Как появился углерод на земле
Как возник углерод
Как возник углерод, содержащийся в породах земной коры? Он возник из органического вещества – почти столетие эта гипотеза преобладала в геологической науке. Она утверждала, что только в осадочных породах можно найти углерод, в других его нет.
Но постепенно накапливалось все больше фактов о том, что углерод есть и не в осадочных отложениях. Так, например, было замечено, что месторождения нефти и газа приурочены к разломам земной коры. Не поднялся ли по ним углерод из недр земли? Появилась новая точка зрения – о неорганическом происхождении углерода, а значит, нефти и природного газа. Кстати, этой гипотезы придерживался еще Менделеев. Ее сторонники считают, что углерод проник в верхнюю оболочку планеты из мантии.
И вот совсем недавно появилось новое свидетельство в пользу неорганического происхождения углерода. Еще в 20-ом столетии профессор В. Флоровская рассказывала о том, что «элемент жизни» встречен в минералах, рудах и породах, имеющих магматическое происхождение. Исследования проводились на Кольском полуострове, Урале, в Армении и Забайкалье.
Образцы пород, взятые из горных выработок, добытые из скважин, облучали ультрафиолетовыми лучами. Предварительно их смачивали в органических растворителях, например в хлороформе. Попав на кусочки горной породы, он растворяет углеродистые соединения, которые заполняли трещины и поры. Если образцы под действием ультрафиолетовых лучей начинали светиться – люминесцировать, то, значит, в них есть углерод. И такие образцы были найдены. Ученые также определили, какие углеродистые вещества есть в образце и сколько их.
Как же попал углерод в руды и горные породы, которые образовались из магмы?
В условиях магматического процесса, протекающего при температуре в тысячу градусов, могут возникать, жить и взаимодействовать только радикалы углерода – его простейшие соединения с водородом и кислородом. Графит и алмаз, возможно, являются продуктами полимеризации радикалов углерода.
Когда температура падает, ход событий становится, по-видимому, другим. При 600–400 0 возникают сложные соединения углерода – например, красители, которые находятся в связанном состоянии с вмещающими их минералами. В их состав также входят сера, азот и кислород. В этом и состоит секрет окраски удивительного минерала гакманита – в шахте он окрашен в малиновый цвет, а на свету эта окраска теряется. И снова возникает под короткими ультрафиолетовыми лучами! Все дело в органическом красителе: он восстанавливается при поглощении лучистой энергии! В связи с этим В. Флоровская высказала предположение, что подобные красители могли осуществлять фотосинтез. На ранних этапах эволюции они усваивали и использовали лучистую энергию, могли быть первыми фотосинтезирующими соединениями.
Но продолжим путешествие вслед за углеродом. Следующий температурный интервал – 100 0 С – связан с возникновением наиболее разнообразных и сложных соединений углерода. Это последняя стадия эволюции магмы, когда возникают рудообразующие растворы, асфальты, порфирины, аминокислоты и другие сложные соединения углерода. Их химическому объединению способствуют находящиеся в горячем водном растворе хлор, йод, бром, бор, влияющие на ход реакций. Благоприятствует еще и то, что этот процесс проходит в горных породах, представляющих собой отличные катализаторы: в алюмосиликатах или карбонатах.
Особые условия для дальнейшего развития углеродистых соединений создаются при выходе горячих вод на поверхность земли. В них много углекислоты и минеральных веществ. Благодаря резкому понижению температуры и давления возникают условия, способствующие сближению молекул аминокислот и порфиринов. Аминокислоты, как мы знаем, составляют сущность всего живого, а порфирины – это вещества, способные к фотосинтезу. К ним относится, например, хлорофилл. Соединяясь друг с другом, они образуют эмбрино – так назвала В. Флоровская вещество, которое способно обеспечивать себя энергией из внешней среды. С его появлением, считает она, кончается геохимический цикл, начинается биохимическая эволюция.
Высокомолекулярные соединения и другие органические вещества, попадая по глубинным разломам в древние водоемы, могли образовать тот самый «первичный бульон», в котором возникли живые системы.
Углерод на Земле — результат древнего столкновения с другой планетой
Раджип Дасгупта (Rajdeep Dasgupta), петролог из университета Райса в Хьюстоне, и его коллеги пришли к выводу, что углерод мог появиться в земной коре около 4,4 миллиардов лет назад после того, как наша планета столкнулась с протопланетой, напоминающей Меркурий. Об этом сообщается в статье в журнале Nature Geoscience.
Ученых давно волнует вопрос, каким образом в земной коре оказалось так много углерода, без которого земные углеродные формы жизни вообще не возникли бы. Проблема заключается в том, что в первый период существования нашей планеты углерод должен был просто испариться под воздействием раскаленного ядра Земли. Земное ядро, составляющее примерно треть массы планеты, в основном состоит из сплавов, содержащих железо, и поэтому легко притягивающих углерод. Так что вопрос в том, откуда столько углеродов на поверхности Земли.
«Довольно популярна гипотеза, согласно которой нестабильные элементы вроде углерода, серы, азота и водорода появились уже после формирования коры Земли, — сказал Юань Ли (Yuan Li), ныне научный сотрудник Института геохимии в Гуаньчжоу Китайской Академии наук. — А именно, что все эти элементы попали на Землю в составе метеоритов и комет спустя примерно 100 млн лет после формирования Солнечной системы и далее, потому что только тогда эти элементы не испарились бы, попав в океан магмы, ранее покрывавший Землю. Проблема в том, что эта гипотеза объясняет изобилие многих из этих элементов, но не учитывает, что нам не известны метеориты с таким содержанием нестабильных элементов, которое объяснило бы существующие пропорции этих элементов на Земле».
Лаборатория Дасгупты специализируется на воспроизведении условий, существующих глубоко под поверхностью Земли и других каменистых планет, например, около 400 км под поверхностью Земли или на границе ядра и коры планет поменьше, вроде Меркурия.
Схематическое изображение события в ранней истории Земли — слияния с протопланетой, сходной с Меркурием. Эту гипотезу подтверждают эксперименты с высокими давлением и температурой, проведенные в Университете Райса. Процессы в океане магмы могут приводить к формированию ядра, богатого кремнием или серой, и коры, насыщенной углеродом. Если действительно Земля слилась с такой планетой в раннем периоде своего существования, это объяснило бы, откуда на Земле углерод и сера. [Изображение: Rajdeep Dasgupta]
Эксперименты показали, что углерод может быть удален из коры и перемещен в богатую кремнием мантию, если сплавы железа в коре содержат много кремния или серы. Этот процесс зависит от нескольких переменных, вроде температуры, давления и содержания серы и кремния.
Сравнение данных моделирования и сведений о составе мантии Земли привели к формулированию вышеописанного сценария — соотношение углерода и кремния и изобилие углерода можно объяснить столкновением и последующим «поглощением» протопланеты, у которой уже сформировалась кора с высоким содержанием кремния. А поскольку протопланета тоже была массивна, получилось, что ее ядро слилось с ядром Земли, а ее богатая углеродом мантия — с мантией Земли. Впрочем, еще необходимо учесть прочие нестабильные элементы, так что работа над теорией далеко еще не закончена.
Предположение о воздействии столкновения другой планеты с Землей на возникновение жизни уже высказывались, об этом писал портал Научная Россия. И правда, жизнь на Земле в значительной степени «основана» на углероде, так что наше существование можно объяснять древним катаклизмом.
[Изображение: Passwaters/Rice University, основано на оригинале от NASA/JPL-Caltec]
Почему на Земле появился углерод?
Рождение новых планет происходит из газопылевого облака, которое всегда окружает молодую звезду. В процессе движения отдельные пылинки сталкиваются и соединяются, что приводит к образованию более крупных космических объектов. Именно таким образом происходит формирование ядра будущей планеты, которое находится в раскаленном состоянии. Под воздействием высокой температуры, находящийся там углерод испаряется. Но если это так, то на Земле его также не должно быть, ведь и ее ядро было когда – то раскалено до предела.
Что же мы видим на самом деле?
В земной коре нашей планеты содержится довольно много углерода. Без этого необычайно важного элемента ни одна из форм земной жизни существовать не может. Ученые сходятся во мнении, что первоначально углерод отсутствовал на нашей планете, и появился в ее земной коре примерно 4, 4 миллиарда лет назад. Вероятнее всего, это произошло по причине ее столкновения с крупным космическим объектом, например, с другой планетой, по величине равной Меркурию. Земное ядро состоит из сплавов железа, которые обладают способностью притягивать к себе углерод, который мог входить в состав комет, крупных метеоритов и других космических объектов, столкнувшихся с Землей. Кстати, аналогичным образом на нашу планету попали и другие вещества, такие, как: водород, азот, сера.
Все столкновения, по всей вероятности, произошли уже после того, как была сформирована Солнечная система. По этой причине они и не могли испариться. Попав в покрывавшую земную поверхность магму, они так и остались в ней. Такая гипотеза, конечно же, имеет право на жизнь. Хотя, есть здесь и существенный минус. Ученым не известны космические объекты, со столь значительным содержанием таких элементов, как углерод.
В настоящий момент проводятся многочисленные эксперименты, в результате которых ученые пытаются смоделировать процесс столкновения Земли с протопланетой, типа Меркурия. Ведь вполне вероятно, что насыщение земной коры углеродом произошло именно по этой причине. Те процессы, которые происходят глубоко под землей, на границе земного ядра, могут приводить к его насыщению кремнием, серой и углеродом. И если столкновение двух планет имело место, то такой процесс вполне мог произойти.
В результате целого ряда экспериментов, ученые выяснили, что находящийся в земной коре углерод вполне может быть впитан в насыщенную кремнием земную мантию. Это происходит том случае, если входящие в состав земной коры соединения железа, чрезвычайно богаты серой и кремнием. Важную роль в этом процессе играют давление и температура.
Получается, что наиболее правдоподобной гипотезой, объясняющей наличие углерода в земной коре, является та, которая основана на столкновении Земли с протопланетой, богатой углеродом и серой, и ее поглощением, что привело к соединению ядер и мантий обоих планет. Парадокс состоит в том, что возникновение жизни на Земле стало возможным именно благодаря этому катаклизму.
Геологи: вся углеродная жизнь на Земле является по сути «инопланетной»
МОСКВА, 5 сен – РИА Новости. Весь углерод, из которого состоят люди и все живые существа, попал на поверхность Земли в результате ее столкновения в далеком прошлом с зародышем планеты размером с Меркурий, говорится в статье, опубликованной в журнале Nature Geoscience.
По современным представлениям, Земля и прочие планеты Солнечной системы сформировались в первые несколько сотен миллионов лет ее жизни внутри газопылевой туманности, окружавшей новорожденное Солнце. В начале своей жизни Земля представляла собой раскаленный шар, на поверхности которого просто не могли существовать летучие элементы и вещества, в том числе вода, углерод и соединения азота.
«Мы показывали в наших предыдущих работах, что если «родной» углерод Земли не испарился в космос в то время, когда планета была расплавленной, то тогда бы он весь оказался внутри металлического ядра Земли, так как соединения и сплавы железа хорошо перемешиваются с углеродом», — объясняет Радждип Дасгупта (Rajdeep Rasgupta) из Райсовского университета (США).
Возникает вопрос, почему тогда все эти вещества встречаются на поверхности Земли и в земной коре в большом изобилии. На этот счет у ученых есть несколько теорий, и, к примеру, присутствие воды на Земле объясняется тем, что ее могли «завезти» на нашу планету астероиды и кометы, бомбардировавшие поверхность Земли примерно 3,8 миллиарда лет назад.
Подобные теории, по словам Дасгупты и его коллег, не могут объяснить наличия на Земле больших количеств углерода и серы, чьи доли в породах коры и мантии не совпадают с теми, которые предсказывают теории формации Земли и ее «бомбардировки» малыми небесными телами.
Углерод — основа жизни на Земле
Мы посвятили две статьи воздуху, без которого жизнь на нашей 
планете была бы невозможна. Теперь поговорим об углероде — элементе, который является основой жизни на земле. Ученые, уфологи и фантасты даже ввели в обиход термин «углеродная жизнь». И он вполне справедлив, так как все белки, аминокислоты, жиры, ДНК и РНК построены на основе углеводородных молекул.
Углерод — простое неорганическое вещество, элемент таблицы Менделеева. Обозначается буквой «С» (Carboneum). В виде алмазов, графита и древесного угля известен человечеству с древнейших времен. Название carbone (углерод) впервые было введено в химическую науку французскими учеными. А. Лавуазье доказал, что уголь — это элементарное химическое вещество, а не носитель некоего невесомого флюида флогистона, отвечающего за горючие свойства веществ. Он же установил, что алмаз — это кристаллическая форма углерода.
Три формы углерода
Углерод — удивительное вещество, физические свойства которого и даже внешний вид описать однозначно просто невозможно. Этот элемент — рекордсмен по количеству аллотропных модификаций. Три формы углерода:
• кристаллическая: алмазы, наноалмазы, фуллерены, фуллерит, графиты, карбины, лонсдейлиты, углеродные нанотрубки и нановолокна, графен, волокна и структуры;
• аморфная: угли (древесный, в том числе активированный уголь, антрацит и др.), коксы, сажа, углеродная нанопена, стеклоуглерод, техуглерод;
• кластерная: астралены, диуглерод, углеродные наноконусы.
Молекулы кристаллического углерода характеризуются правильной кристаллической решеткой. Большинство форм кристаллического углерода отличаются очень высокой твердостью и тугоплавкостью. Алмаз обладает высокой плотностью, почти не проводит тепло и ток. Графит, наоборот, имеет невысокую плотность и слоистое строение; проводит ток, может возгоняться, минуя жидкое состояние.
Вещества, относящиеся к аморфным формам, не являются чистой формой углерода, но содержат углерод в очень значительных количествах. Для аморфного углерода характерна высокая теплоемкость, свойства полупроводников, невысокая плотность, относительно невысокая термостойкость — при температуре выше 1600 °С он превращается в графит. Как правило, их основой являются разные формы мелкокристаллического графита в виде неупорядочной структуры.
Углеродные кластеры — сложные соединения с очень интересными свойствами. Им, а также другим перспективным материалам на основе углерода, мы посвятим одну из ближайших статей.
Химические свойства
С химическими свойствами немного проще. В нормальных условиях углерод практически не вступает в реакции с другими элементами и веществами, инертен к кислотам, щелочам, галогенам. При высоких температурах проявляет сильные восстановительные свойства. Наиболее химически активны аморфные виды углерода, наиболее инертны — кристаллические. Графит по химической активности занимает серединное положение. При высоких температурах углерод окисляется кислородом (горит), образует несколько видов оксидов.
Графит и аморфный углерод при высоких температурах 
реагируют с водородом, азотом, фтором, галогенами, щелочными металлами, солями металлов, серой. В результате реакции с водородом и азотом получается синильная кислота. Взаимодействие большинства металлов, углерода, бора и кремния приводит к образованию карбидов. Углерод восстанавливает оксиды металлов до металлов. При определенных условиях удается преобразовать углерод, содержащийся в твердых видах топлива, в горючие газы (реакция газификации топлив очень важна для промышленности).
Главное свойство углерода — способность соединяться в длинные цепи, причем эти цепи могут содержать как атомы углерода, так и другие атомы. Цепи могут замыкаться, разветвляться, образовывать циклы, быть разной длины, соединяться («сшиваться») между собой в разнообразные структуры. Такие углеродно-водородные цепи — основа всей органической химии.
Следующая статья будет о содержании углерода в природе, его опасности и сферах применения.