Бактерии, растения, люди: как живые организмы научились дышать кислородом и создали нефть

Что сделало нефть такой нужной? Химическое неравновесие с атмосферой, способность к реакции с кислородом из воздуха. Горение оживляет бесчисленные машины нынешнего человечества и... подталкивает к военным конфликтам. Но мы лишь используем возникшее когда-то «противоречие» восстановительных углеводородов и окислительной атмосферы.

Шарик катится вниз. Упавшая чашка разбивается вдребезги. Неживое на редкость упрямо в своей тяге к упрощению: оно стремится перейти в состояние максимально близкое к элементарному, самое вероятное из всех возможных. Даже кристаллы, столь сложные и совершенные, появляются для потери избытка энергии. В этом и состоит главное отличие жизни от её отсутствия: не упрощение, но поддержание одного состояния. Такой процесс называется «метаболизм», и он требует энергии. «Чтобы остаться на месте, нужно бежать изо всех сил», — слышит Алиса в Зазеркалье. Жизнь питается, чтобы продолжаться.

Одна из теорий гласит, что возникла она у подводных курильщиков — горячих источников на дне океана, исторгающих нагретую теплом земных недр влагу. Древние организмы пытались жить всё дальше и дальше от привычных мест обитания — и научились использовать солнечный свет. Фотосинтез позволил первобытным микробам заселить океан.

Самые ранние свидетельства жизни найдены в породах возрастом около 4 млрд лет (об этом говорит их состав), а первые признаки фотосинтеза — в более поздних слоях, примерно на 500 млн лет младше. Но цифры в этом соревновании «Кто нашёл самое раннее?» могут измениться — в бо́льшую сторону.

Кислород, газ, делающий неравновесной атмосферу Земли, представляет собой лишь побочный продукт фотосинтеза. Пока его не было, встречались даже казусы вроде пиритовой гальки — окатанного водой осколка соединения железа и серы. Сейчас такую днём с огнём не сыщешь: кинь обломок пирита в речку — и он станет просто кучкой ржавчины из-за растворённого в воде кислорода.

Но чего только не встретишь в земных недрах! Подобные находки были сделаны в толщах африканской провинции Витватерсранд (хотя их происхождение и вызывает некоторые вопросы).

Получается, кислорода когда-то на Земле не было, и именно жизнь, по-видимому, «виновата» в его появлении. Другие организмы использовать этот газ тогда не умели, и он расходовался в неорганических химических процессах. В воде было растворено двухвалентное железо — восстановленная форма, способная к реакции с кислородом, в ходе которой оно окислялось, переходило в трёхвалентное состояние (как в обычной ржавчине) и в виде нерастворимых соединений оседало на дно. Микроорганизмы же плодились и размножались: хищников тогда не было, так что никто не мешал.

Бесконтрольный рост популяции приводил к экологической катастрофе: железо заканчивалось, бактерии травились собственным же ядовитым для них кислородом.

Останки оседали на дно, а в воде снова начинало накапливаться железо из магматических пород, в то время как популяция бактерий и водорослей восстанавливалась из уцелевших «оазисов». Так полосчатые осадки формировали богатые и бедные железом прослои. В результате этого древнейшего процесса образовались используемые сейчас людьми крупнейшие месторождения Кривого Рога, Курской магнитной аномалии и многие другие.

В какой-то момент железо в водах океана закончилось. Началась одна из самых глобальных экологических катастроф — кислородная. Помимо того что этот газ был ядовит для большинства живших тогда организмов, он ещё и прозрачен для солнечных лучей. Возникла проблема, обратная современной: если сейчас планета изнывает от выбросов парниковых газов и глобального потепления, то тогда произошло резкое похолодание. Земля перестала удерживать тепло и покрылась льдами на миллионы лет.

Самое интересное, что жизнь почти успела предотвратить эту катастрофу: совсем недавно учёные, работающие под руководством Курта Конхаузера, проанализировали состав пород и высказали предположение, что 2,5 млрд лет назад (примерно тогда же, когда начиналось оледенение) уже, возможно, появились бактерии, которые умели использовать кислород. Но было слишком поздно.

Растения поглощают углекислый газ и выделяют кислород. А откуда берётся CO2? В школьных учебниках говорится о круговороте углерода — но с чего всё началось? Была ли курица, было ли яйцо?

Ответ, как ни странно, есть. Во Вселенной больше всего водорода, меньше гелия, и в целом, опуская некоторые детали возникновения атомов в недрах звёзд, количества химических элементов убывают пропорционально их весам. Если звезда завершает свою жизнь вспышкой новой или сверхновой, то эти атомы «выплёскиваются» в космос, и из них могут образовываться планеты. Соответственно, лёгкого углерода в них должно быть очень много — и это, действительно, так, достаточно взглянуть на газовые гиганты. Одна проблема: его соединения крайне летучие, то есть при небольшом повышении температуры они рассеиваются. Потому газовые гиганты находятся за так называемой снеговой линией Солнечной системы.

Земля же захватила тот углерод, который был рассеян в метеоритном веществе. В ходе глобальной переплавки нашей планеты (на стадии «магматического океана») углерод в виде двуокиси и других соединений выделялся из магмы, сформировав первичную атмосферу. И по сей день углекислота в качестве одного из основных компонентов входит в состав вулканических газов.

Растения, водоросли и бактерии поглощают атмосферный углерод, связывая его в свою биомассу. После смерти они становятся либо пищей других существ, либо керогеном — особым веществом в составе осадочных пород.

Органического углерода в них во много тысяч раз больше, чем во всей живой биомассе. Поскольку осадки накапливаются непрерывно, то самые нижние слои оказываются под всё большим давлением, а следовательно, в этих пластах растёт и температура. На глубинах в несколько километров при 100 °C кероген преобразуется в нефть, а при 200 °C — в газ: чем жарче, тем «проще» химический состав (а потому и ниже температура испарения — сравните «сложный» мазут и «лёгкий» газ).

На получившийся продукт сильно влияет и состав керогена — соотношение водорода, углерода и кислорода. Принято выделять три типа. Первые два — морской и прибрежно-морской, но четкой границы между ними нет, поскольку все зависит от конкретных климатических и других условий. Третий тип — это наземная растительность. Уголь. Из него получается газ, но в относительно небольших количествах.

Идею образования нефти и газа из угля выдвинул ещё Ломоносов. А вот другой классик русской науки Дмитрий Иванович Менделеев придерживался неорганической гипотезы. Обработав карбид железа (точнее, даже чугун) соляной кислотой и получив похожую на мазут субстанцию, он предположил, что в недрах Земли железо и уголь будут давать вместе карбид. Данных о строении планеты тогда не было: даже наличие металлического ядра и расстояние до него были подтверждены средствами геофизики только за год до смерти учёного, потому Менделеев не отвечал в своей гипотезе на вопрос, откуда эти вещества там возьмутся. Но ни одного месторождения природного чугуния так и не нашли, равно как и подземных кислотных рек.

В этом главная проблема большинства «смелых» и «прорывных» геологических теорий: они могут давать простой, быстрый и чёткий ответ на конкретный вопрос, но вот откуда взять все исходные ингредиенты, остаётся загадкой.

Примерно то же самое происходит, когда открываешь книгу «100 рецептов вкусных блюд из того, что нашлось в холодильнике» — и первый же из них начинается так: «Возьмите филе дракона, экстракт цветка папоротника и потушите на противне из мифрила». Любая теория должна, прежде всего, согласовываться с данными, в том числе и новейшими.

Потому достаточно быстро гипотеза органического происхождения нефти стала главной в науке. В очень близком к современному виде её сформулировал немецкий палеоботаник Потонье, а интенсивно развивал Губкин — крупнейший учёный, чье имя ныне носит Университет нефти и газа в Москве. Именно они предположили, что нефть происходит из сапропелей — мелководных отложений с большим количеством органики. Сейчас эту гипотезу подтверждают и результаты тонких химических измерений: данные изотопных анализов, а также наличие остатков сугубо биогенных веществ, например хлорофилла — самого главного участника фотосинтеза.

Во второй половине XX века появились новые предположения, связанные с изучением космоса, — например, что все углеводороды произошли из первичного вещества Земли. Так считал американский астрофизик Томас Голд. Не отрицая того, что эта гипотеза применима в отношении протоатмосферы планеты, надо вспомнить, что случилось с железом. Оно окислилось и утонуло. С древнейшими углеводородами произойдёт примерно то же: они будут реагировать с кислородом. Состав вулканических газов, в который входят в основном углекислота и вода (а не водород и его простейшее соединение с углеродом — метан), лишь доказывает, что углеводороды не могли сохраниться с тех времён.

Из отечественных аналогов подобных космических гипотез можно упомянуть «гидридную Землю» Ларина, полагавшего, что в недрах содержится большое количество соединений металлов с водородом (гидридов).

В то время экспериментаторы ещё не умели изучать свойства веществ в условиях глубин планет. Сейчас в лабораториях есть возможность создавать давление в несколько раз большее, чем в ядре Земли (см., например, пилотную статью Дубровинских и их коллег). Эти данные появились буквально лет пятнадцать-двадцать назад, и, к сожалению или к счастью, подобных гипотез они не подтверждают.

Но вернёмся от людей и их догадок к природе и углю, с которым связано ещё одно недавнее, уже биологическое, открытие. В истории Земли есть период карбон — каменноугольная эпоха, названная так потому, что именно тогда откладывались колоссальные толщи этого полезного ископаемого. До неё угля мало: высшие растения только-только заселили сушу. А после нет сопоставимо мощных слоев, потому что грибы (точнее, конкретный вид — белые гнили) научились перерабатывать лигнин — основной «строительный материал», из которого состоит древесина. Показали это тонкие биохимические исследования, проведённые командой Флоудаса в 2012 году. Великолепный пример того, как далёкие от реальной жизни копания в белках и последовательностях ферментов плесени принесли практическую пользу и позволили прояснить насущный вопрос — прогнозирование залежей каменного угля.

Стало много кислорода — появились аэробные животные, стало много высших растений — их тоже научились перерабатывать. Природа не упускает лишней возможности использовать что-то по второму кругу. Переработка отходов — это естественно.

А что происходит с газом и нефтью? Они лёгкие и текучие, потому стремятся вверх, покидая свои «родные» толщи, и сохраниться в течение геологических эпох могут только в том случае, если их что-то удерживает. Такие породы, называемые «покрышками», — это самое важное. Под ними должны находиться пористые слои — «коллекторы», где накапливаются нефть и газ.

Недавно для промышленности стали доступны новые, нетрадиционные источники — например, трудноизвлекаемая нефть сланцев (пород, из которых «черное золото» не может поступать «самотёком»).

Сланцевая революция — это особая технология добычи нефти, когда горную породу — коллектор — разрывают огромным давлением поданной по скважине воды (так называемый гидроразрыв), и по новообразованным трещинам начинает сочиться будущее топливо.

Эти технологии, кстати, вошли в число запрещённых для поставок в Россию. Политика защищает рынок. Себестоимость сланцевой нефти выше традиционной, «самотёчной». Так работает экономика: дорогие технологии дешевеют, хотя сам продукт прибавляет в цене.

Кроме того, существуют способы ускорения природного процесса преобразования керогена в топливо путём нагрева или с помощью химических реакций. Вместо долгого ожидания, пока породы сами дозреют под воздействием тепла земных недр, чтобы образовалась нефть, люди «допекают» её — примерно так же, как когда-то последователи языческих верований допекали детей. Гидроразрыв пласта тоже представляет собой попытку в некотором смысле поторопить природу: вместо ожидания землетрясений и горообразования, когда все породы сминаются и трескаются, люди делают это прямо сейчас. Мы научились в собственных интересах ускорять геологические процессы.

Несколько выбиваются из этой картины месторождения нефти в породах кристаллического фундамента. Такие есть в Китае, Венесуэле и других странах. Где-то там, глубоко-глубоко, находятся трещиноватые граниты и аналогичные им по составу породы — гнейсы, напитанные нефтью. Однако, если посмотреть на геологическое строение местности, выясняется, что такие образования приурочены к отдельным поднятиям. Органическое вещество, как и любой осадок, скапливалось между этими выступами, горами. Например, из-за особо плотной покрышки углеводородам оказалось проще утечь в стороны и собраться в трещиноватых кристаллических породах.

Гипотезы же абиогенного (неорганического) происхождения, получившие было новую жизнь с открытием этих месторождений, не имеют предсказательной силы. Например, в Татарстане не смогли найти промышленно значимых проявлений нефти в породах кристаллического фундамента. И когда в Швеции бурили поисковые скважины вблизи озера Сильян (основываясь на прогнозе уже упоминавшегося астрофизика Голда), месторождений так и не открыли, а обнаруженное ископаемое общим объемом около 100 литров не отличалось от других нефтей.

И всё же есть ли хоть какие-то рабочие гипотезы, альтернативные биогенной теории происхождения нефти и газа? Да, есть.

В минимальных количествах метан и более сложные углеводороды могут образовываться при окислении водой горных пород морского дна — в ходе так называемого процесса Фишера — Тропша. Реакция требует высоких температур и потому в основном протекает в районах повышенного магматизма — вблизи срединно-океанических хребтов, которые легко найти на карте рельефа морского дна, — а также в других зонах с активными геологическими процессами, где океаническая кора погружается на достаточную для прогрева глубину.

В Турции, например, зафиксированы отдельные газопроявления с долей неорганического метана около 50 %. Однако общая масса потока этого газа не превышает нескольких десятков — первых сотен тонн в год, в то время как на месторождениях добываются миллионы тонн.

Абиогенные газ и, возможно, более сложные углеводороды на Земле существуют, но их количество ничтожно мало по сравнению с биогенными. Казус в пределах статистической погрешности, лишь подтверждающий и дополняющий современные представления, не более того.

Гораздо интереснее использовать эти данные для изучения других объектовкосмоса, где по крайней мере нет такого явного биологического следа. Атмосфера любой планеты, существующей миллионы и миллиарды лет, должна стать химически равновесной и однородной, если только нет каких-то процессов, нарушающих это состояние. A химическое неравновесие — главный признак жизни.

На Марсе, другой планете земной группы, метан тоже обнаружен, правда в очень маленьких количествах, и, более того, он неравномерно распределен в атмосфере — то есть его либо что-то поглощает, либо что-то выделяет. Может быть, бактерии. Или, что вероятнее, происходит это в результате окисления подземными водами всё тех же горных пород.

Ещё интереснее в этом отношении Титан, спутник Сатурна. Его метановая атмосфера не содержит примесей инертных газов, которые должны были остаться со времен образования планет Солнечной системы (и которые присутствуют в газовой оболочке того же Сатурна). Есть несколько гипотез, позволяющих объяснить происхождение такой атмосферы, и жизнь (к радости сторонников теории абиогенных углеводородов) не входит в список наиболее вероятных «виновников». Хотя в «воздухе» Титана совсем недавно и обнаружили более сложные вещества, это ещё не доказательство наличия там живых организмов. Сейчас астрономы уже вплотную подошли к определению состава атмосферы планет за пределами Солнечной системы. И кто знает, может, в этих отдаленных уголках космоса как раз и будут обнаружены признаки жизни.

Однако живые организмы не только порождают углеводороды, похороненные в толщах пород, но и возвращают их в биосферу. Мы судим о кислороде с позиций дышащего им существа, когда, например, говорим о сероводородном заражении Чёрного моря, и человек, к слову, тоже приложил к нему руку. Нам удалось очень далеко уйти от своих древних предков, для которых кислород был губителен, но их потомки и последователи живут сейчас на дне этого водоема. Мы, люди, говорим (правда, обычно слишком тихо), что имеем право на комфортную для нас среду обитания, называя её «здоровой экологией».

Солнечный свет как внешний источник энергии позволяет разделять вещества (точнее, исходные неорганические углекислый газ и воду) на восстановительную органику и окислительный кислород. Существа, их использующие, — консументы — нуждаются в том, чтобы обоих ресурсов было достаточно. Количество таких организмов прямо ограничено объемами пищи — ситуация, известная в математике как задача «хищник-жертва». Чем больше еды — тем больше хищников, чем меньше питания — тем меньше питающихся. Система с обратной связью. Хищник получает еду, а продуценты, бактерии, потом водоросли и высшие растения, — защиту от перенаселения.

Человечество сейчас идёт в обратном направлении: от поведения консумента, пережигания дров, нефти и газа — к поведению продуцента, к производству энергии из солнечного света, тепла геотермальных потоков и ветра.

Кстати, что интересно, мы так и не нашли никакого эффективного метода, позволяющего запасать энергию, кроме химических процессов окисления-восстановления. Реакции этого типа не только являются необходимым условием образования нефти и газа, но и делают возможной работу всех аккумуляторов и батареек. Наша жизнь — постоянное приближение к химическому равновесию, состоянию, когда все вещества, которые могли реагировать друг с другом и давать энергию, закончились. Но мы всячески пытаемся ускользнуть от него, поскольку отсутствие движения для нас означает смерть.

Люди хотят тот климат, в котором рассеяние ими солнечного тепла будет наиболее выгодным для человечества. Возникает вопрос: если нефть, газ, уголь образовались из мириад живых существ, то что плохого в том, что мы возвращаем в биологический цикл углерод? Растениям будет больше пищи, экология только улучшится. И да, действительно, спутниковые и другие данные за последние лет тридцать подтверждают: промышленная революция, массовые выбросы CO2 привели к увеличению зелёной массы растений. Но проблема в том, что меняется и климат. И теперь становится слишком жарко. Вполне возможно, что при более высоких температурах земная флора уже не сможет перерабатывать столько углекислого газа — хотя количественные оценки тут крайне сложны.

Так что проблема остаётся.

И хотя многие говорят, что это — часть естественного природного цикла и планета просто входит в межледниковье, но мы — люди и уже слишком далеки от животного мира, а наше количество не позволяет легко и быстро дать всем жильё и пищу. И нам сейчас нужно во что бы то ни стало сохранить свою среду обитания — даже если для этого «естественный ход вещей» придется повернуть вспять.

Залитая вечерним солнцем равнина. Тёпло-жёлтые тона полей и лесов, розовато-синяя лента железной дороги поперёк этой панорамы. Белёсые цистерны, номера, приписка, полоса чёрно-коричневых потёков делит бочку пополам. Нефть. Товарный поезд, загудев пожираемым электричеством, трогается — медленно, с массивными повторяющимися ударами, первый звук — громкий, остальные затухают вдалеке. Даже когда промышленная жизнь страны почти остановилась, эти поезда в сто и более вагонов продолжали тянуться изо дня в день длинными лентами — мимо городов, сёл и лиц, из неведомой дали в недоступные пределы.

Нам всё ещё жизненно нужны нефть и газ. Горючие полезные ископаемые. Жизнь, неравновесие держится на движении. Мы мобильны. Нам необходима энергия. Мы извлекаем эти когда-то выведенные из оборота углеводороды, после чего жадно и ненасытно поглощаем их. Оживляем машины существами, давным-давно населявшими Землю. Выбрасываем в атмосферу углекислый газ. Меняем планету. Пусть читатель прислушается к железной дороге, к шуму порта или автомагистрали. Именно там в огромных бочках с наклейками «Опасно для окружающей среды» перевозят резко пахнущую кровь общества.

Источник