Мы дети вулканов?

Кандидат химических наук Н. ПОДКЛЕТНОВ, старший научный сотрудник Института вулканологии ДВНЦ АН СССР (г. Петропавловск-Камчатский).

На Земле сейчас активно действует несколько сот вулканов. Особенно много их сконцентрировано в зоне перехода от азиатского континента к Тихому океану, на островных дугах, окаймляющих материк Азию.

Этот район активного вулканизма привлекает внимание многих ученых, в том числе и наше — сотрудников единственного в мире Института вулканологии, расположенного в городе Петропавловске-Камчатском.

Известный советский вулканолог Е. К. Мархннин так говорит о влиянии вулканизма на окружающий мир: «Вся геохимическая эволюция внешних оболочек Земли... в конечном счете — преобразование первично вулканических продуктов, поставляющихся вулканами на поверхность планеты из ее глубоких недр». И далее он приходит к выводу, что «мы — дети вулканов», потому что основой всего живого служит углерод, а вулканы — это главный источник, выделяющий на поверхность Земли в колоссальных количествах углерод, в основном в виде углекислоты вулканических газов. Далее естественно было предположить, что вулканический углерод вступает в химические реакции и образует усложненные органические молекулы. Базируясь на модельных опытах ряда ученых-биохимиков, Мархинин выдвинул гипотезу, что такими соединениями могут быть аминокислоты, которые, как известно, являются составной частью белка — основы жизни.

Эта гипотеза получила подтверждение при извержении вулкана Тятя на острове Кунашире, который входит в архипелаг Курильских островов. Вулкан Тятя молчал более 160 лет, со времен Отечественной войны 1812 года. Но вот 14 июля 1973 года он заговорил. В воздух поднялось огромное количество пепла, все вокруг быстро потемнело, день превратился в ночь. На расстоянии вытянутой руки ничего не было видно. Сверкали горизонтальные и вертикальные молнии. Извержение сопровождалось непрерывным гулом, громовыми раскатами, грохотом взрывающихся вулканических бомб. Такое продолжалось почти две недели.

У группы геологов, прибывших на остров, было задание отобрать пробы вулканического пепла. Пробы брали по определенной сетке с расстоянием между точками отбора примерно в 2,5 километра. Это было совсем не просто: остров гористый, склоны покрыты лесом, а все вокруг полыхает и грохочет.

При анализе отобранных, часто еще горячих проб пепла, образование которого из вулканических бомб происходило буквально на глазах геологов, в нем были обнаружены аминокислоты и большое количество различных органических соединений. До извержения вулкана Тятя нигде ничего подобного не наблюдали. После этого решили провести такое исследование: изучили среднюю пробу, составленную из 130 проб пепла, отобранных ранее, в 1972 году, на курильском острове Алаид во время такого же по мощности извержения. В ней тоже обнаружили подобные органические соединения. В 1975—1976 годах происходило мощное извержение вулкана Плоский Толбачик на Камчатке. В извергнутом при этом материале находилось (по расчетам. основанным на данных анализов) более миллиона тонн сложных углеродсодержащих соединений. Проверили на содержание органического вещества пеплы других вулканов: трех вулканов Камчатки — Ключевского, Безымянного, Шивелуча, и индонезийского вулкана Агунг. Во всех этих пеплах нашли органические соединения и везде примерно в равных количествах. Все это положило начало большому научному исследованию, в котором участвовало около 20 научных коллективов, в том числе Институт биохимии и Институт белка АН СССР.

По химической структуре, свойствам и, вероятно, происхождению обнаруженные в продуктах вулканической деятельности органические соединения могут быть разделены на две группы. Основная группа (99,8 процента) — это высококипящие парафиновые углеводороды, полициклические ароматические углеводороды и тяжелые системы, содержащие, помимо углерода и водорода, кислород, серу и азот. В меньших количествах найдены более легкие соединения, состоящие из тех же элементов. Эти соединения, отнесенные к группе предбиологических, содержат аминокислоты, аминосахара, углеводы, порфирины, основания нуклеиновых кислот и другие соединения. Всего в вулканическом пепле и в вулканических бомбах найдено больше двухсот соединений.

Чтобы отмести предположение о том, что анализируемый вулканический пепел позднее, уже после извержения, загрязнен органическим веществом, провели ряд экспериментов, которыми были доказаны стерильность вулканических пеплов и установлено вулканическое происхождение обнаруженных в пепле углеродсодержащих соединений.

ВУЛКАНЫ — ХИМИЧЕСКИЕ РЕАКТОРЫ

Собранные материалы позволили сделать вывод, что всю вулканическую систему, в нее входит наземный конус вулкана, каналы, соединяющие его с очагом магмы, и сам магматический очаг, можно рассматривать как природный генератор химических соединений. Пока не произошло извержение, химические процессы протекают внутри замкнутой системы, предположительно  в магматическом очаге. Разложению образующихся при высоких температурах углеродсодержащих соединений препятствуют высокие внутриземные давления. Во время извержения над вулканом образуется огромная изверженная туча из газа и пепла (эруптивный столб). Весь район, прилегающий к действующему вулкану, становится ареной активных химических процессов. Эруптивный столб можно сравнить с гигантским наземным химическим реактором, не имеющим жестких стенок.

Частые молнии, в том числе шаровые, огни Св. Эльма, электризация земной поверхности и все прочие электрические явления, сопутствующие извержению, в значительной степени способствуют ходу химических реакций. Примером такого химически активного вулканического района может служить территория большого трещинного Толбачинского извержения на Камчатке, где в 1975—1976 годах образовалась система из восьми кратеров и возникли лавовые потоки общей площадью около 50 квадратных километров.

Сегодня мы можем более подробно ответить на вопрос: что представляет собой пеплово—газовое облако извержения. Размеры и форма его в процессе извержения непрерывно меняются под влиянием вулканических выбросов, ветра и пр. Извержение вулкана Тятя в 1973 году было средним по мощности, столб извергающихся газов и пепла поднялся в высоту на 8 километров, а по ширине был около 3 километров.

Основными исходными реактивами для химических взаимодействий, происходящих в пеплово-газовой туче, служат компоненты так называемого магматического газа. Он выделяется из кратера вулкана при извержении, состоит на 90 процентов из водяного пара, содержит углекислый газ, азот, водород, углеводороды (метан и его ближайшие гомологи) и другие компоненты. Там есть такие основные биоэлементы, как водород, углерод, азот, кислород, сера.

По объему магматический газ — главная составная часть изверженного газово-пеплового столба. По весу основная составляющая — вулканический пепел. Частицы пепла образуются в результате разрыва расплавленной магмы содержащимися в ней газами. По внешнему виду пепел — это тонкий темно-серый порошок с размером частиц в основном не крупнее 0,1 миллиметра. Твердые частицы пепла, наполняющие изверженное облако, выполняют фактически роль катализатора в этом своеобразном реакторе. Они ускоряют и направляют проходящие в образовавшемся наземном реакторе химические реакции, в частности ускоряют реакции полимеризации. Поэтому в пеплово-газовом облаке целый ряд химических соединений находится в свободной форме, большей частью в виде цепочек из нескольких молекул, то есть полимеров.

Своеобразие активности пепла как катализатора, вероятно, связано с влиянием нескольких десятков микроэлементов, входящих в состав пепла. Общая поверхность частичек пепла в облаке чрезвычайно велика. Например, при извержении вулкана Тятя она составляла около 100 миллионов квадратных километров. Эта цифра показывает, как необычайно велика арена вулкана-реактора, где могут взаимодействовать исходные молекулы и оседать образующиеся химические продукты.

На микрофотографии (см. стр. 53) видно, что поверхность пепловых частиц пористая, неровная, то есть особенно благоприятная для химических реакций, происходящих при участии катализаторов.

Давление в пеплово-газовом столбе в момент выброса магмы и газов из кратера достигает сотен и тысяч атмосфер. Затем оно уменьшается и по краям облака сравнивается с атмосферным давлением. Есть данные, что при таких перепадах давления образуются ударные и ультразвуковые волны, то есть факторы, которые значительно ускоряют некоторые химические реакции, в частности образование биополимеров. Во время извержения вулканическое пеплово-газовое облако почти ежесекундно прорезают в различных направлениях молнии — электрические разряды. Образуются они потому, что возникает статическое электричество в результате трения пепловых частиц. Протяженность молниевых разрядов в каждый момент от 8—10 метров до 1—2 километров. В каналах молний развиваются высокие давления, а температура кратковременно достигает нескольких десятков тысяч градусов.

Температура пеплово-газового облака в разных его частях неодинакова, как и давление. В той части облака, которая пополняется новыми извергаемыми массами и примыкает к верхней части вулканического конуса, температура достигает тысячи градусов Цельсия. Эта центральная часть периодически прорезается потоками частиц расплавленной магмы. Высота таких столбов — они уходят еще на сотни метров в жерло вулкана — 1—2 километра. Вулканическое облако, поднимаясь вверх, расширяется, в нем падает давление, падает и температура. По краям облака она сравнивается с температурой окружающего воздуха.

Расчет показывает, что при этом все газы, которые находятся в каналах молний, должны фактически переходить в плазменное, то есть сильно ионизированное состояние. Большое количество ионизированных частиц и их высокий энергетический уровень в центральной части извергаемого столба делают именно эту зону наиболее химически активной, здесь создаются все условия для синтеза сложных органических соединений. Таким образом вулканы выступают в роли мощных генераторов углеродсодержащего вещества.

Особенность химического реактора такого типа — его пульсирующее действие: образующиеся продукты реакции периодически выбрасываются из зоны, где протекают реакции. Благодаря взрывной пульсации частицы пепла в эруптивном столбе находятся в непрерывном движении, они все время витают, долго не оседая, при этом омываются магматическим газом. Такое омывание взвешенных в реакционной газовой смеси частичек катализатора, способствует эффективному протеканию химических процессов.

В природном вулканическом реакторе, действие которого мы попытались здесь описать, около 10 процентов углерода, поставляемого из земных недр (в основном в виде углекислого газа), входит в состав вновь образующихся сложных соединений.

ВУЛКАНЫ И ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЖИЗНИ

Вопрос о возникновении и развитии жизни на Земле издавна привлекает внимание. В наши дни все более четко вырисовываются контуры большой и сложной теории происхождения жизни, где начальный этап на пути от неживого к живому — химическая эволюция, в первую очередь углерода. Если принять, что вулканический процесс — это мощный природный генератор углеродсодержащих соединений, то естественно предположить, что синтез предбиологических соединений происходил (и происходит) в районах активного вулканизма.

 Все сказанное позволяет предположить, что именно в районах активного вулканизма при вулканических извержениях совершался в земных условиях первый шаг на пути химической эволюции, приведшей в дальнейшем к образованию живого из неживого, к зарождению жизни.

Живая материя на 95 процентов состоит из таких элементов, как углерод, водород, кислород, азот, сера и фосфор. Все эта шесть элементов входят в состав вулканогенного углеродсодержащего вещества. Кроме того, в нем найдены основные группы соединений, обеспечивающих деятельность живой клетки — нуклеиновые кислоты и белок. Фактически основу жизни составляют 28 соединений. В вулканогенном углеродсодержащем веществе обнаружено 16 из этих 28 соединений, одно основание нуклеиновых кислот (урацил или его аналог) и 15 белковых аминокислот. Обнаружены также такие биологически важные системы, как порфирины и другие.

Возникновение жизни на Земле в результате ряда физических и химических процессов, связанных на определенном этапе с вулканизмом, очевидно, нельзя считать явлением уникальным. По оценкам американского астронома Харлоу Шепли, например, около Ю10 планет во Вселенной почти во всех отношениях похожи на Землю, и не исключено, что на них есть жизнь. Возникновение жизни только в нашей Галактике, по расчетам американского астронома и математика Э. У. Брауна, могло произойти по меньшей мере 109 раз. Полученные на сегодня данные позволяют предположить, что макромолекулы, близкие к биополимерам земного типа, могут возникать и в условиях других планет. Мнение об универсальности углеродной основы жизни поддерживается рядом исследователей и подтверждается расчетами квантовой химии, хотя в принципе возможны живые системы на иной химической основе. Например, такой, где углерод заменен кремнием.

В свете высказанной здесь гипотезы о зависимости возникновения жизни от вулканических процессов, особенно интересны факты, подтверждающие распространенность вулканизма в Солнечной системе. Известны данные о вулканических извержениях в прошлом и настоящем на Луне, Венере, Марсе. В северных широтах Марса много вулканических куполов. Среди них несколько гигантских, с поперечником около 500 километров. Действующие вулканы и свежие лавовые образования зафиксированы на спутнике Юпитера Ио.

Есть все основания думать, что явление вулканизма имеет космические масштабы. А модель зарождения жизни на Земле, связанная с вулканизмом, возможно, в значительной степени универсальна для Вселенной.

ВУЛКАНЫ И НЕФТЬ

Известно в основном два научных направления, различно объясняющих происхождение (генезис) нефти. Большинство специалистов придерживается теории органического происхождения нефти. Считают, что нефть образуется из остатков животных и растений. Ряд других ученых полагают, что нефть имеет неорганическое происхождение. Иначе говоря, она образуется в результате различных химических реакций, и ее происхождение не связано с биологическими процессами.

Хочется напомнить, что вопрос о происхождении нефти имеет не только научное, .но и большое практическое значение. От его решения в значительной степени зависит правильный или неправильный выбор района, где будет проводиться дорогостоящий комплекс поисково-разведочных работ.

В последнее время с помощью высокоэффективных методов анализа удалось исследовать углеродсодержащее вещество в атмосфере ряда планет Солнечной системы, в межзвездном пространстве, в кометах и метеоритах. Одновременно с этим данные по составу рассеянного в земной природе органического вещества позволили сделать заключение о распространенности на Земле абиогенного — не связанного с живой материей— синтеза сложных углеродистых соединений.

Мы считаем, что один из очагов, поставляющих в атмосферу Земли и на ее поверхность значительные количества углеродсодержащего материала такого строения,— это вулканы. Точно выяснить происхождение этого вещества очень важно, особенно в связи с тем, что в его составе найдены характерные для нефтей углеводороды.

На первом этапе задача сводится к тому, чтобы определить природу этих углеводородов: биогенная или абиогенная. Одним из характерных признаков биогенности углеводородов в органической геохимии принято считать присутствие некоторых углеводородов называемых «биологическими метчиками», а также преобладание среди углеводородов парафинов, содержащих нечетное число атомов углерода. В проверенных пробах вулканического материала «биологические метчики» практически отсутствуют. Анализы показывают, что какого-либо преобладания парафинов, содержащих нечетное число атомов углерода, также нет. Значит, еще раз подтверждается абиогенная природа углеводородов, найденных в пепле вулканических бомбах.

А много ли на Земле такого вулканогенного углеродсодержащего вещества? По расчетам, ежегодно его должно образовываться до 500 тысяч тонн. За весь период вулканической деятельности нашей планеты, который продолжается примерно 4,5 миллиарда лет, общее количество извергнутого (вулканами на поверхность Земли углеродсодержащего вещества должно составлять 2,25 х 1015 тонн. Эта величина сопоставима с общей массой остатков живых организмов, отложенных за все время существования жизни на Земле.

Естественно предположить, что определенная часть этого вулканогенного вещества попадает в осадочные толщи Земли. Таким образом, по мнению автора, нельзя исключить участие упомянутых вулканогенных химических соединений и в процессах нефтеобразования. Особенно это относится к районам повышенной вулканической деятельности (Камчатка, Сахалин, Япония, Индонезия и др.). Интересно отметить, что нефти этих районов имеют особенности в составе и свойствах, отличающие их от других нефтей. Взгляд на нефть, как на смесь органических соединений, имеющую двойственный генезис, в принципе не нов.

Дальнейшие исследования, несомненно, помогут более полно понять связь вулканизма с возникновением жизни и происхождением нефти.

Оставить комментарий

Ваш email не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *

Вы можете использовать это HTMLтеги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>