Сюрпризы биосферного эксперимента

стадии нaгрeʙa образца температура была доведена до 100°С и поддерживалась около 12 минут (выделяющиеся на этой стадии летучие, соглaсно Boato, 1954, и другим, более поздним исследователям, могут содержать значительную долю земной контаминанты). Эти газы были удалены из камеры. Далее был продолжен нaгрeʙ образца и открыты вентили, изолирующие емкости от камеры с образцом. Максимальная температура нaгрeʙa достигла 300°С, максимальные давления, при которых дважды производился забор газов, около 200 мм ртутного столба. Послe выключения СВЧ-мощностей и последующего охлаждения камеры, образца и газа на внутренней поверхности реактора образовался мутновато-молочный нa-пыленный слой.

Хроматографический анализ газовых проб проводился нa хроматографе ЛХМ-8,3 с двумя колонками нa катарометре, сигнaл с которого подавался на пишущий потенциометр КСП-4. Для определения концентраций CO, CH4, H2, O2, N2 использовалась колонка с молe-кулярными ситами, a для определения содержания СО2 — колонка с порaпa-ком. В качестве газа-носителя использовался aргон. Относительные содержания CH4/CO/CO2 составили 0.02/0.78/ 0.2 (в первой заборной емкости) и 0.03/ 0.8/0.17 (во второй). В ходе подключения газозаборных камер к хроматографу произошла контаминация экспериментальных продуктов атмосферным воздухом. Однако онa легко элиминируется с учетом знания современного атмосферного соотношения N2/O2. Содержание метеоритного N2 составляет около десятой доли содержания СО2. Непонятно относительно высокое содержание водорода.

При попытке вторичного нагрева образца был превзойден порог возник-новeния пробоя, произошли СВЧ-разряд и разрушение камеры. Ha стенках камеры образовался белый налет. Было решено обратиться к аналитикам Института гeологии Коми НЦ УрО PAH с просьбой попытаться определить состав конденсата (с возможными следа- 7

ми керогена) на стенках разрушенной камеры. Увы, H. П. fiшкин по результатам анализов вынес приговор: «кремневка».

Для второго эксперимента была изготовлена новая вакуумная камера уже с тремя патрубками. Для отбора летучих на первой стадии нагрева (20— 150°С), возможно, контаминированной фракции («участок Boato»), предназначался первый патрубок с отсоединяемой заборной емкостью. Для второй стадии — после откачки до вакуума (нагрев от 150 до 1000°С) использовался второй патрубок тоже с отсоединяемой емкостью. Во избежание пробоя было решено заполнять камеру ксеноном (при давлении 100 мм ртутного столба). Отработаны новые методики соответствующего нагрева с мониторингом давления и температуры и других параметров установки на имитационных образцах (железистом кварците). Pе-зультаты второго эксперимента показали сходные с полученными в первом эксперименте отношения H2/CH4/CO2/ N2, т.е. нейтрально-восстановленный неравновесный состав. Следы метана были зафиксированы в обоих экспериментах, но в пределах ошибки измерения. Происхождение H2 остается неясным. Ожидаемого обилия H2S и SO2 установить пока не удалось. Опять замечен слабый молочно-белый налет. Будем вновь пытаться определить состав возможной органики.

Hеудачный эксперимент Института динамики геосфер PAH привел, однако, к неожиданным и весьма интересным результатам из области минералогии и кристаллографии.

Биоморфный минеральный мир лабораторного реактора

(H. П. fiшкин)

A. В. Витязевым был передан нам для исследования фарфоровидный материал молочно-белого цвета, образующий грубослоистые корочки толщиной в 1—2 мм на внутренней поверхности стеклянного реактора.

По данным рентгенофлюоресцентного и энергодисперсионного анализов, фарфоровидный материал оказался кремнеземом с беспримесным составом, точно соответствующим формуле SiO2. Материал рентгеноаморфен, однако на дифрактограм-мах фиксируются отдельные линии кварца.

Исследование фарфоровидных корочек в растровом электронном микроскопе JSM-6400 Jeol с одновременным контролем состава с помощью энергетического рентгеновского спектрометра Link позволило установить их гомогенную криптозернистую структуру. Отдельные прослойки имеют парал-лельно-шестоватое строение, связанное с релаксацией межслоевых напряжений, вызванных незначительными структурными отличиями материала соседних слоев. Это явление известно под названием гетерометрии, оно гомологично формированию столбчатой отдельности в базальтах.

Hеобычной оказалась поверхность корочек, характеризующаяся рыхлой войлокоподобной текстурой, образованной волокнистыми и игольчатыми

Игольчатые или тонкостержневые индивиды имеют цилиндрическую или остроконическую форму (рис. 3). Они заметно толще волокон. Их диаметр

Рис. 1. Внешняя друзовая поверхность фарфоровидной корочки кремнезема

индивидами (рис. 1). Это своеобразный агрегат друзового типа в начальной стадии друзообразования. Какой-либо директивной ориентировки индивидов не отмечено, хотя на некоторых участках проявляется субпараллельное соотношение игольчатых образований.

Мы не могли провести фазовую диагностику этих индивидов вследствие их микро- и наноразмерности, однако наличие отдельных кварцевых отражений и собственной, директированной структуры, а не внешних факторов формы индивидов, позволяет предположить, что они представлены не аморфным кремнеземом, а кварцем или какими-то полимерными модификациями SiO2.

Внутренняя часть войлокоподобного агрегата сложена волоконными червеобразными индивидами кремнезема диаметром 0.2—0.8 (преимущественно 0.5) мкм, длиной до десятков микрометров (рис. 2). Волокна обычно спиралевидно скручиваются вдоль оси, причудливо изгибаются, образуя сложные петли, кольца, узлы, клубкоподобные сгущения.

Рис. 2. Червеобразные индивиды кремнезема

Рис. 3. Игольчато-стержневые индивиды кремнезема

около 1.0, иногда до 1.5 мкм, длина до 20 мкм. Осевые линии строго прямолинейны. Концы индивидов полусферические, нередко увенчаны сферическими образованиями немного большего диаметра, чем диаметр стержня (как бы насаженные на концы стержней шарики). Hикаких различий в составе материала стержней и шариков в пределах чувствительности энергодисперсионного анализа не отмечено. Поверхность стержней в пределах увеличений в 6—20 тыс. раз представляется гладкой. При еще большем увеличении наблюдается шероховатость, морфологические особенности которой выяснить не удается. Hекоторые стержни имеют пережимы, грубо гофрированы.

Глобулярные индивиды (рис. 4) характеризуются одинаковым со стержнями диаметром, около 1 мкм, но существенно меньшей длиной — до 5 мкм. Они образуют на некоторых уча- стках кремнеземных корочек друзоподобные агрегаты. Их, вероятно, можно интерпретировать как поколение «недоросших» вследствие остановки кристаллизационного процесса игольчатостержневых образований.

Рис. 4. Глобулярные индивиды кремнезема

Hа поверхности кремнеземных корочек изредка встречаются субпарал- лельные сростки пластинчатых индивидов (рис. 5). Толщина пластинок — 0.1—0.2 мкм, поперечные размеры — от 5 до 10 мкм. Pазмер параллельнопластинчатых агрегатов — 10⋅40 мкм. Они нарастают на глобулярные и волоконно-стержневые щетки и являются самыми поздними в реакторе продуктами кристаллизации. Слагающий их кремнезем отличается присутствием

Рис. 5. Субпараллельные сростки кристаллов натрийсодержащего кремнезема

существенной примеси Na2O (4.94— 9.64 %) иногда вместе со следами K2O (0.15 %). От воздействия электронного зонда на кристаллах остаются микрократеры (рис. 5).

Морфологические особенности индивидов кремнезема свидетельствуют о том, что они сформировались из газовой фазы по ПЖК-механизму (пар — жидкость — кристалл) на конденси- рующихся на подложке жидких каталитических каплях. Механизм этот до- статочно хорошо исследован и широко применяется в экспериментальных и промышленных технологиях (см., например, Е. И. Гиваргазов «Pост ните- видных и пластинчатых кристаллов из пара». М.: Hаука, 1977. 304 с.). Он включает массоперенос в паровой фазе (в «метеоритном» эксперименте A. В. Витязева, возможно, происходила частичная атомизация кремнезема вследствие СВЧ-пробоя на кремний и кислород), образование на подложке (в данном случае на внешних слоях корки) капель жидкого конденсата, синтез SiO2 на границе пар — жидкость, диффузию SiO2 в жидкой капле, конденсацию в твердую фазу или кристаллизацию на границе жидкость — подложка и далее на границе жидкость — кристалл, происходящую с очень высокой скоростью (рис. 6).

Рис. 6. Схема роста фиброкристалла по ПЖК-механизму

диффузия

SiO? в капле жидкости

Онтогенический анализ строения фарфоровидных корок позволяет выявить определенную последовательность режимов конденсации кремнезема на стенках реактора: массивное затвердевание в условиях резкого переохлаждения (фарфоровидная корка) → неустойчивый кристаллизационный режим при относительно высоком переохлаждении (червеобразные индивиды) → устойчивый кристаллизационный режим при слабом переохлаждении (игольчато-стержневые индивиды) → угасающий режим при прекращающемся переохлаждении (глобулярные индивиды).

Подобную стержневидным агрегатам из эксперимента A. В. Витязева форму имеют волокнистые кристаллы синтетического карбида кремния SiC (рис. 7,а) и других продуктов парожидкостной кристаллизации. По тому же ПЖМ-механизму образуются волокни- стые кристаллы оксикерита в пегматитовых полостях (рис. 7, б), которые де- тально изучались нами и использовались в качестве моделей предбиологи-ческих структур (N. P. Yushkin // Journ. Cryst. Growth., 1996. V. 167, N 1—2. P. 237—247; N. P. Yushkin // Proc. SPIE, 2000. V. 4137. P. 22—35).

Итак, природа и механизм формирования экзотических форм кремнезема, образовавшихся в реакторе из кварцевого стекла, ясны, но имеют ли полученные данные какое-то значение для решения биосферной проблемы, на которую был ориентирован витязев-ский эксперимент?

Прямого значения, может быть, они и не имеют, но вносят определенный вклад в совершенствование генетической идентификации биопроблематич-ных структур. Полученные в эксперименте структуры весьма похожи на биологические, биоморфны. Hе зная

SiO2

Направление роста кристалла SiO2

а

б

Рис. 7. Технические и природные фибро-кристаллы:

а — карбида кремния технического, б — оксикерита из пегматитов Волыни (Украина)

истинной природы этих структурных образований, их можно принять за фос-силизированные, окаменевшие микроорганизмы: кокки, бациллы, нитчатые бактерии. В некоторых случаях можно «угадать» даже клеточное строение нитчатых форм. Биоморфность подобных структур конвергентна, определяется действием единых в биологическом и минеральном мирах формообразующих факторов. И хотя форма индивидов наиболее информативна в генетической идентификации гео- и аст-робиопроблематик, морфогенетический анализ может оказаться бессильным. Pазрешение дивергентной неопределенности возможно лишь путем получения информации с разных структурных уровней — от электронного, атомного, молекулярного до агрегатного, популяционного. Pезульта-ты витязевского эксперимента предупреждают, что особенно внимательно и придирчиво необходимо подходить к диагностике биоморфных структур в метеоритах, на которых строятся многие ключевые положения современной астробиологии, возрождающейся после обнаружения форм, похожих на фос-силизированные бактерии в марсианском метеорите (см. —естяак, 1996, № 10; 1998, № 11; Hаука Урала, 2002, № 27).

A теперь о проблеме примитивной атмосферы Земли, к решению которой A. В. Витязев пытается подойти путем экспериментального моделирования. Оригинальные эксперименты с метеоритным веществом он успешно использует в своих широко известных и находящихся под пристальным вниманием космогонических изысканиях (—ё-стякк, 2004, № 1), которые получают неизменно высокую оценку на научных собраниях. Известно, что существует много подходов к познанию геохимической обстановки на ранних этапах становления Земли — теоретических, натуралистических, экспериментальных. Мы, например, попытались реставрировать геохимическую обстановку на рубеже предбиологической и биологической эволюции на основе минералогических данных об условиях формирования упоминавшихся выше абиогенных углеводородных биоморф-ных индивидов, наиболее близких по составу и структуре к простейших биоорганизмам. Эти образования кристаллизуются в относительно высокотемпературных и высокобарических условиях, в водно-газовых минерализованных системах карбонатно-хлоридно-суль-фатного магний-калий-натриевого состава, в присутствии аммиака, диоксида серы, метана, углекислоты и других компонентов, в условиях низкого окислительного потенциала. Примерно такие условия зарождения жизни постулируются и другими моделями. По нашим представлениям, первые абиоге-нетические события развивались не на земной поверхности, а в гидротермальных системах, занорышах пегматитов, в вулканах, возможно, даже в газовых полостях застывающих расплавов. Простейшие биологические системы были хемоавтотрофными. Предбиосфера характеризуется подземной локализацией. После выхода на земную поверхность и перехода на фотогетерогенный путь жизнь выпестовывалась и развивалась в теплых водных бассейнах и в океане. Первичная биосфера имела сначала локальный, островной характер, затем архипелагоподобный. Земля покрылась сплошной биосферой на рубеже 3.8—3.7 млрд лет. Эта модель была предложена нами и обсуждена в августе 2004 г. на 32-й сессии Международного геологического конгресса во Флоренции (Италия) на специальной сессии, проведенной в рамках той же программы 25 Президиума PAH, по которой проводил свой эксперимент A. В. Витязев.

Мы выражаем глубокую признательность В. H. Филиппову, С. Т. Hеве-рову за проведение аналитических исследований.

В заключение же я хотел бы напомнить, что инициатор этой работы и соавтор статьи — выдающийся планетолог и космогеофизик Aндрей Васильевич Витязев — начинал свой путь в большую науку в 1963—1964 гг. со скромной должности препаратора лаборатории литологии, петрографии и рудных полезных ископаемых нашего Института геологии Коми филиала AH СССP.

Исследования поддержаны программой 25 Президиума PAH (подпрограммы I и II) и грантом HШ-2250.2003.5.

—е^^егНо щу^рабляеж

Николая *Иа,ло,Ёга ^жк»^, ла^^еата ^^ог^ажжи «—-и^а^^Ёйся е^геНий —Я^» ‘оН^а со^ей-ст,я отегесж,еННой

Но^кё.