Симфония № 6. Углерод и эволюция почти всего

Земля и жизнь требуют намного — в триллионы раз — больше углерода, чем могло образоваться в первичном котле Большого взрыва. Чтобы найти такие большие запасы шестого элемента, мы должны приглядеться к светящимся небесам, поскольку почти все атомы углерода были рождены глубоко в недрах звезд.

Роль звезд в истории углерода начала выявляться более века назад благодаря открытиям выдающихся женщин-исследовательниц в Гарвардском университете. Астрономия в 1880-х гг. столкнулась с новой для того времени проблемой — необходимостью обработки огромных объемов данных о природе звезд. До этого астрономы, используя лучшие на тот момент в мире телескопы, зафиксировали положение и яркость более 200 000 звезд, но данных об их физических и химических свойствах было очень мало. К последней четверти XIX столетия у астрономов появилась возможность использовать новые методы, основанные на совмещении мощных телескопов с чувствительными спектрометрами и фотокамерами. В результате на стеклянных фотопластинках знакомый небесный образ из тысячи ярких точек выглядел как мозаика звездных спектров. Подобно тому как стеклянная призма превращает сфокусированный луч белого света в радужный спектр, так и каждая звезда проявилась на этих фотографиях в виде крошечного вытянутого прямо­угольника с похожей на штрихкод последовательностью вертикальных линий: каждый рисунок представлял собой радугу цветов спектра от красного до фиолетового.

Такие звездные спектры содержат много информации о звезде. Каждый химический элемент, нагретый до высокой температуры поверхности звезды (обычно от 2000 до 30 000 °C), испускает свой характерный набор ярких линий разных цветов — своего рода «отпечаток пальца» атома. Каждая линия возникает, когда электроны атома перескакивают с более высокого энергетического уровня на более низкий — совершают квантовый скачок, сопровождаемый крошечной вспышкой света определенного цвета. Четкая, близко расположенная пара оранжевых линий характеризует натрий. У водорода — одна интенсивная красная линия, одна зеленая и восемь более слабых линий в сине-фиолетовой части спектра. А у углерода — более 20 четких линий, распределенных по всему спектру. Каждый звездный спектр — это сложное наложение характерных линий десятков химических элементов.

Вооружившись новыми спектроскопическими инструментами, астрономы получили тысячи стеклянных фотопластинок, каждая — с сотней звезд, которые нужно было проанализировать. Каждый звездный спектр следовало изучить и интерпретировать визуально, на глаз. Это была напряженная, утомительная работа. Спектры накапливались намного быстрее, чем удавалось их обработать.

Благодаря новаторским исследованиям врача и астронома-любителя Генри Дрейпера, получившего первое изображение звездного спектра в 1872 г., одним из самых продуктивных центров фотографирования звезд на пластинки стала обсерватория Гарвардского колледжа. Дрейпер получил более 100 изображений со звездными спектрами на стеклянных пластинках, но умер в 1882 г., когда работа только начинала набирать обороты. Друг Дрейпера, гарвардский профессор астрономии Эдуард Чарльз Пикеринг, продолжил его дело в 1885 г. Еще через год богатая вдова исследователя Мэри Дрейпер начала спонсировать исследования Пикеринга, а также издание все расширяющегося «Каталога Генри Дрейпера».

Как и бо́льшая часть научных сфер 1880-х гг., астрономия была почти исключительно мужской прерогативой. На самом деле и позже — уже в XX в. — в большинстве обсерваторий женщинам долго не разрешалось работать вместе с мужчинами в «соблазнительное» ночное время. Мужчины занимались и анализом фотопластинок, хотя Пикеринг постоянно был недоволен их небрежной работой. «Моя шотландская служанка справилась бы лучше», — неоднократно сетовал он{7}.

К счастью для Пикеринга, его шотландской служанкой была Вильямина Флеминг, учительница, которая иммигрировала с мужем и ребенком в Соединенные Штаты из шотландского города Данди в возрасте 21 года. Вскоре после этого ее бросил муж, и она нанялась в услужение к Пикерингу. В 1881 г. исследователь предложил ей работу в обсерватории, научив 24-летнюю Флеминг читать звездные спектры. Его поступок, хотя и отнюдь не свидетельствовавший об альтруизме (ее зарплата 25 центов в час была значительно меньше, чем у мужчин), открыл женщинам дверь в эту область.

Флеминг преуспела не только в толковании спектров, она также заметила закономерности в расположении тысяч звезд. Вильямина быстро научилась выявлять мельчайшие отличия в положении и интенсивности разных спектральных линий и предложила систему классификации, дав каждой звезде буквенное обозначение от A до Q, основанное в первую очередь на выраженности характерных спектральных линий водорода. Она также обнаружила сотни прежде неизвестных астрономических объектов, включая знаменитую туманность Конская Голова и десятки других туманностей — огромных скоплений пыли и газа, как теперь известно, насыщенных углеродсодержащими молекулами. А еще Флеминг проложила путь в Гарвардскую обсерваторию и другим женщинам (их оказалось более десяти), которых потом стали называть «гарвардскими вычислителями»{8}.

Гарвардская классификация звезд

Когда новые спектральные данные по тысячам звезд полились рекой, астрономы оказались готовыми сильно изменить наши представления о происхождении и распределении углерода во Вселенной. Первым важным шагом стало составление более подробной классификации разных типов звезд — прорыв, который совершила астроном Энни Джамп Кэннон.

Энни Кэннон родилась в 1863 г. в Довере, штат Делавэр. Ее отец Уилсон Кэннон был сенатором этого штата и корабле­строителем. Мать Мэри Джамп Кэннон любила ночное небо. Пользуясь старой потрепанной книгой по астрономии, мать с дочерью вместе определяли звезды и созвездия. Родители поддержали Энни, когда она решила изучать науку в колледже Уэллсли; ее наставницей стала Сара Фрэнсис Уайтинг, преподаватель физики этого колледжа. В 1884 г., в возрасте 20 лет, Энни Кэннон с отличием окончила колледж со степенью по физике.

Десятилетие спустя, поработав фотографом и писателем, Кэннон вернулась в науку, присоединившись в 1896 г. к Пикерингу и «гарвардским вычислителям». Она быстро стала специалистом по распознаванию разных типов звездных спектров, придя в итоге к тому, что определяла типы звезд с поразительной скоростью — по 200 звезд в час. «Мисс Кэннон — единственный человек в мире как среди мужчин, так и женщин, который может выполнять эту работу настолько быстро», — поражался Пикеринг{9}. За свою более чем сорокалетнюю карьеру Кэннон визуально проанализировала в общей сложности 350 000 звезд, намного превзойдя по их количеству всех своих коллег, вместе взятых.

Умение Кэннон распознавать изображения позволило ей замечать закономерности, которые другие упускали. Погрузившись в звездные спектры, она накопила опыт и знания, чтобы переосмыслить систему звездной классификации. Сфокусировав внимание на ярких звездах Южного полушария, Кэннон изобрела систему, основанную на относительной интенсивности ключевых спектральных линий — параметре, который непосредственно связан с температурой поверхности звезд. Результатом ее работы стала Гарвардская спектральная классификация, подразделяющая звезды на семь главных классов, каждый из которых обозначен буквой, соответствующей звездным типам составленной ранее системы Вильямины Флеминг. В итоговом варианте последовательность звезд от самых горячих до самых холодных лишилась большинства букв из системы Флеминг, а остальные поменялись местами. В результате получился ряд O, B, A, F, G, K, M, который многие поколения студентов-астрономов запоминали по мнемонической фразе: “Oh Be A Fine Girl, Kiss Me”[10].

Признание за открытия пришло к Кэннон еще при ее жизни. До конца дней своих в 1941 г. она получала награды и почетные степени, становилась членом научных обществ в Европе и Северной Америке, являя собой образец для подражания нескольким поколениям женщин-ученых.

Почему Кэннон оказалась столь продуктивной и успешной? Некоторые историки отмечают влияние ее матери, научившей дочь образцовому ведению домашнего хозяйства. Другие указывают на почти полную глухоту Кэннон (возможно, возникшую вследствие кори), которая могла ограничить ее интерес к общению. Но многие женщины того времени страдали от недугов и не хуже управлялись с домашним хозяйством. Я думаю, есть более значимый фактор, объясняющий успех Кэннон: безусловно, она была умна и увлечена астрономией, но, в отличие от почти всех ее современниц, ей выпал шанс. Веками история науки была историей упущенных возможностей, безымянных потенциальных Эйнштейнов и Ньютонов — блестящих умов, лишенных из-за своего происхождения возможности реализовать тягу к науке. Самая большая трагедия для всех нас заключается в нескончаемой череде нереализованных стремлений, нераскрытых прорывов.

Углерод в звездах

Звездная классификация Энни Джамп Кэннон предоставила нам возможность выявления роли звезд в образовании углерода. Гарвардская спектральная классификация показывает температуру поверхности звезды — от сравнительно холодных красных звезд до супергорячих голубых. Астрономам того времени было ясно также, что спектральные линии дают информацию об относительной распространенности разных химических элементов, но они не знали, как перевести интенсивности линий в химический состав.

Влияние температуры путает все карты. Каждый атом состоит из отрицательно заряженных электронов в оболочках, окружающих положительно заряженное ядро. Электроны, перескакивающие между этими оболочками, влияют на появление характерных спектральных линий, которые и были запечатлены на фотопластинках Гарвардской обсерватории. Однако при высоких температурах звезд интенсивные столкновения атомов срывают электроны с внешних оболочек: атомы ионизируются, что ведет к снижению четкости некоторых линий спектра. Водород и гелий — первый и второй элементы Периодической таблицы — представляют собой предельные случаи. Большинство атомов водорода теряют свой единственный электрон, превращаясь в протоны. Большинство атомов гелия теряют оба электрона и становятся альфа-частицами с двумя протонами и двумя нейтронами. Раз нет электронов, то невозможны и их скачки, поэтому спектральные линии ионов водорода и гелия гораздо слабее, чем многих других элементов.

Сесилия Хелена Пейн-Гапошкина дала расшифровку сложных взаимосвязей между спектром звезд и их химическим составом в работе 1925 г., которую ее коллеги охарактеризовали как «самую блестящую кандидатскую диссертацию, когда-либо написанную по астрономии»{10}. Пейн родилась в 1900 г. в английском Уэндовере в семье с выдающимися академическими традициями. С четырехлетнего возраста ее воспитывала овдовевшая мать, которая поощряла в девочке интерес к науке. Сесилия училась в Кембриджском университете, получая стипендию Ньюнэм-колледжа, и была отличницей по биологии, химии и физике. Так как в то время получить степень в Кембридже могли только мужчины, Пейн не имела возможности продолжать обучение в рамках британской системы и переехала из Англии в Гарвард, где в 1925 г. стала первой женщиной, получившей степень PhD по астрономии.

В основе успеха диссертации Пейн лежало применение положений новой для того времени теории ионизации — зависимых от температуры процессов, в ходе которых атомы в звездах теряют свои электроны. Исследовательница поняла, что, хотя относительное обилие многих важных элементов (например, кислорода, кремния и углерода) можно точно определить по интенсивности основных спектральных линий, количество водорода и гелия сильно недооценивается — для водорода, возможно, в миллион раз. Она пришла к поразительному выводу, что водород и гелий — самые распространенные элементы во Вселенной — во многих случаях составляют более 98% общей массы звезды. Этот результат показался настолько невероятным коллегам Пейн, долгое время полагавшим, что состав Земли точно соответствует составу Солнца, что ее открытия поначалу не приняли. Старшие коллеги призывали Пейн назвать выводы в ее первой публикации «сомнительными», но вскоре, когда и другие исследователи прибегли к новаторским методам, ее правота подтвердилась.

Открытия Пейн указали путь к более глубокому пониманию космического происхождения и распространенности углерода, составляющего четвертую часть всех атомов, которые не являются водородом или гелием. Но как звезды вырабатывают такое огромное количество шестого элемента?

Выгорание гелия

Большинство звезд — это гигантские сферы, насыщенные водородом. Наше Солнце как раз такой случай. Преобразование водорода в гелий — постоянно действующий процесс ядерного синтеза, называемый выгоранием водорода, — обеспечивает жизнь Солнца и его свечение, яркость которого почти не изменилась за прошедшие 4,5 млрд лет. Девяносто процентов звезд в ночном небе вовлечены в тот же процесс: гелий вырабатывается при огромных температурах и давлениях глубоко в их недрах, где протоны (ядра водорода) сталкиваются и соединяются, образуя бо́льшие ядра из меньших фрагментов и частиц. По общему мнению, Солнце за счет выгорания водорода останется стабильной звездой еще несколько миллиардов лет. Только тогда, когда водород в ядре Солнца в основном превратится в гелий, наступит новая, более бурная фаза выгорания гелия — процесса, в ходе которого вырабатывается углерод.

Английский астроном сэр Фред Хойл впервые описал реакции ядерного синтеза, в ходе которых гелий в звездах преобразуется в углерод, в 1954 г., когда преподавал в колледже Святого Иоанна Кембриджского университета{11}. Карьера Хойла была необыкновенно разносторонней. Он изучал математику в Кембридже, затем в 1940 г. в возрасте 25 лет стал работать для военных нужд в области исследования радаров. Научные изыскания Хойла привели его в Соединенные Штаты, где из исследований, связанных с Манхэттенским проектом, он впервые узнал о ядерном синтезе. Десять первых послевоенных лет Хойл опять провел в Кембридже, погрузившись в изучение ядерных процессов в звездах.

К 1950-м гг. основная концепция нуклеосинтеза, заключающаяся в том, что высокие температуры и давления в недрах звезд способствуют ядерному синтезу, в ходе которого образуются новые элементы, была уже хорошо известна. Хойл понял, что распространенность элементов в природе отражает этапы звездных процессов, в результате чего маленькие ядерные кирпичики соединяются в большие ядра. Некоторые элементы (например, железо и кислород) более распространены по сравнению с другими (например, бериллием и бором) потому, что определенные комбинации протонов и нейтронов образуются легче, чем иные. Особо важны состояния резонанса, способствующие одновременному присоединению нейтрона, протона или альфа-частицы (ядра гелия-4 с двумя протонами и двумя нейтронами). Но большинство новых ядер формируется посредством поэтапного добавления одного из этих малых ядерных кирпичиков к уже существующим ядрам.

Углерод же отличался от всех. Расчеты того времени показывали, что нет простого пути, приводящего к его синтезу. Отсюда следовало, что этот элемент должен быть довольно редким. Но измерения его концентраций в звездах, выполненные Сесилией Пейн и ее коллегами, указывали на то, что углерод является четвертым по распространенности элементом во Вселенной. Чтобы объяснить это несоответствие, Хойл предложил детально продуманный механизм, названный тройным альфа-процессом{12}. Исследователь знал, что более старые звезды накапливают в своих недрах ядра гелия-4 (т.е. альфа-частицы). При взаимодействии двух альфа-частиц легко образуются ядра бериллия-8 — с четырьмя протонами и четырьмя нейтронами. А затем все, что нужно сделать для преобразования бериллия-8 в углерод-12, — это добавить еще одну альфа-частицу. Но есть загвоздка: бериллий-8 чрезвычайно нестабилен и распадается на части менее чем за одну квадриллионную секунды. Поэтому предположение, что углерод-12 образуется при добавлении третьей альфа-частицы к хрупкому бериллию-8, кажется невероятным.

Прорыв Хойла заключался в том, чтобы найти некое соответствие в природе. При энергии, близкой к 7,68 МэВ, ядро углерода-12 находится в особом, ранее не учтенном состоянии резонанса. Именно такое значение необходимо бериллию-8, чтобы захватить альфа-частицу, прежде чем распасться. Хойл подсчитал, что скорость синтеза углерода-12 в ходе тройного альфа-процесса возрастает приблизительно в миллиард раз. Физики-экспериментаторы восприняли эту идею скептически, поскольку углерод считался хорошо изученным и никаких резонансных состояний не обнаруживалось. Тем не менее Хойл убедил исследователей в Калифорнийском технологическом институте поискать это «состояние Хойла», которое вскоре и было ими подтверждено. Предсказание Хойла разрешило проблему несоответствия распространенности углерода и между делом позволило ученому мгновенно получить международное признание в развивающейся области астрофизики.

Хойл обрел славу и почести, дав объяснение звездному нуклеосинтезу, но его карьера оказалась полна противоречий. Ярый критик доминировавшей в то время космологической точки зрения, он придумал выражение «Большой взрыв» скорее как уничижительный термин, но тот в конечном счете прижился. Он предпочитал концепцию устойчивой Вселенной, независимой от ветхозаветного «момента творения». Хойл также поддерживал панспермию — спорную концепцию, что жизнь на Землю была занесена из космоса. В повсеместно осмеянной версии панспермии Хойла начало жизни дали рожденные в комете вирусы, которые до сих пор иногда вызывают глобальные эпидемии. И он горячо поддерживал идею, что нефть и природный газ образуются в ходе небиологических процессов глубоко в мантии Земли. Эта противоречивая гипотеза сейчас заново рассматривается учеными Обсерватории глубинного углерода. Когда Хойла спрашивали о его склонности занимать такие противоречивые позиции, он отвечал: «Лучше быть интересным и неправым, чем скучным и правым»{13}.

Рассеивание углерода

Давным-давно, более 13 млрд лет назад, по прошествии нескольких миллионов лет после образования Вселенной, в космосе, лишенном каменистых планет и жизни, ярко горели первые звезды{14}. Они появились, когда гравитация стала стягивать огромные вращающиеся облака водорода и гелия — атомов, образовавшихся при Большом взрыве, — в еще бо́льшие раскаленные сферы.

Звезды — это двигатели химической эволюции. Под действием невообразимых температуры и давления в звездных недрах водород «слипался» в гелий, а три ядра гелия — в углерод. Конечно, это медленный процесс, но у звезд много времени. И таким образом углерод постепенно накапливался, чтобы в конечном итоге стать четвертым по распространенности элементом во Вселенной — на каждую тысячу атомов водорода приходится порядка пяти атомов углерода.

Первые несколько миллионов лет космической истории бо́льшая часть этих все пополняющихся запасов звездного углерода оставалась запертой глубоко в недрах звезд. Некоторые его ядра стали ядерным топливом, соединяясь с ядрами гелия и образуя еще более тяжелые элементы: кислород — податель жизни, кремний — строительный материал для каменистых планет; железо — основа индустриального развития. Спустя миллионы лет, когда турбулентные потоки звездной конвекции вынесли эти глубинные продукты нуклеогенеза на светящуюся поверхность каждой из звезд, некоторые атомы углерода были унесены мощными звездными ветрами, выталкивающими атомы углерода вовне, в межзвездное пространство, при взаимодействии с сильными магнитными полями звезд. Эти-то образовавшиеся в недрах звезд атомы, которые улетели в космическое пространство, и дали начало настоящей углеродизации космоса.

Самое обильное «засеивание» космоса углеродом происходит, когда умирают массивные звезды; происходящие при этом бурные процессы высвобождают огромное количество вещества{15}. При взрывах сверхновых огромные звезды буквально рассыпаются в пространстве. Но как звезда может взорваться? Ответ на этот вопрос нужно искать в непрерывном противостоянии огромной силы тяготения, которая тянет звездную массу внутрь, и мощью ядерного синтеза, выталкивающего эту массу наружу.

Давайте подумаем о будущем нашего Солнца, в котором через 4 млрд лет или около того весь водород превратится в гелий. Постепенно водород в раскаленном ядре Солнца полностью израсходуется, а концентрация гелия возрастет. Тогда начнется выгорание гелия. Возможно, на полмиллиарда лет ядерные силы, вызванные выгоранием гелия в недрах Солнца, возьмут верх над силой тяготения. Эти изменения приведут к не очень приятным последствиям для землян. Солнце раздуется более чем в 100 раз по сравнению со своим нынешним размером, превратившись в красный гигант, который разрастется дальше орбиты несчастного, поглощенного Солнцем Меркурия, за орбиту обреченной Венеры и, наконец, подойдет достаточно близко к орбите Земли, заполнив собой дневное небо. Когда ярко-красная поверхность Солнца приблизится к Земле, наш общий дом сгорит и превратится в безжизненную золу.

Учитывая скромные размеры Солнца, углерод окажется конечным продуктом ядерных процессов. Когда запасы гелия иссякнут и ядерные реакции прекратятся, гравитация все-таки выиграет 10 000 000 000-летнюю войну. Солнце сожмется, превратившись в белый карлик — насыщенную углеродом звезду размером с Землю, с диаметром менее сотой доли нынешнего. В процессе медленного охлаждения и сжатия звезды бо́льшая часть запасов только что образовавшегося углерода будет заблокирована в ней навсегда, «подобно бриллианту в небе»[11].

У звезд крупнее Солнца судьба иная, поскольку их внутреннего давления и температуры достаточно, чтобы часть ядер углерода-12, соединившись с альфа-частицами, образовала более тяжелые элементы — кислород-16, неон-20, магний-24 и другие. При этом происходит каскад ядерных реакций, и каждое преобразование добавляет звезде энергии, обогащает ее новыми химическими элементами и противостоит непреклонной силе тяготения. Реакции происходят одна за другой все быстрее и быстрее, пока звезда не примется за образование железа-56. Последние стадии синтеза происходят за секунды. У всех элементов в цепочке, заканчивающейся железом, каждое новое ядро стабильнее предыдущего, а каждая ядерная реакция высвобождает энергию и поддерживает горение звезды, как будто подбрасывая дров в ревущий огонь. Но железо-56 — это конечный ядерный пепел. Что бы вы ни пытались сделать с ядром железа-56 — добавить или забрать протон, добавить или забрать нейтрон, — любая реакция с этим элементом потребует энергии. Когда ядро звезды превращается в железо, направленный вовне напор ядерных реакций прекращается почти мгновенно и гравитация так же быстро берет над ним верх.

Главное последствие этого звездного «выключения» — разрушительный взрыв, в котором участвует вся звездная масса. Весь оставшийся водород, гелий, углерод и остальные элементы затягиваются внутрь со всевозрастающей скоростью, достигающей существенных долей скорости света, пока не взорвутся. В этих хаотических условиях, когда температура и давление вырастают до значений, невиданных со времен Большого взрыва, атомные ядра интенсивно сталкиваются и сливаются, их протоны и нейтроны буквально перемешиваются, образуя все более тяжелые комбинации. Так в конечном счете возникает более половины элементов Периодической таблицы. То, что мы наблюдаем как взрыв сверхновой, на самом деле представляет собой разрушительный распад всей этой звездной массы — беспорядочной смеси множества новых элементов, разлетающихся в пространстве.

Остальные химические новинки, к которым относится бо́льшая часть тяжелых элементов Периодической таблицы, появляются как удивительные отголоски взрывов сверхновых. В процессах, которые только сейчас становятся понятными, гравитация захватывает часть остатков каждой сверхновой и образует из них странные плотные звездоподобные объекты. Если эти остатки тяжелее нашего Солнца примерно раза в три, то образуется черная дыра — объект настолько массивный, что он сжимается в точку, откуда ничего, даже свет, не может вырваться.

Если остатки сверхновой составляют одну-две массы Солнца, итоговый гравитационный коллапс порождает другой объект — нейтронную звезду, в которой протоны и электроны сталкиваются друг с другом, формируя сверхплотное скопление нейтронов. Нейтронная звезда, вдвое превышающая по массе наше Солнце, сжимается в объект диаметром всего несколько километров. Принимая во внимание широкое рассеивание атомных частиц после единичного взрыва сверхновой, вполне можно ожидать образования двух нейтронных звезд. Получившаяся в результате нестабильная конфигурация двойной звезды в конечном счете приводит к еще одной космической катастрофе — событию, когда сталкиваются две нейтронные звезды. Это событие называется «килоно́вая». Итоговое слияние ядерных частиц происходит с такой интенсивностью, что из этого хаоса возникает почти вся Периодическая таблица элементов.

Последствия ошеломительны. В итоге таких космических катастроф появляются основные химические элементы тяжелее железа — драгоценные золото и платина, практичные медь и цинк, ядовитые мышьяк и ртуть, высокотехнологичные висмут и гадолиний. Каждый атом этих элементов, обнаруженный здесь, на Земле, прибыл сюда после распада массивных звезд. Вольфрамовые абразивы, молибденовые сплавы, германиевые полупроводники, самариевые магниты, циркониевые ювелирные камни, никель-кадмиевые батарейки, стронциевые люминофоры — все это есть у нас благодаря взорвавшимся древним звездам.

Только после того, как первое поколение сверхновых засеяло Вселенную полным набором химических элементов, и смогли возникнуть каменистые планеты (планеты земной группы), а также новое поколение звезд, вырабатывающих углерод. Многие из этих звезд взорвались, создав еще больше углерода и других тяжелых элементов для новых планет и будущих поколений звезд, сильнее обогащенных металлами. Этот нескончаемый бурный цикл создания и рассеивания элементов продолжается во Вселенной по сей день.

Наша Солнечная система сформировалась в результате множества предшествующих звездных циклов, растянувшихся по времени более чем на 13 млрд лет, поэтому она обогащена углеродом — в его кристаллической форме.

Хотя микроскопическая алмазная пыль в космосе распространена повсеместно, алмаз не является здесь преобладающей формой углерода. При экстремальных температурах вблизи звезд (свыше 4400 °C) алмаз кристаллизировался первым, потому что этот минерал — единственная твердая субстанция, способная конденсироваться и расти в таких условиях. Все остальные кристаллы в окрестностях раскаленных добела объектов плавятся или испаряются. Но при более низких температурах и давлениях берет верх другая, более прозаическая кристаллическая форма углерода. В алмазе атомы слишком плотно упакованы, слишком скучены, и поэтому им «неудобно». Микроалмазы достаточно легко образуются из остывающего газа звезды, но, когда температура опускается ниже 4000 °C, вместо них возникает графит — знакомый всем мягкий черный минерал грифельных карандашей и сухих смазок.

Графит и алмаз — это пример противоположностей{18}. Алмаз твердый и «выносливый» благодаря трехмерному, напоминающему балочную ферму, атомному каркасу. В элегантной структуре графита каждый атом углерода соединяется с тремя, а не четырьмя соседями, образуя миниатюрный плоский треугольник. Такая менее плотная атомная упаковка представляет собой слоистую структуру с идеально плоскими углеродными пластинками, наложенными друг на друга, как листы бумаги в стопке. Эти неплотно связанные чешуйки атомов углерода легко переходят с вашего карандаша на бумагу и скользят друг по другу, смазывая ваши замки и подшипники. Мягкий черный графит не годится в драгоценные камни, но его значение для жизни общества ничуть не меньше, чем у алмаза.

Алмаз был первым, а графит, как мы подозреваем, вторым кристаллическим веществом в космосе. Несмотря на их контрастные свойства оба минерала представляют собой чистый углерод, и оба изначально образовались из того, что осталось после звездной бури. Но настоящий взрывной рост новых углеродсодержащих кристаллических форм начался лишь после появления каменистых планет — двигателей многообразия минералов углерода.

Образование планет — давний бурный процесс. Огромные туманности — колыбели звезд и планет — это разреженные облака космической пыли и газа размером в несколько световых лет. Потревоженная гравитационным следом проходящей шальной звезды или ударной волной сверхновой, небольшая область туманности может начать сжиматься. При этом гравитация будет затягивать вращающуюся массу внутрь, и та станет вращаться все быстрее, подобно кружащемуся фигуристу. Бо́льшая часть массы провалится в центр и образует звезду типа Солнца, остатки же сконцентрируются в несколько вращающихся планет. В нашей Солнечной системе молодое Солнце поддерживало сильный горячий солнечный ветер, который смел бо́льшую часть оставшейся пыли и газа в далекое царство газовых гигантов — до орбиты Юпитера и дальше. Каменные обломки образовали планеты земной группы: Меркурий, Венеру, Землю и Марс.

Планеты начинаются с малого — со сферических скоплений космической пыли, микроскопические частицы которой свободно удерживаются между собой статической связью. Выбросы солнечной энергии или вспышки молний в туманностях сплавляли эти комочки в маленькие капельки не больше дроби — их называют «хондры». Хондры слипались во все бо́льшие массы: размером с баскетбольный мяч, потом — аэростат, затем — небольшую гору{19}. Гравитация собирала бесчисленные летящие по орбите камни в еще более крупные планетезимали, которые сливались друг с другом благодаря участившимся мощным столкновениям. Осколки, представляющие эти ранние этапы сборки Солнечной системы, продолжают падать на Землю в виде метеоритов-хондритов. Это самые старые объекты, которые вам дано подержать в руках. Они не так уж редки, их можно купить на eBay за несколько долларов.

Когда планетезимали увеличились до 160 км в диаметре и более, их внутреннее тепло расплавило, очистило и разделило первичное вещество. Плотные металлы вроде железа и никеля погрузились в недра и образовали планетезимальные ядра. Менее плотные скопления блестящих кристаллов оливина и пироксена окутали растущие миры мантией. Горячая вода, циркулирующая по разломам и трещинам, изменила каменную смесь, а разрушительные удары огромных небесных тел привели к образованию новых плотных минералов — импактных. Ближе к концу этого процесса несколько больших протопланет — среди них и Земля — стали доминировать в зарождающейся Солнечной системе, захватывая бо́льшую часть оставшихся каменных обломков подобно огромным пылесосам. Последнее крупное столкновение между Землей и ее меньшей сестрой, протопланетой Тейя, привело к полному уничтожению Тейи и формированию Луны.

Создав в небе коалицию с Луной, разогретая поврежденная Земля быстро «залечила рану» и остыла, превратившись в тело из трех оболочек: тонкой хрупкой коры, мощной мантии и недосягаемого металлического ядра. Циркулирующие в глубинах перегретая вода и пар растворяли и концентрировали химические элементы и переносили их к более холодной поверхности молодой планеты, где те образовывали всё новые и новые минеральные формы, среди которых было и множество минералов углерода.

Первичная Земля, испещренная ударами небесных тел, в составе которых были и алмаз, и графит, только начинала собственные эксперименты с шестым элементом. Постепенно, по мере развития нашей планеты, на ней эволюционировала и удивительная минералогия углерода — сотни кристаллических форм, каждая из которых отличалась неповторимым сочетанием химического состава и кристаллической структуры и включала в себя разнообразные соединения углерода с другими химическими элементами. Каждый из этих изумительно разных минералов и поныне является свидетельством нашего динамичного, эволюционирующего мира.

Сейчас углеродсодержащие минералы находят повсюду{20}: от величественных известняковых пиков канадских Скалистых гор до обширных коралловых плато Большого Барьерного рифа, от Белых утесов Дувра до неисчислимых скоплений крошечных раковин на океаническом дне — минералы всех этих объектов хранят в себе гигантские запасы шестого элемента в земной коре. Углерод содержат в своем составе более 400 известных минеральных видов. Но это не всё — результаты недавних исследований указывают на то, что нас ожидает много находок, которые только предстоит описать: более 150 новых, неизвестных еще видов углеродсодержащих кристаллов спрятались от нас замурованными в обнажениях горных пород, выстилающих перегретые жерла вулканов, вырастающих по берегам испаряющихся озер и захламляющих своими обломками заброшенные шахты. Эти редкие кристаллические формы ждут открытия.

Исключительное разнообразие минералов углерода поражает. Их цвета охватывают весь спектр радуги — пламенно-красный, ярко-оранжевый, насыщенно-желтый, изумляюще-зеленый, ошеломительно-синий и глубоко-фиолетовый. Они бывают любых тонов и оттенков: белых, серых, желто-коричневых и черных, некоторые минералы абсолютно прозрачные, другие — полупрозрачные или матовые. Их блеску[12] тоже присуще разнообразие — и металлический, и матовый, и алмазный, и жирный, и восковой, и молочный (перламутровый). То же можно сказать и о формах минералов углерода: среди них изящные кристаллы в виде ограненных кубов и октаэдров, постепенно сужающиеся к концам игольчатые сростки и пластинчатые агрегаты, бесформенные наросты, шероховатые корки, приятные округлые образования и ступенчатые массы неправильной формы — любого размера, от микроскопического до гигантского, больше надувного мяча.

В подвижной земной коре большинство атомов углерода связываются с тремя атомами кислорода, образуя таким образом крошечный плоский треугольник — четырехатомный кластер, известный как карбонатная группа. Из этих атомных строительных блоков состоят разнообразные карбонатные минералы, присутствующие в хорошо знакомых нам крепких раковинах улиток и двустворок, пищевых добавках с кальцием, мраморных столешницах и ярко-розовых украшениях из родохрозита.

Карбонатные минералы, особенно осадочные слои известняка и доломита, представляют собой самое большое хранилище углерода в земной коре — около 100 млн млрд т шестого элемента{21}. Это более чем в тысячу раз превышает запасы углерода во всех других резервуарах земной коры, вместе взятых: в угле и нефти, в океанах и атмосфере, в растениях и животных.

Практически невозможно представить себе современное общество без этих разнообразнейших углеродсодержащих минералов и множества их синтетических аналогов. Они играют важнейшую роль в плавке железа, ковке стали, удобрении полей, производстве стекла и цемента. Они помогают в производстве столь разных продуктов, как стиральные порошки, фейерверки, керамика, фармацевтические препараты, хирургические инструменты, взрывчатые вещества, украшения и пекарный порошок. Они уменьшают кислотность водопроводной воды и удаляют загрязняющие примеси на электростанциях. Они служат абразивами для самых эффективных режущих инструментов и смазкой для самых требовательных устройств. Более того, пышное разнообразие природных углеродсодержащих кристаллов намекает на возможность разработки синтетических материалов с еще бо́льшим потенциалом — с техническими свойствами, соответствующими нашим чаяниям, нуждам и желаниям.

Исследование пестроты этих минералов — их многочисленных форм и незримого происхождения — позволяет многое узнать о самом углероде и о том, как этот жизненно важный элемент перемещается и хранится в оболочках нашей планеты. Мы начали каталогизировать это богатство, погружаться все глубже и глубже в недра Земли, даже предсказывать, что может оказаться упущенным при этой нашей все еще неполной инвентаризации. Минералогия углерода — тема со многими вариациями, охватывающая века исследований и открытий.

Чтобы понять ее историю, мы должны вернуться на два столетия назад в Шотландию — в ту эпоху, когда углеродсодержащие минералы были предметом, казалось бы, неразрешимого геологического противоречия.

Карбонатные минералы проливают свет на историю Земли

Человеческому обществу необходим известняк — шероховатая, серая, богатая углеродом горная порода, которая образует величественные утесы и зубчатые горы по всему земному шару. Его обильные древние отложения накапливались постепенно, слой за слоем, иногда как скопления кораллов и раковин, иногда осаждаясь химическим путем из морских и озерных вод, богатых кальцием. Каждый год продаются миллиарды тонн дробленого известняка — он используется в качестве прочной основы для автомобильных трасс, железных дорог, зданий и мостов. Это природный ресурс, ежегодные продажи которого превышают продажи алмазов, серебра или золота. Возможно, и вы покупали его, в более скромных количествах, чтобы благоустроить свои террасы или подреставрировать садовые дорожки.

Из блоков известняка и его более плотного кристаллического собрата — мрамора (известняка, перекристаллизованного глубоко под землей под действием высоких давления и температуры) — создают внушительные здания и монументы, к примеру пирамиды Гизы в Египте или мемориал Линкольна в Вашингтоне, округ Колумбия. Причудливые разновидности известняка, часто насыщенные окаменелыми раковинами, используют главным образом как блочный камень для облицовки зданий, напольных покрытий и кухонных столешниц. Вероятно, вам доводилось применять известковый порошок в своем саду или на лужайке для уменьшения кислотности почвы, и, наверное, вы употребляли кальций в качестве пищевой добавки. Фермеры, выращивающие кур, для их питания также используют известковые добавки, которые укрепляют яичную скорлупу, вследствие чего яйца меньше бьются при транспортировке.

Использование карбонатных минералов лежит в основе различных промышленных технологий, самая главная из которых — производство извести (на химическом языке это оксид кальция), которая получается путем нагрева известняка в обжиговой печи приблизительно до 980 °C. Известь (не путайте с известковым порошком, которым вы посыпаете лужайку) невероятно полезна. Это главный компонент известкового раствора, штукатурки и цемента, который образует твердый и прочный состав, когда его смешивают с водой. Известь обеспечивает белый цвет побелки. И тысячи лет она была основной добавкой при выплавке железа и других металлов, представляя собой флюс, который химическим путем отделяет от них примеси. Во всех промышленно развитых странах загородные пространства пронизаны древними печами для обжига извести, многие из которых сотни лет назад были попросту малыми семейными предприятиями.

Производство извести из известняка — процесс, знакомый любому геологу XVIII в., — сыграло любопытную роль в истории науки. В прямом смысле известняк угрожал отодвинуть науки о Земле на десятилетия назад.

В середине того века среди европейских ученых разгорелся спор об относительной геологической важности воды (восхваляемой так называемыми нептунистами) и тепла (любимого механизма так называемых плутонистов) в образовании горных пород{22}. Нептунисты, некоторые с явной склонностью к библейскому креационизму, считали главным фактором геологических изменений Всемирный потоп — катастрофическое глобальное событие, укладывающееся в рамки насчитывающей 10 000 лет библейской хронологии. Плутонисты же в качестве не менее важного, чем вода, фактора геологических изменений рассматривали вулканическое тепло, которому, однако, требовалось гораздо больше времени, чтобы создать современный ландшафт.

Семена спора были посеяны в континентальной Европе, где геологи, изучающие водные отложения, вполне естественно отдавали приоритет воде, а те, кто изучал вулканическую лаву, — огню. Это противоречие даже отражено в диалоге 4-го акта знаменитой трагедии Гёте «Фауст», где точку зрения плутонистов неубедительно отстаивал сам дьявол. К концу столетия центр научных дебатов — так же, как и их возможного разрешения, — сместился в просвещенный город Эдинбург в Шотландии, где проводил свои поистине революционные полевые исследования Джеймс Геттон{23}.

Геттон родился в Эдинбурге в 1726 г. Он был одним из пятерых детей Сары Балфур и Уильяма Геттона, богатого торговца, который умер, когда Джеймсу было всего три года. Мать мальчика подчеркивала важность образования, и юный Джеймс это хорошо усвоил, проявив особые способности в математике и химии — предметах, которые помогали ему всю жизнь. Углубленно изучив латынь, философию и медицину в университетах Эдинбурга, Парижа и Лейдена, Геттон отправился в Лондон в надежде заняться прибыльной медицинской практикой. Не сумев обеспечить себя достаточным количеством пациентов, молодой исследователь вернулся в Эдинбург и занялся насущными тамошними делами. Ранее Геттон разработал новый химический процесс извлечения хлорида аммония, широко используемого как удобрение, из сажи и золы, которую «производили» многочисленные печи и фабрики города. Он поставил свой новый метод на промышленную основу, управляя прибыльной химической фабрикой в Эдинбурге.

Обезопасив себя финансово на будущее, Геттон посвятил время новому увлечению — сельскохозяйственной химии. Он унаследовал две семейные фермы и проводил там эксперименты по повышению урожайности. В ходе работы с разными горными породами и почвами Геттон начал задумываться о геологии.

Горные породы Шотландии по своим характеристикам весьма разнообразны. Это осадочные и вулканические породы, некоторые — крепкие и залегают горизонтально, как будто бы они здесь и образовались, другие — разрушенные и деформированные. К тому же всего на расстоянии дня пути от того места, где жил Джеймс Геттон, находились участки метаморфических пород, ледниковые отложения и выходы изверженных пород. Особый интерес представляли морские утесы Сиккар-Пойнт рядом с Джедборо, где Геттон изучал поразительное наложение пластов. Там в обнаженных под действием эрозии ветра и волн скалах он наблюдал, как слегка наклоненные пласты более молодого красного песчаника и галечника перекрывали залегающие ниже круто наклоненные слои более древнего темного песчаника. Граница между этими двумя толщами была настолько четкая, будто нижний ряд почти вертикальных слоев срезали до того, как на них наложились горизонтальные. Как могло возникнуть такое различие в геометрии?

Геттон понимал, что каждый аспект строения утесов Сиккар-Пойнт, как и каждый аспект всей шотландской геологии, можно объяснить просто результатом медленных естественных процессов, происходящих везде и всегда. С одной стороны, постоянно образуются новые осадки, они медленно накапливаются в виде пластов, которые постепенно погружаются, нагреваются, сжимаются и превращаются в камень: эти процессы добавляют новые страницы в каменную летопись. С другой стороны, более древние породы постепенно деформируются, поднимаются вверх и разрушаются, что приводит к удалению пластов. Сиккар-Пойнт показывает все эти процессы одной картинкой: более старые отложения сначала лежали плоскими слоями, но затем были захоронены и превратились в камень. Глубинные силы спрессовали эти слои, смяв их в узкие вертикальные складки. Подъем разрушил верхнюю часть древней толщи. Другой цикл погружения и осадконакопления сформировал более молодые, горизонтально залегающие красные песчаники, после чего следующий эпизод подъема обнажил уже красные слои для эрозии.

В объяснении Геттона не было ничего особенно экзотического или нового, кроме одного — «глубокого времени». Остальные ученые рассматривали историю Земли в рамках нескольких тысячелетий. Геттон же говорил о сотнях миллионов, даже миллиардах лет единообразного постепенного изменения. Он не видел в скалах Шотландии «ни следа начала, ни перспективы конца»{24}. Двухтомник Геттона 1795 г. «Теория Земли», хотя и написанный в напыщенном стиле, что, возможно, ослабило его первоначальное воздействие, провозвестил смену научной парадигмы.

В своих поисках Геттон находился под сильным влиянием духа эмпиризма, характерного для кипучего шотландского Просвещения. Он постоянно общался с десятками интеллектуалов — как в Эдинбургском королевском обществе, так и в местных клубах, которые посещали, в частности, поэт Роберт Бёрнс, экономист Адам Смит и философ Дэвид Юм. Но настоящим героем этой истории стал шотландский геолог и геофизик Джеймс Холл, подтвердивший гипотезу Геттона экспериментально{25}.

Джеймс Холл и великое известняковое противоречие

Подобно многим современным ему ученым, Джеймс Холл родился в богатой аристократической семье. Состояние и иные сословные преимущества обеспечили ему прекрасное образование в знаменитых Кембриджском и Эдинбургском университетах, где он изучал геологию, химию и естественную историю. Холл много путешествовал по Европе, приобретая научные книги для своей библиотеки и общаясь с французским исследователем Антуаном Лавуазье, одним из основателей современной химии. Биографы редко упускают возможность привести полный титул Холла — сэр Джеймс Холл из Дангласса, 4-й баронет, хотя он знаменит скорее своими научными открытиями, нежели аристократическим происхождением или титулом.

Вернувшись по окончании путешествий в Эдинбург, Холл узнал о революционных идеях своего друга Джеймса Геттона из первых рук. «Теория Земли» основывалась на разнообразных геологических явлениях, среди которых было взаимодействие расплавленной лавы со слоями осадочных отложений — сценарий, требующий совмещения как процессов, отстаиваемых нептунистами, так и процессов, защищаемых плутонистами. Геттон понял, что при извержении вулканов расплавленная порода просачивается вверх сквозь более древние отложения, в то время как языки магмы проникают между глубоко залегающими пластами. Такие интрузивные события прекрасно видны кое-где в Шотландии, особенно в Троне Артура в эдинбургском парке Холируд. Это подвергшийся ледниковой эрозии холм, описанный в учебниках в качестве примера подобных взаимодействий (я не говорю уже о прекрасном виде, который в западном направлении открывается на город с этого холма).

Испытанием для теории Геттона стало обнаружение тех участков, где похожие расплавленные породы проникли в известняк. Как же он мог выдержать температуру расплавленной лавы — спрашивали исследователя оппоненты-нептунисты? Все знают, что сильно нагретый известняк должен превратиться в известь, ведь так происходит в печи для обжига. Следовательно, базальт, гранит и другие предположительно изверженные породы не могут быть горячими; вероятно, они образовались путем осаждения из воды примерно в то же самое время, что и известняк. Некоторым колеблющимся ученым эта нестыковка казалась неопровергаемым, фатальным ударом по теории Геттона. Однако сам он возражал, что известняк, который подвергается при погружении высокому локализованному давлению, должен оставаться неизмененным даже при высокой температуре. Но как можно было проверить эти предположения лабораторным путем?

Несмотря на свое скептическое отношение к плутонизму, Холл нашел впечатляющее экспериментальное разрешение этого конфликта. Проверив гипотезу своего друга с помощью ряда необыкновенно оригинальных экспериментов, Холл стал пионером исследований глубинного углерода. Он откровенно признавался в одной из публикаций: «После трех лет почти ежедневной войны с доктором Геттоном по поводу его теории идеи доктора начали мне казаться все менее и менее противоречивыми»{26}. В серии экспериментов Холл нагревал до высоких температур базальт и гранит, чтобы посмотреть, как они себя поведут. Рассыпятся ли, подобно известняку, и тогда будет опровергнуто их вулканическое происхождение? Как и прогнозировал Геттон, породы сначала расплавились в раскаленную докрасна лаву, а затем остыли до исходного состояния, что является основным свойством любой породы предположительно вулканического происхождения.

В последующих опытах в 1798 г., через год после смерти Геттона, Холл серьезно усовершенствовал свой эксперимент — применил к нагретым образцам давление. Для этого он забил отпиленные ружейные стволы известняком и глиной, заварил их и поместил в горячую печь. Расширение газов, высвобожденных теплом, создало высокие внутренние давления — гораздо, гораздо выше тех, что на поверхности Земли. Многие эксперименты Холла не удались из-за того, что сварной шов был негерметичным или металл расплющивался, а один опыт, в котором реагенты оказались недостаточно высушены, закончился катастрофическим взрывом. «Печь разорвало на части, — писал Холл. — Доктор Кеннеди, который присутствовал при этом… едва остался жив»{27}.

Но некоторые из заваренных Холлом стволов с известняком выдержали всё, и он доказал, что известняк под давлением может нагреваться до высоких температур, даже выше точки плавления, не распадаясь с образованием извести. Холл представил свой инновационный труд «Отчет о серии экспериментов, показывающих, как эффекты сжатия изменяют действие тепла» на собрании Эдинбургского королевского общества (президентом которого он станет семь лет спустя) в 1805 г. Джеймс Холл не только подтвердил идеи Геттона, но и положил начало эпохе исследований высокого давления — направления, которое процветает по сей день, проливая свет на глубинный углеродный цикл Земли.

Редчайшие минералы Земли

Известняки, состоящие из весьма распространенной минеральной разновидности карбоната кальция — кальцита, — это крупнейшее хранилище углерода в земной коре. Но кальцит лишь один из нескольких сотен зарегистрированных углеродсодержащих минералов. Если мы действительно желаем разобраться с земным углеродом, нам нужно переместить фокус внимания с обычных минералов вроде кальцита на более экзотические минеральные виды, каждый из которых обладает уникальным сочетанием химического состава и кристаллической структуры. Мы должны приглядеться к некоторым самым редким кристаллам на Земле.

Если вы хотите узнать секреты природы, вам потребуется максимально овладеть информацией. Каждому ученому знакомы периоды одержимости, когда целыми днями раздумываешь над графиками и разбираешься в таблицах, заполняя ум страницами подробностей. Это своего рода временное безумие — размышлять над анализами, пока ешь, пока притворяешься, что беседуешь с коллегами и родственниками; засыпать, думая о числах, и просыпаться, думая о числах. Если вам повезет, если вам откроются скрытые закономерности, если ваш мозг установит правильные взаимосвязи, тогда вы сможете увидеть что-то новое — что-то, чего никто раньше не видел.

Признаюсь, я знавал такие времена. Летом 2015 г. я был поглощен осмыслением особенностей всех известных минеральных видов, которых более 5000. Я погрузился в их сложную химию и замысловатые кристаллические структуры, их свойства и способы образования, разнообразие проявлений и минеральные ассоциации. На много дней я изолировался от насущных забот. Коллеги сердились за оставшиеся неотвеченными письма. Семья все больше отдалялась от меня в ответ на мою невнимательность, мою глухоту.

Пять тысяч видов — это много, но их вполне возможно изучить за неделю, если не отвлекаться. За неделю вам удастся «прочувствовать» масштаб и богатство минерального царства. Что поражает меня больше всего, так это насколько же мало количество тех минералов, которые распространены повсеместно, — 99,9% объема земной коры представлено менее чем 500 видами.

Минералогия углерода отнюдь не ограничивается алмазом и графитом. Геологи насчитывают более 400 углеродсодержащих минералов, каждый из которых представляет собой уникальную комбинацию углерода с другими химическими элементами, а каждая такая комбинация уникальна особым геометрическим расположением атомов в регулярно повторяющейся кристаллической структуре. Некоторые из этих видов можно в изобилии найти на всех континентах: вездесущий кальцит в известняковых утесах и школьном меле, арагонит коралловых рифов и раковин моллюсков, формирующий горы доломит и практичный магнезит — магниевая руда. Углерод также содержится в прекрасных ювелирно-поделочных цветных камнях, находящихся по «шкале желания» на одну ступень ниже рубинов и изумрудов, — нежно-розовый родохрозит, насыщенно-зеленый малахит и темно-синий азурит, мой любимый минерал.

Но на каждый распространенный углеродный минерал приходится десяток малоизвестных видов — минералов, о которых большинство людей, включая и большинство минералогов, никогда не слышали. Есть множество необычайно редких, микроскопических кристаллов, которые были найдены лишь в одном или паре мест в мире. Например, крошечные кристаллы пурпурного абелсонита были извлечены только из образцов керна горючих сланцев возрастом 50 млн лет в районе Грин-Ривер (штаты Колорадо и Юта). Чудесный небесно-голубой хуангодойит найден лишь на серебряном руднике Санта-Роса в чилийской провинции Икике. Кристаллы прекрасного изумрудно-зеленого уиджимулталита (попытайтесь быстро сказать это слово три раза подряд!) были обнаружены исключительно на руднике Маунт-Эдвардс в Уиджимулте, Западная Австралия. А все известные запасы хрутфонтейнита Земли, открытого в виде микроскопических зерен на руднике Комбат в Намибии, поместятся в наперсток, да еще и место останется.

Почему столь многие минеральные виды редки? Почему бы атомам не найти несколько десятков оптимальных компоновок и не придерживаться их? Мы с моими коллегами никогда не задумывались об этом. Поэтому так важно иметь умных, любознательных, пылких и обладающих широким кругозором друзей, которые не являются экспертами в вашей области. Здесь как с углеродом: чем более разнообразные связи мы формируем, тем больше наш потенциал. Жизненно необходимо иметь коллег в других областях — коллег мыслящих, не боящихся задавать действительно оригинальные вопросы, которые эксперты в вашей области никогда и не подумают задать. Для меня таким другом и коллегой стал Джесси Аусубел.

Джесси называет себя промышленным экологом, изучает источники и потоки энергии в разных социумах. Он слывет весьма осведомленным специалистом с провокационными взглядами на энергетическую политику, но его профессорская позиция в Рокфеллеровском университете в Нью-Йорке дает ему возможности для гораздо более разнообразных и творческих интеллектуальных поисков. Джесси — эксперт по творчеству Леонардо да Винчи и его жизни. Он предложил новые и убедительные гипотезы причин различных явлений — от массовых вымираний до авиакатастроф. Джесси — компетентный специалист в области разнообразия и распределения морских организмов, также он разбирается в использовании ДНК-дактилоскопии для идентификации видов растений и животных, так как участвовал в глобальной программе под названием «Штрихкод жизни»{28}.

Аусубел — потрясающий наставник молодых ученых, он использует для обучения весьма замысловатые методики и способствует профессиональному росту начинающих, предлагая им участвовать в проектах, на редкость оригинальных. В 2011 г. он консультировал подростков Кэтрин Гэмбл, Роана Кирпекара и Грейс Янг из манхэттенской Тринити-скул, как разбираться в ингредиентах чая{29}. Оказывается, многие чайные рецепты хранятся в тайне — самые важные ингредиенты никогда не раскрываются. Но ДНК-тестирование может выявить даже незначительные компоненты любого чая, от «Липтона» до самых экзотических азиатских смесей. Применив методы баркодирования ДНК, юные сыщики обнаружили удивительный ряд не указанных в описании добавок — среди них петрушку, пырей, люцерну и обычные сорняки вроде белой мари или красной зубчатки.

Через год, в 2012 г., Джесси стал наставником старшеклассниц Кейт Штокл и Луизы Штраусс, также учениц Тринити, которые обошли более десятка дорогих суши-ресторанов и рыбных магазинов. Тайком от их владельцев Штокл и Штраусс взяли маленькие образцы сырой рыбы в лабораторию для ДНК-дактилоскопии. Результаты оказались поразительными — каждая четвертая рыба подменялась другой, которая выдавалась всегда за более дорогой деликатес: обычная треска «играла роль» красного луциана, икру обычной корюшки продавали как икру летающей рыбы, дешевую тилапию любовно презентовали в качестве дорогого белого тунца. Когда топовые новостные СМИ Нью-Йорка узнали эту историю, она произвела фурор. Скандал, получивший название «сушигейт», доставил много неприятностей престижным японским ресторанам и заставил Управление по санитарному надзору за качеством пищевых продуктов и медикаментов ввести новые правила тестирования и маркировки рыбной продукции{30}.

Джесси Аусубел, конечно, понимал социальные последствия исследований чая и суши, но он смотрел шире — искал возможность привнести науку в повседневную жизнь людей. The New York Times приводит его фразу: «Триста лет назад наука была менее профессиональной. Возможно, колесо истории вновь поворачивается туда, где в ней сможет участвовать больше людей»{31}.

Джесси изменил мою жизнь в бытность его координатором программ фонда Слоуна, благодаря которому и появилась Обсерватория глубинного углерода[13]. Быстро перемотав потребовавший нескольких лет этап предварительного одобрения грантов, рабочих встреч, подготовки предложений и формирования команды, перейдем сразу к кульминационному пункту работы DCO. На всем пути ее становления Джесси был нашим энергичным коллегой, принимающим в работе деятельное участие, полностью погруженным в науку и ее планирование.

Один наш памятный разговор состоялся в октябре 2015 г. на исходе напряженного дня, проведенного в знаменитом вулканическом кратере Сольфатара неподалеку от Неаполя. Минерализация этой активной зоны выхода углекислого газа и едких насыщенных серой паров весьма разнообразна. Великолепные красные, оранжевые и желтые кристаллы конденсируются прямо из горячих газов, насыщенных серой, мышьяком, ртутью и другими ядовитыми элементами. Минералообразующая мощь создающих кристаллы зловонных вулканических паров потрясла меня — я в жизни не видел подобного минералогического спектакля и никак этого не ожидал.

Тем вечером, проезжая по Риму на такси, мы с Джесси обсуждали богатое разнообразие минералов и их неравномерное распределение — с учетом изобилия редких видов. Вот тогда он и задал вопрос, который большинство геологов не задали бы: а почему редких минералов так много? И сразу пришло осознание: если мы хотим понять все формы углерода, нам бы лучше ухватиться за многочисленные малораспространенные углеродсодержащие кристаллы. Почему существуют целые сотни редких углеродных минералов, каждый с уникальным сочетанием химии и структуры? Дальнейшее обсуждение, начавшееся с этого вопроса, Джесси подкрепил своими сведениями об экзотической морской жизни, а я — своими познаниями по минералогии. К концу поездки идея статьи обрела форму{32}.

Мы с Джесси поняли, что минералы могут быть редкими по четырем причинам. Тысячи минеральных видов редки, поскольку содержат один или несколько редких химических элементов, которые должны быть обособлены и сконцентрированы до того, как сможет образоваться минерал. Поэтому в относительно малом количестве минералов присутствуют кадмий, йод, рений или рутений — содержание атомов любого из этих элементов в земной коре меньше одного на миллиард других атомов. К образованию редкостей приводят также странные, невероятные сочетания элементов. Бериллий с сурьмой вместе встречаются только в одном минерале — велшите. Названный в честь Билла Велша, заядлого коллекционера минералов (и, к счастью, моего учителя естественных наук в восьмом классе), велшит можно найти исключительно в исторической горнодобывающей области Лонгбан в Швеции. Ванадий и молибден объединяются также в одном-единственном минерале из одной-единственной местности: герероите из уже упоминавшегося свинцово-цинкового рудника Комбат неподалеку от Хрутфонтейна в Намибии.

Еще одна группа минеральных диковинок содержит распространенные элементы, но их редкость объясняется весьма жесткими ограничениями по условиям, необходимым для их образования. Кальций, кремний и кислород — одни из самых распространенных элементов на Земле, но минерал хатрурит, для которого соотношение этих элементов 3:1:5, был найден лишь в формации Хатрурим в Израиле. Хатрурит кристаллизуется только в узком диапазоне состава и при необычайно высоких температурах (выше 1150 °C). Но стоит лишь чуть-чуть изменить условия, особенно если присутствует распространенный элемент алюминий, и вместо хатрурита образуются другие минералы.

Некоторые минералы редки в силу своей неустойчивости: едва образовавшись, они быстро исчезают. Скаккит, минеральная форма хлорида магния, впитывает воду из воздуха и рассыпается при определенной его влажности. Названный в честь меня минерал хазенит, найденный только в озере Моно в Калифорнии, растворяется под дождем. (Милые маленькие кристаллики представляют собой какашки микроорганизмов; как говорит один мой коллега: «Хазенит случается»[14].){33} У других редких видов происходит дегидратация на воздухе, они распадаются под действием солнечного света или попросту испаряются. Некоторые из этих минералов, должно быть, образуются часто и в гораздо большем числе мест, чем мы знаем, но так ведь нужно оказаться в нужном месте в нужное время, чтобы их найти.

И наконец, о некоторых минералах нечасто сообщают просто потому, что они находятся слишком далеко или их слишком опасно собирать. Минералов из активных вулканов или глубоких шахт, вмерзших в антарктический лед или находящихся глубоко под океаническим дном, может быть и много, но они вряд ли окажутся в музеях и уж тем более в коллекциях собирателей минералов.

Чтобы считаться редким — а это бо́льшая часть всех минеральных видов, — минерал должен обладать по крайней мере одним из этих четырех признаков: причудливый состав, жесткие ограничения по условиям образования, мимолетное существование или образование в опасном окружении. В очень немногих случаях особенно редким минералам присущи все четыре. Примером этого является фингерит — минерал, названный в честь Ларри Фингера{34}, который долгое время был моим коллегой по Геофизической лаборатории и наставлял меня в минералогии. Фингерит — редкий, потому что он: 1) содержит необычное сочетание элементов — меди и ванадия, 2) требует точного соотношения этих элементов 2:1 (если будет соотношение 1,5:1 или 2,5:1, сформируются другие, такие же редкие минералы), 3) растворяется каждый раз, стоит пойти дождю, и 4) образуется из горячего пара только в выходах супернагретых источников у вершин вулканов. Неудивительно, что фингерит известен лишь в одном месте на Земле — в фумаролах вблизи вершины периодически проявляющего активность вулкана Исалько на западе Сальвадора.

Понимание того, что большинство минералов — редкие, имеет важное практическое применение. Редкие минералы указывают на те участки Земли, где сочетание химических и физических условий было необычным, если не уникальным. Возможно, горячий природный рассол, обогащенный никелем и медью, попал под давлением в трещину известняка на глубине около 1 км. В результате образовались несколько округлых кристаллических кластеров темно-зеленого глаукосферита. Крошечные розетки желтого бейлиита и корочки желто-коричневого свартцита растут исключительно на стенах урановых шахт, тогда как золотые иглы гелита и прозрачные пластинки кладноита конденсируются только в горелых отвалах угольных месторождений.

Наша активная живая планета проделывает много подобных замысловатых трюков в самых неожиданных местах. Диковинные минеральные полости — результат химического смешивания, вызванного действием внутреннего тепла, мигрирующих флюидов[15] и повсеместно проникающих безудержных проявлений жизни — создают уникальную «экологию» минералов Земли. Этим наш дом отличается от любого другого известного мира. Сияющая Луна, быстрый Меркурий, даже наш красный сосед Марс, который по всем признакам когда-то был теплым и влажным, как Земля, — в том, что касается минерального разнообразия, все они блекнут по сравнению с нашей планетой.

Редкие минералы — это научный праздник для тех из нас, кто занимается изучением кристаллического царства природы. Это так хотя бы потому, что самые редкие минералы обладают неизвестными прежде кристаллическими структурами — новым геометрическим расположением атомов, — которые способствуют поиску новых и полезных материалов. Помимо этого, редкие минералы содержат не изученные ранее сочетания элементов. Подобные новинки также мотивируют на создание новых материалов. Но вот что, возможно, удивительнее всего: документирование всех редких минералов оказывается ключом к предсказанию множества еще не идентифицированных диковинок, которые должны встречаться на поверхности Земли или чуть глубже, но пока не обнаружены и не описаны.

Секрет предсказания еще не открытых минералов заключается во всеобъемлющих исследованиях тех, что уже известны. Обсерватории глубинного углерода нужна была полная инвентаризация сотен минералов углерода — распространенных и редких, каждой отдельной формы углерода на Земле. Нам также требовалось знать их количество — список всех их местонахождений по всему миру и всех сосуществующих с ними минералов во всех шахтах и карьерах, на всех горных пиках и приливно-отливных зонах.

Минералогия больших данных — ключ к предсказанию еще не открытых объектов минерального царства Земли. Мы должны создать базы данных по более чем 5000 известных минеральных видов и миллионам их местонахождений по всему земному шару. Затем мы должны проштудировать эту информацию, чтобы распознать скрытые закономерности, которые укажут верное направление к открытию.

Для работы с большой базой данных нужен особенный человек — тот, кто любит эту область, у кого есть творческое видение, кто обладает техническими навыками в разработке программного обеспечения и, возможно самое важное, кто готов потратить бесчисленные часы на поддержку этого проекта. Роберт Даунс, профессор минералогии Аризонского университета в Тусоне, как никто соответствует этим требованиям{36}. Он посвятил два десятилетия составлению всеобъемлющего списка минералов и их свойств.

Боб Даунс не тот человек, о котором вы бы подумали в первую очередь, представляя себе этот подвиг Геракла. Покладистый канадец по происхождению и темпераменту, он не так давно пришел в науку. Даунс добился превосходных результатов как математик в Университете Британской Колумбии, но также был вполне счастлив, когда, будучи строительным рабочим, прокладывал автомобильные трассы на канадских Северо-Западных территориях, подземку в Ванкувере и железные дороги в Британской Колумбии. Какое-то время Боб копал золото на участке своего отца в районе Фифтинмайл-Крик на Юконе и добывал чудесные образцы минералов в ходе собственных изысканий в высокогорных районах юга Британской Колумбии, вскрывая твердую породу динамитом. «Я получал динамит бесплатно, потому что был кое с кем знаком». Он добавляет: «Я вел себя по-идиотски, но мне везло, так что я не убился». Только пожив жизнью, полной приключений, Даунс остепенился и получил докторскую степень по математической кристаллографии в Политехническом университете Вирджинии уже в весьма зрелом возрасте — в 37 лет. Три года спустя, отработав на позиции постдока вместе со мной в Институте Карнеги, он стал преподавателем Аризонского университета в Тусоне.

На первый взгляд Боб — спокойный человек, но стоит узнать его получше, как становится очевидной его сильная страсть к минералам и их исследованию. Пару-тройку десятков лет назад он обнаружил, что минералогии с ее данными по тысячам видов, разбросанными по сотням источников, не хватает порядка и стройности — систематического перечня всех официально утвержденных минеральных видов, точного определения их кристаллических структур и всеобъемлющей классификации их физических и химических свойств. Дело, которое он начал, стало самой большой в мире базой данных минеральных видов.

Сперва это была тихая и незаметная работа для души — персональный сбор наиболее достоверных сведений о кристаллической структуре минералов. Будучи редактором — специалистом по кристаллическим структурам в ведущих научных журналах American Mineralogist и The Canadian Mineralogist, Даунс имел непосредственный доступ к сотням таблиц с кристаллографическими данными. Как говорилось выше, он обнаружил, что не существует полного списка официально утвержденных минеральных видов. Международная минералогическая ассоциация (ММА), повсеместно известная как IMA (International Mineralogical Association), занимается проверкой заявок на новые виды со всего мира — чтобы верифицировать каждое уникальное сочетание химического состава и кристаллической структуры, найденное в природе. Но ММА — общественная организация, и много лет ее «официальным» списком была неформальная «сборная солянка», систематически не обновляемая и не публикуемая регулярно в каком-то определенном издании. С целью привнести больше порядка в эту область Даунс и начал составлять собственный список, координируя свою деятельность с ММА.

Все изменили деньги. Бизнес-ангелом Даунса стал миллиардер Майк Скотт, генеральный директор Apple Computers, который присоединился к Стиву Джобсу и Стиву Возняку в 1977 г., как только свежеоперившаяся компания вышла из гаража. Скотт — страстный коллекционер прекрасных драгоценных камней. Его собрание крупных, безупречных, насыщенных цветом сокровищ превосходит коллекции почти всех музеев в мире. Скотт хотел разработать быстрые и точные методы идентификации ограненных драгоценных камней, поэтому предложил Бобу сделку. Скотт вложит 5 млн долларов в самый современный инструментарий для его лаборатории и поддержит разработку базы данных по минералам и их свойствам, а Даунс поможет идентифицировать минералы коллекционера. Но при одном условии: базу данных надо будет назвать в честь кота Майка Скотта, Рраффа. Так и родилась RRUFF — база данных по минералам{37}. Кое-кто из нас заметил, что название содержимого этого ресурса — «данные Рраффа» — производило не лучшее впечатление. Но такова была сделка, и название RRUFF сохранилось. (Можете проверить по адресу http://rruff.info/ima.)

Сначала замысел заключался в том, чтобы просто собрать много-много сведений — без необходимости регистрировать каждый отдельный минеральный вид. Но аппетиты росли. Даунс нанял армию студентов, чтобы те вводили в базу самые необходимые данные по минералам, измеряли атомные структуры и оптические свойства, сохраняли характерные образцы в растущей коллекции минералов Аризонского университета и делали как можно более удачные микрофотографии характерных кристаллов. Он нанял программистов, чтобы ускорить процесс ввода информации, иметь возможность добавлять в базу новые поля, устанавливать связи с другими ресурсами данных по минералам и делать весь сайт более удобным для пользователя. Он приветствовал преемственность работавших с ним выпускников, которые в итоге построили свои карьеры на сборе и использовании данных по минералам.

В процессе создания базы данных RRUFF Боб Даунс стал совершенно незаменимым для минералогии. Его веб-сайт, обновляемый каждые несколько дней, содержит наиболее полный из всех перечень минеральных видов. Ресурс rruff.info/ima набирает почти 100 000 посещений каждую неделю, так как сюда регулярно заходит все минералогическое сообщество мира — студенты, преподаватели, коллекционеры-любители и музейные кураторы.

RRUFF продолжает расширяться как по содержанию, так и по размаху. Сейчас у вас есть возможность искать на нем минералы по составу, структуре или минеральной группе. Даунс с коллегами недавно добавил на портал страницу «Минеральная эволюция», где возраст почти 200 000 минералов сопоставлен с другими данными. Новые пакеты программ обработки статистической информации и графические опции позволяют пользователям визуализировать сведения о минералах различными «умными» способами. Знания Даунса по минералогии привели его на Марс в качестве члена команды Марсианской научной лаборатории, которая управляет марсоходом «Кьюриосити» на Красной планете. Как следствие, к базе данных добавили также планетарную минералогию.

Сейчас каждый желающий имеет бесплатный и открытый доступ к полному каталогу, содержащему более 5000 утвержденных ММА минералов на Земле и других планетах со ссылками на всю необходимую статистику по каждому виду. Но знание множества обнаруженных форм углерода только первый шаг в предсказании того, чего «не хватает». Нам также нужны данные по сотням тысяч местонахождений минералов по всему миру — по всем шахтам и горам, карьерам и обнажениям, пещерам и утесам. Составление такого списка — хотя это и гораздо, гораздо более сложная задача, нежели каталогизация более чем 5000 видов, — единственный способ, с помощью которого мы могли бы узнать число углеродсодержащих минералов Земли.

Mindat.org

Другой герой кампании по составлению международной базы данных по минералам — Джолион Ральф, целеустремленный прагматичный британец, который построил небольшую империю, собирая данные по минералам и драгоценным камням и делясь ими{38}. Как и многие любители минералогии, Ральф начал коллекционировать еще в детстве. Он вспоминает свой самый первый образец: кристалл кварца, найденный им в гальке на прославленном побережье Тинтагель в английском Корнуолле, когда ему было шесть лет. С этого и началась любовь Ральфа к минералам длиною в жизнь. Коллекция выросла, но он все еще хранит тот маленький камушек — уже более 40 лет.

Вторая страсть Джолиона проявилась в 1980 г., когда в возрасте десяти лет он был отобран для участия в пилотной программе по обучению британских детей программированию. Его увлечение разработкой алгоритмов со временем не ослабло. Поступив в престижную Королевскую горную школу, чтобы изучать геологию как основной предмет, он вскоре переключился на компьютерные науки, выбрав их в качестве своей профессии.

Mindat.org — самый внушительный в мире на сегодняшний день ресурс сведений о местонахождении минералов и основное дополнение к базе данных по минеральным видам RRUFF Даунса — появился на свет в рождественские дни 1993 г. в виде персонального списка минералов Джолиона Ральфа{39}. Сначала это был просто каталог его собственных образцов и мест сбора, но Ральф постепенно начал осознавать, что его база данных могла бы стать чем-то бо́льшим. Он продолжал добавлять информацию и улучшать функциональность Mindat, но уже начала обретать форму идея создания сайта, который вмещал бы все минеральные виды из каждой точки мира. Наступление эпохи ОС Windows и мощь интернета дали новый толчок к дальнейшему развитию Mindat, и 10 октября 2000 г. он стал публичным ресурсом.

Одному никак с таким не справиться. Сотни лет минералогических исследований, помноженные на энтузиазм десятков тысяч хорошо подкованных и страстных коллекционеров, породили целый океан информации по минеральным видам и их местонахождениям. Миллионы фактов, указывающих, где конкретно и какие именно комплексы минералов были найдены, оказались разбросанными повсюду, погребенными в бесчисленных книгах и статьях, опубликованных на многих языках. Мало того, существовало неизвестно сколько скрытых ценных сведений о минералах — неопубликованные обрывочные сведения, собранные на спрятанных в картотечных ящиках карточках для записей, записанные от руки в полевых дневниках и хранящиеся на устаревших ныне дискетах. Задачей Джолиона Ральфа было найти все эти данные, собрать их на единой интернет-платформе и предоставить миру.

Точное местонахождение минералов имеет важное значение для очень многих людей. Геологи хотят знать, куда идти, чтобы понять, как образуются минералы. Коллекционеры хотят знать, куда идти, чтобы найти лучшие образцы для представления их на минералогических шоу. А добывающие компании хотят знать, куда идти, чтобы заработать много денег. До недавнего времени у них не было единого источника информации о местонахождении минералов. Некоторые минералоги проводили региональные исследования; геологические библиотеки заполнены книгами с названиями вроде «Минералы Аризоны» или «Минералы Карпат». На титулах других сборников написано, к примеру: «Шахты Долины смерти» или «Драгоценные камни мира». Плюс популярные минералогические журналы, среди которых The Mineralogical Record и Rocks & Minerals, публикуют богато иллюстрированные сообщения о знаменитейших местонахождениях коллекционных минералов в мире, зачастую с тщательно составленными списками всех зарегистрированных видов из действующих шахт или известного региона. Но, чтобы получить исчерпывающий обзор — чтобы свести в таблицу все, что имеет отношение к распространенному минералу, скажем азуриту или родохрозиту, — вам потребуются годы изучения нескольких тысяч источников, значительная доля которых окажется той самой скрытой информацией на иностранных языках. Вам также потребуется легион помощников-энтузиастов. Именно таких и набрал Джолион Ральф.

Статистика Mindat поражает. Добавлять фотографии минералов, описывать их местонахождения и редактировать данные по ним могут почти 50 000 зарегистрированных пользователей. В совокупности они загрузили сотни тысяч фотографий образцов. Были внесены данные по 300 000 участков по всему миру, а количество индивидуальных минералогических находок перевалило за миллион. Это изумляет Ральфа: «Я не ожидал, что сайт настолько разрастется. Он начал руководить моей жизнью!»

Джолион, который сейчас работает в полную силу, управляя Mindat и расширяя его, как никто другой понимает, что работа не окончена. Покрытие некоторых богатых минералами географических зон, в частности Китая, неполно. Многие места плохо описаны (Ральф пытается добавить ко всем ним GPS-координаты). Более того, на таком краудсорсинговом ресурсе, как Mindat, всегда будут досадные ошибки и искажения фактов. Коллекционеры иногда допускают неточности в идентификации своих находок, и они скорее сообщат о редких видах, которые встречаются в форме цветных кристаллов, чем о гораздо более распространенных белых или серых неприметных породообразующих минералах. Тем не менее десятилетия усилий и организационных стараний Джолиона Ральфа привели к тому, что его Mindat.org преобразовал минералогию и открыл потрясающие новые возможности для минералогических исследований.

Экология минералов

Благодаря всеобъемлющему списку минеральных видов Боба Даунса и огромной подборке местонахождений минералов Джолиона Ральфа мечта DCO каталогизировать все кристаллические формы углерода на Земле вполне осуществима. О чем говорит нам вся эта информация? Этим вопросом мы задались в 2014 г., когда начали искать скрытые закономерности в нагромождении данных.

Первым, что нас поразило, было неравномерное распределение земных минералов — тенденция, наблюдаемая, как правило, в биологических экосистемах. Несколько десятков минералов встречаются в тысячах мест, в то время как большинство других — чрезвычайно редкие. Полдесятка видов минеральной группы полевого шпата, по оценкам, составляют 60% объема земной коры{40}. Несколько десятков других распространенных минералов составляют почти все остальное. А более 1200 минеральных видов, напротив, известны только по уникальным находкам в единичных местонахождениях. Еще более 600 видов найдены всего в двух местах, а почти 400 — описаны лишь из трех. Общий обзор данных по местонахождениям в Mindat.org показывает, что более половины всех зарегистрированных минералов происходят из пяти или менее мест. Поразительный вывод: большинство минералов — очень редкие.

Тогда мы задумались: является ли такое неравномерное частотное распределение с малым количеством очень распространенных видов и намного более многочисленными редкостями характерным для природы в целом?{41} Может ли литература по социологии, экономике, географии или другим областям знаний показать аналогичное частотное распределение? Существует ли уже признанный математический подход для описания подобной взаимосвязи с преобладанием редкостей, который мы можем использовать, чтобы понять распределение минералов?

Ответ пришел (как это часто бывает) в несвязанном, казалось бы, контексте — во время прогулки в лесу. В июне 2014 г. Мэттью Скотт, недавно назначенный президентом Института Карнеги, пригласил меня к себе домой в Пало-Альто, чтобы поговорить о науке, жизни и будущем института. Мэтт — родственная мне душа, с той же страстью к концептуализации и междисциплинарному мышлению. Он внес весьма революционный вклад в клеточную биологию и биологию развития, да к тому же был главой амбициозной лаборатории Bio-X в Стэнфордском университете, где работают исследователи, занятые в передовых междисциплинарных проектах, которые связывают биологию с медициной, инженерными науками, физикой и химией. Благодаря активности Мэтта лаборатория получила 1 млрд долларов на новейшее оборудование. Теперь же он предвкушал новые приключения, руководя обновленным Институтом Карнеги, в котором проводились связанные между собой исследования Земли, космоса и живой природы.

Вместо того чтобы просто сидеть и разговаривать, мы пошли на прогулку по живописному скалистому побережью Северной Калифорнии и зашли в ближайший лес с древними массивными секвойями. Проходя мимо внушительных хвойных деревьев, я поражался неравномерному распределению растительной и животной жизни. Бо́льшая часть биомассы этой экосистемы скопилась на гигантских секвойях, а оставшаяся — на нескольких других крупных доминирующих видах деревьев и кустарников. Но львиная доля биоразнообразия была представлена гораздо более мелкими видами: мхами, папоротниками, насекомыми, певчими птицами и яркоокрашенными калифорнийскими банановыми слизнями, не говоря уже о бесчисленных невидимых микроскопических формах жизни. Шагая, я размышлял: а не может ли распределение биомассы в экосистеме отображать распределение минералов на Земле?

Разгадка появилась из неожиданного источника несколько дней спустя, когда я искал статьи по частотному распределению{42}. Ответом послужили слова. Оказалось, что характерное распределение слов в книге необыкновенно похоже на распределение минералов на Земле. Давайте рассмотрим эту мою книгу. Как и все, я часто использую здесь артикли и союз «и» — возможно, сотни раз. Другие часто используемые слова более характерны для данной конкретной истории: первыми приходят на ум «минерал», «алмаз» и «углерод».

Вы, возможно, видели «облака слов», или Wordles, в которых крупным шрифтом выделяются самые распространенные ключевые слова в тексте. Те, которые вы не видите в «облаке», — это более редкие слова, которые использовались всего один или два раза. И в эту категорию попадает намного больше разных слов. Здесь слово Wordle появляется только единожды (упс, полагаю, теперь уже дважды). То же самое можно сказать о «Чосере», «тилапии» и «уиджимулталите». На самом же деле анализ этих редких слов может однозначно указать на тему, жанр и даже авторство документа. Вот если бы вы нашли старую рукопись и захотели узнать, кто ее написал? Такие редкие, характерные слова и фразы могут помочь выявить ранее неизвестные произведения Диккенса, Чосера или Шекспира.

Подобная закономерность — с несколькими распространенными элементами и многочисленными редкими — называется распределением «большого числа редких событий» (или сокращенно БЧРС). Вы, возможно, полагаете, что исследование распределений БЧРС относится к сфере компетенции какого-то захолустья прикладной математики и интересует всего лишь нескольких историков и литературоведов. Однако это не так: глобальная борьба с терроризмом сделала лексическую статистику горячей темой. Агентство национальной безопасности хочет знать, кто что пишет и кому. БЧРС-анализ — даже просто электронного письма, короткого документа или записи телефонного разговора — может дать убедительные подсказки. Как следствие, на БЧРС-исследования потекли деньги. В последние годы вышли толстые учебники, напичканные математическими формулами, а мудреные статистические программы для БЧРС-анализа доступны онлайн и бесплатны.

Погружение в мельчайшие подробности столь сложной математики не для слабонервных, и мало у кого из минералогов есть ноу-хау, чтобы расшифровывать загадочные БЧРС-уравнения, а уж тем более применять их к новой дисциплине. В 2015 г. мне посчастливилось работать с Гретой Хистад, в то время преподавателем прикладной математики в Аризонском университете и одновременно — членом хоккейной команды Боба Даунса. Найти коллегу, подобного Хистад, — мечта любого ученого{43}. У нее потрясающие математические способности, она обожает учиться, творчески мыслит и любит работать как никто другой.

Грета — норвежка по происхождению, а ее генеалогия восходит ко временам викингов. Почти все детство она провела на ферме, которая принадлежала ее семье в течение 16 поколений, и может похвастаться тем, что найденный на их землях клад с украшениями железного века является национальным достоянием. Грета — заядлая спортсменка, она выступала за норвежскую футбольную команду Первого дивизиона[16] и несла олимпийский факел на Зимних играх в Лиллехаммере в 1994 г., перед тем как приехать в Соединенные Штаты, чтобы поступить в аспирантуру. Она получила докторскую степень в Аризонском университете и осталась там преподавать на математическом факультете, затем заняла должность профессора в Северо-Западном университете Пердью[17].

Хистад понравилась идея применить устоявшиеся математические формулы к новой природной системе — распределению минералов на Земле. Она погрузилась в литературу по лексической статистике, выделила и изменила соответствующие процедуры и вскоре продемонстрировала нам, что естественное распределение минералов на Земле прекрасно соответствует двум хорошо известным типам БЧРС-распределения: конечной функции распределения Ципфа — Мандельброта (кЦМ) и общей обратной функции распределения Гаусса — Пуассона (ООГП){44}.

Поток открытий, последовавших в этой области, мы окрестили экологией минералов в честь экологических исследований распределения видов{45}. Мы обнаружили, что БЧРС-распределения также применимы к различным подгруппам минералов, особенно тем, которые содержат специфические химические элементы, к примеру бор, кобальт, медь и хром. Дотошные исследования углерода продвинули эту идею на шаг вперед, поскольку были обнаружены БЧРС-распределения для меньших подгрупп минералов, содержащих углерод в сочетании с кислородом, водородом и кальцием.

Вот чем интересны БЧРС-модели распределения минералов — они предлагают эмпирический закон, который точно описывает то, что мы вывели из больших баз данных по минералам: большинство минералов редкие. Но от такого подхода можно получить гораздо больше. Математические модели бесценны не только потому, что систематизируют уже известное нам. Помимо этого, подобные взаимосвязи часто уводят нас от простого описания природы, за пределы того, что мы знаем, позволяя делать прогнозы о том, чего мы не знаем. Грета Хистад обнаружила, что модели не только оценивают распределение известных минералов, но еще и раскрывают распределение пока не найденных и не описанных. С БЧРС-моделью мы в состоянии предсказывать «недостающие» минералы Земли{46}.

Теперь — как это работает. Представьте себе, что ваш космический корабль совершил посадку на неизведанную землеподобную планету и вам нужно составить как можно более полный список ее минералов. В первом же куске горной породы, который вы подберете, будет несколько новых для вас видов. Поднимете другой камень, а затем еще один, и еще… Пока вы находите что-то новое, ваш список будет быстро расширяться. Но через несколько недель после того, как вы занесете в реестр тысячи образцов и сотни разных минеральных видов, открытия новых видов станут происходить все реже и в конечном счете сократятся до струйки необычных, более редких находок.

Когда вы будете отмечать на графике растущее количество изученных образцов минералов по горизонтальной оси, а количество описанных видов — по вертикальной, то увидите характерную кривую накопления, которая начинает резко подниматься слева и постепенно выполаживается вправо. Эту кривую можно экстраполировать дальше вправо, чтобы оценить общее число видов, многие из которых пока только предстоит открыть и описать. Несомненно, потребуется много лет поиска, чтобы приблизиться к этому прогнозируемому числу, а тем более достичь его, но вы можете быть уверены, что намного больше минералов лежит в ожидании внимательного минералога.

Алгоритмы БЧРС позволяют обрабатывать кривые накопления, которые Грета Хистад вывела из БЧРС-статистики при помощи нескольких математических приемов. В нашей первой совместной работе, опубликованной в 2015 г., когда было известно порядка 4900 минеральных видов, предсказывалось, что еще остается найти по крайней мере 1500 минералов. Последующие исследования, которые проводила все увеличивающаяся команда выпускников, аспирантов, кандидатов наук и старших научных сотрудников, были сфокусированы на детализации того, чего недостает, не хватает: к примеру, более 100 минералов, содержащих полезный элемент бор, только и ждут, чтобы их нашли и описали. Мы предсказали, что в копилке не хватает 30 минералов хрома и 15 минералов редкого элемента кобальта. Далее последовали исследования по многим другим химическим элементам, причем все они основывались на анализе статистических тенденций в данных по минералам.

Мы объединили результаты наших всесторонних исследований по более чем 400 минералам углерода с почти 83 000 данных Mindat.org по этим разнообразным углеродным минералам и их местонахождениям{47}. БЧРС-распределение работает прекрасно: более 100 минералов углерода известны только из одной местности, еще 40 — всего из двух мест и т.д. Результирующая кривая накопления говорит о существовании привлекательной перспективы — еще нужно найти и описать почти 150 углеродсодержащих минералов, которые должны существовать на поверхности Земли или в приповерхностном слое. Продолжая использовать те же методы, мы обнаружили, что из этих 150 недостающих минералов почти 90%, вероятно, содержат еще и самый распространенный минералообразующий элемент — кислород и примерно столько же — водород. Мы сделали прогноз, что десятки еще не открытых минералов углерода содержат в качестве главных компонентов также кальций или натрий.

Имея на руках такую информацию, нам было сравнительно легко сделать следующий шаг и предсказать как особенности неизвестных минералов, которые могут быть найдены, так и места, где их следует искать. Некоторые из этих потенциальных видов уже хорошо нам знакомы как синтетические соединения, например карбонаты натрия и калия. Эти химические вещества обычно белого или серого цвета, они слабо раскристаллизованы, не говоря уже о том, что хорошо растворяются в воде, а стало быть, исчезают после первого же дождя. Поэтому неудивительно, что подобные минеральные виды остались незамеченными и любителями, и профессиональными минералогами. У нас есть предложение: идите искать новые виды по покрытым минеральной коркой берегам богатого натрием танзанийского озера Натрон в Восточно-Африканской рифтовой долине. Это будет нелегко, поскольку на берегах озера уже и так полно более распространенных белых корковидных минералов, но будет намного легче найти что-нибудь новое, если вы знаете, что искать.

Мы можем предположить свойства других недостающих минералов, если рассмотрим химических собратьев уже известных минералов углерода. Наш список из 190 возможных вариантов — железных, медных и магниевых аналогов хорошо известных карбонатных минеральных видов — затронул лишь малую часть гипотетических недостающих минералов углерода. С использованием экологии минералов мы расширили рамки основной миссии Обсерватории глубинного углерода по нахождению всех форм углерода на Земле; впервые в истории минералогии мы предсказали множество минеральных видов, которые трепещут в ожидании, чтобы их открыли.

Итак, мы застолбили нашу заявку. Мы предположили, что на Земле есть еще почти 150 неоткрытых — недостающих — минералов углерода, и конкретно предсказали, куда идти и что искать. Пришла пора проверять прогнозы.

Программа Carbon Mineral Challenge

Столетиями минералогия была наукой, основанной на наблюдении, и все новые минералы находили по чистому везению. Редкая натриевая слюда вонезит была обнаружена случайно в ходе стандартного анализа обычного биотита. Волокнистый минерал джимтомпсонит долгое время принимали за один из минералов группы вездесущих амфиболов. И как гласит пословица, золото там, где его найдешь. Конечно, есть некоторые закономерности, но только малая часть из более чем 5000 минеральных видов была предсказана до их обнаружения в природе.

С учетом экологии минералов эта традиция меняется. Мы можем предсказывать то, что пока не найдено. О некоторых таких редкостях мы даже знаем, какими они должны быть и где их найти. Нам стало ясно, что озеро Натрон в Танзании — это место, куда можно поехать, чтобы обнаружить там новые карбонаты натрия и калия. Подобным образом уже найден ряд карбонатов стронция в известном карьере Пудретт в Квебеке, в то время как другие похожие карбонаты стронция известны нам пока только в виде синтетических химических веществ.

Чтобы найти новые минералы карбоната стронция, вам не нужно ехать на канадский карьер (хотя такая экспедиция была бы наслаждением для любого профессионального минералога). Просто подойдите к музейным ящикам, наполненным образцами из Пудретта, и тщательно изучите их в поисках крошечных кристаллических зерен ранее не распознанного вида. Новые минералы углерода должны быть также в угле и горючих сланцах. Исследования уже привели к обнаружению десятка редких кристаллов, образованных из небольших углеродсодержащих органических молекул, сконцентрированных в богатых кристаллами полостях в углях или в слоях горючих сланцев. Конечно, большинство органических минералов еще ждут своего открытия. Чтобы их найти, вы можете разрезать, изучить и проанализировать уголь или горючий сланец из местонахождений, в которых уже были обнаружены необычные минералы.

Для продвижения этого нового минералогического проекта Обсерватория глубинного углерода запустила в 2016 г. программу Carbon Mineral Challenge[18]{48}. Этот международный поиск недостающих минералов углерода представлялся нам интересной идеей, но нужен был и харизматичный лидер — чтобы вызывать всеобщее чувство восторга и быть замечательным во всех отношениях. Нам нужен был тот, кто умеет общаться как с кураторами минералогических музеев, так и с коллекционерами. Итак, знакомьтесь: Дэн Хаммер{49}.

Его и впрямь сложно не заметить. И дело не только в его 195 см роста и широких плечах. Улыбка Дэна излучает энтузиазм и искренние доброту и щедрость, очень ему свойственные. Плюс его заразительная фраза: «Ух, черт!», выражающая смесь этого энтузиазма с удивлением, которая, возможно, досталась ему от предков из Айовы (вкупе с неисчерпаемым любопытством). Когда Дэн Хаммер говорит, что минералы углерода только и ждут, чтобы их открыли, окружающие кивают и приступают к работе.

Дэн, мой бывший постдок, недавно назначенный на должность старшего преподавателя в Университете Южного Иллинойса, отдает себе отчет, что для Обсерватории глубинного углерода ставки высоки. Наш успех зависит от понимания сложного углеродного цикла Земли, а мы не сможем понять этот цикл без знания множества прекрасных и разнообразных форм, которые принимает углерод. «Недостача» почти 150 углеродсодержащих минералов — огромный пробел в нашем понимании природных форм шестого элемента, и Дэн намерен его восполнить.

Минералоги со всего мира — что любители, что профессионалы — включились в охоту, и результаты посыпались. В течение первого года программы ММА утвердила девять новых углеродсодержащих минералов в качестве «узаконенных» видов. Первым оказался найденный в испанской Каталонии абеллаит — карбонат натрия и свинца с крошечными вкраплениями бледно-зеленых иголочек. Нам было очень приятно отметить, что зарегистрированный в 2017 г. абеллаит присутствовал в опубликованном нами же в 2016 г. списке прогнозируемых минералов углерода. Тиннункулит — минерал, найденный вторым, — образуется, когда помет пустельги (вида Falco tinnunculus — отсюда и название) взаимодействует с теплыми газами из горящего в терриконе одной из российских шахт угля[19]{50}. (Окей, признаю — такого мы не предсказывали!) За ними последовали голубой марклит из Германии, зеленый миддлбекит из Австралии и бледно-желтый леосилардит из штата Юта. Симпатичный канареечно-желтый юингит (шестое открытие) стал новым карбонатом урана из Яхимовского рудного района Чешской Республики — местности, уже известной разнообразием редких минералов углерода. И наконец, паризит-(La) — карбонат с редким элементом лантаном — тоже был предсказанной разновидностью[20].

Программа Carbon Mineral Challenge продолжается. Мы не рассчитываем найти все оставшиеся 145 предсказанных новых видов, но, как обещал Дэн Хаммер, без сомнения, будет интересно попытаться это сделать.

Вполне естественно, что подавляющее большинство углеродсодержащих кристаллов в природе были обнаружены в доступной приповерхностной области земной коры. Но мы знаем, что Земля хранит и более глубокие минералогические секреты — недоступные прямому наблюдению кристаллы, образующиеся при экстремальных температурах и давлениях мантии и ядра нашей планеты. Понимание сих таинственных этапов требует сложного арсенала исследовательских инструментов, которые используют ученые особой специализации. Это физики, изучающие минералы.

Наши знания об углеродсодержащих минеральных видах, какими бы всеобъемлющими они ни казались, довольно поверхностны, т.е. в буквальном смысле поверхностны — обусловлены доступностью лишь верхней пары километров земной коры. Почти все известные нам минералы выросли и обрели свою форму в этой тонкой каменистой оболочке. А многие из них — те, что собраны из выветрелых отвалов шахт или образовались из тлеющих экскрементов пустельги, — являются поверхностными в силу своего происхождения.

В Обсерватории глубинного углерода мы жаждем знать больше. Мы хотим понять скрытую, недоступную, глубинную область земной коры и мантии, где огромные давления и температуры давят и обжигают углерод и сопутствующие ему элементы, преобразуя их в новые, плотные формы, которые только-только становятся нам понемногу известными. Мы должны узнать эти манящие секреты недр, поскольку почти весь углерод Земли заперт внутри планеты. Для нас Земля — огромный сферический пазл, в котором лишь несколько кусочков по краям находятся точно на своих местах. Мы страстно желаем вставить недостающие фрагменты пазла минералов углерода, но есть серьезное препятствие: чем глубже мы идем, тем более сложной становится задача.

Из более чем 400 известных минералов углерода лишь жалкая горсточка представлена разновидностями, образовавшимися при высоком давлении{51}. Алмаз, выкованный при экстремальных температурах и давлениях в глубоких недрах Земли, — самый очевидный пример углеродсодержащего мантийного минерала. Еще один вероятный кандидат — плотный муассанит, представляющий собой карбид, в котором атомы углерода связаны непосредственно с кремнием в кристаллическую структуру, подобную алмазу (примечательно, что в этой структуре отсутствует кислород). Поскольку кристаллы карбида кремния обладают физическими свойствами, удивительно похожими на свойства кристаллов алмаза, ювелирные камни из ограненного и полированного синтетического муассанита нашли свое место на рынке в качестве сравнительно недорогих заменителей бриллиантов. Присутствие редких включений в алмазе указывает на несколько других возможных карбидных минералов родом из мантии, в которых атомы углерода связаны с металлами — железом, хромом или никелем. Но это касается найденных в природе образцов из глубин. Что еще может быть там, внизу?

Стандартный способ выявления возможных мантийных минералов заключается в том, чтобы подвергнуть распространенные минералы земной коры суровым условиям глубин в сотни или более километров под поверхностью Земли. Обычный кальцит — повсеместно распространенный карбонат кальция — стал одним из очевидных минеральных видов, которые стоило протестировать. Я хорошо помню, как читал передовое исследование Уильяма (Билла) Бассета и его аспиранта Лео Меррилла, описавших первую из последовательностей плотных форм кальцита, образующихся при высоком давлении{52}. Я был тогда аспирантом, и передо мной стоял вопрос об интересной теме для диссертации. У Билла имелся заманчивый ответ — кристаллография высокого давления.

Для такого ученого, как Билл Бассет, «глубинный углерод» означает «углерод высокого давления». Чем глубже вы погружаетесь в недра Земли, тем выше давление. Мантия Земли подвергает минералы давлению в сотни тысяч атмосфер, а в ядре оно превышает 1 млн атм. Шотландцу Джеймсу Холлу было весьма сложно воссоздать условия глубины 1 км в своих смелых экспериментах с ружейными дулами. Воссоздать же среду мантии Земли — самая трудная экспериментальная задача, которую только можно представить.

Дополнительная сложность для изучающего кристаллы экспериментатора — создать экстремальные давления Земли, не раскрошив кристаллический образец в порошок. Это своего рода компромисс. Вы хотите добиться самого высокого давления, какое только возможно, но при этом требуется подвергнуть крошечные площади действию больших сил. Однако крошечные площади означают крошечные кристаллы, которые легко разрушаются. Как же измерить столь малые кристаллы под давлением, не уничтожив то, что вы хотите исследовать? Проблема сложная, поскольку для того, чтобы выдержать давление, ваш образец должен быть заключен в крепкую защитную камеру. Но как можно сделать какие-либо полезные измерения через такой прочный барьер?

Блестящее решение этой проблемы было найдено в 1950-х гг. в Национальном бюро стандартов США (NBS), когда его ученые получили неожиданную возможность исследовать алмазы. Им дали большую партию изъятых у контрабандистов бриллиантов и сказали, что можно проводить с камнями любые эксперименты. Одну часть ценных камней — сотни карат бриллиантовых сокровищ — исследователи сожгли дотла в тщетных поисках вкраплений (вывод: в бриллиантах их не много). Другие алмазы, включая один прекрасный 8-каратный самоцвет, стоивший целое состояние, исцарапали, просверлили или раскрошили.

Именно во время тех надругательств над алмазами ученый NBS Элвин ван Волкенбург и обнаружил их уникальную способность играть двойную роль в экспериментах высокого давления — служить как резервуаром, в котором можно закреплять и сжимать образец, так и прозрачным окном для наблюдения этого сжатого образца. Ван Волкенбург составил пары бриллиантов, расположив их грани таким образом, чтобы сконцентрировать давление в образовавшейся ячейке с алмазными наковальнями[22]{53}. Его простая, подобная тискам конструкция прижимала алмазы друг к другу для создания огромных давлений, но образец кристалла при этом оказывался защищен.

Попробуем — слой за слоем — собрать DAC-камеру для образца. Нижний слой камеры — это плоская стальная пластина с просверленным в ней маленьким цилиндрическим отверстием. Возьмем первый алмаз и вставим его в отверстие наковальней вверх. Следующий слой — это прокладка, вырезанная из тонкого металлического листа не более 0,05 см толщиной. Маленькое отверстие в прокладке, точно отцентрированное над наковальней нижнего алмаза, служит цилиндрическими стенками ячейки с образцом. Заполним эту ячейку тремя составляющими: сначала наш кристаллический образец (обычно закрепляемый на месте крохотным комочком вазелина), рядом — мельчайшие зерна чувствительного к давлению рубина или какого-то другого материала, который послужит стандартом внутреннего давления, и наконец — чтобы дозаполнить ячейку с образцом — вода или какая-либо другая передающая давление жидкость. После того как на прокладке располагают второй алмаз, ячейка запечатывается. Его наковальня обращена вниз, он накрывается сверху второй стальной пластиной с отверстием. Когда камера для образца собрана, мы повышаем в ней давление, сжимая ее в любом из создающих давление устройств. Если мы были осторожны и аккуратно выровняли все цилиндрические отверстия, то сможем смотреть прямо сквозь алмазы на потрясающий, неожиданный мир высокого давления.

Команда NBS своей новой игрушкой, как они ее назвали, запустила целую эпопею экспериментов высокого давления. Исследователи зачарованно наблюдали, как чистая вода преобразовывалась в новые формы высокобарического льда, а алкоголь кристаллизировался иглами — их ван Волкенбург окрестил джин-сосульками. Экспериментаторы использовали дорогие спектрометры, чтобы измерять значительные изменения во взаимодействии света с материей. А еще они направляли рентгеновские лучи на образцы, пытаясь хоть чуть-чуть ухватить, как при сжатии атомы перераспределяются, образуя более плотные конфигурации.

Я был поистине пленен поразительными отчетами ван Волкенбурга и его коллег по NBS. Когда в начале 1970-х гг. я прочитал статьи об их достижениях и уловил манящий свет этого ранее скрытого глубинного царства, то понял, чем хочу заниматься в жизни.

Рентгеновские исследования кристаллов под давлением

Когда ученые из DCO говорят об обнаружении всех разнообразных «форм» углерода, у нас в мозгу возникает вполне определенное изображение. Мы представляем атомы. Все материалы вокруг нас — твердые тела, жидкости и газы — состоят из атомов. Кристаллы с их изящно повторяющимися симметричными рисунками атомов привлекают особое внимание. Каждый минеральный вид имеет свою атомную топологию, собственную кристаллическую структуру.

Давление добавляет нюансы в копилку кристаллических структур. Подвергайте минерал все более высокому давлению — и его атомы будут все сильнее уплотняться. Если мы хотим понять глубинные формы углерода Земли, то должны обнаружить эти плотные кристаллические структуры высокого давления.

Элегантным способом измерения атомных структур кристаллов является рентгеноструктурный анализ. Рентгеновские лучи — это «сильнодействующая» форма световых волн, схожих по характеру с видимым светом и радиоволнами, но с гораздо более короткими (несколько миллиардных долей сантиметра) длинами волн, близкими к стандартным расстояниям между слоями атомов в кристаллах. Когда поток рентгеновских лучей просвечивает кристалл, волны рассеиваются и усиливаются в сфокусированных потоках дифрагированных лучей. Направления и интенсивности таких лучей позволяют выявить атомную структуру.

Исходная ячейка с алмазными наковальнями NBS была изумительным достижением, но первоначальная конструкция оказалась слишком громоздкой, чтобы поместиться внутри стандартного пучка рентгеновских лучей. Более того, стальная опорная система модели NBS блокировала бо́льшую их часть. Отличное решение Меррилла и Бассета, проиллюстрированное многочисленными чертежами устройства в публикации престижного журнала Review of Scientific Instruments в 1974 г., состояло в том, чтобы сконструировать миниатюрную версию ячейки с алмазными наковальнями, используя прозрачный для рентгеновских лучей металл бериллий, которым бы заменили стальные ограничивающие пластины{54}. Сжимающую силу ячейки Меррилла — Бассета обеспечивала треугольная рамка с тремя винтами.

Свои первые эксперименты исследователи проводили на кальците, о котором было известно, что он приобретал немного более плотное расположение атомов, названное «кальцит-II» и «кальцит-III», при давлениях, соответственно, 15 000 и 20 000 атм — такие значения характерны для верхней мантии Земли на глубине нескольких десятков километров. Мерриллу и Бассету не удалось расшифровать все детали этих структур, но они заметили небольшие изменения в порядке атомов, которые указывали на более плотные формы с более низкими симметриями кристаллов.

Стремясь опробовать этот новый подход и применить его к своей диссертации, я связался с Биллом Бассетом и попросил его совета. Некоторые ученые отказали бы. Зачем им стимулировать конкуренцию, имея в руках мощный новый метод и такую кучу требующих решения задач, когда не знаешь, за что и хвататься? Но Билл решил помочь. Специально для меня он заказал в своей механической мастерской новую алмазную ячейку, продал ее мне по себестоимости и приехал из Рочестера, штат Нью-Йорк, в Кембридж, штат Массачусетс, чтобы показать, как ею пользоваться.

Билл Бассет помог также многим другим ученым, и область кристаллографии высокого давления начала процветать. Благодаря передовым достижениям Билла кальцит продолжает привлекать к себе повышенное внимание. Сейчас известны по меньшей мере шесть разных форм карбоната кальция, существующих при давлениях вплоть до 80 000 атм, каждая из которых включает в себя типичный крошечный карбонатный треугольник с тремя атомами кислорода, аккуратно окружающими атом углерода. Карбонаты железа, магния, марганца и других элементов проявляют подобное разнообразие форм под давлениями, эквивалентными тем, что характерны для верхней мантии, — которые достигаются относительно легко в исследованиях кристаллических структур с помощью DAC. Иными словами, теперь мы знаем, что минералы глубоких недр Земли отличаются от минералов близповерхностных областей.

Более высокие давления

Еще один вызов — «прозондировать» кристаллические структуры в экстремальных условиях слоя Голицына[23] и нижней мантии Земли, где давления превышают 100 000 атм. Наша успешная стратегия заключалась в том, чтобы применить для решения этой задачи расчеты атомных связей. Благодаря достижениям квантовой механики удалось создать сложные математические модели кристаллических структур. Ее вычислительные методы точно воспроизводят многие структуры природных материалов, найденных в земной коре, — так же как и структуры искусственных веществ, ряд которых был предсказан в теории до того, как эти вещества были синтезированы в лаборатории{55}.

Данные вычислительные методы можно также применять к высоким давлению и температуре — пусть для этого и потребуются некоторые математические приемы и мощные компьютеры. Компьютерные модели снова оказались замечательно эффективными, воссоздавая уже известные переходы при высоком давлении минералов поверхности в плотные минералы мантии (пусть даже модели не всегда точно предсказывают давление, при котором в мантии образуются новые минералы). В отличие от экспериментов, где каждое приращение давления требует существенного усложнения техники исследования, набрать миллион или больше атмосфер в квантовых вычислениях и посмотреть, что произойдет, гораздо проще.

Общий результат — и это неудивительно — заключается в том, что более глубинные минералы имеют более плотные структуры. Для карбонатных минералов, таких как кальцит и доломит, это изначальное увеличение плотности происходит из-за все более плотной упаковки знакомых карбонатных треугольников CO₃ с другими атомами, но переупаковка атомных треугольников и ядер имеет место лишь до определенного момента. После примерно полумиллиона атмосфер нам понадобится другая стратегия, потому что при таких условиях карбонатные минералы берут пример с алмаза. Преобразование графита в алмаз заключается в превращении плоского слоя с тремя смежными атомами углерода в пирамиду с четырьмя. Подобным образом, согласно вычислениям, углерод карбонатов вместо трех смежных атомов кислорода в плоскости будет иметь четыре атома кислорода в крошечных группах CO₄ пирамидальной формы, называемых тетраэдрами.

Минералоги быстро распознали возможное сходство содержащих CO₄ карбонатов высокого давления со многими распространенными силикатными минералами, найденными в изобилии в коре Земли, в которых кремний окружен тетраэдром из четырех атомов кислорода. В минералогии земной коры преобладают десятки хорошо известных типов силикатных структур — слюд, полевых шпатов, пироксенов, гранатов и др. Могут ли подобные типы структур встречаться в карбонатах мантии? Безусловно. Теоретики спрогнозировали, что карбонат магния в условиях нижней мантии должен приобретать изящную структуру пироксена с длинными цепочками тетраэдров CO₄, связанных угол с углом.

Не довольствуясь этими интригующими предсказаниями, большинство геофизиков хотят экспериментальных доказательств — подтверждений, которые требуют рентгеноструктурного анализа в, казалось бы, невозможных экстремальных условиях. Технические достижения, позволяющие осуществить такое исследование, поразительны. В 1970-х и 1980-х гг. в наших передовых методах использовались «большие» кристаллы — 0,02 см в поперечнике, простая DAC Меррилла — Бассета и стандартный источник рентгеновских лучей, который доступен в любой кристаллографической лаборатории. В удачный день мы могли добиться давления 100 000 атм, не разрушив наш образец и не расколов дорогие алмазные наковальни. Эти рентгеновские эксперименты при высоком давлении постепенно становились обыденными, и их начали воспроизводить в десятках лабораторий по всему миру.

С давлением в сотни тысяч атмосфер другая история. Кристаллы должны быть размером менее тысячной доли тех, что я изучал. Более крупные рассыпятся в порошок. Необходимо использовать модель DAC гораздо более высокого уровня, иначе неправильно расположенные алмазы треснут и расколются при таких высоких давлениях. Традиционные рентгеновские лучи также не подходят — они слишком слабые, чтобы можно было получить измеримые рисунки кристалла, который меньше пылинки. Так что ученые вынуждены использовать гигантские, финансируемые государством синхротроны — ускорители частиц, в которых рентгеновские лучи в миллион раз сильнее, чем в традиционных источниках. Но они заняты 24 часа в сутки 7 дней в неделю. Мало кому из ученых удалось преодолеть те строгие ограничения, которые обеспечивают единственно возможный экспериментальный путь к пониманию самых глубинных углеродсодержащих кристаллов Земли. Среди них своими открытиями в науке о глубинном углероде выделяется итальянский минералог и кристаллограф Марко Мерлини из Миланского университета{56}.

Марко Мерлини — скромный ученый, которому гораздо важнее трепет открытия, нежели признание. Он приветливо улыбается, встречая вас, его глаза горят азартом, ученый жаждет показать свою лабораторию и последние результаты. И эти результаты впечатляют. В статье 2012 г., опубликованной в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, Мерлини с коллегами сообщил о структурах высокого давления доломита — похожего по структуре на кальцит распространенного карбонатного минерала земной коры с равным соотношением кальция и магния{57}.

Если карбонатные минералы существуют в мантии Земли, то доломит — хороший на то кандидат. Работая в Европейском центре синхротронного излучения во французском Гренобле, ученые из группы Мерлини сжали крошечный кристалл доломита до небывалых значений. При давлении свыше 170 000 атм исследователи увидели структуру, которую они назвали «доломит-II» — по аналогии с кальцитом-II Меррилла и Бассета. Но стоило им сжать кристалл до 350 000 атм, как появилась совершенно новая структура — с четырьмя атомами кислорода вокруг нескольких атомов углерода, однако в новой, уплощенной пирамиде. Исследователи назвали ее конфигурацией «3 + 1». Мерлини и его команда продолжили подвергать свой кристалл доломита давлениям до 600 000 атм, но не увидели ни единого признака преобразования его в предполагаемый карбонат с углеродом, окруженным тетраэдром атомов кислорода.

Прорыв произошел в 2015 г., когда группа Мерлини опубликовала описание необыкновенной новой формы карбоната высокого давления, содержащего равные части магния и железа{58}. Эти измерения казались почти невозможными, ведь требовались давления, приближающиеся к 1 млн атм, что соответствует условиям в глубочайших глубинах мантии Земли — более 1000 км под нашими ногами. Исследованием было подтверждено спрогнозированное преобразование плоских карбонатных групп CO₃ в пирамиды CO₄. Однако вместо ожидаемой структуры пироксена с непрерывными цепочками тетраэдров, соединенных углами, ученые обнаружили совершенно новый и неожиданный атомный порядок. У их карбоната под ультравысоким давлением цепочки разбились на сегменты по четыре тетраэдра, разделенные короткими, заполненными железом разрывами, — получилась причудливая плотная структура, не похожая ни на что, виденное ранее.

У открытий Мерлини — далеко идущие последствия. Десятилетия назад общепринятая точка зрения заключалась в том, что при высоком давлении минералы имеют тенденцию образовывать простые структуры — результат необходимой на больших глубинах плотной правильной упаковки атомов. Продолжающиеся же исследования Мерлини и других пионеров минералогии ультравысокого давления показывают иную картину. Структуры высокого давления могут быть сложными, непривычными и зачастую неожиданными. И это хорошие новости для тех из нас, кто увлечен изучением удивительной сложности природы.

Среди всего разнообразия форм углеродсодержащих минералов высокого давления — с учетом как уже известных кристаллических структур, так и тех, которые еще предстоит обнаружить, — алмаз всегда будет занимать свое почетное место. Он находится в идеальной нише между очень редкими и просто редкими минералами: достаточно распространен для того, чтобы его мог купить любой желающий, но достаточно редок, чтобы заслуживающие внимания крупные камни стоили миллионы долларов. Уже добыты сотни миллионов драгоценных камней с теми размерами, что подходят для колец или ожерелий, но обладать одним или несколькими такими камнями хотят еще сотни миллионов потребителей. Привлекательность алмазов обусловлена и их научной ценностью: чем больше мы изучаем эти почти чистые фрагменты углерода из глубин Земли, тем больше узнаем об истории и динамике нашей планеты. Поэтому неудивительно, что никакой другой минеральный вид не завораживал ученых из Обсерватории глубинного углерода до такой степени.

Первые кристаллы алмаза (хотя и микроскопического размера) в истории Вселенной образовались при конденсации атомов углерода из горячего газа в оболочках химически активных звезд. Но наши самые ценные алмазы образуются не в ходе этого энергетического процесса, протекающего в практически вакуумных условиях Космоса. Если речь идет о драгоценных камнях, мы должны отвести взгляд с окраин звезд и посмотреть в глубокие недра планет, подобных Земле.

В земной коре образуется очень много графита. Когда атомы углерода концентрируются вблизи поверхности планеты, появляется именно графит, а не алмаз. Для создания крупного кристалла плотного твердого алмаза Земле требуется значительное давление, — по крайней мере в десятки тысяч раз больше атмосферного, — чтобы упаковать атомы углерода поплотнее. Не помешает также применить жар паяльной лампы, чтобы «уговорить» колеблющиеся атомы углерода перейти в новую, более стабильную конфигурацию пирамиды. Так что мы должны сместить фокус внимания в глубокие недра, на сотни или более километров вниз, в недостижимую мантию Земли. Где химические условия подходящие, а давление и температура достаточно высокие, где множество атомов углерода концентрируются вокруг центра кристаллизации, вот там и могут вырасти крупные драгоценные камни.

Человечество научилось воссоздавать условия, существующие на глубине сотен километров под нашими ногами, сконструировав гигантские гидравлические прессы с прочными карбидными наковальнями и мощными электрическими нагревателями. Миллионы карат синтетических камней производятся таким образом каждый год: или для абразивов, или для электронных компонентов, или для оптических окон — или как синтетические драгоценные камни. Можно даже заказать «алмаз памяти» в виде кулона — он образуется под давлением из атомов углерода, оставшихся после кремации любимого человека. Люди не вечны, но памятный алмаз переживет даже самую долгую память.

Самые крупные алмазы — не такие, как все{60}

Теперь, когда мы знаем, что алмазы могут раскрывать укрытые долгое время тайны сложных недр и бурного прошлого нашей планеты, у развивающегося научного сообщества появляется больше оснований, чтобы оценивать эти камни дороже других сокровищ. Охотники за алмазами, представляющие эту новую генерацию, не гоняются за безупречными камнями для дорогих помолвочных колец или теннисных браслетов. Наоборот, превыше всего они ценят изъяны в виде крошечных минеральных включений — некрасивые черные, красные, зеленые и коричневые вкрапления минералов, а также микроскопические карманы с глубинными жидкостью и газом. Эти дефекты, обычно удаляемые при огранке драгоценных камней, зачастую представляют собой фрагменты глубоких недр Земли — кусочки, которые образовались давно и глубоко, намного глубже залитой солнцем поверхности нашей планеты, где они были захвачены и герметично запечатаны обволакивающими их растущими алмазами.

Какие истории они рассказывают! Включения могут сообщить нам, как глубоко, как давно и в каком окружении росли их хозяева-алмазы{61}. Обратимся к тайнам, которые сейчас открывают нам самые крупные камни в мире. Среди богатого разнообразия алмазов особо выделяются гигантские «Обещание Лесото» в 603 карата, добытый в 2006 г. и названный величайшей находкой нового столетия; легендарный «Кохинур» в 793 карата, найденный столетия назад в Индии и ныне украшающий корону британской королевы-матери; «Созвездие» в 813 карат, проданный на аукционе в 2016 г. за рекордные 63 млн долларов; и самое исполинское сокровище — «Куллинан» весом в 3106 карат, обнаруженный в 1905 г. в южноафриканской шахте «Премьер» как «выживший» фрагмент камня, который должен был быть гораздо большего размера. Оказывается, у всех этих гигантов — общее неожиданное происхождение.

Столетиями считалось, что такие прекрасные драгоценные камни являются просто крупными вариантами более распространенных камней меньшего размера. Но это не так. В ходе оптических исследований были замечены признаки их иного происхождения. Большинство алмазов, пусть и поразительно прозрачных для видимого света, из-за изъянов на атомном уровне поглощают волны инфракрасного и ультрафиолетового диапазонов. Самые распространенные «нарушители» — атомы азота. В алмазах типа I примерно один атом углерода из тысячи бывает заменен атомом азота. Если эти атомы азота собираются в небольшие скопления, они могут придавать драгоценным камням желтый или коричневый оттенок. Когда-то их считали некрасивыми, но теперь некоторые из этих нечистых алмазов продаются под такими откровенно соблазнительными названиями, как «коньячные», «цвета шампанского» или «шоколадные». Вы уж меня извините, но это по-прежнему просто коричневые алмазы.

Оставшиеся алмазы — менее 2% всех добытых драгоценных камней — относятся к типу II. У отличающихся своей непревзойденной прозрачностью как для видимого, так и для ультрафиолетового света алмазов типа II нет видимых включений азота, но наблюдается тенденция быть крупнее плюс они совершеннее оптически. Эти характеристики навели некоторых ученых на мысль об их более медленной и глубинной кристаллизации. Тем не менее точное происхождение алмазов типа II остается загадкой.

В открытии 2016 г., взорвавшем СМИ броскими заголовками, международная группа изучающих глубинный углерод ученых, которую возглавляет Эван Смит из некоммерческой организации «Геммологический институт Америки» (GIA, от Gemological Institute of America){62}, показала, что алмазы типа II, к которым относятся многие наиболее крупные камни, имеют любопытные специфические включения: серебристые крупинки железо-никелевого состава, отличающиеся от обычных минеральных включений, представленных оксидами и силикатами, характерными для алмазных собратьев меньшего размера.

Это исследование стало триумфом как с общечеловеческой, так и с научной точки зрения. Владельцы шахт, огранщики и коллекционеры ревностно охраняют свои сокровища: чем крупнее алмаз, тем сложнее получить к нему доступ для научных исследований. Обретение возможности хотя бы поверхностного изучения включений в одном или двух больших алмазах стало бы неожиданным подарком для большинства ученых. Те, кто пытал счастье ранее, кто видел проблески серебристых включений в крупных алмазах, ошибочно предполагали, что это распространенный минерал графит. А он не представлял особого интереса.

Но Смит и его коллеги из GIA, объединившись с другими экспертами по алмазам из Соединенных Штатов, Европы и Африки, заложили основу для исследований по целому спектру параметров. Задача отделения GIA в Нью-Йорке — сертифицировать алмазы всех видов: их взвешивают, сортируют, пытаются определить страну происхождения и постоянно разрабатывают новые тесты, чтобы отсеивать следующее поколение искусных синтетических подделок или «конфликтных алмазов» — камней из зон конфликтов. Сертификация GIA — это универсальный стандарт качества. Благодаря многочисленным связям с работниками месторождений и музейными сотрудниками команда Смита смогла собрать и детально изучить поразительную коллекцию драгоценных камней и фрагментов, отсеченных от 53 крупных алмазов типа II. Исследователи даже заново огранили и отполировали пять фрагментов, чтобы обнажить серебристые включения для тщательного изучения высокотехнологичными аналитическими инструментами.

Первый сюрприз поджидал их при исследовании состава. Богатые металлом включения не содержали кислорода — самого распространенного химического элемента мантии, но в них присутствовало много углерода и серы, а это свидетельствовало о том, что металл должен был находиться в расплавленном состоянии, когда образовывались алмазы. Примечательно, что металлические включения указывают на те глубокие области нашей планеты, которые по составу подобны недоступному ядру Земли с его океаном плотного жидкого металла — железа и никеля, — окружающим внутреннюю сферу диаметром 2446 км, состоящую из еще более плотного кристаллического сплава железа и никеля.

Вот какой вывод мы можем сделать: крупные алмазы образуются на глубине сотен километров в изолированных мантийных карманах, заполненных богатой металлом жидкостью. Алмазам легко расти в такой среде, потому что металлическое железо обладает необычной способностью поглощать много атомов углерода. При достаточных давлении и температуре образуются центры кристаллизации и алмазы начинают расти — подвижные атомы углерода легко проходят через расплавленный металл, добавляя слой за слоем к будущим гигантским кристаллам. Образование некоторых алмазов именно таким образом — при участии металла — для ученых не является полной неожиданностью: металлические растворители использовались для выращивания больших кристаллов синтетических алмазов с начала 1950-х гг. Но никто тогда не знал, что природа освоила тот же трюк миллиарды лет назад.

Применения открытия, что крупные алмазы сформировались специфическим образом, намного шире, чем просто поиск причудливых драгоценных камней. Этот особый класс алмазов типа II демонстрирует ранее не описанную гетерогенность мантии. Раньше думали, что высокие температуры в мантии за миллиарды лет перемешивания посредством конвекции должны были превратить ее в похожую на смузи однородную массу. Теперь же — благодаря крупным алмазам и их красноречивым включениям — у нас есть очевидное доказательство, что мантия похожа скорее на фруктовый пирог с несколькими относительно однородными областями, а вдобавок — с завитками начинки и множеством фруктов и орехов (читай, металлов и алмазов).

Более того, эти локальные варианты мантийных пород и минералов указывают на наличие глубинных областей с разными химическими средами. Мы долгое время предполагали, что мантия состоит почти исключительно из силикатов, оксидов и других богатых кислородом минералов. Именно их мы обычно видим в вулканических породах, называемых кимберлитами, которые выносят свой клад драгоценных алмазов на поверхность и являются основным компонентом богатейших алмазных трубок в мире. Но металлические включения указывают на иные зоны мантии — области, которые лишены кислорода и в которых могут происходить другие процессы, такие как рост действительно крупных алмазов.

Здесь все точно так же, как и во многих других аспектах эволюции Земли: чем пристальнее мы смотрим и чем больше данных собираем, тем более замысловатой и увлекательной становится история.

Алмазы хранят тайны истории Земли

Металлические включения, наблюдаемые только в малой доле алмазов, по-видимому, являются исключением — редкостью под стать малочисленности крупных алмазов типа II, в которых они встречаются. Намного более распространенными и доставляющими головную боль ювелирам, которые ищут сколь возможно идеально ограненные и отполированные драгоценные камни, являются включения обычных мантийных минералов в алмазах типа I. Пока люди ценили совершенные драгоценности, минеральные включения были источником разочарования. Ученые придерживаются противоположной точки зрения, так как минеральные включения сами являются кладезем данных о глубоких недрах Земли.

Некоторые из этих включений раскрывают возраст алмазов: несколько древних камней оказались старше 3 млрд лет. Ключами к определению даты рождения алмаза стали иногда встречающиеся микроскопические частицы сульфидных минералов — сияющие кристаллы толщиной меньше волоса, состоящие из комбинации атомов металлов и серы. Эти сульфидные включения всегда содержат мизерное количество редкого элемента рения, который оказывается необыкновенно полезным, если вы хотите узнать возраст минерала.

Природные атомы рения имеют две разновидности. Стабильный изотоп рений-185 составляет около 37% от общего объема рения Земли; остальные 63% приходятся на радиоактивный рений-187 — нестабильный изотоп, который может самопроизвольно преобразовываться в стабильный осмий-187 со скоростью распада половины атомов рения за 41,6 млрд лет. Со временем отношение радиоактивного рения-187 к осмию-187 уменьшается так же прогнозируемо, как тиканье часов. Требуется тщательная подготовка образца и ультрасложные аналитические приборы, но поднаторевшему и терпеливому ученому удастся выяснить возраст алмаза измерением соотношения изотопов рения и осмия в микроскопическом сульфидном включении.

Такое сложнейшее датирование получает огромное преимущество, когда сочетается с исследованиями других включенных минеральных зерен — обычно самых распространенных оксидов и силикатов, которые составляют бо́льшую часть мантии Земли. Эти характерные ассоциации минералов иногда проливают свет на экстремальные глубины образования алмаза. В ряде случаев необычайно плотные включения оксидов и силикатов указывают на свое происхождение на глубине более 900 км, в загадочном и недоступном царстве нижней мантии Земли. Как алмазы могут прокладывать путь к поверхности из таких больших глубин, как они переживают такое путешествие, находя безопасный проход сквозь сотни километров, казалось бы, твердой породы, — не рассыпаясь, не застревая, не превращаясь в другой минерал, — остается во многом нерешенной загадкой.

Какими бы тернистыми путями эти алмазы ни появлялись из глубины, они могут много рассказать о миллиардах лет изменений в глобальном масштабе{63}. Поразительные доказательства, тщательно собранные в передовом исследовании 2011 г. экспертами по алмазам Стивеном Шири из Института Карнеги и Стивеном Ричардсоном из Кейптаунского университета в Южной Африке, указывают на глубокое преобразование, которое произошло примерно 3 млрд лет назад.

Систематические исследования минеральных включений в алмазах по всему миру — драгоценных камнях из самых продуктивных рудников Бразилии и России, Южной Африки и Канады — показывают, что более молодые минералы зачастую содержат характерные сочетания серо-зеленого пироксена и красного граната. Этот цветной минералогический дуэт указывает на то, что алмазы происходят из породы, называемой эклогитом. У эклогита очень интересная биография. Эта красивая красно-зеленая порода возникает вследствие преобразования под высоким давлением базальта — повсеместно распространенной темной горной породы, которая кристаллизируется из магмы, изливающейся вдоль всей зоны срединно-океанических хребтов, имеющих протяженность в тысячи километров и опоясывающих весь земной шар. В результате этого базальт покрывает бо́льшую часть океанического дна — почти 70% поверхности Земли. Такое постоянное производство новой базальтовой коры требует, чтобы соответствующее количество старой базальтовой коры исчезало в процессе необратимого погружения в зонах субдукции. Вдали от срединно-океанических хребтов более древние, холодные и плотные пласты базальтовой коры изгибаются вниз и уходят глубоко в недра Земли. Субдукция таким образом завершает важнейший процесс «кругооборота» земной поверхности, вызываемого движением литосферных плит.

Когда базальт опускается, он нагревается и испытывает огромное давление. На глубине не менее 50 км минералы базальта преобразуются в более плотные свои разновидности, в частности в красный гранат и серо-зеленый пироксен, обнаруженные в некоторых алмазах. Это характерное сочетание эклогитовых включений навело ученых на мысль, что движение плит, которое мы наблюдаем сегодня — с его активными срединно-океаническими хребтами и подвижными зонами субдукции, — шло полным ходом на протяжении последних 3 млрд лет.

Другие алмазы, включая и те, возраст которых превышает 3 млрд лет, содержат очень разные наборы мантийных минералов. Можно найти много включений желтого или коричневого оливина (его ювелирная разновидность известна как хризолит[24]), а также пурпурного граната, черного хромита и изумрудно-зеленого пироксена. Такое характерное сочетание минеральных включений указывает на гораздо более глубокий мантийный источник, который связан с горной породой, называемой перидотитом и, как считается, доминирующей в мантии Земли. Это плотное собрание минеральных фрагментов никогда не видело земной поверхности и не подвергалось субдукции. Отсюда важный вывод: на ранних этапах эволюции Земли движения плит не было (по крайней мере, в современном его варианте — со столкновениями и расколом континентов и погружением базальтовой коры).

Урок ясен. Алмазы и их включения — действительно научные сокровища, убедительно доказывающие, что одна из величайших инноваций нашей планеты — движение литосферных плит — появилась, когда Земле было около 1,5 млрд лет. И по иронии судьбы, не ускользнувшей от исследователей алмазов, некоторые из тех драгоценных камней, которые некогда отвергли покупатели из-за присутствия в них некрасивых включений, сейчас продаются коллекционерам минералов по бешеным ценам. Опубликованные научные открытия вдохновили общественность и создали спрос на содержащие включения образцы, которые оказались не по карману некоторым исследователям.