Химический анализ самых разнообразных органических осадочных образований, включая уголь и нефть, обнаруживает поразительное сходство между ними: источником значительной части их органического вещества являются ранее неизвестные липиды микроорганизмов.
Вступление.
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).
Структуры молекул
Когда ученые начинали исследования, они не надеялись получить такой общий результат. Стоявшая перед ними 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.
К тому времени, в основном благодаря исследованиям, организованным Американским нефтяным институтом, в нефти было определено более 350 углеводородов (соединений, состоящих только из водорода и углерода) и около 200 серосодержащих органических соединений.
Однако почти все эти молекулы имеют сравнительно простую структуру и содержат менее 15 атомов углерода; они хорошо известны и легко определяются в экстракте при сравнении с лабораторными эталонами.
Труднее определить структуру менее известных и более сложных молекул, тем более что число их возможных конфигураций гораздо больше. Простейший углеводород, метан (CH4), имеет только одну пространственную структуру, в то время как молекулы с 30-ю атомами углерода могут встречаться в сотнях различных форм.
Гопаноиды
Когда в начале 70-х годов стало очевидно, что ископаемые гопаноиды являются важными компонентами органического вещества осадочных отложений, еще не было ясно, какие вещества были их предшественниками, потому что гопаноиды были обнаружены лишь у нескольких видов живых организмов.
Сначала они были выделены из некоторых древесных и травянистых растений, в частности из папоротников. То, что более просто организованные папоротникообразные растения участвовали в образовании некоторых углей, не вызывало и не вызывает сомнений, но ни древесные, ни другие высшие растения не могли обеспечить присутствие ископаемых гопаноидов во всех осадочных отложениях, особенно в отложениях морского происхождения.
Некоторые простые гопаноиды были также обнаружены у нескольких видов сине-зеленых водорослей и одного вида бактерий. К. Берд и У. Рейд из Куинз-Колледжа в Лондоне предположили, что эти находки могут объяснить присутствие в одной из нигерийских нефтей нескольких гопаноидов, ранее установленное Э. Уайтхедом из “British Petroleum Company”.
Терпеноиды
Наличие ископаемых терпеноидов (наряду с гопаноидами) также свидетельствует об участии органического вещества микробного происхождения в образовании органического углерода осадочных отложений.
Стероиды широко распространены в осадочных породах, и источником некоторых из них могут быть высшие стирол содержащие организмы. Однако многие ископаемые стероиды имеют дополнительную метильную группу у кольца с гидроксильной группой, и эти производные обычно содержатся у эукариот в следовых количествах, поэтому своим широким распространением в осадочных отложениях они должны быть обязаны микроорганизмам.
Дж. Эглинтон из Бристольского университета показал, что наиболее вероятным источником этих молекул являются динофлагелляты — одноклеточные эукариотические планктонные организмы, встречающиеся и в морской, и в пресной воде. Некоторые из этих стероидов, возможно, унаследованы от стероидов той группы бактерий, у которых окисление метана является основой синтеза органических молекул.
Метан, который потребляют метанобразующие бактерии, частично продуцируется анаэробными бактериями, живущими в более погруженных слоях осадочного разреза. Липиды мембран этих бактерий необычны: полярные группы связаны с дитерпеном и тетратерпеном эфирной связью, в которой два атома углерода связаны с одним атомом кислорода.
Гопаноиды, стероиды и разветвленные эфиры — продукты микробного происхождения, обнаруженные учеными в осадочных отложениях, составляют большой список. Кроме того, ученые не назвали многие ископаемые соединения, структура которых, как и структура арборикола, является веским доказательством их микробного происхождения, но предшественники которых в живых организмах пока не обнаружены.