Уголь, нефть и природный газ — это горючие ископаемые, но ископаемыми остатками чего они являются?
Какие процессы преобразовали остатки живых организмов в антрацит или нефть? Геологи и геохимики в течение некоторого времени так отвечали на эти вопросы (на одном из уровней изучения материи).
Уголь образовывался в обширных болотах, ранее существовавших на Земле, где в результате частичного разложения остатков древесных и травянистых растений аккумулировались мощные слои концентрированного органического вещества, называемого торфом.
Нефть образуется большей частью из рассеянного органического вещества в осадочных отложениях внутриматериковых морей или прибрежных морских бассейнов; источником этого вещества долгое время считался планктон (составляющий основную массу всего живого в океане), а также растительные остатки, переносимые с суши реками.
И уголь, и нефть образуются только в том случае, если органическое вещество оказывается захороненным в осадках прежде, чем оно будет полностью окислено микроорганизмами до углекислого газа (диоксида серы).
Когда углеродистые соединения погружаются в глубины Земли в результате аккумуляции сверху новых слоев осадков, они испытывают воздействие все более высокой температуры и подвергаются химическим изменениям.
Кислород и другие элементы удаляются, и остается смесь почти чистых углеводородов (в случае нефти и природного газа) или в основном углерод (в случае угля).
Таким образом, горючие ископаемые являются продуктом небольшой, но постоянной «утечки» углерода при его круговороте между атмосферой и поверхностью Земли. В этом круговороте доминируют процессы поглощения атмосферного углекислого газа фотосинтезирующими организмами и выделения его при дыхании растений, животных и микроорганизмов.
Горючие ископаемые составляют лишь небольшую часть органического вещества, которое было захоронено в осадках и не подверглось окислению.
Большая часть органического углерода (этот термин подразумевает, что сюда не входит углерод карбонатных пород, например известняков) находится в рассеянном состоянии в садочных породах.
Концентрация органического углерода в пригодные для разработки залежи происходит только в определенных геологических условиях. Количество органического углерода, накопленного в осадочных отложениях, с тех пор как появился фотосинтез, оценивается в 10 квадрильонов (1016) тонн, что приблизительно в 10000 раз больше массы всех живых организмов.
В течение последних 20 лет мы изучали происхождение горючих ископаемых и всех видов органических осадочных отложений на другом уровне — молекулярном.
Наша цель заключалась в том, чтобы установить структуру отдельных ископаемых химических соединений, составить на основании этого представление о структуре их предшественников в живых организмах и в тех случаях, когда это возможно, описать химические превращения исходных веществ в осадочных отложениях.
Так как каждый тип организмов синтезирует собственные, характерные для него соединения, ископаемые молекулы, углеродный скелет которых сохранился в более или менее неизмененном виде, служат биологическими метками, позволяя исследователям оценить долю участия различных типов организмов в образовании тех или иных горючих ископаемых или других отложений.
Эта научная область, которую можно назвать молекулярной палеонтологией, сравнительно молода, но проведенные исследования уже дали интересные результаты.
Мы обнаружили поразительное сходство органического вещества у сотен образцов осадочных отложений из разных районов земного шара: все это органическое вещество, по-видимому, образовалось в основном из остатков клеток микроорганизмов.
Предшественники органических соединений, из которых состоит нефть, встречаются в клеточных мембранах одноклеточных организмов планктона, а также бактерий и других микроорганизмов, обитающих на дне моря.
Для угля этот вывод носит более предварительный характер. Однако проведенные нами анализы свидетельствуют о том, что многие вещества, которые могут быть экстрагированы из угля, образовались не непосредственно из остатков древесных и других высших растений, а являются продуктами переработки этих остатков бактериями и грибами, живущими на дне болот.
Когда мы начинали исследования, мы не надеялись получить такой общий результат. Стоявшая перед нами задача обескураживала.
С точки зрения химика-органика, нефть или органическое вещество, экстрагированное из осадочной породы, представляют собой гетерогенную смесь сотен или тысяч соединений. Даже если их можно разделить в лаборатории, они не всегда легко идентифицируются.