была половина всего добытого урана в мире! Так что сырья для экспериментов и изготовления атомной бомбы у немецких физиков было в избытке. Об этом говорит и такой факт. В 1943 году, когда Германия начала испытывать острый дефицит вольфрама, использовавшегося в качестве сердечника в бронебойных снарядах, вольфрам стали заменять… ураном. Так что боеприпасы с сердечником из урана – изобретение еще 40-х годов, сделанное немцами не от хорошей жизни[6 - США применили боеприпасы с ураном пятьдесят лет спустя во время войны против Ирака (1991 г.) и Югославии (1999 г.).].
После того, как Германия приобрела Судеты и буквально на следующий день прекратила поставки урана из Яхимовских рудников, европейцы заподозрили неладное, а уж когда появилось сообщение Отто Гана и Фрица Штрассмана о делении уранового ядра, стало ясно: немцы активно ведут исследования в области атомной энергии. Но с какой целью?
Наиболее продвинутыми в области изучения атомного ядра в тридцатые годы считались французские ученые. Франция имела отлично оснащенную лабораторию в Коллеж де Франс и государственную поддержку. Немцы на тот момент тоже числились в передовиках, но после того, как к власти пришли нацисты, многие физики-ядерщики из Германии, Италии и Венгрии эмигрировали в Англию и Америку, и самоуверенные европейцы посчитали, что без ученых не арийской крови нацистская Германия не способна на проведение крупномасштабных исследований.
Однако, когда немцы завладели ураном Чехии, затем – Бельгии, захватили Францию и начали боевые действия против англичан, у европейцев снобизма поубавилось, и весной 1940 года британское правительство приступило к финансированию собственного ядерного проекта в тесной кооперации с французами, и в июле того же года британские физики, усиленные пополнением из Франции, сформулировали генеральную идею бомбы.
Оставалось самое сложное: воплотить теорию в изделие, пригодное к применению. Справиться с этим было сложнее. Промышленность Британии не обладала необходимой мощью. Синтезировать идею англичане смогли, присвоив часть интеллектуального труда французов и ученых-эмигрантов других стран Европы. И с сырьем у англичан проблем не возникло – уран, который добывался в Канаде (доминионе Великобритании) для радиевых нужд, был переориентирован на атомный проект, получивший название «Тьюб эллойс» («Tube Alloys»). Но при сооружении производственных систем возникли сбои. Не хватало электроэнергии. Металлургия не располагала технологиями создания сверхпрочных сплавов для работы с химически агрессивными элементами атомного производства. Не существовало аппаратов сверхточной сварки и так далее.
Америка к тому времени вышла из экономического кризиса 30-х годов и обладала мощнейшей индустрией, способной справиться с выпуском изделий любой сложности. Кроме того, Белый дом был способен надавить на партнеров по коалиции, чтобы последние поделились достигнутыми результатами. Что и было изящно проделано Рузвельтом.
В июле 1942 г. для англичан назревала катастрофа в Северной Африке. Немцы подходили к Александрии – оставалось совсем немного, чтобы перекрыть Суэцкий канал и выйти на нефтяные месторождения Ближнего Востока. Черчиллю надо было спасать империю – ему позарез требовалась американская помощь для удара в тыл армии Роммеля со стороны Алжира и Марокко. Рузвельт обещал помочь союзнику, но в обмен предложил перевести работы по «Тьюб эллойс» на американскую землю. Ведь за океаном безопаснее, да и в техническом плане возможностей больше, и, кроме того, сырьевые ресурсы рядом – американцы успели вывезти остававшиеся на складах Конго 1250 тонн урана, да и месторождения Канады и штата Колорадо под боком.
Выхода у лидера трещавшей империи не было, и он вынужден был согласиться. Англичане, «обчистившие» французских коллег с присвоением всех патентов на открытия, сами оказались в положении ограбленных, и к 13 августа 1942 г. все работы по атомному проекту были переведены на территорию США. В этот день родилось и его кодовое наименование «Проект Манхэттен». Англичан и прочих «французов» сразу же отодвинули в сторону. По крайней мере, уже 2 декабря 1942 г. на запуск первого экспериментального реактора англичан не допустили. Спустя годы англичане пытались убедить мир, что именно они были мозгом «Манхэттенского проекта», а американцы выступали только в роли тупой мускульной силы. Тем не менее Англия получила атомное оружие лишь в 1952 году, а Франция – в 1960.
К исходу Второй мировой войны человечество открыло ящик Пандоры, освободив титаническую энергию урана. Согласно греческой мифологии, бог Уран – порождение Хаоса. Мы подошли к черте, когда накопленный на оружейных складах уран способен уничтожить жизнь на планете и опрокинуть ее в Хаос.
Космическая круговерть. Небо в алмазах
Мир распахнулся в центильоны раз.
Соотношенья дико изменились,
Разверзлись бездны звездных Галактей,
И только Богу не хватило места.
Максимилиан Волошин
Зададимся такими вопросами: как вообще появился уран на Земле? Откуда взялись минералы урана? Они всегда были на Земле? Но ведь когда-то и Земли не существовало! Значит, весь уран из космоса? А разве в космосе барражируют минералы урана? Про железные метеориты слышал каждый, а вот про урановые…
Давайте разбираться. И начнем издалека. Из такого далека, в котором ничего не было. Вообще ничего. Даже света. «И сказал Бог: да будет свет. И стал свет…» – и далее по тексту. Если посмотреть с позиций креационизма, все давным-давно описано и разъяснено в книге Бытия: Земля, и все, что на ней и в недрах, было создано в ходе акта Творения, причем ударными темпами.
Если же встать на путь эволюционизма, то процесс формирования нашего мира выглядит несколько дольше недели. Но, что примечательно, космология, как и Библия, утверждает: в Начале Начал произошло отделение Света от Тьмы: примерно 13,8 млрд лет назад случился Большой взрыв, когда Пространство, Энергия и Материя возникли из непостижимой Пустоты. Проверить опытным путем это невозможно, и выводы ученых, как и утверждения теологов, остается принимать на веру.
Собственно, Большой взрыв не привел к образованию минералов. Никакие кристаллические соединения не могли образоваться и тем более сохраниться в бешеном вихре, явившемся из Ниоткуда. По расчетам физиков, понадобилось около полумиллиарда лет, чтобы в остывающем котле Большого взрыва образовались первые атомы – атомы водорода и гелия.
Спустя еще каких-то 300 миллионов лет под действием гравитации возникли первые звезды, в недрах которых начались термоядерные реакции и образование более тяжелых элементов – вплоть до железа. Сегодня принято считать, что все элементы тяжелее железа, в том числе уран, возникли в результате взрывов сверхновых.
Но недавние изыскания специалистов в этой области предполагают более экзотические процессы. Ученые считают, что здесь замешаны так называемые примордиальные черные дыры – небольшие аналоги «обычных» черных дыр звездной массы, возникавшие в первые мгновения жизни Вселенной из особо плотных скоплений темной материи. Они обладали множеством необычных свойств, в том числе способностью проникать внутрь более крупных объектов, не разрывая их на части, как это делают обычные черные дыры[7 - Cotner E., Kusenko A., Primordial black holes from scalar field evolution in the early universe // Phys. Rev. 2017, V. 96. doi:10.1103/PhysRevD.96.103002.].
При столкновении с пульсаром примордиальная черная дыра буквально «выедает» его изнутри. В соответствии с законами физики, уменьшение радиуса приводит к резкому возрастанию скорости вращения пульсара, да так, что от него начинают отлетать «ошметки».
Материя нейтронной звезды, обладающая сверхвысокой плотностью и полностью состоящая из нейтронов, после подобного «катапультирования» становится нестабильной и превращается в «обычную» материю, при этом рождаются атомы тяжелых элементов.
Именно тогда в космосе появился и уран. Пока только элемент уран, а не его минералы. По оценкам ученых это случилось около 6,6 млрд лет назад. В это же время во Вселенной образовались и первые минералы, это были кристаллы чистого углерода – графит и алмаз. Да-да, небо расцветилось алмазами, правда, чрезвычайно мелкими – размерами с наночастицы. Постепенно к первым углеродистым образованиям начали добавляться и другие высокотемпературные твердые вещества, сложенные из соединений кальция, магния, азота и кислорода.
Перенесемся вперед во времени – примерно на 9 миллиардов лет от Большого взрыва.
На задворках Галактики, где-то на полпути от центра Млечного пути в это время существовало гигантское облако, состоящее из газа и ледяной пыли. Такие межзвездные облака существуют многие миллионы лет без видимых изменений, но иногда какое-нибудь событие может привести к нарушению равновесия, например, ударная волна от взрыва ближайшей звезды. Вероятно, похожий спусковой механизм 4,7 млрд лет назад послужил началом формирования Солнечной системы. Получив импульс начального сжатия и вращения и пополнившись новым веществом, «наше» облако начало сжиматься под действием собственного гравитационного поля. Сначала очень неторопливо вихревые потоки, состоящие из газа и пыли, стали втягиваться внутрь, образуя спираль, сходящуюся в центре формирующегося газового сгустка. По мере нарастающей гравитации облако крутилось все быстрее и быстрее, сжимаясь и ускоряя вращение, оно уплотнялось и расплющивалось в форме диска, в центре которого росло новое небесное тело – наше будущее Светило. Постепенно давление и температура внутри шара поднялись до точки ядерного синтеза, и… Солнце зажглось.
Подробности процессов, сформировавших Землю и другие тела Солнечной системы, частично сохранились в метеоритах. Самые распространенные из них – хондриты, возраст которых определен учеными в 4,65 млрд лет. Они образовались, когда ядерный реактор Солнца пришел в действие и колоссальный выброс энергии воспламенил окружающее пространство. Вспыхнувший огненный смерч сплавил частицы межзвездной пыли в крохотные вязкие капли – хондры (от др.-греч. ??????? – зерно, гранула). В результате пульсирующего излучения молодого Солнца хондры переплавлялись и цементировались (спекались) микроскопическими частичками космической пыли – образовывались хондриты. Это происходило в короткий промежуток времени между рождением Солнца и формированием планет.
Вращение газово-пылевого облака продолжалось несколько миллионов лет. В космической центрифуге хондриты сталкивались и спаивались в более крупные тела – планетезимали. Энергия, возникающая при их столкновении, не уступала ядерной, а запредельные температуры и давление приводили к переплавлению хондр и возникновению новых минералов. Наиболее тяжелые из них «стекали» к центру планетезималей, образуя плотное железо-никелевое ядро, которое обрамлялось вязкой оболочкой из минералов кремния.
Столкновение планетезималей не всегда приводило к их слиянию, иногда, соударяясь, они вновь рассыпались на мелкие «брызги», образуя другой тип метеоритов – ахондриты, в которых хондры уже были переплавлены с образованием новых минералов. Из железо-никелевых ядер, разрушенных планетезималей, образовывались железные метеориты, а из краевых «корок» – «каменные».
По оценке американского ученого Роберта Хейзена, минеральная история Вселенной началась с образования всего двух минералов – графита и алмаза, через несколько миллионов лет в звездной пыли присутствовало уже около десятка новых минеральных образований. В хондритах их количество достигает шести десятков, а в ахондритах – порядка 250[8 - Hazen R. M., Papineau D., Bleeker W., et al. Mineral evolution // American Mineralogist/ 2008, V. 93. P. 1693—1720.].
А что уран? Химические анализы показывают, что в метеоритах он уже содержится. В углеродистых хондритах его содержание достигает 0,0074 ppm (в процентах это составляет – 0,00000074%), в ахондритах – немного больше – 0,07—0,15 ppm (или 0,000007—0,000015%). Но собственно минералы урана в метеоритах пока отсутствуют, в микроскопических количествах он прячется в межзерновом пространстве метеоритов или входит в состав других минералов.
Но не все планетезимали соударяясь вновь рассыпались метеоритами, некоторые достигли очень больших размеров и известны как астероиды, другие и вовсе превратились в планеты, как в малые, так и в полновесные, которые сегодня известны как Марс, Венера, Земля…
Итак, Земля сформировалась. И на ней появился уран. Все-таки из космоса (откуда ж ему еще взяться). Но минералов урана на планете все еще нет. Молодая Земля слеплена из мешанины хондритов, ахондритов, обломков мелких планетезималей, протопланет, и на ней царит первозданный хаос.
Одни исследователи, как, например, Р. Хейзен или В. Е. Хаин, считают, что Земля формировалась как раскаленный шар и первые земные минералы начали формироваться на поверхности остывающей планеты на границе с холодным космосом. Другие, как О. Ю. Шмидт или Дж. Койпер, полагают, что Земля никогда не была полностью расплавленным космическим телом. Изначально она была холодной, и падающие планетезимали только обжигали Землю, но при отсутствии атмосферы место удара быстро остывало.
Новорожденная Земля, «роды» которой продолжались порядка 10 миллионов лет, имела достаточно однородный состав – не существовало еще ни земного ядра, ни коры, ни атмосферы, ни гидросферы. Первичное вещество планеты по усредненному составу представляло резко выраженную ультраосновную породу. Планета представляла собой суровую холодную пустыню с черным небом, яркими немигающими звездами, желтым слабо греющим Солнцем, светимость которого была на 25—30% ниже современной, и непомерно большим диском Луны. Рельеф напоминал испещренную кратерами поверхность Луны, недра были сложены темно-серым первичным веществом. Других пород на Земле пока не существовало.
Изначально холодной была наша юная планета или представляла раскаленный шар, можно было бы с уверенностью сказать, имея в руках неопровержимые доказательства в виде сохранившегося каменного материала первичного вещества. Сегодня можно делать самые различные предположения о том, чем была изначально сложена поверхность Земли, но пикантность ситуации в том, что первоначальные породы, покрывавшие тогда планету, не сохранились, они… утонули. В этом сходятся апологеты как «холодной», так и «горячей» теории происхождения Земли. Правда, они предлагают различные варианты течения событий, но сходятся в одном: в ходе развития планеты первичное вещество оказалось тяжелее и опустилось в раскаленную магму, где переплавилось с образованием новых минералов и горных пород.
Несмотря на колоссальные усилия геологов всего мира найти самые древние породы Земли, достоверно определенный возраст наиболее древних образований не превышает 3,75—3,8 млрд лет, в то время как возраст планеты определяется в 4,6 млрд лет. То есть никаких материальных свидетельств о составе земли за первые 800 миллионов лет не сохранилось? Почти не сохранилось!
В начале века появились сообщения австралийских геологов о находках обломочных зерен минерала циркона, с возрастом… 4,2—4,3 и даже 4,4 млрд лет. О них стоит рассказать подробнее. Тем более что уран имеет к ним прямое отношение.
Уран очень долго не мог обзавестись собственными минералами – более полутора миллиардов лет он находил себе убежища на поверхностях и в микротрещинах пород, входил в состав расплавов, растворов, в общем, крутился как мог. Значительное количество атомов урана приютилось в кристаллических решетках чужих минералов, где они и расположились с комфортом, словно кукушата в неродном гнезде.
Процесс этот в минеральном царстве не так уж и редок и называется изоморфизмом – когда атомы одного химического элемента замещают в кристаллической решетке атомы другого, сходного по размерам. Чаще всего «для проживания» атомы урана выбирали именно минерал циркон (Рис. 1). Надо сказать, что и выбор минералов первые полтора миллиарда лет был не слишком богат. Циркон оказался очень гостеприимным: его кристаллы помимо урана часто вмещают атомы гафния, редких земель, ниобия, тантала, тория; содержания урана в цирконе достигают 1,5%, а иногда и больше!
Рис. 1. Зерно циркона под микроскопом. Увеличение 320 раз.
По [Таусон, 1961[9 - Таусон Л. В. Геохимия редких элементов в гранитоидах. – М.: Изд-во Акад. Наук СССР, 1961. – 231 с.]]. а – микрофотография зерна; б – микрорадиография того же зерна. Темные полоски – треки от распадающихся радиоактивных элементов
Химический элемент цирконий обзавелся собственным кристаллическим «домом» одним из первых на Земле, при этом получившийся минерал циркон оказался на редкость прочным. Хотя он и уступает по твердости алмазу, но в отличие от последнего стойко переносит ударные нагрузки.
Изучая архейские конгломераты и песчаники возрастом 3,5 млрд лет, австралийские ученые выделили из них небольшие кристаллики цирконов, возраст которых оказался равным почти 4,4 млрд лет[10 - Wilde S., Valley J. W., Peck W. H., Graham C. M. Evidence from detrital zircons for the existence of continental crust and oceans on the Earth 4.4 Gyr ago // Nature. 2001, V. 409 (6817). P. 175—178.]. Как такое может быть – породы одного возраста, а минералы в ней намного старше? Объяснение простое: цирконы были вымыты из более древних, первозданных пород.
В неблагоприятных химических условиях кристаллы циркона начинают растворяться, но только лишь обстановка наладится, они снова приступают к самосборке, словно птица Феникс. Процесс этот исследован еще недостаточно. Как отмечает Т. В. Каулина (доктор геолого-минералогических наук, сотрудник Кольского научного центра РАН): «Практически нет работ, посвященных выявлению общих закономерностей образования и преобразования циркона в природе». Кроме того, нам почти ничего не известно о том, какова была химическая среда на протопланетной поверхности[11 - Каулина Т. В. Образование и преобразование циркона в полиметаморфических комплексах. – Апатиты: Кольский научн. центр РАН, 2010. – 144 с.]. Среди архидревних кристаллов циркона попадаются экземпляры с «луковичным» строением, сердцевина которых окружена рядом более молодых слоев. При этом прослеживается закономерность – чем ближе к центру минерала, тем богаче концентрация урана: кристаллы циркона частично растворялись, выпуская в «свободный полет» своих урановых и прочих «кукушат», входящих в кристаллическую решетку, а затем обрастали новыми, уже «очищенными» слоями (Рис. 2).
На разрушение цирконового «убежища» влияли не только внешние факторы среды, но и некоторые «квартиранты». Радиоактивные частицы, образующиеся в ходе распада урана, разрушали структуру циркона изнутри, в результате чего он становился метамиктным[12 - Метамиктизация – переход кристаллических минералов в аморфное состояние в результате радиоактивного превращения элементов, входящих в их состав. Метамиктизация происходит в результате нарушения связей в кристаллической решетке под воздействием радиоактивного излучения. Но при нагревании метамиктичные минералы способны вернуться к первичному состоянию.]. Конечным продуктом радиоактивного превращения урана является радиогенный свинец, размер атомов которого больше, чем у элементов, входящих в минерал циркон. Атомы свинца втискиваются в кристаллическую решетку циркона, словно медведь в теремок, и кристалл как бы «распирает». Его правильная форма нарушается. Такой циркон называют уже иначе – циртолитом[13 - От греческого «киртос» – кривой, выпуклый (имеется в виду искривленность граней кристаллов).].
Рис. 2. Фотография зонального циркона, полученная катодолюминисцентным методом. Для наглядности зоны окрашены. Возраст кристалла около 4,4 млрд лет. [Изображение с сайта livescience.com[14 - Confirmed: Oldest Fragment of Early Earth is 4.4 Billion Years Old [Электронный ресурс] // livescience.com. URL: https://www.livescience.com/43584-earth-oldest-rock-jack-hills-zircon.html (дата обращения: 28.07.2022).]].
Радиусы атомов, составляющих минерал циркон (ZrSiO
) следующие:
цирконий Zr – 160 пм, кремний Si – 132 пм, кислород О – 60 пм,
уран U – 138 пм, а свинец Pb – 175 пм.
Пикометр (пм) – единица измерения длины, равная одной триллионной (то есть 1/1.000.000.000.000) части метра. Пикометр меньше нанометра в тысячу раз.
Известно, что элемент уран состоит из двух основных изотопов:
U и
U, – причем
U распадается быстрее, а значит миллиарды лет назад его было больше. Поэтому процесс разрушения кристаллической решетки циркона протекал тогда быстрее[15 - В природе существует несколько изотопов урана, важнейшими являются уран-238 (
U) и уран-235 (
U). Первого на Земле примерно 99,3%, а второго – какие-то несчастные 0,7%. Они отличаются временем распада. Период полураспада урана-238 составляет 4,5 миллиарда лет, а урана-235 – 700 миллионов лет. То есть за 4,5 миллиарда лет количество урана-238 уменьшилось на земле в два раза, а уран-235 уменьшается вполовину каждые 700 миллионов лет. Простые арифметические подсчеты показывают, что за те же 4,5 миллиарда лет количество изотопа урана-235 сократилось почти в семьдесят раз. То есть в первых цирконах концентрация высокоактивного
U была в десятки раз выше.]. Но существовал в то время еще один, еще более короткоживущий радиоактивный изотоп – плутоний-244.
В журнале «Science» в октябре 2004 года была опубликована статья американских геологов[16 - Turner G., Harrison T. M., Holland G., et al. Extinct 244Pu in ancient zircons // Science. 2004, V. 306. P. 89—91.], в которой приводились доказательства былого наличия плутония-244 (
Pu) в исследованных цирконах. Этот ныне потухший изотоп имел период полураспада всего 82 миллиона лет и «вымер» в течение первых 600 миллионов лет после образования Земли. Но его присутствие еще более ускоряло процесс разрушения древних цирконов.
Освобождавшиеся из кристаллической решетки атомы урана «выпархивали» на свободу и при благоприятных обстоятельствах готовы были образовывать свои устойчивые минеральные соединения.
Кроме циркона уран в виде изоморфных включений входит в состав апатита, монацита, пирохлора, колумбита и других минералов, правда, не в таких количествах.
Да, у геологов нет образцов первичных пород Земли, и все же, в их руках есть реальные «образцы» урана того времени. Правда, микроскопические. Ну, уж что сохранилось…
Молодая земля.
Космическое вещество превращается в земное. Первая минералогическая революция
?
Из вихрей и противоборств возник
Мир осязаемых
И стойких равновесий.
И равновесье стало веществом.
Но этот мир разумный и жестокий
Был обречен природой на распад.
Максимилиан Волошин
?
Итак, Земля сформировалась. Что увидел бы геолог, попади он на новорожденную планету?
Во-первых, ему потребовался бы скафандр. Атмосферы на Земле не было – ни кислородной, ни бескислородной. Газы во время образования планет Солнечной системы унесло солнечным ветром далеко на периферию, где и образовались планеты-гиганты: Юпитер, Сатурн, Уран и Нептун, состоящие в значительной мере из водорода, гелия, аммиака, метана и прочих летучих компонентов. Так что, если бы на юной Земле и образовалась какая-никакая атмосфера – ее бы тотчас сдуло. Гидросферы на планете тоже не было: ни рек, ни морей, ни облаков, ни подземных вод.
Во-вторых, ноги геолога проваливались бы в реголит, который покрывал поверхность планеты. Минералогический анализ отобранных проб показал бы, что вся планета состоит всего из 2—3 сотен минералов[17 - Сегодня на Земле насчитывается уже более 5 тысяч минералов.], среди которых преобладали самородное (метеоритное) железо и его сплавы с никелем (камасит и тэнит), а также железисто-магнезиальные силикаты, обобщенную формулу которых можно представить в виде R
[SiO
], где «R» это Mg, Fe
, Mn и Ca в разных пропорциях. Изредка можно было встретить оливин, пироксены, плагиоклаз, графит, циркон, хромит, магнетит, апатит и микроскопические кристаллы алмаза. А если бы была возможность пробурить скважину хоть до центра планеты – образцы пород и минералов с глубины оставались бы те же. Ведь Земля на первых порах представляла хаотическое скопление спрессованных гравитацией однородных обломков планетезималей и метеоритов.
Вулканов на поверхности планеты пока не было, зато в районе экватора вокруг Земли, словно кольцо вокруг современного Сатурна, еще вращался остаточный рой мелких планетезималей. Падая на Землю, они взрывались, перепахивая и размельчая реголит. Колоссальные температуры, возникающие при ударах, быстро гасились окружающим холодным космосом. Но и этот остаточный рой вскоре иссяк, и вблизи Земли осталось только одно космическое тело – Луна. Ее восходы и закаты представляли пугающе-завораживающую картину: низко нависающий лунный диск занимал добрую половину небосвода – его видимые размеры в 300—350 раз превышали сегодняшние. И если бы наш геолог действительно оказался в это время на планете, он погиб бы от ежесуточных перепадов давления, создаваемого притяжением нашего спутника.
Новорожденная Земля представляла равновесную систему. И все-таки этот мир, по словам Максимилиана Волошина, «был обречен природой на распад». И космическое вещество неотвратимо стало переплавляться в земное. Процесс происходил крайне медленно, да и «раскачалась» Земля не сразу, а произошло это благодаря процессу, который запустила… Луна.
Общеизвестно, наша спутница создает на Земле приливные волны, которые на побережье морей и океанов можно наблюдать воочию. Но Луна влияет и на земную твердь, правда, сегодня для глаза это не заметно, однако на самых ранних этапах развития Земли, когда лунный диск нависал над планетой на высоте всего 7000 км, высота приливов достигала 1,5 км! Причем, воздымалась сама Земля, океанов в то время еще не было. Впрочем, и сейчас вблизи подлунной точки твердая Земля поднимается на 46 сантиметров.
И вращалась планета в то время значительно быстрее – сутки составляли всего 6 часов: Солнцу хватало три часа, чтобы пересечь небосвод и через три часа вновь взойти с востока над безжизненным горизонтом. Наша спутница не могла с такой же скоростью оборачиваться вокруг планеты, поэтому приливной «горб», возникающий на поверхности Земли, постоянно опережал Луну, убегая вперед. Луна же своим притяжением изо всех сил пыталась тормозить убегающую каменную приливную волну, в результате вращение Земли постепенно замедлялось. Но Луна с такой силой тянула этот «горб» на себя, что сама «отклонялась» в обратную сторону – то есть радиус лунной орбиты постоянно возрастал. С точки зрения физики, Луна отдалялась от Земли согласно действию кинетической энергии вращающегося тела (Рис. 3). Сегодня Луна уходит от Земли со скоростью 4 см в год и находится на расстоянии 384,4 тысячи км.
Рис. 3. Схема приливного взаимодействия Земли с Луной:
F – приливная сила, тормозящая вращение Земли; f – приливная сила,
ускоряющая орбитальное обращение Луны; ? – угол запаздывания приливов. По [Сорохтин, Ушаков, 2002[18 - Сорохтин О. Г., Ушаков С. А. Развитие Земли. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 2002. – 560 с.]].
Сейчас трудно представить, как в то отдаленное время по поверхности планеты несся колоссальный каменный вал, делая сотни оборотов в год. Согласно расчетам, он передвигался со скоростью не менее тысячи километров в час! А энергия вызываемых им приливных землетрясений в 17 тысяч раз превосходила энергетический уровень современной сейсмичности Земли[19 - Там же.]. Максимальной амплитуды приливные горбы достигали на экваторе и постепенно уменьшались к полюсам.
Породы внутри циклопической «волны» полуторакилометровой высоты разогревались от трения, однако наработанное тепло почти все уходило в открытый космос, ведь Земля еще не была защищена атмосферой. Но в глубине планеты началось постепенное увеличение температуры, которое без видимых последствий накапливалось в течение 600 миллионов лет. Наконец, к началу архея (около 4 млрд лет назад) недра в районе экватора прогрелись настолько, что метеоритное железо, входящее в состав первичного космического вещества начало плавиться.
Удельная плотность железа составляет 7,85 г/см
, а у прочих силикатных минералов, принесенных из космоса, – 3,27—2,37 г/см
. Такая более чем двукратная разница привела к тому, что расплавленное железо под действием гравитации стало медленно просачиваться вниз, а избавившиеся от тяжести металла силикаты начали всплывать. Процесс преобразования космического вещества в земное стартовал.
Термодинамические расчеты показывают: гравитационное расслоение вещества сопровождалось выделением огромного количества тепла. Чем больше железа выплавлялось и опускалось под действием гравитации в сторону центра Земли, тем больше выделялось тепла, которое растапливало выше и ниже залегающие слои. Началось зарождение и расширение астеносферы – пластичного слоя Земли. Процесс шел крайне медленно – со скоростью около 2 мм в год. Тем не менее он приобрел необратимый характер: стремление тяжелых расплавов железа вниз вызывало встречное движение силикатов – был запущен процесс конвекции – своеобразный «мотор» Земли. Физическое обоснование возникновения диссипативных структур, разновидностью которого является процесс конвекции, дал Илья Пригожин[20 - Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой. – М.: Прогресс, 1986. – 432 с.].
Представим, что наше расплавленное железо медленно движется по колоссальной вертикальной скважине, основание которой находится в центре Земли, а устье выходит к поверхности. Стекающий металл постепенно смещает центр тяжести столба железа к основанию. При этом его потенциальная энергия (произведение массы тела на высоту подъема) неизбежно уменьшается. Но суммарная энергия Земли, если верить законам сохранения, остается неизменной. При этом потенциальная энергия, теряющаяся при стекании железа, преобразуется в кинетическую энергию молекул – то есть уходит в нагрев. Согласно расчетам, эта энергия составляет величину 4х10
кал. Этого с лихвой хватает, чтобы растопить недра изначально холодной планеты.
Примерно 3,8 млрд лет назад астеносферный слой в районе экватора расширился настолько, что его отдельные перегретые «протуберанцы» стали пробиваться к поверхности планеты, сокрушая первозданную холодную оболочку (Рис. 4). Земля начала активно «дышать»: вырывавшиеся из недр расплавы растекались лавовыми полями, выделяя огромное количество жидкости и газов. Началось формирование атмосферы и гидросферы. Планета покрылась одеялом перегретых облаков, которые состояли в основном из водяного пара (75%) и углекислого газа – СО
(15%), остаток приходился на соединения серы и другие вулканические газы, часть из которых оставалась в атмосфере, а часть растворялась в водах зарождающегося океана.
Рис. 4. Разрушение первичной коры Земли.
Черное поле – расплавы железа и его окислов; точки – формирующийся
астеносферный слой, обедненный железом; черточки – первичное земное
вещество; эллипсы со стрелками – конвекционные потоки; фонтаны – выбросы вулканов (H
O, CO
, CO, SO
, H
S, CH
и др.). По [Сорохтин, Ушаков, 2002[21 - Сорохтин, Ушаков, 2002. Указ. соч.]]
с дополнениями.
Появившиеся мелководные морские бассейны начали гасить приливную энергию, и со временем она перестала заметно влиять на разогрев планеты. Но Луна уже сделала свое дело, послужив спусковым механизмом конвективных потоков. С этого времени начинается собственно геологическое развитие планеты за счет внутренней энергии.
Справедливости ради, надо заметить, что в разогрев Земли вносил свою долю и радиоактивный распад урана, тория, калия, а в то давнее время еще и плутония и других трансурановых элементов, которые к сегодняшнему дню распались. Вот только гравитационная дифференциация весь свой жар выделяла в узком прослое астеносферы, а радиоактивный распад «пытался» прогреть всю землю разом. Но уж слишком распылены были отдельные атомы радиоактивных элементов – может ли согреть отдельная искорка? Современные месторождения урана или тория содержат концентрации радиоактивных элементов в сотни тысяч раз выше, но «температура» этих месторождений не отличается от окружающих пород. Хотя полностью игнорировать тепло радиоактивного распада не стоит – особенно на самых ранних периодах развития, когда еще не «самоликвидировались» трансурановые элементы.
Между тем процесс гравитационной дифференциации вещества набирал обороты, и на Земле начала складываться неустойчивая ситуация.
Плотность первородных космических отложений, покрывавших Землю, составляла около 4 г/см
, а образовавшийся астеносферный слой после избавления от железа был гораздо легче – 3,2—3,3 г/см
, причем мощность этого слоя неуклонно возрастала. Холодный и более тяжелый космический материал какое-то время еще держался на поверхности вязкого расплава, но ситуация не могла сохраняться вечно и закономерно разрешилась «утоплением» первичного вещества в астеносфере. Там оно со временем переплавилось и постепенно превратилось в земное.
Закончился догеологический этап развития Земли – катархей. Начался архей.
Не успело утонуть в недрах последнее первородное вещество, как планета начала одеваться новой корой. Конвективные потоки продолжали поставлять к поверхности пышущую магму, наполненную растворенными газами. Вырываясь из недр, адское варево выплескивалось прямо в космическую пустоту, где царил вечный холод и практически отсутствовало давление.
При резком перепаде давления магма буквально «вскипала», выпуская растворенные газы и пары воды, а шоковое понижение температуры быстро остужало раскаленную смесь, превращая ее в пористый базальт. Плотность этой породы невелика – всего 2,8—2,9 г/см
, поэтому возникавшие над конвективными ячейками базальтовые массивы в прямом смысле слова плавали по поверхности мантии, подобно мясной пенке в кипящем бульоне.
Состав этой «пенки» был уже не тот, что у первородного вещества. Базальт, рожденный в горниле астеносферы, состоит из минералов группы пироксенов и плагиоклазов. Пироксены недалеко ушли от классических железо-магнезиальных силикатов – в них только несколько увеличилось содержание кремния и кислорода – (Mg, Fe)
Si
O
. А вот плагиоклазы – другое дело, здесь место железа прочно занял алюминий, к которому присоединились в разных пропорциях натрий и кальций. Химическая формула плагиоклазов – NaAlSi
O
– CaAl
Si
O
, где натрий и кальций способны полностью замещать друг друга. В базальтах резко преобладают так называемые основные плагиоклазы, где главенствует кальций.
Плагиоклазы ознаменовали появление на земле новой обширной группы минералов – алюмосиликатов, где слились в триумвирате самые распространенные на Земле элементы: кислород, кремний и алюминий.
С появлением базальтов первая минералогическая революция свершилась – космическое вещество превратилось в земное.
Плагиоклазы – это условная сотня минералов, представленная непрерывным изоморфным рядом (твердым раствором) натриево-кальциевых алюмосиликатов от альбита (NaAlSi
O
) до анортита (CaAl
Si
O
). Состав плагиоклаза обозначают номером по процентному содержанию анортита. Например, плагиоклаз №84 представляет изоморфную смесь, содержащую 84% анортита и 16% альбита. При этом четыре промежуточные точки ряда получили собственные названия: олигоклаз (20% An), андезин (40% An), лабрадор (60% An) и битовнит (80% An), но по действующей номенклатуре Международной минералогической ассоциации (IMA), эти промежуточные члены твердого раствора не должны считаться минералами.
C увеличением анортитовой составляющей в плагиоклазах убывает содержание кремнезема, в связи с чем плагиоклазы от №0 до №30 называются кислыми, №30—50 – средними и №50—100 – основными.
В виде примесей плагиоклазы иногда содержат K
O (до нескольких процентов) и другие окислы.
Мощность астеносферы на первых порах была невелика, и конвективные ячейки, возникшие в ее толще, имели небольшие размеры, но их было достаточно много. С расширением астеносферы вширь и вглубь увеличивался объем циркулирующей мантии и возрастали размеры конвективных ячеек. Сталкиваясь, они спаивались друг с другом, образуя ядра будущих архейских щитов (Рис. 5а-б).
Поступающий из недр расплавленный базальт, постепенно расползаясь, обволок всю поверхность планеты сплошным хрупким, но пока маломощным панцирем. Но снизу поступали на-гора все новые порции вещества, которому уже некуда было растекаться, и базальтовые плиты начали громоздиться друг на друга. Под собственным весом нагромождения базальтовых пластин все глубже погружались в перегретую мантию, но за счет высокой пористости первозданные материки высоко вздымались над уровнем океана. По оценке отечественных геологов, уровень стояния континентов в течение всего архея и начала раннего протерозоя был исключительно высоким, их поверхность возвышалась над океанами на 4—6 км[22 - Сорохтин Н. О., Сорохтин О. Г. Высота стояния континентов и возможная природа раннепротерозойского оледенения // Докл. РАН. – 1997. – Т. 354, N 2. С. 234—237.].
Незаметно пролетело полтора миллиарда лет, и к концу архея сложилась ситуация, зеркально противоположная той, которая была в начале эона, когда остатки космического вещества погрузились в астеносферу. Теперь картина оказалась перевернутой: под тонкой земной корой образовалась мощная толща раскаленного вязкого слоя, обогащенная в нижней части тяжелым расплавленным железом, а в центре Земли все еще сохранялось холодное первичное космическое вещество. Теперь уже более легкая и жесткая сердцевина планеты оказалась заключена в глубине вязкой, но более тяжелой субстанции. Рано или поздно ситуация должна была стабилизироваться.
Если в начале архея расплавленная лента астеносферы окольцовывала Землю только в узком тропическом поясе, то со временем, разрастаясь к полюсам и на глубину, кольцевой слой жидкого железа практически полностью «обернул» первичное вещество, за исключением высоких широт, где холодная сердцевина планеты до поры оставалась жестко связанной с еще не разогретыми полярными областями. Прогрев полярных областей полностью замкнул первичное вещество в оболочке расплавленного железа и нарушил хрупкое равновесие. Холодная сердцевина Земли начала всплывать, словно поплавок, а на его место постепенно стекло тяжелое железо, образовав металлическое ядро (Рис. 5в-г).
Рис. 5. Последовательные этапы развития процесса зонной дифференциации земного вещества и формирования плотного ядра Земли. Черное – расплавы железа и его окислов; белое – мантия, обедненная железом и сидерофильными элементами; черточки – первичное земное вещество; радиальная штриховка – континентальные массивы. По [Сорохтин, Ушаков, 2002[23 - Сорохтин, Ушаков, 2002. Указ. соч.]].
Время всплытия остаточного холодного вещества оценивается в 400, а может быть, и все 500 миллионов лет (геология не терпит суеты). Такой чудовищный по масштабам «бульк» в центре планеты привел в конце архея к полной перестройке конвективных течений и образованию гигантской одноячеистой конвективной структуры с единым восходящим потоком над местом всплытия бывшей сердцевины Земли и нисходящим – над областью стока железа. Центростремительные потоки над нисходящей конвективной структурой стянули обособленные до этого континентальные массивы в первый в истории планеты суперконтинент Моногея (Рис. 5г). Процесс сопровождался колоссальным столкновением плит и крупнейшим в истории Земли кеноранским тектономагматическим диастрофизмом, которым завершился архейский этап развития Земли.
Наступил протерозой. До сегодняшнего дня остается 2,5 миллиарда лет.
Пока мы рассматривали процессы, которые происходили в недрах планеты. А какие события в это время разыгрывались на поверхности? А на поверхности появилась Жизнь.
Жизнь вносит коррективы.
Когда нечего есть, станешь и камни грызть
В начале был единый Океан,
Дымившийся на раскаленном ложе.
И в этом жарком лоне завязался
Неразрешимый узел жизни: плоть,
Пронзенная дыханьем и биеньем.
Планета стыла.
Жизни разгорались.
Максимилиан Волошин
Пока мы рассматривали процессы, которые происходили с огромными массами вещества. Теперь перейдем от планетарных масштабов к микромиру.
В мире звезд и планет важнейшую роль играет гравитация. В наномире, где обитают атомы, она не так важна. Здесь правит электромагнитная сила, которая проводит работу по перестановке отдельных атомов и молекул, образуя все многообразие веществ в нашем мире.
Атомы почти полностью состоят из пустоты. В центре расположено крошечное ядро из протонов и нейтронов, а по удаленным орбитам, каждая из которых связана со своим энергетическим уровнем, носятся электроны. При любой возможности они стремятся попасть ближе к ядру, ведь тогда орбита получается короче, и энергии требуется меньше. Обычно электрон вращается вокруг своего ядра, но, если подворачивается более «заманчивое предложение», этот изменщик может перескочить в соседний атом с незаполненной внешней орбитой. В результате этой «незаконной связи» образуется новое вещество. По сути, вся атомно-молекулярная жизнь основана на эквилибристике электронов.
Химическая связь между атомами возникает, когда их электронные оболочки объединяются. В одних случаях электронное облако делится по-братски – пополам. В других – более «наглый» атом перетягивает электронное «одеяло» на себя, и тогда перед вторым партнером встает дилемма: довольствоваться краешком облака, теснее прижимаясь к наглецу, или вовсе остаться без электрона. В случае, если облако растягивается на два ядра, образующаяся стабильная связка атомов называется молекулой.
Любая химическая реакция – это столкновение молекул и атомов, в результате чего происходит перераспределение их электронных облаков. Молекулы, словно гиперактивные дети, постоянно носятся туда-сюда и все время сталкиваются. Иногда от этого у них что-нибудь отваливается, или, наоборот, притягивается. Но для свободы передвижения нужно пространство маневра, а его не всегда хватает.
Первоначально Земля представляла спрессованные глыбы космических пород. С точки зрения химика, это были твердые вещества, состоящие из бесчисленного числа перемешанных молекул. В твердом веществе атомы «замурованы» в кристаллических решетках, словно узники в одиночных камерах, и электроны практически лишены возможности завязывать связи «на стороне», поэтому с образованием новых минералов в то время было туго.
Рождение сугубо земных минералов началось со скрипом в образующемся вязком астеносферном слое, когда атомы получили относительную свободу, барахтаясь в густом раскаленном расплаве. И только когда магма вырвалась наружу, все завертелось в сумасшедшем темпе. Огнедышащий ад обуял планету – извергающаяся лава вскипала у поверхности парами воды и исходила вулканическими газами. Перегретые частицы вулканического пепла сталкивались, терлись друг о друга, а баллоэлектрический эффект[24 - Баллоэлектрический эффект – электризация водяных капель, возникающая при распылении водяной струи на отдельные мелкодисперсные капли.] многократно усиливал электризацию пепла. И без того черное небо планеты (кислородной подушки у Земли пока не было) заволокли наэлектризованные пепло-газовые тучи, прорезаемые бесконечными вспышками молний.
По подсчетам вулканологов, в ходе извержения вулкана Тятя на Курилах в 1973 году число молний измерялось десятками миллионов! И это всего за два дня извержения, и из одного вулкана[25 - Мархинин Е. К. Вулканы и жизнь: (проблемы биовулканологии). – М.: Мысль, 1980. – 196 с.].
В момент разряда в канале молний химические элементы ионизируются: электроны получают свободу. Дотошные исследователи подсчитали, что каждая молния выбрасывает в окружающее пространство 1х10
свободных электронов!
В пепло-газовом вулканическом столбе есть все необходимые для образования жизни компоненты: водяной пар, водород, аммиак, углеводороды, СО, СО
, соединения серы и т. д. По мнению отечественного геолога Е. К. Мархинина – основателя биовулканологии, – «Вулканические извержения, и в первую очередь пепло-газовые вулканические столбы, явились мощными природными химическими реакторами, в которых в большом масштабе образовывались сложные, биологически важные органические соединения – „молекулы жизни“. Именно с образования этих вулканогенных „молекул жизни“ на Земле началась молекулярная эволюция по пути к преобразованию неживой материи в живую, приведшая впоследствии к возникновению жизни»[26 - Там же.]. Но, с другой стороны, если разряд электричества способен породить органические молекулы, то он же может и растерзать их в клочья.
Современные исследователи полагают, что добиологические молекулы, давшие впоследствии старт Жизни, образовались в ходе менее затратных химических реакций. Например, Михаил Никитин, научный сотрудник НИИ физико-химической биологии им. А. Н. Белозерского полагает, что жизнь возникла в грязи, точнее вокруг грязевых вулканов (такие вулканы «извергаются» не благородной лавой, а жидкой глиной)[27 - Никитин М. Происхождение жизни. От туманности до клетки. – М.: Альпина нон-фикшн, 2018. – 542 с.], а известный популяризатор науки, британский биохимик Ник Лейн считает, что для возникновения Жизни и вовсе необходимо и достаточно было всего лишь трех компонентов: горной породы, воды и углекислого газа[28 - Лэйн, Ник, 2018. Указ. соч.]. То есть жизнь возникла на грани трех агрегатных состояний вещества – твердого, жидкого и газообразного. Но американские ученые палеонтолог Питер Уорд и геобиолог Джо Киршвинк все же уверены, что именно катаклизмы способствовали появлению жизни, причем больше, чем все остальные силы вместе взятые[29 - Уорд П., Киршвинк Д. Новая история происхождения жизни на Земле. – СПб.: Питер, 2016. – 464 с.]. Есть мнение, что основной вклад в этот процесс внес уран[30 - Adam Z. Actinides and life’s origins // Astrobiology, 2007, V. 7. P. 852—872.], но это представляется малоубедительным – ведь в раннем архее уран еще не накопил значительных концентраций и не обзавелся собственными минералами, чтобы дать толчок зарождающейся Жизни. Все это занимательно, но… не наша тема.
Так возникла жизнь или эдак – не принципиально, для нас важнее, как она «работает». Для ее поддержания нужен постоянный приток энергии. Для всех живых организмов (и для нас, людей, в том числе) это потенциальная химическая энергия, заключенная в пищевых веществах. Мы заряжаемся пищей, которая содержит избыточные электроны и вдыхаем кислород, который их принимает. Организм расщепляет пищу, отрывая электроны, которые проходят сквозь клетки, участвуя в сложном комплексе химических реакций. В ходе этого процесса клетки вырабатывают аденозинтрифосфат (АТФ) – молекулу, которая действует как накопитель энергии почти во всех живых организмах. То есть для получения энергии организм постоянно должен пропускать через себя поток электронов, получая их с пищей. Мы живем, заряжаясь электронами.
На заре Жизни мир был полон свободных электронов и некоторые организмы приспособились питаться электрической энергией, вкушая голые электроны «без гарнира». Сегодня выявлено около десятка разновидностей древнейших бактерий, потребляющих электричество напрямую[31 - Meet the electric life forms that live on pure energy. [Электронный ресурс] // NewScientist URL: https://www.newscientist.com/article/dn25894 (дата обращения: 01.08.2022).]. Причем при закислении среды до рН=2 (что примерно соответствует кислотности первобытного океана и архейской атмосферы) «прожорливость» этих микробных сообществ возрастает на два порядка[32 - Malvankar N. S., Vargas M., Nevin K., et al. Structural Basis for Metallic-Like Conductivity in Microbial Nanowires // mBio. 2015, V. 6 (2). doi: 10.1128/mBio.00084—15.]. Косвенно это может означать, что разнообразие подобных микроорганизмов в те эпические времена было значительно больше, но, не сумев приспособиться к изменяющейся обстановке, далеко не все из них дожили до наших дней.
Со временем вулканическая вакханалия молодой планеты стала утихать, количество «неприкаянных» электронов в окружающей среде снизилось, и бактериям пришлось переходить на новый рацион питания. Выжили те, которые приспособились встраиваться в геохимические циклы, и использовать электроны, которыми обмениваются химические элементы во время реакций.
В ходе геохимического круговорота, запущенного Луной, первородные космические породы и минералы вступали в химические реакции с образованием новых, уже сугубо земных отложений. Процессы сопровождались выделением или поглощением тепла и энергии, при этом преобладали окислительно-восстановительные реакции, происходящие благодаря обмену электронов между веществами. К чисто химическим реакциям начали присоединяться непрошенные участники – микроорганизмы – так называемые хемоавтотрофы[33 - Хемоавтотрофы – организмы, чаще всего бактерии, которые образуют органические вещества за счет энергии окисления неорганических веществ. По типу питания все организмы разделяются на автотрофные и гетеротрофные. Автотрофные, то есть «самостоятельно питающиеся», умеют превращать неорганический углерод в органику (делают живое из неживого). Гетеротрофы не способны к этому и являются, по сути дела, нахлебниками автотрофов: они полностью зависят от производимых ими органических соединений. Автотрофы синтезируют органику из СО
. При этом хемоавтотрофы для этого пристраиваются к какой-нибудь химической реакции, а фотоавтотрофы используют энергию солнца. Фотоавтотрофы делятся в свою очередь на аноксигенных (не выделяющих кислород) и оксигенных, или кислородных.], используя электроны для своих нужд. С помощью белков-ферментов они научились многократно ускорять реакцию, и, если реакция идет с выделением энергии, она подхватывается живым веществом и используется для синтеза АТФ. Имея запас АТФ хемоавтотрофы получают возможность осуществлять уже те реакции, которые идут с поглощением энергии, например, синтез органики из углекислого газа.
Донорами электронов для хемоавтотрофов архея могли выступать водород и сероводород, двухвалентное железо или соединения аммиака. В поисках пропитания – необходимых электронов и микроэлементов – бактерии с энтузиазмом принялись разлагать горные породы. С той поры хемоавтотрофы ведут с горными породами настоящую войну, воздействуя на них богатым арсеналом химического оружия. Некоторые бактерии в процессе жизнедеятельности выделяют муравьиную, уксусную, пропионовую, азотную, серную (вплоть до 10%-ого раствора, способного прожечь бумагу!) и другие кислоты, разрушающие минералы.
В течение первого миллиарда лет существования биосферы прокариоты здорово «пощипали» каменную оболочку Земли и между делом сократили свою кормовую базу. Но Жизнь не стояла на месте: все это время одна за другой появлялись новые формы микробов и бактерий со своими способами получения энергии из окружающего пространства.
Примерно 3,7—3,2 млрд лет назад некоторые микробы научились немного «подкармливаться» солнечным светом. Да, это уже был фотосинтез, но пока еще не полноценный – аноксигенный, в ходе которого не происходит выделения кислорода. Световую энергию солнца бактерии научились переводить в разность электрохимических потенциалов, которая использовалась клеткой для синтеза АТФ. Конечно, это был гораздо менее эффективный способ утилизации солнечной энергии по сравнению с настоящим фотосинтезом, но зато и более простой.
Живые существа, овладевшие секретом аноксигенного фотосинтеза, получили доступ к неисчерпаемому источнику энергии – солнечному свету. Но их зависимость от дефицитных химических веществ все еще сохранялась, ведь для фотосинтеза одного света мало – нужна еще какая-нибудь субстанция, от которой можно оторвать электрон: например, сероводород или железо.
Ориентировочно в это же время (свыше 3,2 млрд лет назад) появились и гетеротрофы. Это значит, что к этому времени микробы-первопроходцы накопили «жирок» и Земля обзавелась достаточным количеством органики, способным прокормить новое поколение Жизни. Появились так называемые бродильщики. Кислород в то время еще был в жутком дефиците, поэтому они приспособились получать энергию за счет бескислородной ферментации (сбраживания) отмерших собратьев.
«Сообразив», что в одиночку прожить трудно, микробы на самых ранних этапах развития Жизни начали сотрудничать, сообща решая задачи выживания. Высшим достижением первого миллиардолетия жизни стали сложные микробные сообщества – бактериальные маты, которые появились предположительно 3,55 млрд лет назад. В основе их жизнедеятельности еще лежал аноксигенный фотосинтез. Эта форма жизни господствовала на планете в неизменном виде сотни миллионов лет, пока Жизнь не совершила новое открытие: примерно 2,7 млрд лет назад появились цианобактерии, открывшие миру кислородный фотосинтез. Жизнь приспособилась перерабатывать лучевую энергию солнца с бо?льшим КПД. Это «изобретение» стало важнейшим поворотным пунктом: в ходе оксигенного фотосинтеза донором электрона является уже не горная порода, а поистине неисчерпаемый земной ресурс – обычная вода, а побочным продуктом – кислород. Кислородный фотосинтез сделал бактерии независимыми от соединений серы и железа и открыл перед ними небывалые возможности. Но за все надо платить – кислород оказался настоящим ядом для существовавших на тот момент форм жизни. Спокойному существованию анаэробных организмов микроорганизмов на планете пришел конец: началась борьба за выживание. И все-таки, несмотря на появление цианобактерий, господство прокариот на Земле продолжалось еще почти два миллиарда лет.
Возникшие в архее бактериальные маты по уровню целостности вплотную приблизились к настоящему организму, но все-таки не достигли этого уровня. Прокариоты так и не смогли дать начало многоклеточным организмам, для этого они были слишком эгоистичны: каждый отдельный микроб «был сам за себя» и теоретически имел возможность вернуться к самостоятельной жизни вне коллектива. В этом сообщество мата схоже с муравейником – каждый муравей тоже может в любой момент покинуть собратьев – но долго ли он протянет в этом жестоком мире? Как и в муравейнике, жильцы бактериальной колонии имели свои обязанности. «Настройка» этого сообщества происходила в зависимости от меняющихся условий среды.
Первоначально бактериальные маты, вероятно, состояли из двух слоев, то есть это был еще не мат, а так – биопленка. Ее верхний этаж населяли аноксигенные фототрофы, которые к этому времени научились синтезировать органику из углекислого газа атмосферы. Но чтобы преобразовать энергию света в энергию электронов силенок им не хватало, и они отнимали электроны у того же железа, растворенного в водах первичного океана. Тут им на помощь приходили электробактерии. Современные исследования показывают, что эти последние могут объединяться в «нанопровода» длиной до нескольких сантиметров (вполне достаточно, при «стандартной» толщине пленки в 1—2 см) и переносить электрон по живой электроцепи[34 - Kato S., Hashimoto K., Watanabe K. Microbial interspecies electron transfer via electric currents through conductive minerals // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2012, V. 109 (25). 10042—10046.]. Эдакий живой «электропровод», опускался в «подпол», нащупывал в мутной воде ион железа, забирал у него электрон и передавал в верхние слои мата собратьям для пропитания, с помощью которого они и превращали углерод углекислого газа в органические молекулы.
Нижний слой биопленки был представлен «падальщиками». Здесь обитали бродильщики, которые питались «чем бог послал» – отмершей органикой верхнего слоя и отжившими свой век (сгоревшими на работе, так сказать) электрическими бактериями. Этот этаж они делили с анаэробными хемолитотрофами: серными бактериями, железобактериями и другими, которые занимались переработкой и утилизацией горных пород.
Пытаясь защититься от жесткого ультрафиолетового излучения, бактерии верхнего слоя выделяли липкую субстанцию (выражаясь по-научному – внеклеточное полимерное вещество) на которую налипала мельчайшая муть, плавающая в океане. Процесс можно сравнить с накоплением пыли на мебели у нерадивой хозяйки. Кроме того, микробные сообщества научились изменять среду обитания: при наличии в воде большого количества взмученных частиц они стали синтезировать поверхностно-активные вещества – сурфактанты, в присутствии которых частицы оседали и слипались[35 - Громов Б. В. Цианобактерии в биосфере // Соросовский образовательный журнал. 1996. N 9. С. 33—39.]. Жить под защитой тонкого полупрозрачного слоя осадка микроорганизмам было выгодно: все-таки это была какая-никакая дополнительная защита от ультрафиолета, да и необходимая микробам влага здесь дольше сохранялась. Но когда накапливался критический слой минеральной пыли, затемнявший свет, бактерии прорастали сквозь еще не схватившийся осадок этажом выше, образуя новую поверхность. И это продолжалось снова и снова. Так бактерии, утилизируя водную муть древних океанов слой за слоем, начали строить свои жилища. Нижележащие осадки постепенно минерализовались, образуя полосчатые волнообразные отложения – строматолиты[36 - Строматолиты (др.-греч. ?????? «ковер, подстилка» и ????? «камень») – ископаемые (чаще карбонатные) отложения выпуклой или неровной формы, образовавшиеся в результате жизнедеятельности бактериальных матов на мелководье.]. Современные строматолиты прирастают со скоростью 0,3 мм в год, правда, они растут несколько по-другому. Двухэтажные маты архея – раннего докембрия только структурировали естественное осадконакопление, подчеркивая границы слойков отмершей органикой, – строматолиты не создавались бактериями. Полосчатость строматолитов объясняется изменением скорости образования осадка. Если налипание минеральной «пыли» было медленным, бактерии прорастали через рыхлый осадок, словно по расписанию и без проблем. При «лавинообразном» накоплении осадка микроорганизмы проползали сквозь накопившийся аномально толстый слой с трудом и не без потерь. На этой стадии сообщество было наиболее уязвимо и теряло по пути часть товарищей. Некоторым из «усопших» «повезло» сохраниться до наших дней в виде тончайших нитей окаменевшего органического вещества – керогена толщиной 2—7 мкм (человеческий волос имеет диаметр 80—110 мкм). Окаменевшие остатки недоползших до поверхности микробных цепочек идентифицированы учеными в строматолитах Онвервахта (ЮАР) и Варравуна (Западная Австралия) возрастом 3,5 млрд лет[37 - Сумина. Е. Л. Экспериментальное изучение сообщества нитчатых цианобактерий и проблема морфогенеза строматолитов: дисс. канд. биол. наук. М. 2008. – [Электронный ресурс] // Палеофорум. URL: http://www.paleoprom.ru/221-2/ (дата обращения: 24.09.2020).]. То есть слоистость древнейших строматолитов связана с чередованием периодов вольготной жизни бактерий и периодами «темных» веков, когда им приходилось бороться за существование.
Другое дело – цианобактериальные маты, которые появились позже. Они формировали осадок иначе: строматолиты росли уже не под матом, а непосредственно внутри него. К этому времени цианобактерии уже полностью освоили фотосинтез: днем они активно захватывали растворенный в воде углекислый газ, а ночью – нет. За счет этого в толще мата возникали суточные перепады кислотности среды, на которых гидрокарбонат кальция, растворенный в воде, – Ca (HCO
)
кристаллизовался мельчайшими корочками карбоната кальция – Ca (CO
), наращивая отложения строматолита[38 - Превращение гидрокарбоната кальция в карбонат кальция можно наблюдать дома на кухне. Гидрокарбонат кальция – это, по сути, «жесткая вода», которая при кипячении оседает в чайнике накипью, образуя Ca (CO3).].
Микроорганизмы, возводя свои постройки, работали не только строителями, но и как фильтры и сорбенты разных элементов, четко отражая особенности окружающей среды во время роста. Строматолиты архейского возраста далеко не всегда сложены чистым карбонатом кальция (известняком), в отличие от более молодых – протерозойских, они часто представлены магниевым или железистым карбонатом – доломитом (CaMg (CO
)
) или сидеритом (FeCO
). Весь архей происходило образование строматолитов, которые специализировались не только на карбонатах, но и на кремнистом веществе (SiO
), изредка они формировались на основе фосфатов (Ca
PO
)
)[39 - Еганов Э. А. Фосфоритообразование и строматолиты. – Новосибирск: ин-т геол. и геофиз. СО АН СССР, 1988. – 90 с.].
По сути, строматолиты – окаменевшие маркеры Жизни, обнаружив их, можно с уверенностью утверждать, что в это время биосфера уже вовсю преобразовывала каменную оболочку планеты. Древнейшие строматолиты найдены в кратоне Пилбара в Западной Австралии и в зеленокаменном поясе Барбетон в Южной Африке – их почтенный возраст составляет 3,5—3,3 миллиарда лет[40 - Westall F. A stratiform stromatolite from 3.33 Ga-old biolaminated sediments in the Barberton Greenstone Belt, South Africa // Geobiology of Stromatolites. Intern. Kalkowsky-Symposium Gottingen, October 4—11, 2008. Abstract Volume. Universitatsverlag Gottingen. 2008. P. 37—38.]; следы жизни в строматолитах Карелии и Приднепровья Украины ненамного моложе – 3,1—3,0 млрд лет[41 - Тимофеев Б. В. Микрофитофоссилии раннего докембрия. – Л.: Наука, 1982. – 128 с.]. Не первый год научное сообщество ломает копья о происхождении отложений формации Исуа в Гренландии. Регулярно появляются публикации об их биогенном происхождении. С такой же периодичностью печатаются опровержения. Противники и сторонники подтверждения или опровержения самых ранних следов жизни не могут прийти к консенсусу. Относительно недавно была опубликована статья австралийских геологов в содружестве с британским ученым из Оксфорда Кларком Френдом, утверждающая, что в отложениях формации Исуа в Гренландии сохранились строматолиты возрастом 3,8—3,7 млрд лет[42 - Nutman A. P., Bennett V. C., Friend C. R, et al. Rapid emergence of life shown by discovery of 3,700-million-year-old microbial structures // Nature. 2016, V. 537 (7621). doi: 10.1038/nature19355.].
Но в поисках наиболее ранних следов жизни этих исследователей обошли ученые из Калифорнийского университета в Лос-Анжелесе. В микроскопических австралийских цирконах, тех самых, где геологи обнаружили следы урана, биологи рассмотрели зачатки жизни. Они утверждают, что выделенные ими из цирконов наночастицы углерода имеют смещенное изотопное соотношение, типичное для живых систем, то есть, по мнению исследователей, это несомненные следы жизни, существовавшей на Земле 4,1 миллиарда лет назад[43 - Bell E., Boehnke P., Harrison M., Mao W. Potentially biogenic carbon preserved in a 4.1 billion-year-old zircon // Proceedings of the National Academy of Science. 2015, V. 112 (47). P. 14518—14521.]. Правда, что это были за организмы и в каких условиях они жили – большой вопрос. Да и вообще, был ли мальчик? Вернее, микроб.
Вот, например, какую шутку с исследователями выкинули те же цирконы. Группа немецких и австралийских ученых под руководством Мартины Меннекен обнаружила в кристаллах циркона возрастом 4,3 миллиарда лет микроскопические вкрапления алмазов[44 - Menneken M., Nemchin A. A., Geisler T., et al. Wilde Hadean diamonds in zircon from Jack Hills, Western Australia // Nature. 2007, V. 448 (7156). P. 917—920.] и начала делать далеко идущие выводы. Однако в 2013 году исследователи из Калифорнийского университета в Риверсайде установили, что пресловутые алмазы входили в полировальную пасту, которой обрабатывали цирконы при подготовке к исследованию[45 - Dobrzhinetskaya L., Wirth R., Greena H. Diamonds in Earth's oldest zircons from Jack Hills conglomerate, Australia, are contamination // Earth and Science Letters. 2014, V. 387. P. 212—218.].
Геохимия и биохимия. Единство и борьба. Вторая минералогическая революция
?
Вник в вещество, впился, как паразит,
В хребет земли неугасимой болью,
К запретным тайнам подобрал ключи…
Максимилиан Волошин
?
Итак, микроорганизмы принялись преобразовывать планету.
Микробное сообщество, объединившееся в бактериальный мат, могло выжить только на границе трех сред: атмосферы, воды и горной породы. Отсутствие одной из составляющих означало гибель колонии. Но земной ландшафт архейского времени благоволил Жизни. В воздухе преобладали водяные пары и вулканические газы, а содержание CO
было в сотню раз больше, чем сейчас. Знойный, правильнее сказать – горячий и влажный климат и обилие углекислоты в атмосфере способствовали разложению пород, и бактерии приняли участие в этом процессе со всем жаром своей души. Они расплодились настолько, что по образному выражению микробиолога Г. А. Заварзина в то время существовал «единый цианобактериальный мат от моря и до моря»[46 - Заварзин Г. А. Развитие микробных сообществ в истории Земли // Проблемы доантропогенной эволюции биосферы. М.: Наука, 1993. С. 212—222.], покрывающий всю планету. Биологи из Флориды с помощью молекулярной биологии установили температуру воды в этом море, которая держалась на уровне 60—70 °С[47 - Gaucher E. A., Govindarajan S, Ganesh O. Palaeotemperature trend for Precambrian life inferred from resurrected proteins // Nature. 2008, V. 451. P. 704—707.].
Странное это было море – все побережье покрыто осклизлыми каменными столбами с нашлепками бактериальных матов. Да и берегов нормальных тогда не существовало – были безбрежные отмели, которые, не успев обнажиться и просохнуть после отлива, тут же заливались приливными водами. Сутки на планете были еще короткие, и отливы сменялись приливами каждые несколько часов. Такой ныне «вымерший» ландшафт получил название «ни суша, ни море» – это был сущий рай для содружеств микроорганизмов. Похожий островок такого ландшафта сохранился у берегов Австралии (Рис. 6).
Рис. 6. Современные строматолиты, растущие в геологическом заповеднике
Хамелин Пул, залив Шарк Бей, Западная Австралия.
Фото: Википедия / Пол Харрисон (CC BY-SA 3.0)
Местами эту панораму нарушали вздымающиеся громады зарождающихся протоматериков, которые обрывались в море черными лавовыми потоками. Вода в океане была мутной, вязкой от взвеси вулканического пепла, растворенного железа, карбонатов, да и морской бриз не отличался свежестью ароматов. Не видно было еще и белоснежных пляжей. Самый распространенный минерал наших дней – кварц – пока не появился, и песчаные морские побережья – дело будущего. Хотя нет, кое-где уже были намыты узкие полоски песков, пока, правда – черных. Такие пляжи, сложенные перемытым вулканическим песком, можно увидеть и сегодня в районе действующих вулканов – на Курилах или Камчатке, например. Дно океанов к этому времени оказалось полностью выстлано тонкой (относительно, конечно) корой базальтов, а из глубин планеты поступали все новые порции магмы.
Казалось, этот мир будет существовать вечно, но его исподволь начали менять живые организмы.
Из-за низкого содержания кремнезема базальтовые породы очень неустойчивы к атмосферным воздействиям. Изучение керна скважин морского бурения показало, что их разрушение наиболее активно происходит именно на отмелях[48 - Блюман Б. А. Выветривание базальтов и несогласия в коре океанов: возможные геодинамические следствия // Региональная геология и металлогения. 2008. N 35. C. 72—86.]. На скорость выветривания базальтов влияют многие факторы: различная соленость воды, агрессивная атмосфера, суточные перепады температуры, но подавляющий вклад в их разрушение (до 75%) вносят микроорганизмы[49 - Staudigel H., Furnes H., McLoughlin N., et al. 3.5 billion years of glass bioalteration: volcanic rocks as a basis for microbial life? // Earth-Science Rev. 2008, V. 89 (3). P. 156—176.]. Особенно быстро изменения происходят в базальтовом стекле[50 - Базальтовое стекло образуется при закаливании (очень быстром остывании) базальтовой лавы и имеет тот же химический состав, что и базальт. Подводные базальтовые излияния до 20% состоят из вулканического стекла.]. Интенсивный химический обмен, который происходит между морской водой и свежей изверженной породой, служит роскошной «кормовой базой» для хемолитотрофных организмов[51 - Staudigel H., et al., 2008. Указ. соч.] (Рис. 7). Бактерии торопятся заселить эти «пастбища», не дожидаясь, пока они остынут. Тут уж кто успел, тот и съел. Исследования, проведенные на стерильном, только что излившемся базальте показали, лишь только лава начинает остывать, первые попавшие на ее поверхность бактериальные споры прорастают и начинают бурное «пиршество» уже при 113 ?[52 - Stetter K.O. Hyperthermophiles in the history of life // Phil. Trans. Roy. Soc. 2006, V. 361, P. 1837—1843.]. И живет эта невидимая глазу мелочь не только на поверхности, но и проникает вглубь, изъедая породу и образуя губчатую сеть полостей микронных диаметров. Проходит всего несколько лет, и горная порода превращается в насыщенное водой «нанорешето». Описаны случаи, когда «прожорливость» бактерий буквально обрушивала скалы: бактерии «подъедают» базальтовые острова до такой степени, что из-за ослабления породы происходят подводные оползни[53 - Fisk M. R., Storrie-Lombardi M. C., Douglas S., Popa R., McDonald G., Di Meo-Savoie C. Evidence of biological activity in Hawaiian subsurface basalts // Geochem. Geophys. Geosystems. 2003, V. 4 (12). P. 1—24.]. И речь не только о современных бактериях – в южноафриканских архейских базальтах пояса Барбетон исследованы микроскопические ходы, «выеденные» микроорганизмами. В этих «норках», в ходе бактериально-палеонтологических исследований, обнаружены и «останки» микробов, почивших 3,5 миллиарда лет тому назад[54 - Furnes H., Banerjee N., Muehlenbachs K., et al. 2004. Early Life Recorded in Archean Pillow Lavas // Science. 2004, V. 304 (5670). P. 578—581]. Ученые, сопоставляя микробные комплексы из древних и современных пород убедились, что архейские базальты были заселены микробами так же густо, как и современные[55 - Asta?eva M. M., Rozanov A. Yu., Sharkov E. V., et al. Pillow lavas volcanic glasses (ancient and recent) and traces of life in them // Geophysical Research. 2010, V. 12. EGU General Assembly 2010, held 2—7 May, 2010 in Vienna, Austria, P. 1472.]: каждый кубометр базальтового стекла может «прокормить» до 2,5х10
анаэробных железобактерий[56 - Журавлев А. Сотворение Земли. Как живые организмы создали наш мир. – М.: Альпина нон-фишн, 2018. – 514 с.]. Если перевести цифры в более удобоваримые, получается, что в одной песчинке базальта размером в миллиметр кормится 25 миллионов бактерий! Тесновато живут, но при этом у каждой своя отдельная норка-квартирка.
Конец ознакомительного фрагмента.
Текст предоставлен ООО «Литрес».
Прочитайте эту книгу целиком, купив полную легальную версию (https://www.litres.ru/chitat-onlayn/?art=70400863?lfrom=390579938) на Литрес.
Безопасно оплатить книгу можно банковской картой Visa, MasterCard, Maestro, со счета мобильного телефона, с платежного терминала, в салоне МТС или Связной, через PayPal, WebMoney, Яндекс.Деньги, QIWI Кошелек, бонусными картами или другим удобным Вам способом.
notes
Примечания
1
Цит. по: Лэйн Н. Вопрос жизни. Энергия, эволюция и происхождение сложности. – М.: АСТ: CORPUS, 2018. – 480 с.
2
Слова приписываются американской писательнице Элизабет Йейтс. Who wrote «A writer only begins a book. A reader finishes it»? [Электронный ресурс] // Stack Exchange Network. (дата обращения: 12.03.2023).
3
ЦГАНХ СССР, Ф 3106, д. 101. Цит. по: Зенченко В. П. Мифы и факты об уране. Краснокаменск-Иркутск: Сосновгеология, 2002. – 397 с.
4
Например: Фаррелл Дж. Черное солнце Третьего рейха. Битва за «оружие возмездия». – М.: Эксмо, 2008; Кук Н. Охота за точкой «zero». – М.: Яуза; Эксмо, 2005; Robert K. Wilcox. Japan’s Secret War: Japan’s Race against Time to Build its Own Atomic Bomb. William Morrow amp; Company, 1985 и многочисленные публикации в интернете.
5
Заявка на изобретение В. А. Маслова и В. С. Шпинеля «Об использовании урана в качестве взрывчатого и отравляющего вещества» // Атомный проект СССР: документы и материалы. Т. 1. 1938—1945. Ч. 1. М.: Наука; Физматлит, 1998. С. 193—196.
6
США применили боеприпасы с ураном пятьдесят лет спустя во время войны против Ирака (1991 г.) и Югославии (1999 г.).
7
Cotner E., Kusenko A., Primordial black holes from scalar field evolution in the early universe // Phys. Rev. 2017, V. 96. doi:10.1103/PhysRevD.96.103002.
8
Hazen R. M., Papineau D., Bleeker W., et al. Mineral evolution // American Mineralogist/ 2008, V. 93. P. 1693—1720.
9
Таусон Л. В. Геохимия редких элементов в гранитоидах. – М.: Изд-во Акад. Наук СССР, 1961. – 231 с.
10
Wilde S., Valley J. W., Peck W. H., Graham C. M. Evidence from detrital zircons for the existence of continental crust and oceans on the Earth 4.4 Gyr ago // Nature. 2001, V. 409 (6817). P. 175—178.
11
Каулина Т. В. Образование и преобразование циркона в полиметаморфических комплексах. – Апатиты: Кольский научн. центр РАН, 2010. – 144 с.
12
Метамиктизация – переход кристаллических минералов в аморфное состояние в результате радиоактивного превращения элементов, входящих в их состав. Метамиктизация происходит в результате нарушения связей в кристаллической решетке под воздействием радиоактивного излучения. Но при нагревании метамиктичные минералы способны вернуться к первичному состоянию.
13
От греческого «киртос» – кривой, выпуклый (имеется в виду искривленность граней кристаллов).
14
Confirmed: Oldest Fragment of Early Earth is 4.4 Billion Years Old [Электронный ресурс] // livescience.com. URL: https://www.livescience.com/43584-earth-oldest-rock-jack-hills-zircon.html (дата обращения: 28.07.2022).
15
В природе существует несколько изотопов урана, важнейшими являются уран-238 (
U) и уран-235 (
U). Первого на Земле примерно 99,3%, а второго – какие-то несчастные 0,7%. Они отличаются временем распада. Период полураспада урана-238 составляет 4,5 миллиарда лет, а урана-235 – 700 миллионов лет. То есть за 4,5 миллиарда лет количество урана-238 уменьшилось на земле в два раза, а уран-235 уменьшается вполовину каждые 700 миллионов лет. Простые арифметические подсчеты показывают, что за те же 4,5 миллиарда лет количество изотопа урана-235 сократилось почти в семьдесят раз. То есть в первых цирконах концентрация высокоактивного
U была в десятки раз выше.
16
Turner G., Harrison T. M., Holland G., et al. Extinct 244Pu in ancient zircons // Science. 2004, V. 306. P. 89—91.
17
Сегодня на Земле насчитывается уже более 5 тысяч минералов.
18
Сорохтин О. Г., Ушаков С. А. Развитие Земли. – М.: Изд-во Моск. ун-та, 2002. – 560 с.
19
Там же.
20
Пригожин И., Стенгерс И. Порядок из хаоса. Новый диалог человека с природой. – М.: Прогресс, 1986. – 432 с.
21
Сорохтин, Ушаков, 2002. Указ. соч.
22
Сорохтин Н. О., Сорохтин О. Г. Высота стояния континентов и возможная природа раннепротерозойского оледенения // Докл. РАН. – 1997. – Т. 354, N 2. С. 234—237.
23
Сорохтин, Ушаков, 2002. Указ. соч.
24
Баллоэлектрический эффект – электризация водяных капель, возникающая при распылении водяной струи на отдельные мелкодисперсные капли.
25
Мархинин Е. К. Вулканы и жизнь: (проблемы биовулканологии). – М.: Мысль, 1980. – 196 с.
26
Там же.
27
Никитин М. Происхождение жизни. От туманности до клетки. – М.: Альпина нон-фикшн, 2018. – 542 с.
28
Лэйн, Ник, 2018. Указ. соч.
29
Уорд П., Киршвинк Д. Новая история происхождения жизни на Земле. – СПб.: Питер, 2016. – 464 с.
30
Adam Z. Actinides and life’s origins // Astrobiology, 2007, V. 7. P. 852—872.
31
Meet the electric life forms that live on pure energy. [Электронный ресурс] // NewScientist URL: https://www.newscientist.com/article/dn25894 (дата обращения: 01.08.2022).
32
Malvankar N. S., Vargas M., Nevin K., et al. Structural Basis for Metallic-Like Conductivity in Microbial Nanowires // mBio. 2015, V. 6 (2). doi: 10.1128/mBio.00084—15.
33
Хемоавтотрофы – организмы, чаще всего бактерии, которые образуют органические вещества за счет энергии окисления неорганических веществ. По типу питания все организмы разделяются на автотрофные и гетеротрофные. Автотрофные, то есть «самостоятельно питающиеся», умеют превращать неорганический углерод в органику (делают живое из неживого). Гетеротрофы не способны к этому и являются, по сути дела, нахлебниками автотрофов: они полностью зависят от производимых ими органических соединений. Автотрофы синтезируют органику из СО
. При этом хемоавтотрофы для этого пристраиваются к какой-нибудь химической реакции, а фотоавтотрофы используют энергию солнца. Фотоавтотрофы делятся в свою очередь на аноксигенных (не выделяющих кислород) и оксигенных, или кислородных.
34
Kato S., Hashimoto K., Watanabe K. Microbial interspecies electron transfer via electric currents through conductive minerals // Proceedings of the National Academy of Sciences. 2012, V. 109 (25). 10042—10046.
35
Громов Б. В. Цианобактерии в биосфере // Соросовский образовательный журнал. 1996. N 9. С. 33—39.
36
Строматолиты (др.-греч. ?????? «ковер, подстилка» и ????? «камень») – ископаемые (чаще карбонатные) отложения выпуклой или неровной формы, образовавшиеся в результате жизнедеятельности бактериальных матов на мелководье.
37
Сумина. Е. Л. Экспериментальное изучение сообщества нитчатых цианобактерий и проблема морфогенеза строматолитов: дисс. канд. биол. наук. М. 2008. – [Электронный ресурс] // Палеофорум. URL: http://www.paleoprom.ru/221-2/ (дата обращения: 24.09.2020).
38
Превращение гидрокарбоната кальция в карбонат кальция можно наблюдать дома на кухне. Гидрокарбонат кальция – это, по сути, «жесткая вода», которая при кипячении оседает в чайнике накипью, образуя Ca (CO3).
39
Еганов Э. А. Фосфоритообразование и строматолиты. – Новосибирск: ин-т геол. и геофиз. СО АН СССР, 1988. – 90 с.
40
Westall F. A stratiform stromatolite from 3.33 Ga-old biolaminated sediments in the Barberton Greenstone Belt, South Africa // Geobiology of Stromatolites. Intern. Kalkowsky-Symposium Gottingen, October 4—11, 2008. Abstract Volume. Universitatsverlag Gottingen. 2008. P. 37—38.
41
Тимофеев Б. В. Микрофитофоссилии раннего докембрия. – Л.: Наука, 1982. – 128 с.
42
Nutman A. P., Bennett V. C., Friend C. R, et al. Rapid emergence of life shown by discovery of 3,700-million-year-old microbial structures // Nature. 2016, V. 537 (7621). doi: 10.1038/nature19355.
43
Bell E., Boehnke P., Harrison M., Mao W. Potentially biogenic carbon preserved in a 4.1 billion-year-old zircon // Proceedings of the National Academy of Science. 2015, V. 112 (47). P. 14518—14521.
44
Menneken M., Nemchin A. A., Geisler T., et al. Wilde Hadean diamonds in zircon from Jack Hills, Western Australia // Nature. 2007, V. 448 (7156). P. 917—920.
45
Dobrzhinetskaya L., Wirth R., Greena H. Diamonds in Earth's oldest zircons from Jack Hills conglomerate, Australia, are contamination // Earth and Science Letters. 2014, V. 387. P. 212—218.
46
Заварзин Г. А. Развитие микробных сообществ в истории Земли // Проблемы доантропогенной эволюции биосферы. М.: Наука, 1993. С. 212—222.
47
Gaucher E. A., Govindarajan S, Ganesh O. Palaeotemperature trend for Precambrian life inferred from resurrected proteins // Nature. 2008, V. 451. P. 704—707.
48
Блюман Б. А. Выветривание базальтов и несогласия в коре океанов: возможные геодинамические следствия // Региональная геология и металлогения. 2008. N 35. C. 72—86.
49
Staudigel H., Furnes H., McLoughlin N., et al. 3.5 billion years of glass bioalteration: volcanic rocks as a basis for microbial life? // Earth-Science Rev. 2008, V. 89 (3). P. 156—176.
50
Базальтовое стекло образуется при закаливании (очень быстром остывании) базальтовой лавы и имеет тот же химический состав, что и базальт. Подводные базальтовые излияния до 20% состоят из вулканического стекла.
51
Staudigel H., et al., 2008. Указ. соч.
52
Stetter K.O. Hyperthermophiles in the history of life // Phil. Trans. Roy. Soc. 2006, V. 361, P. 1837—1843.
53
Fisk M. R., Storrie-Lombardi M. C., Douglas S., Popa R., McDonald G., Di Meo-Savoie C. Evidence of biological activity in Hawaiian subsurface basalts // Geochem. Geophys. Geosystems. 2003, V. 4 (12). P. 1—24.
54
Furnes H., Banerjee N., Muehlenbachs K., et al. 2004. Early Life Recorded in Archean Pillow Lavas // Science. 2004, V. 304 (5670). P. 578—581
55
Asta?eva M. M., Rozanov A. Yu., Sharkov E. V., et al. Pillow lavas volcanic glasses (ancient and recent) and traces of life in them // Geophysical Research. 2010, V. 12. EGU General Assembly 2010, held 2—7 May, 2010 in Vienna, Austria, P. 1472.
56
Журавлев А. Сотворение Земли. Как живые организмы создали наш мир. – М.: Альпина нон-фишн, 2018. – 514 с.
Владимир Печенкин
Тип: электронная книга
Жанр: Прочая образовательная литература
Язык: на русском языке
Стоимость: 0.01 ₽
Издательство: Издательские решения
Дата публикации: 24.09.2024
Отзывы: Пока нет Добавить отзыв
О книге: Ресурсы Земли не вечны. Человечество уже поглядывает в космос в надежде пополнить минеральную базу. Но что нас ждет за пределами родной планеты?Синтезируя огромное количество научных сведений на стыке геологии и биологии доказывается, что руды урана, золота, железа – побочный продукт биосферы. Так есть ли месторождения на планетах, где нет Жизни?Захватывающая книга Владимира Печенкина заинтересует не только любознательного читателя, но и послужит предметом дискуссии среди геологов и биологов.