Вселенная океана. Как устроена стихия, которая формирует нашу планету - Хелен Черски

системы и обозначаемый символом C. Углерод не слишком распространен в природе: на его долю приходится всего 0,025 % массы земной коры. И тем не менее дебаты вокруг него ведутся столь бурные, как будто это самая настоящая валюта: сформировалась даже целая углеродная индустрия со своими бюджетами, бухгалтерией и рынками. Ни один другой элемент не привлекает такого внимания общества. Никому и в голову не приходит рассуждать о международных лимитах выброса аргона или проблемах избыточного использования калия. Другое дело – углерод. Этот скромный элемент – настоящий мастер перевоплощений, который благодаря своей гибкости и многоликости служит одним из главных строительных кирпичиков всего живого. Оседлав океаническую машину, он кружит по планете во множестве обличий как непременный участник всех важнейших биологических и физических процессов. Люди далеко не сразу осознали уникальную значимость углерода – слишком уж непохожи его модификации и трудно догадаться, что все это разные маски одного и того же элемента. И пожалуй, немудрено, что первые серьезные подступы к этому открытию носили характер довольно экстравагантных экспериментов. Бриллианты не навсегда

В 1770-х годах Париж был не самым веселым местом на свете. При всем могуществе и богатстве французского государства деньги и власть принадлежали почти исключительно королю и аристократии. Крайне запутанная система податей, построенная по регрессивному принципу, больнее всего ударяла по простому народу, а львиную долю доходов казны пожирал расточительный двор. Цены на хлеб росли, население голодало. Вступивший на престол в 1774 году Людовик XVI и его супруга Мария-Антуанетта начали свое правление с того, что попытались облегчить положение крестьян, но реформы застряли на полдороге. Среди бедноты все сильнее зрело возмущение против сословных привилегий. Тем временем дворянство продолжало жить своей жизнью, вволю предаваясь любимым развлечениям. Просвещенная знать проявляла интерес к наукам. Как раз тогда Французская академия наук – основанная Людовиком XIV организация с четким иерархическим укладом – озаботилась разрешением загадки, над которой исследователи бились еще с прошлого столетия: почему алмазы при нагревании «испаряются»? Казалось бы, алмаз – драгоценный камень редкостной красоты, отличающийся исключительной твердостью, и нет в природе минерала, которым можно его поцарапать. Разве он может бесследно исчезнуть? Решив во что бы то ни стало докопаться до истины, ученые мужи принялись ломать голову над природой алмаза. Академия учредила специальную рабочую группу, в состав которой вошел молодой Антуан Лавуазье – выдающийся естествоиспытатель, заложивший основы подлинно научного анализа веществ и признанный сегодня отцом современной химии.

Избранный метод имел научное обоснование, хотя при желании его можно было расценить как издевательскую насмешку в адрес обнищавшего народа. План состоял в следующем: Лавуазье и его коллеги приобретут изрядное количество алмазов, а затем – добросовестно, со всей академической строгостью и тщательностью – их сожгут. Заинтересованные в исходе опытов ювелиры и знатные особы вызвались добровольно предоставить драгоценное сырье. Некоторые даже присутствовали на экспериментах лично, наблюдая, как их состояние в буквальном смысле сгорает у них на глазах. Воспламенять образцы ученые решили при помощи пучка сфокусированных солнечных лучей, для чего раздобыли необыкновенно большую линзу диаметром 80 сантиметров. Дождавшись ясной погоды, приступили к делу. Алмазы помещали в фарфоровую чашку и «поджаривали» в разных условиях: как в вакууме, так и в присутствии воздуха или кислорода. Опыты производились под стеклянным колоколом, что позволяло определять состав получившегося газа[211]. Поэтапно анализируя сделанные наблюдения, Лавуазье установил, что исчезновение алмаза объясняется именно его сгоранием, а не испарением, причем продукт сгорания неотличим от газа, образуемого при сжигании равного количества древесного угля. Вывод напрашивался сам собой: баснословно дорогой камень и обычный уголь состоят из одного и того же элемента. А значит, углерод может принимать совершенно различный облик. В наши дни это известно каждому школьнику: атомы углерода способны встраиваться в невероятно прочную кристаллическую структуру, образуя алмаз, между тем как другая, слоистая форма организации тех же атомов дает графит – темно-серое вещество с резко непохожими свойствами. Похоже, Лавуазье и сам не вполне поверил в результаты своих опытов. Во всяком случае, вскоре он переключился на другие проекты, а этот до логического завершения так и не довел[212]. Но французский ученый нащупал главное. Он понял, что углерод – настоящий хамелеон по части модификаций: может соединяться с кислородом и превращаться в диоксид углерода (углекислый газ)[213], а может существовать в свободном состоянии в виде самого твердого на свете или, наоборот, очень мягкого вещества. В дальнейшем человечеству предстояло открыть и целый ряд других ипостасей этого удивительного элемента.

Как мы сегодня знаем, важнейшая черта атомов углерода – умение сцепляться друг с другом в длинные нити, имеющие вместе с тем достаточно вакантных мест, чтобы к углеродному скелету могли примкнуть другие элементы и даже целые их гроздья. Каждый атом углерода может одновременно образовывать связи с четырьмя другими атомами и за счет этого создавать бесчисленное множество пространственных структур: линейных и разветвленных цепочек, замысловатых колец и их комбинаций. В этот каркас могут встраиваться атомы других элементов, например кислорода и азота, – количество вариантов «сборки» поистине неисчерпаемо. Ни один другой элемент не способен порождать такое многообразие молекулярных соединений, столь разных по величине и конфигурации. Из-за высокой химической активности «чистый» углерод встречается в природе сравнительно редко. В атмосфере и гидросфере мы обычно находим его в паре с кислородом – в виде вещества, известного как диоксид углерода или углекислый газ.

Упомянутые соединения – органические молекулы – обладают еще одной принципиальной особенностью: чтобы изъять углерод из окружающей среды, где он существует в виде углекислого газа, и встроить его в это буйство молекулярных форм, необходимо заплатить «дань». Средством оплаты служит энергия. Без нее никакую углеродную конструкцию не собрать. Важнейшая роль тут принадлежит растениям: аккумулируя солнечную энергию, они расходуют ее на строительство сложных органических соединений на основе углерода. Этот процесс носит название фотосинтеза. Вполне естественно, что когда дело доходит до распада любых подобных структур и атомы углерода возвращаются в стабильную форму углекислого газа, то происходит обратный процесс: высвобождение энергии. Таким образом, любая сложная органическая молекула – хитроумный конгломерат, нанизанный на углеродную нитку, – является хранилищем сырья (питательных веществ) и энергии. Оба этих ресурса жизненно необходимы для биологических мини-фабрик, которые мы именуем клетками.

Атомы углерода повсюду. Прямо сейчас, когда я пишу эти строки, концентрация углекислого газа в окружающем меня воздухе составляет где-то 419 частиц на миллион[214]. Что касается земной тверди, то в горных породах углерода не особенно много, зато в почве он присутствует в огромных количествах. Когда по той или иной причине органика накапливается, не разлагаясь (как