Минералы, необходимые для возникновения жизни на Земле, обнаружили ученые СПбГУ в образцах пород, добытых в окрестностях Мертвого моря. Результаты исследований и новая концепция зарождения жизни на нашей планете недавно опубликованы в Scientific Reports (международном научном журнале из группы Nature).
Ученые СПбГУ открыли сразу 5 новых минералов (фосфидов), определили их структуру и изучили свойства. Их уникальность в том, что прежде такие минералы находили лишь в метеоритах. Во время презентации исследований на Science-ланче в СПбГУ (традиционной встрече ученых с журналистами) С. Н. Бритвин, доцент кафедры кристаллографии СПбГУ, рассказал, что фосфиды чрезвычайно редко встречаются в земных породах — отмечены были только две случайные единичные находки. А здесь, среди образцов, найденных в пустыне Негев и на Трансиорданском плато, геологи обнаружили целую ассоциацию природных фосфидов различного состава и структуры. Их открытие и позволило сформулировать новую гипотезу о том, как зарождалась жизнь на Земле.
Новые находки
На берегах Мертвого моря фосфиды обнаружил и собрал в 2012 году Михаил Николаевич Мурашко (сейчас он сотрудник СПбГУ). Он-то и «углядел» в образцах пять новых минералов бронзового цвета с металлическим блеском, которые при анализе оказались фосфидами. Они стали знаменитыми только сейчас, а тогда о них знали лишь немногие. М. Н. Мурашко — из их числа. За его находкой стоят 47 лет экспедиционной жизни, путешествий по странам и континентам петербургского энтузиаста минералогии и увлечённого коллекционера редких минералов. По оценкам специалистов, на Земле сейчас известно всего около 5000 видов минералов. А в его коллекции — больше 3800. И добрую половину из них Михаил Николаевич добыл собственными руками!
Почему фосфиды найдены в окрестностях Мертвого моря? Чем уникальна эта местность? Оказывается, не только тем, что она стала ареной для многих библейских преданий. Святая земля очень богата и в геологическом отношении: здесь, в пустыне Негев, на территория Израиля и Иордании, обнаружено больше 200 видов минералов. Место очень интересное, но мало изученное, тяжелое для работы, считает М. Н. Мурашко. Первый раз в эти места он приехал в 2004 году, и с тех пор устраивает туда экспедиции каждый год (из последней вернулся в апреле).
Организацию всех работ и в Израиле и в Иордании взял на себя Евгений Вапник, выпускник Ленинградского горного института, а ныне научный сотрудник университета им. Д. Бен-Гуриона (г. Беэр-Шева, Израиль). Евгений, как никто другой, знает большинство выходов пород геологической формации Хатрурим, и без его участия геологические и минералогические исследования в тех местах невозможны… Работать в пустыне можно всего полгода, с конца сентября по конец апреля, а в летнее время даже местные жители не выдерживают. Основная трудность: нужно много воды: при температуре около 400 С требуется 4-5 литров в день на человека.
«Ночевок не устраиваем, их технически сложно организовать. Каждое утро доезжаем на машине до места очередных исследований, а потом километров пять-шесть идем пешком, — рассказывает М. Н. Мурашко. — Обнаженность коренных пород там хорошая. Есть проявления размером до нескольких десятков метров (причем, на разных берегах Мертвого моря, и в Израиле, и в Иордании). Большая удача, если удается отобрать образец с интересными минералами из коренных обнажений. А чаще осматриваем обломки — например, в сухом русле реки Халамиш. Вернувшись вечером домой, изучаем находки под бинокуляром, исследуем другими доступными методами...»
Первые фосфиды в пустыне Негев М. Н. Мурашко нашел еще в 2006-2007 гг. Но это были фосфиды известные, описанные ранее. И он стал обращать внимание на подобные образования, поскольку теперь знал, что они тут есть! Ведь в его работе поисковика главное — знать, куда смотреть. А Михаил Николаевич — признанный специалист, за многие годы полевых работ он отточил свои профессиональные навыки. Окончив Горный институт в Ленинграде по специальности «Геологическая съемка, поиски и разведка месторождений полезных ископаемых», затем аспирантуру, он там же защитил кандидатскую диссертацию о происхождении мусковитовых пегматитов Иркутской области. «Мусковит — это слюда, — объяснил он мне, — важное техническое сырье для радиоэлектроники». А с 1992 года до недавнего времени М. Н. Мурашко работал самостоятельно. Открыл ЗАО «Систематическая минералогия» и стал искать и добывать редкие минералы по заказу университетов, минералогических музеев и коллекционеров.
«По литературе я выбираю массив, где должны быть редкие минералы. Ищу их целенаправленно, поэтому заранее изучаю парагенезис: узнаю, вместе с какими другими минералами встречаются тот, который я разыскиваю. А уж на самом обнажении вижу, где он может быть и где его быть не может. Образование и опыт позволяют это сделать», — пожал плечами М. Н. Мурашко.
Например, в 1990-е годы он устраивал экспедицию на вулкан Толбачик на Камчатке. И среди образцов, которые там добыл, он нашел 2 новых минерала. Позже кристаллографы подтвердили, что минералы новые. Они были утверждены, и по предложению Михаила Николаевича их назвали авдонинит и григорьевит (в честь профессоров-минералогов В. Н. Авдонина и Д. П. Григорьева из горных институтов Екатеринбурга и Петербурга)... В пустыне Негев в 1960-е годы были описаны 6 редких минералов, которых больше никто никогда нигде не встречал. Вот за этими минералами он и отправился в Израиль. Практически все они были найдены и дополнительно обнаружено несколько десятков новых минералов, На сегодняшний день уже 20 из них утверждены комиссией по новым минералам номенклатуре и классификации при Международной минералогической ассоциации (и, пожалуй, только пара-тройка — без участия М. Н. Мурашко). Многие работы выполнены при участии российских ученых из Новосибирска, Черноголовки и Кракова.
Новые исследования
Провести кристаллохимические исследования добытых образцов М. Н. Мурашко попросил Сергея Николаевича Бритвина, известного специалиста в области минералогии и кристаллографии, доцента кафедры кристаллографии СПбГУ. Обратился к нему, потому что Бритвин много лет занимался исследованиями метеоритного вещества, даже кандидатскую диссертацию он защитил на тему «Фосфиды в высокометалльных метеоритах».
«Прежде в природе было известно всего 8 минералов этого класса, все найдены в метеоритном веществе и только 2 из них были встречены в единичных зернах в земных породах. Они были найдены лишь в россыпях на острове Гренландия, и предполагали, что они тоже — из метеоритов, — объяснил С. Н. Бритвин. — А в образцах, привезенных М. Н. Мурашко со Святой земли, мы нашли 7 фосфидов, в том числе 5 абсолютно новых, до сих пор неизвестных в природе. Они имеют явное земное происхождение (один из образцов, к примеру, был найден в бульдозерной яме!). А в апреле 2015 года фосфиды были обнаружены в Иордании в коренных породах».
На встрече с журналистами С. Н. Бритвин наглядно показал миниатюрные масштабы исследований, которые проводились при анализе фосфидов. Он продемонстрировал нам стеклянную иголку (еле видный волосок), которую вставляют в приспособление (гониометрическую головку) прибора — монокристального рентгеновского дифрактометра. На слайде его презентации этот волосок (при увеличении) выглядел как толстый карандаш. А на нем крохотной точкой чернел монокристалл фосфида, который Сергей Николаевич выделил для анализа его структуры. (см. презентацию)
«Еще лет пять-шесть назад провести такой анализ было бы невозможно. Найденные минералы — часто очень мелкие, некоторые порядка 10 микрон всего. И к тому же фосфиды похожи друг на друга, — рассказал С. Н. Бритвин. — Но в СПбГУ создан мощный Научный парк, установлено самое современное оборудование для анализа вещества. В ресурсном центре «Рентгеноструктурные методы исследования» мы можем всесторонне изучить кристаллическую структуру минералов, чтобы с уверенностью подтвердить: найденный минерал — новый. Он отличается от всех известных.
Как рассказал М. Н. Мурашко, Бритвин — уникальный исследователь. Мало кто может работать в масштабах порядка 10 микрон. Нужен верный глаз и твердая рука. И еще большой опыт таких исследований. По его словам, С. Н. Бритвин отложил другие свои заботы для того, чтобы исследовать фосфиды.
Директор ресурсного центра «Рентгенодифракционные методы исследования» Научного парка СПбГУ Олег Сергеевич Грунский рассказал журналистам о методах, используемых для исследования фосфидов и других объектов (рентгеноструктурный анализ, дифрактометрия высокого разрешения, рентгенофазовый анализ, терморентгенография). С их помощью можно изучать, например, структуру белков, состав красок на художественной миниатюре без ее разрушения, кусочки ржавчины на трубах реактора, древние предметы, найденные археологами, и др.
В последние годы СПбГУ по праву стал одним из мировых центров описательной минералогии и кристаллохимии. Для исследования сюда присылают образцы минералов из США, Великобритании, Германии и других стран. С. Н. Бритвин является первооткрывателем около 25 новых минералов, еще столько же он открыл в соавторстве с другими исследователями, а на счету у С. В. Кривовичева — 60 новых минералов (открытых в соавторстве).
Новая гипотеза
Чем же важны фосфиды? Откуда к ним такой интерес? Дело в том, что они содержат фосфор — элемент жизни, он входит в состав фосфорорганических соединений (например, аденозинтрифосфорной кислоты — АТФ, отвечающей за процессы обмена и передачи энергии в организмах теплокровных животных, в том числе человека), в состав ДНК и РНК. Без фосфора не может существовать живая клетка.
«Геохимики считают, что фосфиды стали источником первоначального фосфора, который был необходим для зарождения и развития жизни на Земле. Само возникновение жизни, по устоявшимся гипотезам, было связано с переходом фосфора из низкой степени окисления в фосфидах по цепочке (фосфиды — фосфиты — полифосфаты — фосфонаты — эфиры полифосфорных кислот) в высокую степень окисления, которая является биологической формой, — пояснил профессор СПбГУ С. В. Кривовичев (заведующий кафедрой кристаллографиии СПбГУ). — Но прежде фосфиды находили только в метеоритах. И считалось, что другого источника пребиотического фосфора, земного происхождения, нет и быть не может... Наша находка расширила прежние представления. Она показывает, как архейский пребиотический фосфор мог образовываться в земных условиях».
Как же это происходило? В местах, где были найдены фосфиды, на поверхность выходит древняя геологическая формация Хатрурим (комплекс горных пород, связанных единым геологическим происхождением), которая, как мне объяснили, образована от 3 до 1,5 млн лет назад. В древности в этой местности из-под осадочных пород, из толщи битумов (углеродистых веществ) выходили метан и другие газы и загорались. Земля горела ярко и на большой площади. При таком восстановительном горении с избытком углеродистого вещества, по версии ученых СПбГУ, из фосфатов коренных пород при температуре до 1500 С и образовались фосфиды. А уникальные условия огромной безводной пустыни Негев позволили этим фосфидам сохраниться, «дожить» до наших дней и стать объектом исследований.
Почему земля загорелась? «Был какой-то неизвестный фактор Х... В Библии упоминается, что огонь сошел с неба. Вполне возможно, что самые древние люди видели эти громадные пожары. И в древних книгах оставили косвенное подтверждение того, что источником возгорания стали падения метеоритов», — считает С. Н. Бритвин.
Отвечая на вопросы журналистов, не слишком ли проста их гипотеза, чтобы соответствовать действительности, профессор С. В. Кривовичев объяснил, что теория происхождения жизни на самом деле очень сложна. Они же предлагают новое объяснение лишь одного из ее аспектов — источников происхождения фосфора.
Новые минералы
Статья в Scientific Reports о фосфидах, найденных в земных породах, опубликована в феврале (см. doi:10.1038/srep08355). Ее авторами стали уже известные нам С. Н. Бритвин, М. Н. Мурашко, С. В. Кривовичев, Ю. С. Полеховский (он проводил исследования оптических свойств найденных минералов) из СПбГУ, а также Евгений Вапник из университета им. Д. Бен-Гуриона в Израиле. Их гипотеза происхождения архейского пребиотического фосфора в земных условиях очень заинтересовала рецензентов журнала — судя по их вопросам, на которые отвечали авторы статьи до ее публикации, это высококвалифицированные ученые. Откликов коллег пока не было. По научным меркам, первые статьи на эту тему могут появиться в течение года после публикации (другим ученым нужно собрать материал, провести собственные исследования, чтобы представить их результаты в журналах или на конференциях).
Первооткрыватели минералов имеют право давать им названия. Один из пяти новых фосфидов получил имя мурашкоит (в честь М. Н. Мурашко). А остальные названы по местам находок: негевит (пустыня Негев), зуктамрурит (утес Зуктамрур на побережье Мертвого моря), халамишит (сухое русло реки Халамиш), трансиорданит (Трансиорданское плато)... А минералы бритвинит и кривовичевит, названные в честь кристаллографов СПбГУ, тоже существуют. Всего в честь выпускников и сотрудников нашего Университета названы 47 минералов (см. http://spbu.ru/podrobnosti/22287-universitet-dostoin-knigi-rekordov-ginnessa).
Евгений ГОЛУБЕВ