Известно, что биологические виды эволюционируют, а что насчет минералов? Чем обусловлено их появление на Земле и какую роль они могли сыграть в возникновении жизни на нашей планете?
Эти и многие другие вопросы мы обсудили с Сергеем Владимировичем Кривовичевым — членом-корреспондентом РАН, председателем Кольского научного центра РАН, заведующим кафедрой кристаллографии Санкт-Петербургского государственного университета.
─ Что такое минерал, минеральный вид?
— Все минералы — это камни, но не все камни являются минералами. Понятие минерального вида очень близко к понятию вида биологического, хотя, конечно, разнообразие минерального мира гораздо беднее по сравнению с биологическим миром.
Согласно современным представлениям, к минералам относятся природные химические соединения кристаллической структуры, образовавшиеся в ходе геологических и геохимических процессов. Минерал — это кристаллическое соединение с определенным химическим составом. Чтобы камень можно было назвать минералом, он должен обладать внутренней кристаллической структурой и совершенно четким уникальным составом. Из минералов, в частности, образуются горные породы, то есть горная порода — это некоторая совокупность различных минералов.
─ Когда появились первые минералы?
— Первые минералы образовались на стадии, когда Вселенная уже остыла после Большого взрыва — по крайней мере 300 миллионов лет после начала времени. Сначала существовали лишь атомы, затем они начали соединяться вместе, образовывать кристаллические соединения. Одним из первых минералов, возникших во Вселенной, считается алмаз. Что касается Земли, то кристаллизация первых минералов произошла на нашей планете чуть менее 5 млрд лет назад.
─ Какую роль минералы играли в зарождении жизни на Земле? Могли ли они стать неким субстратом, на котором развилась жизнь?
— Как известно, жизни нет без клетки. Живая клетка — это и есть единица, или атом, жизни. Но остается большим вопросом то, как эта клетка возникла, каким образом появился сложный молекулярно-генетический аппарат, который лежит в основе всего. И, поскольку жизнь в какой-то момент возникла, то есть раньше ее не было во Вселенной, можно предположить, что, конечно же, она должна была возникнуть на неорганическом, то есть на неживом субстрате. Есть много теорий, которые так или иначе связывают возникновение жизни с минералами. Подобными исследованиями занимались за рубежом, например Кайрнс-Смит из Шотландии. У нас в стране этот вопрос исследовал академик Н.П. Юшкин.
На самом деле существует некоторый зазор между живой и неживой природой, некоторая пропасть, и мы пока не знаем, как она была преодолена. Взять хотя бы ту роль, которую играют информационные процессы в живой природе, я имею в виду молекулу ДНК и непосредственную передачу информации — ничего подобного, конечно, в минералах нет. Связь возникновения жизни с минералами — это серьезная загадка, над которой бьются ученые всего мира, в том числе и наши соотечественники.
Нам удалось показать, что с точки зрения шенноновской информации — а это достаточно грубые оценки — сложность живых систем превышает сложность минералов по крайней мере на пять порядков, т.е. в 100 000 раз. Как был совершен такой колоссальный скачок в сложности атомарных объектов? Нам неизвестно.
─ Циолковский в своих работах, например, говорил, что атомы из неорганического вещества рано или поздно, пусть спустя миллионы лет, попадут в живой организм, а потому потенциально даже минералы несут в себе жизнь.
— Да. А если мы вспомним другого нашего великого соотечественника, В.И. Вернадского, то он настаивал на том, что никогда в истории Земли не было следов абиогенеза, то есть возникновения живого из неживого. Это называется принципом Реди — живое от живого (лат. Omne vivum e vivo — жизнь происходит от живого, или рождение подобного от подобных).
Вообще, что такое жизнь? На этот фундаментальный вопрос до сих пор нет ответа. Не так давно два крупнейших биологических журнала, Journal of Biomolecular Structure and Dynamics и Origins of Life and Evolution of Biosphere, обсуждали, как определить жизнь. Выяснилось, что в мире до сих пор нет однозначного определения жизни. Как, скажем, нет и определения материи.
Поэтому существуют идеи, которые говорят нам, что жизнь и материя — это некие первичные сущности. Собственно, об этом очень много говорил упомянутый В.И. Вернадский: согласно его гипотезе о панспермии, микроорганизмы были занесены на Землю откуда-то из космоса, и жизнь — это такое явление, которое не сводится к неживому.
А если вспомнить квантовую биологию, то она, в частности, говорит о том, что в явлении жизни большую роль играют квантовые эффекты. Можно привести в пример интереснейшие работы на эту тему Роджера Пенроуза — лауреата Нобелевской премии по физике прошлого года. И недаром Луи де Бройль, один из основоположников квантовой механики, говорил о свободе электрона, которая нужна для того, чтобы разрешить многие парадоксы квантовой механики.
К сожалению, перед наукой остается еще много нерешенных вопросов. Да, конечно, мы уже очень много знаем о том, как устроены минералы, как функционирует жизнь, но вот что такое жизнь? На этот вопрос нет однозначного ответа.
─ Раз мы заговорили о космосе, а что мы знаем о минералах Солнечной системы?
— Минералогия метеоритов — это очень интересный, я бы сказал особенный раздел нашей науки. И здесь, конечно, мы можем только догадываться о том, что происходит, например, в астероидном поясе, какие там минералы: вычислить это мы можем только по определенным спектральным характеристикам. Но что касается Марса, Луны, то здесь ситуация более обнадеживающая. Неоднократные экспедиции на Марс принесли данные о минеральной эволюции красной планеты и показали, что там есть водные минералы — например, глины и водные сульфаты железа.
В целом, пока нет указаний на то, что в Солнечной системе есть какие-то особенные минералы, которых нет на нашей планете.
─ То есть здесь так же, как и с биологической жизнью: минералы в космосе, скорее всего, возникли в результате тех же единых природных механизмов, что и на Земле?
— Вероятно, да. Механизм возникновения минералов регулируется законами физической химии, физики и химии. Здесь, действительно, нет такой уникальной сложности и своеобразия, которое мы видим в живых системах. Поэтому для того, чтобы образовался тот или иной минерал, нужно, чтобы были подобраны соответствующий химический состав окружения и соответствующие термодинамические условия, то есть температура, давление и так далее.
─ В одной из онлайн-лекций для СПбГУ вы рассказывали о таком понятии, как эволюция минералов. А за счет чего происходит усложнение структуры и химического состава минералов?
— Да, действительно, такое понятие как минеральная эволюция существует и активно обсуждается учеными. В 2008 году этот термин ввел в современный интеллектуальный дискурс Роберт Хейзен, профессор из Института Карнеги в Вашингтоне. Кстати, на прошлых выборах РАН Хейзен стал иностранным членом Российской академии наук. Он исследовал минералогенез с момента Большого Взрыва и до наших дней. И, действительно, показал, что минеральный состав меняется. Наша Вселенная эволюционирует, развивается, и, конечно, развивается и минеральный мир, то есть мир кристаллических веществ природного происхождения. Особенно интересно проследить, как менялся мир минералов на планете Земля. Решающим фактором в минеральной эволюции здесь послужили так называемые великие кислородные события (около 2,5 млрд лет назад), когда атмосфера Земли поменялась с восстановительной на окислительную и возникло то богатейшее разнообразие минерального мира, которое мы сейчас наблюдаем.
Вместе с упомянутым Робертом Хейзеном и коллегами из СПбГУ мы решили проследить и измерить сложность минерального мира на разных этапах его эволюции. Нам удалось ввести в современную минералогию и кристаллографию меры измерения сложности кристаллической структуры и сложности химического состава, основанные на теории информации Клода Шеннона.
Таким образом, мы можем для каждого минерала дать две цифры, одна — это химическая сложность, другая — структурная сложность. На основании списков Хейзена, т.е. списков минералов, составленных им для разных геологических эпох, нам удалось посмотреть, как меняется химическая и структурная сложность минерального мира в процессе минеральной эволюции, то есть в процессе геологической истории. И, действительно, было показано, что сложность увеличивается. Между прочим, здесь есть параллели с биологической эволюцией, где мы тоже видим увеличение количества видов и их усложнение
Меры сложности в биологии не так однозначны — не существует универсальных мер сложности живых организмов, но биологи работают над этим. Мы же, в свою очередь, предложили универсальные меры сложности для всех минералов.
Оказалось, что драйвером минеральной эволюции является усложнение химической дифференциации — то есть усложнение химического состава, усложнение кристаллической структуры. А что такое химическая дифференциация? Это когда из изначальной однородной смеси элементов химические элементы начинают постепенно разделяться и концентрироваться, то есть создаются особые условия в определенных геологических обстановках, особенные условия для концентрации тех или иных элементов.
─ За счет чего происходит эта дифференциация?
— Есть много факторов. Очень важно, что минеральный мир коэволюционирует вместе с биологическим миром, и в этом процессе задействовано довольно много физико-химических механизмов. Как происходит это разделение, отделение одних элементов от других? Это может происходить в результате понижения температуры, это могут быть выплавки из расплавов, например, когда легкоплавкие части горной породы выплавляются и удаляются, перенося с собой элементы, которые в этой легкоплавкой части находятся, и ряд других факторов. Есть гидротермальная активность, когда, скажем, одни элементы хорошо переносятся в водных растворах, а другие хуже. То есть в ходе самых разнообразных физико-химических процессов, которые мы видим в неживой природе, происходит разделение элементов и локальная концентрация тех или иных элементов в определенных условиях. Это, кстати, механизм образования минеральных месторождений.
Минеральный мир и биологический мир коэволюционируют, и именно в этом тесном переплетении минеральных, геологических и биологических процессов создается то разнообразие и живого, и неживого мира, которое мы сегодня наблюдаем.
─ Антропогенная деятельность влияет на эволюцию минералов?
— Несомненно, есть даже такой термин — технологическая минералогия, которая изучает минералы, образующиеся в результате технической деятельности человека. Когда мы взрываем землю, внедряемся в недра и выносим на поверхность земли то, что находилось внутри в равновесии, естественно, возникают химические процессы, в результате которых система попадает в состояние неравновесия, происходит окисление металлов, их растворение и вынос тех или иных элементов в биосферу и т.д.
Это особенно важно для процессов, происходящих при разработке урановых месторождений, когда уран выносится за пределы горной выработки и может попасть в биосферу. Мы знаем очень много случаев таких катастроф, за примерами далеко ходить не надо. Здесь у нас на Кольском полуострове, под Мончегорском, в одно время просто была выжженная пустыня, пейзаж напоминал поверхность Марса. То есть Монче-тундра, которой так восхищался А.Е. Ферсман в 1920-х годах, превратилась в безжизненную пустыню.
Эта катастрофа советских времени была связана с кислотными дождями, которые выпадали в результате переработки медно-никелевых руд. Эти кислотные дожди сжигали все живое на своем пути. И даже сейчас, проезжая мимо Мончегорска, можно иногда увидеть тот самый перевал в желтом токсичном тумане. Так что, да, человеческая активность сильно воздействует на минеральную эволюцию, образуя новые минералы, новые фазы.
─ Сергей Владимирович, вы председатель Кольского научного центра РАН, который находится непосредственно в Арктике. Расскажите подробнее о работе центра.
— Наш центр является не только единственным федеральным исследовательским центром РАН, который находится прямо за Северным полярным кругом, но и старейшей региональной организацией Академии.
Хибинская горная станция, переросшая в Кольский научный центр, который в прошлом году отметил свое 90-летие, была создана трудами академика А.Е. Ферсмана и его соратников в горах на берегу озера Малый Вудъявр. Ученые Кольского научного центра активно участвовали в развитии и научной поддержке экономики Крайнего Севера. Речь, в частности, идет о разработке месторождений полезных ископаемых. Наши научные интересы включают в себя и непосредственно всю арктическую природу, изучение и сохранение уникальных арктических экосистем. Начиная с советских лет, наука и промышленность в регионе находились в тесном взаимодействии, и в этом смысле Кольский научный центр всегда был (и остается) своеобразным форпостом науки в российском Заполярье.
В течение последних 30 лет, конечно, очень многое изменилось, и мы постепенно возвращаемся к тому состоянию обеспеченности инфраструктурой и кадрами, которая была в нашем прошлом. И сейчас задачи КНЦ РАН остаются теми же самыми. Это исследование арктической природы и арктической геологии, разработок в горном деле: как использовать то минеральное сырье, которое добывается в арктической зоне для создания новых материалов, для добычи редких и рассеянных элементов и т.д. Это и вопросы экологии, которые сейчас находятся на острие науки, и гуманитарные проблемы, включая историю освоения российской Арктики, антропологию малых народов, которые испокон веков живут на Крайнем Севере, международные вопросы, и, конечно, экономика — в арктической зоне она особенная и связана с моногородами, оттоком населения. Всеми этими вопросами в Кольском научном центре занимаются отдельные институты и подразделения.
─ Вы с детства хотели заниматься минералами? Какие из них самые любимые?
— У нас, по сути дела, геологическая династия: мой дед, отец, мама, тетя и дядя так или иначе связаны с геологией, с минералами. В этом смысле у нас довольно уникальная семья. В честь членов нашей семьи было названо три минерала: в честь вашего покорного слуги — кривовичевит с Кольского полуострова, в честь моего отца, известного минералога — владкривовичевит, найденный в Намибии, а в честь моей мамы — минерал, обнаруженный на Камчатке — староваит (ее девичья фамилия Старова). И, как вы уже наверное догадались, эти три минерала — мои любимые, ведь они непосредственно относятся к моей семье.
Конечно, любовь к минералогии появилась у меня с детства, ведь я рос в окружении замечательных блестящих камней — очень красивых минералов. Небольшая коллекция минералов была у моего отца. И, конечно, иногда я приходил к отцу в гости в Минералогический музей СПбГУ. Помню из детства эти залитые солнцем блестящие аудитории, витрины с красивейшими огромными камнями, сверкающими своими гранями. Недаром великий русский кристаллограф, академик Е.С. Федоров, говорил, что кристаллы блещут симметрией. Я думаю, мои столь сильные детские впечатления связаны с правильностью форм минералов, с их удивительной геометрией.
По сути, кристаллография и минералы — это самая настоящая геометрия в природе. С одной стороны, минералы содержат в себе сильную эстетическую составляющую, а с другой стороны — это эмпирика: то есть мы держим в руках настоящее физическое вещество, а не какую-то теоретическую концепцию. Я думаю, что это сочетание математичности, строгости, с одной стороны, и эмпирики с другой, в каком-то смысле и сформировало мое научное мировоззрение.
