Спутники жизни и цифровой революции: могут ли минералы рассказать, обитаемы ли планеты других миров
Из минералов получают редкоземельные элементы, на которых основаны все современные высокие технологии. Фото: Igisheva Maria/Shutterstock/Fotodom
Как минералы связаны с редкоземельными металлами и стали особо востребованным в эпоху высоких технологий? Почему они могут сигнализировать о наличии жизни на других планетах? Какие минералы можно использовать в качестве дамских (и не только) украшений?
Эти и другие темы в программе «Время науки» на Радио «Комсомольская правда» (97,2 FM) обсуждали:
— радиожурналист Мария Баченина,
— академик РАН Александр Сергеев, научный руководитель Национального центра физики и математики (НЦФМ),
— их гость — генеральный директор Кольского научного центра РАН, академик РАН, специалист в области структурной минералогии Сергей Кривовичев.
Перед началом эфира (слева направо): академик РАН Александр Сергеев, радиожурналист Мария Баченина и гость радиопередачи — гендиректор Кольского научного центра РАН, академик РАН, специалист в области структурной минералогии Сергей Кривовичев.
Фото: Евгения ГУСЕВА. Перейти в Фотобанк КП
НАШИ ТЕЛА СОСТОЯТ ИЗ ЗВЕЗДНОЙ ПЫЛИ
Мария Баченина:
— Сергей Владимирович, вы специалист по минералам. Я хочу, чтобы наш слушатель и читатель тоже понял, зачем нам нужны минералы. Про красивые камушки и украшения я знаю и понимаю. А зачем еще?
Сергей Кривовичев:
— Из минералов получают редкоземельные элементы, на которых основаны все современные высокие технологии. Откуда, например, берется литий для литиевых батарей? Из минералов! Кто у нас сейчас больше всего добывает редких земель? Китай — 280 тысяч тонн. Мы добываем, наверное, в 100 раз меньше. Не потому, что у нас нет месторождений редкоземельных металлов — просто у нашей промышленности нет потребности в большом объеме. А внешний рынок фактически монополизировал Китай. Но без минералогии, геохимии, геологии, без минерально-сырьевой базы в нашей стране невозможно было бы развивать промышленность.
Мария Баченина:
— А где у нас залежи редкоземельных элементов?
Сергей Кривовичев:
— Наибольшее количество редких земель сейчас добывается на Кольском полуострове, в Хибинах. Это почти 80% всех редких земель. Они все в апатите (минерал служит общим «родителем» для двух критически важных продуктов: традиционных фосфорных удобрений и редкоземельных металлов — Ред). Компании «Акрон» и «Фосагро» — поставщики удобрений — построили установки, при помощи которых можно выделять из апатита редкоземельные элементы. Эти установки работают и готовы производить редкие земли. Просто они пока не нужны у нас в таком количестве.
Александр Сергеев:
— Сергей Владимирович, а откуда берутся минералы? Исходно Земля — жидкое тело. Что происходит дальше?
Сергей Кривовичев:
— Если начинать историю от сотворения мира, то сначала был Большой взрыв, образование элементарных частиц, первых атомов, нуклеосинтез и так далее. А первым минералом считается алмаз, который существовал в межзвездной пыли, потому что он состоит из углерода, это достаточно простой и легкий элемент. А дальше из этой межзвездной пыли, образовалось все остальное. Вы наверняка знаете расхожую фразу о том, что каждый элемент, из которого состоит наше тело когда-то находился в недрах звезд. То есть наши тела построены из звездной пыли. То же можно сказать и про минералы. Есть предположение, что Земля является неким островком сложности. Именно на Земле создались условия для возникновения жизни. Единицей жизни является клетка. И клетка настолько сложна, что может существовать в только в узком диапазоне условий, что очень большая редкость. При этом оказалось, что условия, которые способствуют существованию жизни, также наиболее благоприятны для формирования сложных минералов. И это обстоятельство используется в экзопланетологии, когда идут поиски потенциально обитаемых планет.
САМЫЙ СЛОЖНЫЙ МИНЕРАЛ ОБНАРУЖЕН В ЗАБРОШЕННЫХ УРАНОВЫХ РУДНИКАХ
Александр Сергеев:
— Понятно, что сложность живой материи — это сложность высшего порядка. Но минералы ведь тоже могут по кристаллической структуре быть более сложными или менее сложными. Как это измерить?
Академик РАН Александр Сергеев
Фото: Евгения ГУСЕВА. Перейти в Фотобанк КП
Сергей Кривовичев:
— Большое спасибо за вопрос, потому что я как раз именно этим вопросом очень много занимался. Мне было интересно найти какие-то общие закономерности. Потому что разнообразие минералов бесконечно. Это ощущение, о котором вы говорите — разброс параметров от простого к сложному, хотелось охарактеризовать каким-то числом. Потому что наука работает с числом. Я пытался подобрать самые разные параметры. И внезапно, читая литературу из смежных областей — по структурной и органической химии, действительно напал на некую идею. Для описания сложности структуры органических молекул используется метод из теории информации Шеннона. Шеннон занимался криптографией во время Второй мировой войны и, может быть, эта работа натолкнула его на мысль о том, что сложность сообщения можно измерить показателем, который называется «количество информации». Первым, кто придумал применять теорию информации к молекулам в химии был наш соотечественник Николай Рашевский, который в свое время эмигрировал в Соединенные Штаты и там основал журнал математической биофизики. Он переписывался с Вернадским, и был довольно известным ученым. Он предложил: давайте посмотрим на органическую молекулу, как на сообщение и применим к ней теорию информации Шеннона.
По сути дела, я здесь тоже ничего нового не изобрел, просто предложил посмотреть на минерал, вернее, на его элементарную ячейку, как на сообщение. И если применить к нему теорию Шеннона, мы можем получить численно количество информации в битах. Это работает даже на примере бытовых вещей. Мы говорим: это явление простое — значит, мы его можем описать в нескольких словах. Это явление сложное — для описания его нам понадобится несколько страниц. Иногда целый роман написать. Здесь — то же самое. Сколько информации содержит какой-то конкретный минерал, настолько он сложнее.
Александр Сергеев:
— Примеры?
Сергей Кривовичев:
— Например, самый сложный минерал, который сейчас есть в природе, это юингит. Это очень интересный минерал, обнаружен в заброшенных шахтах наших первых урановых рудников. Это город Яхимов, на границе Чехии и Германии, там в свое время был добыт первый советский уран. Вернее, он оттуда был к нам привезен. Теперь шахты заброшены, туда проникает вода и на стенках образуются минералы. Там и был найден юингит — это карбонат урана. Показатель его сложности составляет 25 тысяч бит на ячейку.
Александр Сергеев:
— Знаю, что существует кривовичевит — это минерал, который назван в вашу честь. У него какая сложность?
Сергей Кривовичев:
— У него сложность небольшая, порядка 140 бит на ячейку — на два порядка меньше.
Академик РАН, специалист в области структурной минералогии Сергей Кривовичев
Фото: Евгения ГУСЕВА. Перейти в Фотобанк КП
МИНЕРАЛЫ ЭВОЛЮЦИОНИРУЮТ ПАРАЛЛЕЛЬНО С ЖИВЫМИ ОРГАНИЗМАМИ
Александр Сергеев:
— Наша матушка Земля — лаборатория, в которой постепенно десятки, сотни миллионов лет идут процессы эволюции. А происходит ли эволюция в направлении усложнения кристаллических структур? Больше становится разнообразие или меньше?
Сергей Кривовичев:
— Здесь нужно сказать пару слов о теории минеральной эволюции. Эволюционирует не только живой мир. Эволюция происходит в целом в масштабе космоса от момента Большого взрыва и до возникновения человеческого мозга — самой сложной системы, которую мы сегодня знаем во Вселенной. Минералы тоже эволюционировали. Впервые эта теория была высказана нашим соотечественником академиком Николаем Павловичем Юшкиным. Он долгое время возглавлял Институт геологии в Сыктывкарском научном центре. Это был самородок из крестьянской среды, он высказывал уникальные идеи. Сейчас эта идея возродилась, ее развивает профессор Института Карнеги в Вашингтоне Роберт Хейзен, иностранный член Российской академии наук. Он составил списки минералов, которые существовали в разные эпохи. Дело это очень рисковое. Потому что мы не можем вот так просто заглянуть в прошлое и узнать, какие минералы были во времена динозавров, как обстояли дела в допланетную эпоху и так далее.
Александр Сергеев:
— В прошлое живых существ проще даже заглянуть, чем в жизнь минералов?
Сергей Кривовичев:
— Совершенно верно. Но Роберт Хейзен взял на себя такой риск. А мы с моим отцом, профессором минералогии, посчитали сложность этих минералов для разных геологических эпох. И оказалось, действительно, сложность все время увеличивалась в течение геологического времени. Причем не только в количестве минералов, но и в качестве. На самом деле минералов не так много — около 6200 видов. По сравнению с биологическим разнообразием, это ничто. Где-то примерно 100–120 минералов открывается каждый год. И я хочу сказать, что российская наука здесь занимает одну из ведущих позиций. Второе место среди первооткрывателей минералов всех времен и народов занимает член-корреспондент РАН, заведующий кафедрой минералогии Московского университета Игорь Викторович Пеков, мой хороший друг и соавтор. Растет не только разнообразие минералов, но растет и их сложность.
Мария Баченина:
— Мне интересно, могут минералы что-то подсказать нам о возникновении жизни на Земле? Или это все-таки два разных мира?
Журналист Мария Баченина
Фото: Евгения ГУСЕВА. Перейти в Фотобанк КП
Сергей Кривовичев:
— На эту тему существовало очень большое количество работ. Что было на Земле до зарождения жизни? Были минералы. Построить мостик от минералов к жизни — это был некий священный Грааль, многие ученые этим занимались. Но экспериментальные проверки этих гипотез, в частности, передача генетической информации от минералов к живым организмам, к сожалению, давали отрицательный результат. Мы посчитали эту шенноновскую сложность для самого сложного минерала и сложность клетки. Разница — пять-шесть порядков. Организация живой материи гораздо сложнее, чем организация материи минеральной.
ПОЧЕМУ ЧАРОИТ ВСТРЕЧАЕТСЯ ТОЛЬКО В ЗАБАЙКАЛЬЕ?
Александр Сергеев:
— Сергей Владимирович, а можем ли мы, обладая современным научным знанием обогнать матушку-природу и синтезировать такой минерал, который будет обладать совершенно фантастическими физическими свойствами?
Сергей Кривовичев:
— На самом деле, если мы возьмем весь мир рукотворных неорганических соединений, то по своему количеству, он на несколько порядков превосходит мир минералов. Но при этом примерно 20% из всех открытых в природе минералов не имеют лабораторных аналогов. У меня есть идея о том, что есть минералы, которые человек никогда не сможет получить в лаборатории. Об этом, кстати, говорил Вернадский: природные лаборатории земной коры более грандиозны, чем лаборатории ученых. Здесь надо помнить, что есть очень важный фактор, которым человек не обладает — это время. Например, есть очень интересный минерал чароит.
Мария Баченина:
— Я знаю, из него делают прекрасные украшения.
Сергей Кривовичев:
- Да, чароит красивейший сиреневый камень и пример минерала, который в природе встречается только в одном месте — у нас в Забайкалье. Там его можно извлекать буквально тоннами. А синтезировать его в лабораториях пока никто не научился. Более того, решить структуру (то есть понять, как там все внутри устроено) удалось только совсем недавно. Как в природе этот минерал образовался в количестве многих тонн? Я думаю, что сыграл роль фактор времени. В распоряжении природы не только время, но и возможность пробовать бесконечное число комбинаций. В лаборатории мы взяли два или три чистых соединения, смешали, заставили друг с другом прореагировать и получили что-то новое. А в природе химические системы бесконечно сложны. Это не абсолютно чистые вещества и соединения. и реакция может проходить через много-много стадий. И таким образом получаются удивительные вещества, которые мы не можем получить в лаборатории.
Александр Сергеев:
— А у вас есть новые красивые минералы, которые наши дамы с удовольствием бы использовали в качестве украшений?
Сергей Кривовичев:
— Был очень интересный минерал, который мы назвали брадачекит в честь профессора Ханса Брадачека из Свободного университета Берлина. После того, как мы открыли этот минерал, мы научились его синтезировать. И он попросил вырастить небольшой кристалл, чтобы поставить его в перстень. А у этого минерала глубокий, красивый синий цвет. Мы ему кристалл вырастили, и наш коллега носил перстень с брадачекитом. Но все-таки в качестве драгоценного поделочного камня большинство минералов, на мой взгляд, не годится. Потому что одно из главных требований драгоценного поделочного камня — это твердость. Они не должны быть хрупкими или мягкими. А большая часть минералов — достаточно мягкие соединения.
ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ