Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего

Самое поразительное открытие Димитри Сверженски связано с происхождением алмазов, которые, как все думали, образуются, когда атомы углерода подвергаются экстремальному давлению, а вода в этом процессе не играет особой роли{95}. Работая с аспирантом Фан Хуаном, Сверженски обнаружил, что алмазы столь же легко образуются в водных мантийных флюидах вообще без какого-либо изменения давления. В действительности к появлению кристаллов алмаза приводит простое повышение кислотности находящегося под давлением обогащенного водой раствора. На самом деле процессы, которые соответствуют ранее необъяснимым картинам роста природных драгоценных камней, — циклы роста и растворения алмаза — могли вызываться естественными колебаниями кислотности глубинной воды.

Эти и другие открытия указывают нам на активную область на глубине немногим более 100 км под нашими ногами — скрытое царство химических процессов, которое миллиарды лет играло важнейшую роль в глубинном углеродном цикле Земли. Но как мы можем убедиться в этом? Какими доказательствами на поверхности Земли могут подтвердиться смелые утверждения Сверженски?

Загадка глубинного метана {96}

Одно из самых дерзких и многообещающих открытий DEW — наглядная демонстрация того, что метан может в огромных количествах подниматься из мантии Земли, формируя гигантские резервуары в коре. Геологи в других частях света, особенно в России и Украине, долгое время настаивали на глубинном абиотическом происхождении большей части природного газа и других углеводородов. Однако многие геологи-нефтяники Соединенных Штатов и других нефте­добывающих регионов были категорически против этого представления: они указывали на большие резервуары, однозначно образовавшиеся из погибших растений, животных и микробов. Некоторые из нас долгое время подозревали, что этот спор, возможно усиленный враждой холодной войны и профессиональным соперничеством, является ложной дихотомией. Не исключено, что оба лагеря правы и метан может образовываться по-разному. DCO надеялась исследовать оба варианта.

Как нам проверить эти две соперничающие гипотезы происхождения метана — глубинное абиотическое против поверхностного биотического? Какая доля метана, если она вообще есть, образуется в результате химических процессов в горячей мантии в противоположность микробиологической активности гораздо более холодной коры? Как мы сможем распознать разницу? Разве все молекулы метана не одинаковы?

Все молекулы метана действительно имеют формулу CH₄, но оказывается, что C и H образуют пары с разными «изюминками» — разными изотопами, которые делают исследование метана намного более интересным. Вспомните, что углерод, у которого всегда ровно шесть протонов (это уникальная характеристика углерода, которая отличает его от любого другого элемента), может иметь шесть или семь нейтронов, чтобы образовывать более распространенный углерод-12 (также пишут ¹²C) или несколько более тяжелый углерод-13 (¹³C). У водорода — первого элемента Периодической таблицы — всегда один протон, а нейтронов обычно нет. Однако примерно один из 6420 атомов водорода в океанической воде имеет-таки один нейтрон в более тяжелом изотопе водорода — дейтерии, который обозначается D.

Порядка 99 из каждых 100 молекул метана содержат один атом углерода-12, окруженный четырьмя обычными атомами водорода. Это самая естественная форма метана. Примерно одна молекула из 100 обладает более тяжелым углеродом-13, и только одна из 1500 содержит один атом дейтерия. Все становится еще увлекательнее, когда два тяжелых изотопа замещаются, образуя или ¹²CH₂D₂, или ¹³CH₃D. Таких редких «дважды замещенных» молекул метана буквально одна на миллион. Так что, если вы тоже считали варианты, мы приходим к существованию пяти разновидностей метана, отличающихся изотопами.

Потрясающая новость для ученых DCO заключается в том, что прояснить происхождение метана могут как раз соотношения этих разных сочетаний изотопов. Важную роль в этих соотношениях играет температура, а также биологическая история образца. Теоретики предполагают, например, что метан, образовавшийся при более высокой температуре, будет содержать немного больше ¹²CH₂D₂, а в метане, образованном микробами, обычно относительно мало ¹³CH₄{97}. Чтобы узнать побольше о происхождении метана, все, что нам нужно сделать, — это измерить соотношения пяти разных его видов в любом образце.

Ключ к тайнам метана — его молекулярная масса. У каждой из пяти разновидностей метана она своя, немного отличающаяся от других. В теории мы могли бы измерить массы миллионов отдельных молекул метана, чтобы определить их относительное количество и таким образом узнать их происхождение. На практике это не так-то просто.