Войти в систему
Войти с помощью соц. сетей:
Атомы смешиваются, создавая кристаллы необычайной красоты и разнообразия. Земная кора, мантия и ядро Земли содержат углеродистые соединения в огромных количествах: алмаз, графит и более 400 других кристаллических углеродсодержащих минералов составляют главные запасы углерода в Земле. Эти многочисленные минеральные разновидности рассказывают живую историю широкомасштабной 4 500 000 000-летней эволюции Земли, а их современные синтетические аналоги проявляют удивительное разнообразие и играют важную роль в сегодняшнем высокотехнологичном мире.
Углерод чрезвычайно общителен. Атомы углерода рождаются по одному, но не могут выносить одиночества. Они используют любую возможность, чтобы соединиться с четырьмя другими атомами. Поэтому химия углерода, основанная на этом отчаянном желании углерода соединяться, должно быть, началась очень рано, чуть ли не на заре творения. Окруженные водородом, первичные атомы углерода быстро обзавелись четырьмя компаньонами и стали молекулами CH4 — метана, основного компонента природного газа.
Химия углерода стала гораздо интереснее, когда звезды начали взрываться, рассеивая в небесах новые химические элементы. Важным новым элементом стал кислород — химически активный атом, который вступал в прочные соединения с углеродом. На сцене быстро появились молекулы угарного (CO) и углекислого (CO2) газов. Другие атомы этого элемента соединились с многочисленными атомами азота и водорода в смертельную синильную кислоту (HCN) или с также повсеместно распространенными серой и фосфором — в десятки разнообразных молекул.
Из всех этих небольших первичных молекул образовались газы, которые объединились с водородом и гелием в большие облакоподобные туманности — колыбели звезд. Углерод также не упустил возможности соединять между собой свои же атомы, и в результате возникли структуры типа цепочек, колец и решеток — молекулярных образований со все большей геометрической сложностью. И время от времени в наиболее насыщенных углеродом завихрениях расширяющейся газообразной оболочки звезд каждый атом углерода объединялся с еще четырьмя такими же в растущий объект правильной формы. В результате появился крошечный кристалл алмаза.
Алмаз — это углерод, застывший в кристаллическом совершенстве. Как можно не любить этот драгоценный камень? Сплошные превосходные степени: самый твердый, обладающий самой высокой теплопроводностью, самый сверкающий и прочный на срез, самый ценный. Столетиями алмаз будоражил воображение как обычных потребителей, так и ученых — в равной степени. Крупные без примесей кристаллы — не просто редкие и красивые драгоценности, желанные символы любви и власти. Алмазы являются и научными сокровищами. Они позволяют заглянуть в загадочные недра планеты и хранят данные о ее интригующем прошлом. Алмазы буквально представляют собой временны́е капсулы скрытого сердца Земли, а если заглянуть вглубь времен, то окажется, что они были самыми первыми кристаллами в космосе.
Вот как это произошло. При высоких температурах на поверхности звезды, насыщенной углеродом, колебания атомов были слишком сильны и неуправляемы, чтобы какая-либо пара атомов углерода смогла образовать прочную химическую связь. Условия меняются, когда такая звезда взрывается, высвобождая огромное расширяющееся облако атомов в газообразной форме. Когда температура внутри этой расширяющейся газовой оболочки падает ниже 4400 °C, жаждущие компаньонов атомы углерода замедляются в достаточной степени, чтобы соединиться с четырьмя другими в крошечные пирамидки, размером менее миллиардной доли сантиметра. Каждый атом этой пирамидки тоже нуждается в четырех соседях, так что ко всем вершинам добавляется еще по три недостающих атома углерода. Это повторяется снова и снова в правильной геометрической последовательности. Так растет кристалл алмаза.
Именно таким образом в течение миллиардов лет в космосе формировались бесчисленные микрокристаллы алмаза. Они образовались задолго до каменистых планет и продолжают возникать по сей день в окрестностях наиболее активных звезд во Вселенной, кристаллизируясь на нечеткой границе между раскаленной поверхностью звезды и холодным вакуумом космоса.
Хотя микроскопическая алмазная пыль в космосе распространена повсеместно, алмаз не является здесь преобладающей формой углерода. При экстремальных температурах вблизи звезд (свыше 4400 °C) алмаз кристаллизировался первым, потому что этот минерал — единственная твердая субстанция, способная конденсироваться и расти в таких условиях. Все остальные кристаллы в окрестностях раскаленных добела объектов плавятся или испаряются. Но при более низких температурах и давлениях берет верх другая, более прозаическая кристаллическая форма углерода. В алмазе атомы слишком плотно упакованы, слишком скучены, и поэтому им «неудобно». Микроалмазы достаточно легко образуются из остывающего газа звезды, но, когда температура опускается ниже 4000 °C, вместо них возникает графит — знакомый всем мягкий черный минерал грифельных карандашей и сухих смазок.
Графит и алмаз — это пример противоположностей. Алмаз твердый и «выносливый» благодаря трехмерному, напоминающему балочную ферму, атомному каркасу. В элегантной структуре графита каждый атом углерода соединяется с тремя, а не четырьмя соседями, образуя миниатюрный плоский треугольник. Такая менее плотная атомная упаковка представляет собой слоистую структуру с идеально плоскими углеродными пластинками, наложенными друг на друга, как листы бумаги в стопке. Эти неплотно связанные чешуйки атомов углерода легко переходят с вашего карандаша на бумагу и скользят друг по другу, смазывая ваши замки и подшипники. Мягкий черный графит не годится в драгоценные камни, но его значение для жизни общества ничуть не меньше, чем у алмаза.
Алмаз был первым, а графит, как мы подозреваем, вторым кристаллическим веществом в космосе. Несмотря на их контрастные свойства оба минерала представляют собой чистый углерод, и оба изначально образовались из того, что осталось после звездной бури. Но настоящий взрывной рост новых углеродсодержащих кристаллических форм начался лишь после появления каменистых планет — двигателей многообразия минералов углерода.
Образование планет — давний бурный процесс. Огромные туманности — колыбели звезд и планет — это разреженные облака космической пыли и газа размером в несколько световых лет. Потревоженная гравитационным следом проходящей шальной звезды или ударной волной сверхновой, небольшая область туманности может начать сжиматься. При этом гравитация будет затягивать вращающуюся массу внутрь, и та станет вращаться все быстрее, подобно кружащемуся фигуристу. Бóльшая часть массы провалится в центр и образует звезду типа Солнца, остатки же сконцентрируются в несколько вращающихся планет. В нашей Солнечной системе молодое Солнце поддерживало сильный горячий солнечный ветер, который смел бóльшую часть оставшейся пыли и газа в далекое царство газовых гигантов — до орбиты Юпитера и дальше. Каменные обломки образовали планеты земной группы: Меркурий, Венеру, Землю и Марс.
Планеты начинаются с малого — со сферических скоплений космической пыли, микроскопические частицы которой свободно удерживаются между собой статической связью. Выбросы солнечной энергии или вспышки молний в туманностях сплавляли эти комочки в маленькие капельки не больше дроби — их называют «хондры». Хондры слипались во все бóльшие массы: размером с баскетбольный мяч, потом — аэростат, затем — небольшую гору. Гравитация собирала бесчисленные летящие по орбите камни в еще более крупные планетезимали, которые сливались друг с другом благодаря участившимся мощным столкновениям. Осколки, представляющие эти ранние этапы сборки Солнечной системы, продолжают падать на Землю в виде метеоритов-хондритов. Это самые старые объекты, которые вам дано подержать в руках. Они не так уж редки, их можно купить на eBay за несколько долларов.
Когда планетезимали увеличились до 160 км в диаметре и более, их внутреннее тепло расплавило, очистило и разделило первичное вещество. Плотные металлы вроде железа и никеля погрузились в недра и образовали планетезимальные ядра. Менее плотные скопления блестящих кристаллов оливина и пироксена окутали растущие миры мантией. Горячая вода, циркулирующая по разломам и трещинам, изменила каменную смесь, а разрушительные удары огромных небесных тел привели к образованию новых плотных минералов — импактных. Ближе к концу этого процесса несколько больших протопланет — среди них и Земля — стали доминировать в зарождающейся Солнечной системе, захватывая бóльшую часть оставшихся каменных обломков подобно огромным пылесосам. Последнее крупное столкновение между Землей и ее меньшей сестрой, протопланетой Тейя, привело к полному уничтожению Тейи и формированию Луны.
Создав в небе коалицию с Луной, разогретая поврежденная Земля быстро «залечила рану» и остыла, превратившись в тело из трех оболочек: тонкой хрупкой коры, мощной мантии и недосягаемого металлического ядра. Циркулирующие в глубинах перегретая вода и пар растворяли и концентрировали химические элементы и переносили их к более холодной поверхности молодой планеты, где те образовывали всё новые и новые минеральные формы, среди которых было и множество минералов углерода.
Первичная Земля, испещренная ударами небесных тел, в составе которых были и алмаз, и графит, только начинала собственные эксперименты с шестым элементом. Постепенно, по мере развития нашей планеты, на ней эволюционировала и удивительная минералогия углерода — сотни кристаллических форм, каждая из которых отличалась неповторимым сочетанием химического состава и кристаллической структуры и включала в себя разнообразные соединения углерода с другими химическими элементами. Каждый из этих изумительно разных минералов и поныне является свидетельством нашего динамичного, эволюционирующего мира.
Сейчас углеродсодержащие минералы находят повсюду: от величественных известняковых пиков канадских Скалистых гор до обширных коралловых плато Большого Барьерного рифа, от Белых утесов Дувра до неисчислимых скоплений крошечных раковин на океаническом дне — минералы всех этих объектов хранят в себе гигантские запасы шестого элемента в земной коре. Углерод содержат в своем составе более 400 известных минеральных видов. Но это не всё — результаты недавних исследований указывают на то, что нас ожидает много находок, которые только предстоит описать: более 150 новых, неизвестных еще видов углеродсодержащих кристаллов спрятались от нас замурованными в обнажениях горных пород, выстилающих перегретые жерла вулканов, вырастающих по берегам испаряющихся озер и захламляющих своими обломками заброшенные шахты. Эти редкие кристаллические формы ждут открытия.
Исключительное разнообразие минералов углерода поражает. Их цвета охватывают весь спектр радуги — пламенно-красный, ярко-оранжевый, насыщенно-желтый, изумляюще-зеленый, ошеломительно-синий и глубоко-фиолетовый. Они бывают любых тонов и оттенков: белых, серых, желто-коричневых и черных, некоторые минералы абсолютно прозрачные, другие — полупрозрачные или матовые. Их блеску тоже присуще разнообразие — и металлический, и матовый, и алмазный, и жирный, и восковой, и молочный (перламутровый). То же можно сказать и о формах минералов углерода: среди них изящные кристаллы в виде ограненных кубов и октаэдров, постепенно сужающиеся к концам игольчатые сростки и пластинчатые агрегаты, бесформенные наросты, шероховатые корки, приятные округлые образования и ступенчатые массы неправильной формы — любого размера, от микроскопического до гигантского, больше надувного мяча.
В подвижной земной коре большинство атомов углерода связываются с тремя атомами кислорода, образуя таким образом крошечный плоский треугольник — четырехатомный кластер, известный как карбонатная группа. Из этих атомных строительных блоков состоят разнообразные карбонатные минералы, присутствующие в хорошо знакомых нам крепких раковинах улиток и двустворок, пищевых добавках с кальцием, мраморных столешницах и ярко-розовых украшениях из родохрозита.
Карбонатные минералы, особенно осадочные слои известняка и доломита, представляют собой самое большое хранилище углерода в земной коре — около 100 млн млрд т шестого элемента. Это более чем в тысячу раз превышает запасы углерода во всех других резервуарах земной коры, вместе взятых: в угле и нефти, в океанах и атмосфере, в растениях и животных.
Практически невозможно представить себе современное общество без этих разнообразнейших углеродсодержащих минералов и множества их синтетических аналогов. Они играют важнейшую роль в плавке железа, ковке стали, удобрении полей, производстве стекла и цемента. Они помогают в производстве столь разных продуктов, как стиральные порошки, фейерверки, керамика, фармацевтические препараты, хирургические инструменты, взрывчатые вещества, украшения и пекарный порошок. Они уменьшают кислотность водопроводной воды и удаляют загрязняющие примеси на электростанциях. Они служат абразивами для самых эффективных режущих инструментов и смазкой для самых требовательных устройств. Более того, пышное разнообразие природных углеродсодержащих кристаллов намекает на возможность разработки синтетических материалов с еще бóльшим потенциалом — с техническими свойствами, соответствующими нашим чаяниям, нуждам и желаниям.
Исследование пестроты этих минералов — их многочисленных форм и незримого происхождения — позволяет многое узнать о самом углероде и о том, как этот жизненно важный элемент перемещается и хранится в оболочках нашей планеты. Мы начали каталогизировать это богатство, погружаться все глубже и глубже в недра Земли, даже предсказывать, что может оказаться упущенным при этой нашей все еще неполной инвентаризации. Минералогия углерода — тема со многими вариациями, охватывающая века исследований и открытий.
Чтобы понять ее историю, мы должны вернуться на два столетия назад в Шотландию — в ту эпоху, когда углеродсодержащие минералы были предметом, казалось бы, неразрешимого геологического противоречия.
Человеческому обществу необходим известняк — шероховатая, серая, богатая углеродом горная порода, которая образует величественные утесы и зубчатые горы по всему земному шару. Его обильные древние отложения накапливались постепенно, слой за слоем, иногда как скопления кораллов и раковин, иногда осаждаясь химическим путем из морских и озерных вод, богатых кальцием. Каждый год продаются миллиарды тонн дробленого известняка — он используется в качестве прочной основы для автомобильных трасс, железных дорог, зданий и мостов. Это природный ресурс, ежегодные продажи которого превышают продажи алмазов, серебра или золота. Возможно, и вы покупали его, в более скромных количествах, чтобы благоустроить свои террасы или подреставрировать садовые дорожки.
Из блоков известняка и его более плотного кристаллического собрата — мрамора (известняка, перекристаллизованного глубоко под землей под действием высоких давления и температуры) — создают внушительные здания и монументы, к примеру пирамиды Гизы в Египте или мемориал Линкольна в Вашингтоне, округ Колумбия. Причудливые разновидности известняка, часто насыщенные окаменелыми раковинами, используют главным образом как блочный камень для облицовки зданий, напольных покрытий и кухонных столешниц. Вероятно, вам доводилось применять известковый порошок в своем саду или на лужайке для уменьшения кислотности почвы, и, наверное, вы употребляли кальций в качестве пищевой добавки. Фермеры, выращивающие кур, для их питания также используют известковые добавки, которые укрепляют яичную скорлупу, вследствие чего яйца меньше бьются при транспортировке.
Использование карбонатных минералов лежит в основе различных промышленных технологий, самая главная из которых — производство извести (на химическом языке это оксид кальция), которая получается путем нагрева известняка в обжиговой печи приблизительно до 980 °C. Известь (не путайте с известковым порошком, которым вы посыпаете лужайку) невероятно полезна. Это главный компонент известкового раствора, штукатурки и цемента, который образует твердый и прочный состав, когда его смешивают с водой. Известь обеспечивает белый цвет побелки. И тысячи лет она была основной добавкой при выплавке железа и других металлов, представляя собой флюс, который химическим путем отделяет от них примеси. Во всех промышленно развитых странах загородные пространства пронизаны древними печами для обжига извести, многие из которых сотни лет назад были попросту малыми семейными предприятиями.
Производство извести из известняка — процесс, знакомый любому геологу XVIII в., — сыграло любопытную роль в истории науки. В прямом смысле известняк угрожал отодвинуть науки о Земле на десятилетия назад.
В середине того века среди европейских ученых разгорелся спор об относительной геологической важности воды (восхваляемой так называемыми нептунистами) и тепла (любимого механизма так называемых плутонистов) в образовании горных пород. Нептунисты, некоторые с явной склонностью к библейскому креационизму, считали главным фактором геологических изменений Всемирный потоп — катастрофическое глобальное событие, укладывающееся в рамки насчитывающей 10 000 лет библейской хронологии. Плутонисты же в качестве не менее важного, чем вода, фактора геологических изменений рассматривали вулканическое тепло, которому, однако, требовалось гораздо больше времени, чтобы создать современный ландшафт.
Семена спора были посеяны в континентальной Европе, где геологи, изучающие водные отложения, вполне естественно отдавали приоритет воде, а те, кто изучал вулканическую лаву, — огню. Это противоречие даже отражено в диалоге 4-го акта знаменитой трагедии Гёте «Фауст», где точку зрения плутонистов неубедительно отстаивал сам дьявол. К концу столетия центр научных дебатов — так же, как и их возможного разрешения, — сместился в просвещенный город Эдинбург в Шотландии, где проводил свои поистине революционные полевые исследования Джеймс Геттон.
Геттон родился в Эдинбурге в 1726 г. Он был одним из пятерых детей Сары Балфур и Уильяма Геттона, богатого торговца, который умер, когда Джеймсу было всего три года. Мать мальчика подчеркивала важность образования, и юный Джеймс это хорошо усвоил, проявив особые способности в математике и химии — предметах, которые помогали ему всю жизнь. Углубленно изучив латынь, философию и медицину в университетах Эдинбурга, Парижа и Лейдена, Геттон отправился в Лондон в надежде заняться прибыльной медицинской практикой. Не сумев обеспечить себя достаточным количеством пациентов, молодой исследователь вернулся в Эдинбург и занялся насущными тамошними делами. Ранее Геттон разработал новый химический процесс извлечения хлорида аммония, широко используемого как удобрение, из сажи и золы, которую «производили» многочисленные печи и фабрики города. Он поставил свой новый метод на промышленную основу, управляя прибыльной химической фабрикой в Эдинбурге.
Обезопасив себя финансово на будущее, Геттон посвятил время новому увлечению — сельскохозяйственной химии. Он унаследовал две семейные фермы и проводил там эксперименты по повышению урожайности. В ходе работы с разными горными породами и почвами Геттон начал задумываться о геологии.
Горные породы Шотландии по своим характеристикам весьма разнообразны. Это осадочные и вулканические породы, некоторые — крепкие и залегают горизонтально, как будто бы они здесь и образовались, другие — разрушенные и деформированные. К тому же всего на расстоянии дня пути от того места, где жил Джеймс Геттон, находились участки метаморфических пород, ледниковые отложения и выходы изверженных пород. Особый интерес представляли морские утесы Сиккар-Пойнт рядом с Джедборо, где Геттон изучал поразительное наложение пластов. Там в обнаженных под действием эрозии ветра и волн скалах он наблюдал, как слегка наклоненные пласты более молодого красного песчаника и галечника перекрывали залегающие ниже круто наклоненные слои более древнего темного песчаника. Граница между этими двумя толщами была настолько четкая, будто нижний ряд почти вертикальных слоев срезали до того, как на них наложились горизонтальные. Как могло возникнуть такое различие в геометрии?
Геттон понимал, что каждый аспект строения утесов Сиккар-Пойнт, как и каждый аспект всей шотландской геологии, можно объяснить просто результатом медленных естественных процессов, происходящих везде и всегда. С одной стороны, постоянно образуются новые осадки, они медленно накапливаются в виде пластов, которые постепенно погружаются, нагреваются, сжимаются и превращаются в камень: эти процессы добавляют новые страницы в каменную летопись. С другой стороны, более древние породы постепенно деформируются, поднимаются вверх и разрушаются, что приводит к удалению пластов. Сиккар-Пойнт показывает все эти процессы одной картинкой: более старые отложения сначала лежали плоскими слоями, но затем были захоронены и превратились в камень. Глубинные силы спрессовали эти слои, смяв их в узкие вертикальные складки. Подъем разрушил верхнюю часть древней толщи. Другой цикл погружения и осадконакопления сформировал более молодые, горизонтально залегающие красные песчаники, после чего следующий эпизод подъема обнажил уже красные слои для эрозии.
В объяснении Геттона не было ничего особенно экзотического или нового, кроме одного — «глубокого времени». Остальные ученые рассматривали историю Земли в рамках нескольких тысячелетий. Геттон же говорил о сотнях миллионов, даже миллиардах лет единообразного постепенного изменения. Он не видел в скалах Шотландии «ни следа начала, ни перспективы конца». Двухтомник Геттона 1795 г. «Теория Земли», хотя и написанный в напыщенном стиле, что, возможно, ослабило его первоначальное воздействие, провозвестил смену научной парадигмы.
В своих поисках Геттон находился под сильным влиянием духа эмпиризма, характерного для кипучего шотландского Просвещения. Он постоянно общался с десятками интеллектуалов — как в Эдинбургском королевском обществе, так и в местных клубах, которые посещали, в частности, поэт Роберт Бёрнс, экономист Адам Смит и философ Дэвид Юм. Но настоящим героем этой истории стал шотландский геолог и геофизик Джеймс Холл, подтвердивший гипотезу Геттона экспериментально.
Подобно многим современным ему ученым, Джеймс Холл родился в богатой аристократической семье. Состояние и иные сословные преимущества обеспечили ему прекрасное образование в знаменитых Кембриджском и Эдинбургском университетах, где он изучал геологию, химию и естественную историю. Холл много путешествовал по Европе, приобретая научные книги для своей библиотеки и общаясь с французским исследователем Антуаном Лавуазье, одним из основателей современной химии. Биографы редко упускают возможность привести полный титул Холла — сэр Джеймс Холл из Дангласса, 4-й баронет, хотя он знаменит скорее своими научными открытиями, нежели аристократическим происхождением или титулом.
Вернувшись по окончании путешествий в Эдинбург, Холл узнал о революционных идеях своего друга Джеймса Геттона из первых рук. «Теория Земли» основывалась на разнообразных геологических явлениях, среди которых было взаимодействие расплавленной лавы со слоями осадочных отложений — сценарий, требующий совмещения как процессов, отстаиваемых нептунистами, так и процессов, защищаемых плутонистами. Геттон понял, что при извержении вулканов расплавленная порода просачивается вверх сквозь более древние отложения, в то время как языки магмы проникают между глубоко залегающими пластами. Такие интрузивные события прекрасно видны кое-где в Шотландии, особенно в Троне Артура в эдинбургском парке Холируд. Это подвергшийся ледниковой эрозии холм, описанный в учебниках в качестве примера подобных взаимодействий (я не говорю уже о прекрасном виде, который в западном направлении открывается на город с этого холма).
Испытанием для теории Геттона стало обнаружение тех участков, где похожие расплавленные породы проникли в известняк. Как же он мог выдержать температуру расплавленной лавы — спрашивали исследователя оппоненты-нептунисты? Все знают, что сильно нагретый известняк должен превратиться в известь, ведь так происходит в печи для обжига. Следовательно, базальт, гранит и другие предположительно изверженные породы не могут быть горячими; вероятно, они образовались путем осаждения из воды примерно в то же самое время, что и известняк. Некоторым колеблющимся ученым эта нестыковка казалась неопровергаемым, фатальным ударом по теории Геттона. Однако сам он возражал, что известняк, который подвергается при погружении высокому локализованному давлению, должен оставаться неизмененным даже при высокой температуре. Но как можно было проверить эти предположения лабораторным путем?
Несмотря на свое скептическое отношение к плутонизму, Холл нашел впечатляющее экспериментальное разрешение этого конфликта. Проверив гипотезу своего друга с помощью ряда необыкновенно оригинальных экспериментов, Холл стал пионером исследований глубинного углерода. Он откровенно признавался в одной из публикаций: «После трех лет почти ежедневной войны с доктором Геттоном по поводу его теории идеи доктора начали мне казаться все менее и менее противоречивыми». В серии экспериментов Холл нагревал до высоких температур базальт и гранит, чтобы посмотреть, как они себя поведут. Рассыпятся ли, подобно известняку, и тогда будет опровергнуто их вулканическое происхождение? Как и прогнозировал Геттон, породы сначала расплавились в раскаленную докрасна лаву, а затем остыли до исходного состояния, что является основным свойством любой породы предположительно вулканического происхождения.
В последующих опытах в 1798 г., через год после смерти Геттона, Холл серьезно усовершенствовал свой эксперимент — применил к нагретым образцам давление. Для этого он забил отпиленные ружейные стволы известняком и глиной, заварил их и поместил в горячую печь. Расширение газов, высвобожденных теплом, создало высокие внутренние давления — гораздо, гораздо выше тех, что на поверхности Земли. Многие эксперименты Холла не удались из-за того, что сварной шов был негерметичным или металл расплющивался, а один опыт, в котором реагенты оказались недостаточно высушены, закончился катастрофическим взрывом. «Печь разорвало на части, — писал Холл. — Доктор Кеннеди, который присутствовал при этом… едва остался жив».
Но некоторые из заваренных Холлом стволов с известняком выдержали всё, и он доказал, что известняк под давлением может нагреваться до высоких температур, даже выше точки плавления, не распадаясь с образованием извести. Холл представил свой инновационный труд «Отчет о серии экспериментов, показывающих, как эффекты сжатия изменяют действие тепла» на собрании Эдинбургского королевского общества (президентом которого он станет семь лет спустя) в 1805 г. Джеймс Холл не только подтвердил идеи Геттона, но и положил начало эпохе исследований высокого давления — направления, которое процветает по сей день, проливая свет на глубинный углеродный цикл Земли.
Известняки, состоящие из весьма распространенной минеральной разновидности карбоната кальция — кальцита, — это крупнейшее хранилище углерода в земной коре. Но кальцит лишь один из нескольких сотен зарегистрированных углеродсодержащих минералов. Если мы действительно желаем разобраться с земным углеродом, нам нужно переместить фокус внимания с обычных минералов вроде кальцита на более экзотические минеральные виды, каждый из которых обладает уникальным сочетанием химического состава и кристаллической структуры. Мы должны приглядеться к некоторым самым редким кристаллам на Земле.
Если вы хотите узнать секреты природы, вам потребуется максимально овладеть информацией. Каждому ученому знакомы периоды одержимости, когда целыми днями раздумываешь над графиками и разбираешься в таблицах, заполняя ум страницами подробностей. Это своего рода временное безумие — размышлять над анализами, пока ешь, пока притворяешься, что беседуешь с коллегами и родственниками; засыпать, думая о числах, и просыпаться, думая о числах. Если вам повезет, если вам откроются скрытые закономерности, если ваш мозг установит правильные взаимосвязи, тогда вы сможете увидеть что-то новое — что-то, чего никто раньше не видел.
Признаюсь, я знавал такие времена. Летом 2015 г. я был поглощен осмыслением особенностей всех известных минеральных видов, которых более 5000. Я погрузился в их сложную химию и замысловатые кристаллические структуры, их свойства и способы образования, разнообразие проявлений и минеральные ассоциации. На много дней я изолировался от насущных забот. Коллеги сердились за оставшиеся неотвеченными письма. Семья все больше отдалялась от меня в ответ на мою невнимательность, мою глухоту.
Пять тысяч видов — это много, но их вполне возможно изучить за неделю, если не отвлекаться. За неделю вам удастся «прочувствовать» масштаб и богатство минерального царства. Что поражает меня больше всего, так это насколько же мало количество тех минералов, которые распространены повсеместно, — 99,9% объема земной коры представлено менее чем 500 видами.
Минералогия углерода отнюдь не ограничивается алмазом и графитом. Геологи насчитывают более 400 углеродсодержащих минералов, каждый из которых представляет собой уникальную комбинацию углерода с другими химическими элементами, а каждая такая комбинация уникальна особым геометрическим расположением атомов в регулярно повторяющейся кристаллической структуре. Некоторые из этих видов можно в изобилии найти на всех континентах: вездесущий кальцит в известняковых утесах и школьном меле, арагонит коралловых рифов и раковин моллюсков, формирующий горы доломит и практичный магнезит — магниевая руда. Углерод также содержится в прекрасных ювелирно-поделочных цветных камнях, находящихся по «шкале желания» на одну ступень ниже рубинов и изумрудов, — нежно-розовый родохрозит, насыщенно-зеленый малахит и темно-синий азурит, мой любимый минерал.
Но на каждый распространенный углеродный минерал приходится десяток малоизвестных видов — минералов, о которых большинство людей, включая и большинство минералогов, никогда не слышали. Есть множество необычайно редких, микроскопических кристаллов, которые были найдены лишь в одном или паре мест в мире. Например, крошечные кристаллы пурпурного абелсонита были извлечены только из образцов керна горючих сланцев возрастом 50 млн лет в районе Грин-Ривер (штаты Колорадо и Юта). Чудесный небесно-голубой хуангодойит найден лишь на серебряном руднике Санта-Роса в чилийской провинции Икике. Кристаллы прекрасного изумрудно-зеленого уиджимулталита (попытайтесь быстро сказать это слово три раза подряд!) были обнаружены исключительно на руднике Маунт-Эдвардс в Уиджимулте, Западная Австралия. А все известные запасы хрутфонтейнита Земли, открытого в виде микроскопических зерен на руднике Комбат в Намибии, поместятся в наперсток, да еще и место останется.
Почему столь многие минеральные виды редки? Почему бы атомам не найти несколько десятков оптимальных компоновок и не придерживаться их? Мы с моими коллегами никогда не задумывались об этом. Поэтому так важно иметь умных, любознательных, пылких и обладающих широким кругозором друзей, которые не являются экспертами в вашей области. Здесь как с углеродом: чем более разнообразные связи мы формируем, тем больше наш потенциал. Жизненно необходимо иметь коллег в других областях — коллег мыслящих, не боящихся задавать действительно оригинальные вопросы, которые эксперты в вашей области никогда и не подумают задать. Для меня таким другом и коллегой стал Джесси Аусубел.
Джесси называет себя промышленным экологом, изучает источники и потоки энергии в разных социумах. Он слывет весьма осведомленным специалистом с провокационными взглядами на энергетическую политику, но его профессорская позиция в Рокфеллеровском университете в Нью-Йорке дает ему возможности для гораздо более разнообразных и творческих интеллектуальных поисков. Джесси — эксперт по творчеству Леонардо да Винчи и его жизни. Он предложил новые и убедительные гипотезы причин различных явлений — от массовых вымираний до авиакатастроф. Джесси — компетентный специалист в области разнообразия и распределения морских организмов, также он разбирается в использовании ДНК-дактилоскопии для идентификации видов растений и животных, так как участвовал в глобальной программе под названием «Штрихкод жизни».
Аусубел — потрясающий наставник молодых ученых, он использует для обучения весьма замысловатые методики и способствует профессиональному росту начинающих, предлагая им участвовать в проектах, на редкость оригинальных. В 2011 г. он консультировал подростков Кэтрин Гэмбл, Роана Кирпекара и Грейс Янг из манхэттенской Тринити-скул, как разбираться в ингредиентах чая. Оказывается, многие чайные рецепты хранятся в тайне — самые важные ингредиенты никогда не раскрываются. Но ДНК-тестирование может выявить даже незначительные компоненты любого чая, от «Липтона» до самых экзотических азиатских смесей. Применив методы баркодирования ДНК, юные сыщики обнаружили удивительный ряд не указанных в описании добавок — среди них петрушку, пырей, люцерну и обычные сорняки вроде белой мари или красной зубчатки.
Через год, в 2012 г., Джесси стал наставником старшеклассниц Кейт Штокл и Луизы Штраусс, также учениц Тринити, которые обошли более десятка дорогих суши-ресторанов и рыбных магазинов. Тайком от их владельцев Штокл и Штраусс взяли маленькие образцы сырой рыбы в лабораторию для ДНК-дактилоскопии. Результаты оказались поразительными — каждая четвертая рыба подменялась другой, которая выдавалась всегда за более дорогой деликатес: обычная треска «играла роль» красного луциана, икру обычной корюшки продавали как икру летающей рыбы, дешевую тилапию любовно презентовали в качестве дорогого белого тунца. Когда топовые новостные СМИ Нью-Йорка узнали эту историю, она произвела фурор. Скандал, получивший название «сушигейт», доставил много неприятностей престижным японским ресторанам и заставил Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов ввести новые правила тестирования и маркировки рыбной продукции.
Джесси Аусубел, конечно, понимал социальные последствия исследований чая и суши, но он смотрел шире — искал возможность привнести науку в повседневную жизнь людей. The New York Times приводит его фразу: «Триста лет назад наука была менее профессиональной. Возможно, колесо истории вновь поворачивается туда, где в ней сможет участвовать больше людей».
Джесси изменил мою жизнь в бытность его координатором программ фонда Слоуна, благодаря которому и появилась Обсерватория глубинного углерода. Быстро перемотав потребовавший нескольких лет этап предварительного одобрения грантов, рабочих встреч, подготовки предложений и формирования команды, перейдем сразу к кульминационному пункту работы DCO. На всем пути ее становления Джесси был нашим энергичным коллегой, принимающим в работе деятельное участие, полностью погруженным в науку и ее планирование.
Один наш памятный разговор состоялся в октябре 2015 г. на исходе напряженного дня, проведенного в знаменитом вулканическом кратере Сольфатара неподалеку от Неаполя. Минерализация этой активной зоны выхода углекислого газа и едких насыщенных серой паров весьма разнообразна. Великолепные красные, оранжевые и желтые кристаллы конденсируются прямо из горячих газов, насыщенных серой, мышьяком, ртутью и другими ядовитыми элементами. Минералообразующая мощь создающих кристаллы зловонных вулканических паров потрясла меня — я в жизни не видел подобного минералогического спектакля и никак этого не ожидал.
Тем вечером, проезжая по Риму на такси, мы с Джесси обсуждали богатое разнообразие минералов и их неравномерное распределение — с учетом изобилия редких видов. Вот тогда он и задал вопрос, который большинство геологов не задали бы: а почему редких минералов так много? И сразу пришло осознание: если мы хотим понять все формы углерода, нам бы лучше ухватиться за многочисленные малораспространенные углеродсодержащие кристаллы. Почему существуют целые сотни редких углеродных минералов, каждый с уникальным сочетанием химии и структуры? Дальнейшее обсуждение, начавшееся с этого вопроса, Джесси подкрепил своими сведениями об экзотической морской жизни, а я — своими познаниями по минералогии. К концу поездки идея статьи обрела форму.
Мы с Джесси поняли, что минералы могут быть редкими по четырем причинам. Тысячи минеральных видов редки, поскольку содержат один или несколько редких химических элементов, которые должны быть обособлены и сконцентрированы до того, как сможет образоваться минерал. Поэтому в относительно малом количестве минералов присутствуют кадмий, йод, рений или рутений — содержание атомов любого из этих элементов в земной коре меньше одного на миллиард других атомов. К образованию редкостей приводят также странные, невероятные сочетания элементов. Бериллий с сурьмой вместе встречаются только в одном минерале — велшите. Названный в честь Билла Велша, заядлого коллекционера минералов (и, к счастью, моего учителя естественных наук в восьмом классе), велшит можно найти исключительно в исторической горнодобывающей области Лонгбан в Швеции. Ванадий и молибден объединяются также в одном-единственном минерале из одной-единственной местности: герероите из уже упоминавшегося свинцово-цинкового рудника Комбат неподалеку от Хрутфонтейна в Намибии.
Еще одна группа минеральных диковинок содержит распространенные элементы, но их редкость объясняется весьма жесткими ограничениями по условиям, необходимым для их образования. Кальций, кремний и кислород — одни из самых распространенных элементов на Земле, но минерал хатрурит, для которого соотношение этих элементов 3:1:5, был найден лишь в формации Хатрурим в Израиле. Хатрурит кристаллизуется только в узком диапазоне состава и при необычайно высоких температурах (выше 1150 °C). Но стоит лишь чуть-чуть изменить условия, особенно если присутствует распространенный элемент алюминий, и вместо хатрурита образуются другие минералы.
Некоторые минералы редки в силу своей неустойчивости: едва образовавшись, они быстро исчезают. Скаккит, минеральная форма хлорида магния, впитывает воду из воздуха и рассыпается при определенной его влажности. Названный в честь меня минерал хазенит, найденный только в озере Моно в Калифорнии, растворяется под дождем. (Милые маленькие кристаллики представляют собой какашки микроорганизмов; как говорит один мой коллега: «Хазенит случается».) У других редких видов происходит дегидратация на воздухе, они распадаются под действием солнечного света или попросту испаряются. Некоторые из этих минералов, должно быть, образуются часто и в гораздо большем числе мест, чем мы знаем, но так ведь нужно оказаться в нужном месте в нужное время, чтобы их найти.
И наконец, о некоторых минералах нечасто сообщают просто потому, что они находятся слишком далеко или их слишком опасно собирать. Минералов из активных вулканов или глубоких шахт, вмерзших в антарктический лед или находящихся глубоко под океаническим дном, может быть и много, но они вряд ли окажутся в музеях и уж тем более в коллекциях собирателей минералов.
Чтобы считаться редким — а это бóльшая часть всех минеральных видов, — минерал должен обладать по крайней мере одним из этих четырех признаков: причудливый состав, жесткие ограничения по условиям образования, мимолетное существование или образование в опасном окружении. В очень немногих случаях особенно редким минералам присущи все четыре. Примером этого является фингерит — минерал, названный в честь Ларри Фингера, который долгое время был моим коллегой по Геофизической лаборатории и наставлял меня в минералогии. Фингерит — редкий, потому что он: 1) содержит необычное сочетание элементов — меди и ванадия, 2) требует точного соотношения этих элементов 2:1 (если будет соотношение 1,5:1 или 2,5:1, сформируются другие, такие же редкие минералы), 3) растворяется каждый раз, стоит пойти дождю, и 4) образуется из горячего пара только в выходах супернагретых источников у вершин вулканов. Неудивительно, что фингерит известен лишь в одном месте на Земле — в фумаролах вблизи вершины периодически проявляющего активность вулкана Исалько на западе Сальвадора.
Понимание того, что большинство минералов — редкие, имеет важное практическое применение. Редкие минералы указывают на те участки Земли, где сочетание химических и физических условий было необычным, если не уникальным. Возможно, горячий природный рассол, обогащенный никелем и медью, попал под давлением в трещину известняка на глубине около 1 км. В результате образовались несколько округлых кристаллических кластеров темно-зеленого глаукосферита. Крошечные розетки желтого бейлиита и корочки желто-коричневого свартцита растут исключительно на стенах урановых шахт, тогда как золотые иглы гелита и прозрачные пластинки кладноита конденсируются только в горелых отвалах угольных месторождений.
Наша активная живая планета проделывает много подобных замысловатых трюков в самых неожиданных местах. Диковинные минеральные полости — результат химического смешивания, вызванного действием внутреннего тепла, мигрирующих флюидов и повсеместно проникающих безудержных проявлений жизни — создают уникальную «экологию» минералов Земли. Этим наш дом отличается от любого другого известного мира. Сияющая Луна, быстрый Меркурий, даже наш красный сосед Марс, который по всем признакам когда-то был теплым и влажным, как Земля, — в том, что касается минерального разнообразия, все они блекнут по сравнению с нашей планетой.
Редкие минералы — это научный праздник для тех из нас, кто занимается изучением кристаллического царства природы. Это так хотя бы потому, что самые редкие минералы обладают неизвестными прежде кристаллическими структурами — новым геометрическим расположением атомов, — которые способствуют поиску новых и полезных материалов. Помимо этого, редкие минералы содержат не изученные ранее сочетания элементов. Подобные новинки также мотивируют на создание новых материалов. Но вот что, возможно, удивительнее всего: документирование всех редких минералов оказывается ключом к предсказанию множества еще не идентифицированных диковинок, которые должны встречаться на поверхности Земли или чуть глубже, но пока не обнаружены и не описаны.
Секрет предсказания еще не открытых минералов заключается во всеобъемлющих исследованиях тех, что уже известны. Обсерватории глубинного углерода нужна была полная инвентаризация сотен минералов углерода — распространенных и редких, каждой отдельной формы углерода на Земле. Нам также требовалось знать их количество — список всех их местонахождений по всему миру и всех сосуществующих с ними минералов во всех шахтах и карьерах, на всех горных пиках и приливно-отливных зонах.
Минералогия больших данных — ключ к предсказанию еще не открытых объектов минерального царства Земли. Мы должны создать базы данных по более чем 5000 известных минеральных видов и миллионам их местонахождений по всему земному шару. Затем мы должны проштудировать эту информацию, чтобы распознать скрытые закономерности, которые укажут верное направление к открытию.
Для работы с большой базой данных нужен особенный человек — тот, кто любит эту область, у кого есть творческое видение, кто обладает техническими навыками в разработке программного обеспечения и, возможно самое важное, кто готов потратить бесчисленные часы на поддержку этого проекта. Роберт Даунс, профессор минералогии Аризонского университета в Тусоне, как никто соответствует этим требованиям. Он посвятил два десятилетия составлению всеобъемлющего списка минералов и их свойств.
Боб Даунс не тот человек, о котором вы бы подумали в первую очередь, представляя себе этот подвиг Геракла. Покладистый канадец по происхождению и темпераменту, он не так давно пришел в науку. Даунс добился превосходных результатов как математик в Университете Британской Колумбии, но также был вполне счастлив, когда, будучи строительным рабочим, прокладывал автомобильные трассы на канадских Северо-Западных территориях, подземку в Ванкувере и железные дороги в Британской Колумбии. Какое-то время Боб копал золото на участке своего отца в районе Фифтинмайл-Крик на Юконе и добывал чудесные образцы минералов в ходе собственных изысканий в высокогорных районах юга Британской Колумбии, вскрывая твердую породу динамитом. «Я получал динамит бесплатно, потому что был кое с кем знаком». Он добавляет: «Я вел себя по-идиотски, но мне везло, так что я не убился». Только пожив жизнью, полной приключений, Даунс остепенился и получил докторскую степень по математической кристаллографии в Политехническом университете Вирджинии уже в весьма зрелом возрасте — в 37 лет. Три года спустя, отработав на позиции постдока вместе со мной в Институте Карнеги, он стал преподавателем Аризонского университета в Тусоне.
На первый взгляд Боб — спокойный человек, но стоит узнать его получше, как становится очевидной его сильная страсть к минералам и их исследованию. Пару-тройку десятков лет назад он обнаружил, что минералогии с ее данными по тысячам видов, разбросанными по сотням источников, не хватает порядка и стройности — систематического перечня всех официально утвержденных минеральных видов, точного определения их кристаллических структур и всеобъемлющей классификации их физических и химических свойств. Дело, которое он начал, стало самой большой в мире базой данных минеральных видов.
Сперва это была тихая и незаметная работа для души — персональный сбор наиболее достоверных сведений о кристаллической структуре минералов. Будучи редактором — специалистом по кристаллическим структурам в ведущих научных журналах American Mineralogist и The Canadian Mineralogist, Даунс имел непосредственный доступ к сотням таблиц с кристаллографическими данными. Как говорилось выше, он обнаружил, что не существует полного списка официально утвержденных минеральных видов. Международная минералогическая ассоциация (ММА), повсеместно известная как IМА (International Mineralogical Association), занимается проверкой заявок на новые виды со всего мира — чтобы верифицировать каждое уникальное сочетание химического состава и кристаллической структуры, найденное в природе. Но ММА — общественная организация, и много лет ее «официальным» списком была неформальная «сборная солянка», систематически не обновляемая и не публикуемая регулярно в каком-то определенном издании. С целью привнести больше порядка в эту область Даунс и начал составлять собственный список, координируя свою деятельность с ММА.
Все изменили деньги. Бизнес-ангелом Даунса стал миллиардер Майк Скотт, генеральный директор Apple Computers, который присоединился к Стиву Джобсу и Стиву Возняку в 1977 г., как только свежеоперившаяся компания вышла из гаража. Скотт — страстный коллекционер прекрасных драгоценных камней. Его собрание крупных, безупречных, насыщенных цветом сокровищ превосходит коллекции почти всех музеев в мире. Скотт хотел разработать быстрые и точные методы идентификации ограненных драгоценных камней, поэтому предложил Бобу сделку. Скотт вложит 5 млн долларов в самый современный инструментарий для его лаборатории и поддержит разработку базы данных по минералам и их свойствам, а Даунс поможет идентифицировать минералы коллекционера. Но при одном условии: базу данных надо будет назвать в честь кота Майка Скотта, Рраффа. Так и родилась RRUFF — база данных по минералам. Кое-кто из нас заметил, что название содержимого этого ресурса — «данные Рраффа» — производило не лучшее впечатление. Но такова была сделка, и название RRUFF сохранилось. (Можете проверить по адресу .)
Сначала замысел заключался в том, чтобы просто собрать много-много сведений — без необходимости регистрировать каждый отдельный минеральный вид. Но аппетиты росли. Даунс нанял армию студентов, чтобы те вводили в базу самые необходимые данные по минералам, измеряли атомные структуры и оптические свойства, сохраняли характерные образцы в растущей коллекции минералов Аризонского университета и делали как можно более удачные микрофотографии характерных кристаллов. Он нанял программистов, чтобы ускорить процесс ввода информации, иметь возможность добавлять в базу новые поля, устанавливать связи с другими ресурсами данных по минералам и делать весь сайт более удобным для пользователя. Он приветствовал преемственность работавших с ним выпускников, которые в итоге построили свои карьеры на сборе и использовании данных по минералам.
В процессе создания базы данных RRUFF Боб Даунс стал совершенно незаменимым для минералогии. Его веб-сайт, обновляемый каждые несколько дней, содержит наиболее полный из всех перечень минеральных видов. Ресурс набирает почти 100 000 посещений каждую неделю, так как сюда регулярно заходит все минералогическое сообщество мира — студенты, преподаватели, коллекционеры-любители и музейные кураторы.
RRUFF продолжает расширяться как по содержанию, так и по размаху. Сейчас у вас есть возможность искать на нем минералы по составу, структуре или минеральной группе. Даунс с коллегами недавно добавил на портал страницу «Минеральная эволюция», где возраст почти 200 000 минералов сопоставлен с другими данными. Новые пакеты программ обработки статистической информации и графические опции позволяют пользователям визуализировать сведения о минералах различными «умными» способами. Знания Даунса по минералогии привели его на Марс в качестве члена команды Марсианской научной лаборатории, которая управляет марсоходом «Кьюриосити» на Красной планете. Как следствие, к базе данных добавили также планетарную минералогию.
Сейчас каждый желающий имеет бесплатный и открытый доступ к полному каталогу, содержащему более 5000 утвержденных ММА минералов на Земле и других планетах со ссылками на всю необходимую статистику по каждому виду. Но знание множества обнаруженных форм углерода только первый шаг в предсказании того, чего «не хватает». Нам также нужны данные по сотням тысяч местонахождений минералов по всему миру — по всем шахтам и горам, карьерам и обнажениям, пещерам и утесам. Составление такого списка — хотя это и гораздо, гораздо более сложная задача, нежели каталогизация более чем 5000 видов, — единственный способ, с помощью которого мы могли бы узнать число углеродсодержащих минералов Земли.
Другой герой кампании по составлению международной базы данных по минералам — Джолион Ральф, целеустремленный прагматичный британец, который построил небольшую империю, собирая данные по минералам и драгоценным камням и делясь ими. Как и многие любители минералогии, Ральф начал коллекционировать еще в детстве. Он вспоминает свой самый первый образец: кристалл кварца, найденный им в гальке на прославленном побережье Тинтагель в английском Корнуолле, когда ему было шесть лет. С этого и началась любовь Ральфа к минералам длиною в жизнь. Коллекция выросла, но он все еще хранит тот маленький камушек — уже более 40 лет.
Вторая страсть Джолиона проявилась в 1980 г., когда в возрасте десяти лет он был отобран для участия в пилотной программе по обучению британских детей программированию. Его увлечение разработкой алгоритмов со временем не ослабло. Поступив в престижную Королевскую горную школу, чтобы изучать геологию как основной предмет, он вскоре переключился на компьютерные науки, выбрав их в качестве своей профессии.
— самый внушительный в мире на сегодняшний день ресурс сведений о местонахождении минералов и основное дополнение к базе данных по минеральным видам RRUFF Даунса — появился на свет в рождественские дни 1993 г. в виде персонального списка минералов Джолиона Ральфа. Сначала это был просто каталог его собственных образцов и мест сбора, но Ральф постепенно начал осознавать, что его база данных могла бы стать чем-то бóльшим. Он продолжал добавлять информацию и улучшать функциональность Mindat, но уже начала обретать форму идея создания сайта, который вмещал бы все минеральные виды из каждой точки мира. Наступление эпохи ОС Windows и мощь интернета дали новый толчок к дальнейшему развитию Mindat, и 10 октября 2000 г. он стал публичным ресурсом.
Одному никак с таким не справиться. Сотни лет минералогических исследований, помноженные на энтузиазм десятков тысяч хорошо подкованных и страстных коллекционеров, породили целый океан информации по минеральным видам и их местонахождениям. Миллионы фактов, указывающих, где конкретно и какие именно комплексы минералов были найдены, оказались разбросанными повсюду, погребенными в бесчисленных книгах и статьях, опубликованных на многих языках. Мало того, существовало неизвестно сколько скрытых ценных сведений о минералах — неопубликованные обрывочные сведения, собранные на спрятанных в картотечных ящиках карточках для записей, записанные от руки в полевых дневниках и хранящиеся на устаревших ныне дискетах. Задачей Джолиона Ральфа было найти все эти данные, собрать их на единой интернет-платформе и предоставить миру.
Точное местонахождение минералов имеет важное значение для очень многих людей. Геологи хотят знать, куда идти, чтобы понять, как образуются минералы. Коллекционеры хотят знать, куда идти, чтобы найти лучшие образцы для представления их на минералогических шоу. А добывающие компании хотят знать, куда идти, чтобы заработать много денег. До недавнего времени у них не было единого источника информации о местонахождении минералов. Некоторые минералоги проводили региональные исследования; геологические библиотеки заполнены книгами с названиями вроде «Минералы Аризоны» или «Минералы Карпат». На титулах других сборников написано, к примеру: «Шахты Долины смерти» или «Драгоценные камни мира». Плюс популярные минералогические журналы, среди которых The Mineralogical Record и Rocks & Minerals, публикуют богато иллюстрированные сообщения о знаменитейших местонахождениях коллекционных минералов в мире, зачастую с тщательно составленными списками всех зарегистрированных видов из действующих шахт или известного региона. Но, чтобы получить исчерпывающий обзор — чтобы свести в таблицу все, что имеет отношение к распространенному минералу, скажем азуриту или родохрозиту, — вам потребуются годы изучения нескольких тысяч источников, значительная доля которых окажется той самой скрытой информацией на иностранных языках. Вам также потребуется легион помощников-энтузиастов. Именно таких и набрал Джолион Ральф.
Статистика Mindat поражает. Добавлять фотографии минералов, описывать их местонахождения и редактировать данные по ним могут почти 50 000 зарегистрированных пользователей. В совокупности они загрузили сотни тысяч фотографий образцов. Были внесены данные по 300 000 участков по всему миру, а количество индивидуальных минералогических находок перевалило за миллион. Это изумляет Ральфа: «Я не ожидал, что сайт настолько разрастется. Он начал руководить моей жизнью!»
Джолион, который сейчас работает в полную силу, управляя Mindat и расширяя его, как никто другой понимает, что работа не окончена. Покрытие некоторых богатых минералами географических зон, в частности Китая, неполно. Многие места плохо описаны (Ральф пытается добавить ко всем ним GPS-координаты). Более того, на таком краудсорсинговом ресурсе, как Mindat, всегда будут досадные ошибки и искажения фактов. Коллекционеры иногда допускают неточности в идентификации своих находок, и они скорее сообщат о редких видах, которые встречаются в форме цветных кристаллов, чем о гораздо более распространенных белых или серых неприметных породообразующих минералах. Тем не менее десятилетия усилий и организационных стараний Джолиона Ральфа привели к тому, что его преобразовал минералогию и открыл потрясающие новые возможности для минералогических исследований.
Благодаря всеобъемлющему списку минеральных видов Боба Даунса и огромной подборке местонахождений минералов Джолиона Ральфа мечта DCO каталогизировать все кристаллические формы углерода на Земле вполне осуществима. О чем говорит нам вся эта информация? Этим вопросом мы задались в 2014 г., когда начали искать скрытые закономерности в нагромождении данных.
Первым, что нас поразило, было неравномерное распределение земных минералов — тенденция, наблюдаемая, как правило, в биологических экосистемах. Несколько десятков минералов встречаются в тысячах мест, в то время как большинство других — чрезвычайно редкие. Полдесятка видов минеральной группы полевого шпата, по оценкам, составляют 60% объема земной коры. Несколько десятков других распространенных минералов составляют почти все остальное. А более 1200 минеральных видов, напротив, известны только по уникальным находкам в единичных местонахождениях. Еще более 600 видов найдены всего в двух местах, а почти 400 — описаны лишь из трех. Общий обзор данных по местонахождениям в показывает, что более половины всех зарегистрированных минералов происходят из пяти или менее мест. Поразительный вывод: большинство минералов — очень редкие.
Тогда мы задумались: является ли такое неравномерное частотное распределение с малым количеством очень распространенных видов и намного более многочисленными редкостями характерным для природы в целом? Может ли литература по социологии, экономике, географии или другим областям знаний показать аналогичное частотное распределение? Существует ли уже признанный математический подход для описания подобной взаимосвязи с преобладанием редкостей, который мы можем использовать, чтобы понять распределение минералов?
Ответ пришел (как это часто бывает) в несвязанном, казалось бы, контексте — во время прогулки в лесу. В июне 2014 г. Мэттью Скотт, недавно назначенный президентом Института Карнеги, пригласил меня к себе домой в Пало-Альто, чтобы поговорить о науке, жизни и будущем института. Мэтт — родственная мне душа, с той же страстью к концептуализации и междисциплинарному мышлению. Он внес весьма революционный вклад в клеточную биологию и биологию развития, да к тому же был главой амбициозной лаборатории Bio-X в Стэнфордском университете, где работают исследователи, занятые в передовых междисциплинарных проектах, которые связывают биологию с медициной, инженерными науками, физикой и химией. Благодаря активности Мэтта лаборатория получила 1 млрд долларов на новейшее оборудование. Теперь же он предвкушал новые приключения, руководя обновленным Институтом Карнеги, в котором проводились связанные между собой исследования Земли, космоса и живой природы.
Вместо того чтобы просто сидеть и разговаривать, мы пошли на прогулку по живописному скалистому побережью Северной Калифорнии и зашли в ближайший лес с древними массивными секвойями. Проходя мимо внушительных хвойных деревьев, я поражался неравномерному распределению растительной и животной жизни. Бóльшая часть биомассы этой экосистемы скопилась на гигантских секвойях, а оставшаяся — на нескольких других крупных доминирующих видах деревьев и кустарников. Но львиная доля биоразнообразия была представлена гораздо более мелкими видами: мхами, папоротниками, насекомыми, певчими птицами и яркоокрашенными калифорнийскими банановыми слизнями, не говоря уже о бесчисленных невидимых микроскопических формах жизни. Шагая, я размышлял: а не может ли распределение биомассы в экосистеме отображать распределение минералов на Земле?
Разгадка появилась из неожиданного источника несколько дней спустя, когда я искал статьи по частотному распределению. Ответом послужили слова. Оказалось, что характерное распределение слов в книге необыкновенно похоже на распределение минералов на Земле. Давайте рассмотрим эту мою книгу. Как и все, я часто использую здесь артикли и союз «и» — возможно, сотни раз. Другие часто используемые слова более характерны для данной конкретной истории: первыми приходят на ум «минерал», «алмаз» и «углерод».
Вы, возможно, видели «облака слов», или Wordles, в которых крупным шрифтом выделяются самые распространенные ключевые слова в тексте. Те, которые вы не видите в «облаке», — это более редкие слова, которые использовались всего один или два раза. И в эту категорию попадает намного больше разных слов. Здесь слово Wordle появляется только единожды (упс, полагаю, теперь уже дважды). То же самое можно сказать о «Чосере», «тилапии» и «уиджимулталите». На самом же деле анализ этих редких слов может однозначно указать на тему, жанр и даже авторство документа. Вот если бы вы нашли старую рукопись и захотели узнать, кто ее написал? Такие редкие, характерные слова и фразы могут помочь выявить ранее неизвестные произведения Диккенса, Чосера или Шекспира.
Подобная закономерность — с несколькими распространенными элементами и многочисленными редкими — называется распределением «большого числа редких событий» (или сокращенно БЧРС). Вы, возможно, полагаете, что исследование распределений БЧРС относится к сфере компетенции какого-то захолустья прикладной математики и интересует всего лишь нескольких историков и литературоведов. Однако это не так: глобальная борьба с терроризмом сделала лексическую статистику горячей темой. Агентство национальной безопасности хочет знать, кто что пишет и кому. БЧРС-анализ — даже просто электронного письма, короткого документа или записи телефонного разговора — может дать убедительные подсказки. Как следствие, на БЧРС-исследования потекли деньги. В последние годы вышли толстые учебники, напичканные математическими формулами, а мудреные статистические программы для БЧРС-анализа доступны онлайн и бесплатны.
Погружение в мельчайшие подробности столь сложной математики не для слабонервных, и мало у кого из минералогов есть ноу-хау, чтобы расшифровывать загадочные БЧРС-уравнения, а уж тем более применять их к новой дисциплине. В 2015 г. мне посчастливилось работать с Гретой Хистад, в то время преподавателем прикладной математики в Аризонском университете и одновременно — членом хоккейной команды Боба Даунса. Найти коллегу, подобного Хистад, — мечта любого ученого. У нее потрясающие математические способности, она обожает учиться, творчески мыслит и любит работать как никто другой.
Грета — норвежка по происхождению, а ее генеалогия восходит ко временам викингов. Почти все детство она провела на ферме, которая принадлежала ее семье в течение 16 поколений, и может похвастаться тем, что найденный на их землях клад с украшениями железного века является национальным достоянием. Грета — заядлая спортсменка, она выступала за норвежскую футбольную команду Первого дивизиона и несла олимпийский факел на Зимних играх в Лиллехаммере в 1994 г., перед тем как приехать в Соединенные Штаты, чтобы поступить в аспирантуру. Она получила докторскую степень в Аризонском университете и осталась там преподавать на математическом факультете, затем заняла должность профессора в Северо-Западном университете Пердью.
Хистад понравилась идея применить устоявшиеся математические формулы к новой природной системе — распределению минералов на Земле. Она погрузилась в литературу по лексической статистике, выделила и изменила соответствующие процедуры и вскоре продемонстрировала нам, что естественное распределение минералов на Земле прекрасно соответствует двум хорошо известным типам БЧРС-распределения: конечной функции распределения Ципфа — Мандельброта (кЦМ) и общей обратной функции распределения Гаусса — Пуассона (ООГП).
Поток открытий, последовавших в этой области, мы окрестили экологией минералов в честь экологических исследований распределения видов. Мы обнаружили, что БЧРС-распределения также применимы к различным подгруппам минералов, особенно тем, которые содержат специфические химические элементы, к примеру бор, кобальт, медь и хром. Дотошные исследования углерода продвинули эту идею на шаг вперед, поскольку были обнаружены БЧРС-распределения для меньших подгрупп минералов, содержащих углерод в сочетании с кислородом, водородом и кальцием.
Вот чем интересны БЧРС-модели распределения минералов — они предлагают эмпирический закон, который точно описывает то, что мы вывели из больших баз данных по минералам: большинство минералов редкие. Но от такого подхода можно получить гораздо больше. Математические модели бесценны не только потому, что систематизируют уже известное нам. Помимо этого, подобные взаимосвязи часто уводят нас от простого описания природы, за пределы того, что мы знаем, позволяя делать прогнозы о том, чего мы не знаем. Грета Хистад обнаружила, что модели не только оценивают распределение известных минералов, но еще и раскрывают распределение пока не найденных и не описанных. С БЧРС-моделью мы в состоянии предсказывать «недостающие» минералы Земли.
Теперь — как это работает. Представьте себе, что ваш космический корабль совершил посадку на неизведанную землеподобную планету и вам нужно составить как можно более полный список ее минералов. В первом же куске горной породы, который вы подберете, будет несколько новых для вас видов. Поднимете другой камень, а затем еще один, и еще… Пока вы находите что-то новое, ваш список будет быстро расширяться. Но через несколько недель после того, как вы занесете в реестр тысячи образцов и сотни разных минеральных видов, открытия новых видов станут происходить все реже и в конечном счете сократятся до струйки необычных, более редких находок.
Когда вы будете отмечать на графике растущее количество изученных образцов минералов по горизонтальной оси, а количество описанных видов — по вертикальной, то увидите характерную кривую накопления, которая начинает резко подниматься слева и постепенно выполаживается вправо. Эту кривую можно экстраполировать дальше вправо, чтобы оценить общее число видов, многие из которых пока только предстоит открыть и описать. Несомненно, потребуется много лет поиска, чтобы приблизиться к этому прогнозируемому числу, а тем более достичь его, но вы можете быть уверены, что намного больше минералов лежит в ожидании внимательного минералога.
Алгоритмы БЧРС позволяют обрабатывать кривые накопления, которые Грета Хистад вывела из БЧРС-статистики при помощи нескольких математических приемов. В нашей первой совместной работе, опубликованной в 2015 г., когда было известно порядка 4900 минеральных видов, предсказывалось, что еще остается найти по крайней мере 1500 минералов. Последующие исследования, которые проводила все увеличивающаяся команда выпускников, аспирантов, кандидатов наук и старших научных сотрудников, были сфокусированы на детализации того, чего недостает, не хватает: к примеру, более 100 минералов, содержащих полезный элемент бор, только и ждут, чтобы их нашли и описали. Мы предсказали, что в копилке не хватает 30 минералов хрома и 15 минералов редкого элемента кобальта. Далее последовали исследования по многим другим химическим элементам, причем все они основывались на анализе статистических тенденций в данных по минералам.
Мы объединили результаты наших всесторонних исследований по более чем 400 минералам углерода с почти 83 000 данных по этим разнообразным углеродным минералам и их местонахождениям. БЧРС-распределение работает прекрасно: более 100 минералов углерода известны только из одной местности, еще 40 — всего из двух мест и т.д. Результирующая кривая накопления говорит о существовании привлекательной перспективы — еще нужно найти и описать почти 150 углеродсодержащих минералов, которые должны существовать на поверхности Земли или в приповерхностном слое. Продолжая использовать те же методы, мы обнаружили, что из этих 150 недостающих минералов почти 90%, вероятно, содержат еще и самый распространенный минералообразующий элемент — кислород и примерно столько же — водород. Мы сделали прогноз, что десятки еще не открытых минералов углерода содержат в качестве главных компонентов также кальций или натрий.
Имея на руках такую информацию, нам было сравнительно легко сделать следующий шаг и предсказать как особенности неизвестных минералов, которые могут быть найдены, так и места, где их следует искать. Некоторые из этих потенциальных видов уже хорошо нам знакомы как синтетические соединения, например карбонаты натрия и калия. Эти химические вещества обычно белого или серого цвета, они слабо раскристаллизованы, не говоря уже о том, что хорошо растворяются в воде, а стало быть, исчезают после первого же дождя. Поэтому неудивительно, что подобные минеральные виды остались незамеченными и любителями, и профессиональными минералогами. У нас есть предложение: идите искать новые виды по покрытым минеральной коркой берегам богатого натрием танзанийского озера Натрон в Восточно-Африканской рифтовой долине. Это будет нелегко, поскольку на берегах озера уже и так полно более распространенных белых корковидных минералов, но будет намного легче найти что-нибудь новое, если вы знаете, что искать.
Мы можем предположить свойства других недостающих минералов, если рассмотрим химических собратьев уже известных минералов углерода. Наш список из 190 возможных вариантов — железных, медных и магниевых аналогов хорошо известных карбонатных минеральных видов — затронул лишь малую часть гипотетических недостающих минералов углерода. С использованием экологии минералов мы расширили рамки основной миссии Обсерватории глубинного углерода по нахождению всех форм углерода на Земле; впервые в истории минералогии мы предсказали множество минеральных видов, которые трепещут в ожидании, чтобы их открыли.
Итак, мы застолбили нашу заявку. Мы предположили, что на Земле есть еще почти 150 неоткрытых — недостающих — минералов углерода, и конкретно предсказали, куда идти и что искать. Пришла пора проверять прогнозы.
Столетиями минералогия была наукой, основанной на наблюдении, и все новые минералы находили по чистому везению. Редкая натриевая слюда вонезит была обнаружена случайно в ходе стандартного анализа обычного биотита. Волокнистый минерал джимтомпсонит долгое время принимали за один из минералов группы вездесущих амфиболов. И как гласит пословица, золото там, где его найдешь. Конечно, есть некоторые закономерности, но только малая часть из более чем 5000 минеральных видов была предсказана до их обнаружения в природе.
С учетом экологии минералов эта традиция меняется. Мы можем предсказывать то, что пока не найдено. О некоторых таких редкостях мы даже знаем, какими они должны быть и где их найти. Нам стало ясно, что озеро Натрон в Танзании — это место, куда можно поехать, чтобы обнаружить там новые карбонаты натрия и калия. Подобным образом уже найден ряд карбонатов стронция в известном карьере Пудретт в Квебеке, в то время как другие похожие карбонаты стронция известны нам пока только в виде синтетических химических веществ.
Чтобы найти новые минералы карбоната стронция, вам не нужно ехать на канадский карьер (хотя такая экспедиция была бы наслаждением для любого профессионального минералога). Просто подойдите к музейным ящикам, наполненным образцами из Пудретта, и тщательно изучите их в поисках крошечных кристаллических зерен ранее не распознанного вида. Новые минералы углерода должны быть также в угле и горючих сланцах. Исследования уже привели к обнаружению десятка редких кристаллов, образованных из небольших углеродсодержащих органических молекул, сконцентрированных в богатых кристаллами полостях в углях или в слоях горючих сланцев. Конечно, большинство органических минералов еще ждут своего открытия. Чтобы их найти, вы можете разрезать, изучить и проанализировать уголь или горючий сланец из местонахождений, в которых уже были обнаружены необычные минералы.
Для продвижения этого нового минералогического проекта Обсерватория глубинного углерода запустила в 2016 г. программу Carbon Mineral Challenge. Этот международный поиск недостающих минералов углерода представлялся нам интересной идеей, но нужен был и харизматичный лидер — чтобы вызывать всеобщее чувство восторга и быть замечательным во всех отношениях. Нам нужен был тот, кто умеет общаться как с кураторами минералогических музеев, так и с коллекционерами. Итак, знакомьтесь: Дэн Хаммер.
Его и впрямь сложно не заметить. И дело не только в его 195 см роста и широких плечах. Улыбка Дэна излучает энтузиазм и искренние доброту и щедрость, очень ему свойственные. Плюс его заразительная фраза: «Ух, черт!», выражающая смесь этого энтузиазма с удивлением, которая, возможно, досталась ему от предков из Айовы (вкупе с неисчерпаемым любопытством). Когда Дэн Хаммер говорит, что минералы углерода только и ждут, чтобы их открыли, окружающие кивают и приступают к работе.
Дэн, мой бывший постдок, недавно назначенный на должность старшего преподавателя в Университете Южного Иллинойса, отдает себе отчет, что для Обсерватории глубинного углерода ставки высоки. Наш успех зависит от понимания сложного углеродного цикла Земли, а мы не сможем понять этот цикл без знания множества прекрасных и разнообразных форм, которые принимает углерод. «Недостача» почти 150 углеродсодержащих минералов — огромный пробел в нашем понимании природных форм шестого элемента, и Дэн намерен его восполнить.
Минералоги со всего мира — что любители, что профессионалы — включились в охоту, и результаты посыпались. В течение первого года программы ММА утвердила девять новых углеродсодержащих минералов в качестве «узаконенных» видов. Первым оказался найденный в испанской Каталонии абеллаит — карбонат натрия и свинца с крошечными вкраплениями бледно-зеленых иголочек. Нам было очень приятно отметить, что зарегистрированный в 2017 г. абеллаит присутствовал в опубликованном нами же в 2016 г. списке прогнозируемых минералов углерода. Тиннункулит — минерал, найденный вторым, — образуется, когда помет пустельги (вида Falco tinnunculus — отсюда и название) взаимодействует с теплыми газами из горящего в терриконе одной из российских шахт угля. (Окей, признаю — такого мы не предсказывали!) За ними последовали голубой марклит из Германии, зеленый миддлбекит из Австралии и бледно-желтый леосилардит из штата Юта. Симпатичный канареечно-желтый юингит (шестое открытие) стал новым карбонатом урана из Яхимовского рудного района Чешской Республики — местности, уже известной разнообразием редких минералов углерода. И наконец, паризит-(La) — карбонат с редким элементом лантаном — тоже был предсказанной разновидностью.
Программа Carbon Mineral Challenge продолжается. Мы не рассчитываем найти все оставшиеся 145 предсказанных новых видов, но, как обещал Дэн Хаммер, без сомнения, будет интересно попытаться это сделать.
Вполне естественно, что подавляющее большинство углеродсодержащих кристаллов в природе были обнаружены в доступной приповерхностной области земной коры. Но мы знаем, что Земля хранит и более глубокие минералогические секреты — недоступные прямому наблюдению кристаллы, образующиеся при экстремальных температурах и давлениях мантии и ядра нашей планеты. Понимание сих таинственных этапов требует сложного арсенала исследовательских инструментов, которые используют ученые особой специализации. Это физики, изучающие минералы.
Войти с помощью соц. сетей: