Газ никогда не кончится

Учёные нашли на дне Атлантического океана естественный источник природного газа и других углеводородов, который производит их куда более активно, чем все известные до сих пор геологические структуры. Образование углеводородов – важный этап в возникновении жизни, и некоторые авторы открытия уверены, что именно подобные источники могли когда-то очень давно стать местом появления первых молекул жизни.

Углеводородов на дне океана великое множество, однако возникают они обычно при разложении живых существ, как догадался ещё Михаил Васильевич Ломоносов. В течение сотен миллионов лет водоросли и зоопланктон оседали на дно и смешивались с илом. Медленное разложение давало химическим реакциям энергию, а высокое давление и низкое содержание кислорода создавали идеальные условия для постепенного превращения сложных белков в простые соединения углерода и водорода с небольшими примесями прочих элементов, по большей части связанных в другие соединения. Именно таким образом, по мнению большинства учёных, появились нефть и газ.

Существует и другая теория их появления, считающая углеводороды естественным продуктом химических реакций в земной коре или мантии, в которых жизнь не участвует. Развитие таких взглядов во многом связано с именем другого великого русского учёного – Дмитрия Ивановича Менделеева, который, впрочем, никогда не утверждал эту гипотезу как единственно возможную. Ныне такой взгляд на происхождение углеводородов – за исключением разве что метана – считается в некоторой степени маргинальным, и, как и положено маргинальной теории, она сильно разнится от версии к версии, однако и у её сторонников есть немало косвенных аргументов в пользу своей точки зрения.

Нет сомнений, что на щит они попытаются поднять и результаты работы американских и швейцарских геохимиков, опубликованные в последнем номере Science.

Группе под руководством Гиоры Прокуровски и Деборы Келли из Океанографического института в Вудс-Хоуле и Университета Вашингтона удалось найти первые неопровержимые доказательства абиогенного синтеза простых углеводородов на дне океана. Хотя что-то подобное учёные видели и раньше, у скептиков каждый раз находился повод усомниться в том, что найденные газы – не результат разложения вездесущих морских организмов. На этот раз всё гораздо сложнее. К тому же источник, найденный американскими учёными, гораздо изобильнее всех известных до сих пор.

Этот источник – подводные гидротермальные поля Лост-Сити (Потерянный Город), расположенные на дне Атлантического океана, ровно посредине между Африкой и Северной Америкой. Собственно, говорить о дне здесь, может быть, и не вполне уместно, ведь Лост-Сити находится всего в 800 метрах ниже уровня океана, на самой вершине подводного горного массива Атлантис Срединно-Атлантического хребта.

Открыты Лост-Сити были уже в 2000 году и получили своё имя по ассоциации с названием горного массива, происходящего, в свою очередь, от имени исследовательского судна Atlantis, его обнаружившего. Atlantis переводится с английского как «Атлантида», и как же, если не Потерянным Городом, было назвать систему из нескольких десятков огромных колонн из светлого известняка высотой до 60 метров и великое множество более мелких пирамидок, подчас весьма причудливой формы.

По мнению учёных, именно здесь и синтезируются углеводороды. Своему образованию эти пирамиды обязаны самим гидротермальным полям. По современным представлениям, Срединно-Атлантический хребет образован породами мантии Земли, просачивающимися между раздвигающимися в разные стороны Африканской, Северо- и Южноамериканской литосферными плитами. В этой горячей породе содержится минерал оливин, богатый железом и магнием, который при взаимодействии с морской водой превращается в серпентин и магнетит, нагревает воду и, что самое главное, высвобождает водород.

Далее горячая вода с растворёнными в ней минералами поднимается вверх и, охлаждаясь, осаждает их в виде Потерянного Города, а водород вступает в воде в реакцию с углекислым газом, медленно сочащимся из мантии. Часть его соединяется с атомами кислорода, порождая особую, «мантийную» воду, а часть – с углеродом, образуя такие дорогие в наше время углеводороды.

Именно то обстоятельство, что этот углерод никогда не видел дневного света, и позволило удостовериться, что жизнь к появлению углеводородов, собранных в окрестностях Лост-Сити, не причастна.

Он никогда не входил в состав живых существ, объединённых в грандиознейшую пищевую цепь планеты и перемешивающих в своих белках все изотопы углерода. Из-за этого изотопный состав простейших углеводородов, образованных здесь, меняется совсем не так, как у их биогенных аналогов.

В «живом» природном газе тяжёлого изотопа углерода – углерода-13 – меньше всего в метане. Средний атомный вес атомов углерода, входящих в состав этана, чуть больше, а пропана и бутана – ещё больше, поскольку на них приходится ещё большая доля тяжелого изотопа. И хотя доля тяжёлого углерода меньше 1%, зависимость среднего атомного веса углерода от сложности молекулы легко подтверждается измерениями.

В то же время в углеводородах с вершины массива Атлантис наблюдается прямо противоположная тенденция: больше всего тяжёлого углерода именно в простейшем метане, а в этане и пропане оказывается больше углерода лёгкого. Ранее было экспериментально показано, что такое поведение – характерный знак углеводородов, синтезируемых от простого к сложному при взаимодействии углекислого газа и водорода в водной среде.

Кстати, это результат означает, что к тем нефти и газу, выкачиванием которых из недр Земли сейчас активно занимается человечество, образования, подобные Лост-Сити, могут иметь не более чем косвенное отношение. В настоящем природном газе наблюдается именно тренд, характерный для процессов разложения живых существ.

Так что надеяться на то, что гидротермальные источники восполнят наши истощающиеся запасы нефти и газа, не приходится.

Объёмы производства природного газа этим способом трудно оценить, поскольку учёным пока известен лишь один такой источник, но они вряд ли удовлетворят человечество.

На абиогенное происхождение указывает и относительное содержание CO₂ и гелия. Это значение очень стабильно, однако в случае с Лост-Сити гелия оказалось подозрительно много. По мнению авторов статьи, речь идёт скорее об обратном – вокруг слишком мало углекислого газа, который был частично переработан в углеводороды. Если сложить концентрации углерода из углеводородов и CO₂, баланс примерно сходится.

А теперь насчёт косвенного отношения гидротермальных источников к образованию нефти и газа. Прокуровски считает, что такие источники могли послужить местом синтеза простейших углеводородов, из которых позднее развилась жизнь. Вся она основана на белках и их строительных блоках – аминокислотах, которые, в свою очередь, представляют собой углеводороды с небольшими добавками азота, серы и прочих элементов. Не исключено, считает американский учёный, что именно здесь появились первые соединения C_nH_m, которые позднее вошли в состав молекулярных кирпичиков жизни.

Прежде ведущим кандидатом на роль подводных источников таких молекул считались так называемые чёрные курильщики. Эти образования, похожие на Лост-Сити, черпают энергию и строительный материал из горных пород других типов, поэтому и температура воды в их окрестностях существенно выше (около 360 градусов по Цельсию вместо +90 на вершинах Атлантиса), и химический состав поднимающихся из них газов другой. Тем не менее, говорят Прокуровски и ее соавтор Дебора Келли, более скромный на вид Лост-Сити производит углеводороды гораздо эффективнее, и, хотя ни один другой подобный объект пока не был найден, их в океане должно быть великое множество.

Впрочем, сам Потерянный Город на вершине Атлантиды никак не может быть тем «пупом Земли», из которого вышло всё живое: самому Атлантическому океану всего около 200 миллионов лет, а жизнь на Земле в десяток-другой раз старше.

Кроме того, и насчёт подводного происхождения углеводородов у многих учёных есть большие сомнения. Например, присутствие большого числа углеводородов на других телах Солнечной системы, на которых точно не могут присутствовать океаны, подобные земным, говорит о наличии эффективного механизма их синтеза каким-то иным путём. А органические молекулы – от двухатомных соединений углерода с кислородом и азотом до спиртов и метанимина, из которого легко сделать аминокислоту глицин, – в большом количестве имеются не только в пространстве между звёздами нашей галактики, но и были замечены на расстоянии в четверть миллиарда световых лет от нас.