Специалист по метеоритам Марина Иванова – о формировании Солнечной системы и появлении жизни

 

Марина Иванова: «Благодаря марсианским миссиям накапливается все больше материала в пользу возможного существования бактерий на Марсе миллиарды лет назад».

Когда и как образовалась Солнечная система? Почему важно это знать? Откуда берутся метеориты и какие важные знания они нам несут? Могла ли жизнь быть принесена на Землю вместе с метеоритным веществом? Об этом с журналистом Наталией ЛЕСКОВОЙ беседует старший научный сотрудник лаборатории метеоритики и космохимики Института геохимии и аналитической химии им. В.И. Вернадского РАН (ГЕОХИ), кандидат геолого-минералогических наук Марина ИВАНОВА.

– Марина Александровна, знаю, что вы недавно защитили докторскую диссертацию на тему «Первое твердое вещество, образованное в Солнечной системе». Это какая-то новая идея?

– Этому исследованию уже почти 60 лет, но с развитием новых методов значительно расширились возможности изучать космическое вещество на более тонком уровне. Сегодня нам известно, что Солнечная система начала формироваться из огромного межзвездного облака и пыли. «Досолнечные» пылевые частицы – это остатки конденсатов, которые образовывались вокруг других звезд, уже проживших свою жизнь. Это их прах. Они сохранились в протопланетном диске, и мы их находим в метеоритном веществе наряду с первыми твердыми агрегатами, которые образовались в нашей Солнечной системе.

– Вот почему коллеги о вас говорят, будто вы точно знаете смысл библейского изречения, что «все вышло из праха и все станет прахом»! Но что это значит с точки зрения геологии и минералогии?

– Существует такая субстанция, как солнечный газ и пыль (прах предыдущих звезд). Трудно себе представить, что из этого вещества, невидимого глазом, возникли потом малые тела – астероиды и даже планеты. Первые конденсаты газа слипались в более крупные образования, укрупнялись до метрового размера, затем образовывались планетезимали – молодые тела, которые потом могли сталкиваться и образовывать другие крупные тела. В конце концов, формировались планеты, они разогревались, происходила дифференциация, и мы получили Марс, Землю, Луну и т.д. Но сначала были газ и пыль. Не хочется никого огорчать, но когда-то наша звезда тоже взорвется, и снова образуется межзвездный газ и пыль (станет «прахом»), и все повторится сначала.

– Солнечный газ – как он выглядит?

– Его невозможно увидеть. Я вспоминаю, что когда в школе преподавали электрический ток, который нельзя потрогать руками, я очень плохо это понимала. Ведь его можно измерить только приборами. Как еще понять, что это такое? И воздух, которым мы дышим, это тоже смесь невидимых газов: азот, кислород, углекислый газ (только нет атомов других элементов), и трудно представить, что из такой невидимой смеси вдруг может образоваться твердое вещество.

– Каким образом это может произойти?

– С понижением температуры в облаке. Сначала в результате гравитационного сжатия в центре газопылевого облака сформировалось прото-Солнце, а вокруг – газопылевой диск. Вещество диска разогревалось за счет энергии молодого Солнца, и пылевое вещество испарялось. Так образовался газ солнечного состава. С понижением температуры в облаке этот газ конденсировался.

Это напоминает процесс формирования снежинок или дождя из облаков. С понижением температуры в облаках на Земле может идти дождь, а может снег. В летнюю пору польется дождь, а в зимнюю погоду будут падать снежинки. Это хорошая аналогия с тем, что возможно ожидать при конденсации газа солнечного состава, только вместо снежинок мы видим твердые минералы. Они бывают такими же пушистыми, как снежинки, только это кальций-алюминиевое и силикатное вещество, а не замерзшая вода и лед, то есть оливин, пироксен и более высокотемпературные минералы, кальций-алюминивые оксиды, конденсируемые при самых высоких температурах.

– А из чего состоит солнечный газ?

– В нем присутствуют все элементы периодической системы Менделеева, находящиеся в соотношениях, которые характеризуют космическую распространенность. Ведь сначала была пыль, которая испарилась, и она представляла собой весь набор известных нам сегодня элементов. Согласно космической распространенности, титана, кальция и алюминия было не так много, как магния и железа. Но, поскольку титан, кальций и алюминий – это наиболее высокотемпературные элементы, конденсация их минералов происходила в первую очередь, а потом только конденсировались минералы магния и железа.

– Насколько я понимаю, вы уточнили многие базовые вещи – например, время образования Солнечной системы. А когда образовалось первое твердое вещество?

– Оно образовалось, по последним данным, 4,567 млрд лет назад. Мы анализировали Ca, Al-включения свинцовым (изотопы 206Pb – 207Pb) методом, определяли возраст первых твердых образований и соответственно возраст образования Солнечной системы.

– И что это были за образования?

– Кальций-алюминиевые включения (CAIs-Ca, Al-Inclusions) – расплавленные и нерасплавленные агрегаты, состоящие из минералов кальций-алюминий-титана. В них встречается корунд, оксид алюминия, самый высокотемпературный минерал. Включения имеют белый цвет. Если метеорит (хондрит) сложен в основном хондрами и матрицей коричневого цвета, то тугоплавкие кальций-алюминиевые включения хорошо выделяются на их фоне белым цветом.

– Что это были за тела, первыми возникшие в Солнечной системе?

– Крошечные минеральные образования в несколько микрон величиной слипались в более крупные агрегаты, впоследствии они могли расплавиться. По всей видимости, это была невероятно красивая, завораживающая картина, чем-то напоминающая снегопад. Первые нерасплавленные включения так и называются – «пушистые (или рыхлые) кальций-алюминиевые включения» (Fluffy CAIs).

Эти включения по аэродинамическим законам были удалены из области образования очень далеко, за снежную линию – это несколько астрономических единиц от Солнечной системы. Некоторые успели аккретировать нерасплавленными в метеоритное вещество. Некоторые все же плавились, так как вещество могло быть удалено из области образования и снова потом выпасть на диск, поскольку приобретенная включениями скорость не всегда была достаточной, чтобы достичь снежной линии – холодной области диска, где образовывались планеты-гиганты.

Первые тугоплавкие включения аккретировали в примитивные хондритовые тела. Парадокс состоит в том, что эти родительские тела хондритов образовались дальше всего от Солнца, хотя Ca, Al-включения, содержавшиеся в них, образовались вблизи Солнца.

– Будущие метеориты?

– Да, фрагменты родительских тел – будущие метеориты. Метеориты могут прийти от всех тел, в основном из пояса астероидов между Марсом и Юпитером, а также и с планет, например, с Марса или Луны.

Микрофотография минерала дмитрийивановита. Фото сделано на сканирующем электронном микроскопе. Изображение в обратно-рассеянных электронах гросситового включения, содержащего дмитрийивановит из метеорита North West Africa 470 (NWA 470). CaAl2O4 – дмитрийивановит, Gr – гроссит, Mel – мелилит, Pv – перовскит.

– Как образовались планеты?

– Сначала точно так же, как малые тела и астероиды – из аккретировавшего вещества. Но потом они разогревались, плавились и претерпевали процесс дифференциации. Строительным материалом для планет послужили именно первое примитивное вещество молодых тел.

– И наша планета – не исключение?

– По последним изотопным данным, Земля имеет состав, близкий к энстатитовым хондритам (это такой тип хондритового вещества). Оно плавилось, и в результате в центре образовывалось ядро, состоящее из железа и никеля, по составу напоминающее железные метеориты, например, или металл хондритов. Так же потом образовывались мантия и кора.

– Существует ли связь между всеми этими процессами и появлением жизни на Земле?

– Пока у меня нет представления о том, что жизнь была занесена метеоритным веществом…

– Хотя некоторые в этом просто уверены – например, академик Алексей Розанов. А вот академик, долгое время директор ГЕОХИ, Эрик Галимов считал, что жизнь зародилась на Земле.

– Я согласна с Эриком Михайловичем. Уже много лет я изучаю самое примитивное вещество – углистые хондриты, и независимо от того, что они содержат органику, все-таки не нахожу признаков, которые позволили бы моделировать происхождение жизни на Земле.

– Но ведь была история, когда в марсианском метеорите обнаружили образования, по форме напоминающие бактерии?

– Да, это была нашумевшая история. Сейчас набирает популярность наука астробиология. Тем более благодаря марсианским миссиям накапливается все больше материала в пользу возможного существования бактерий на Марсе миллиарды лет назад. Мы уже точно знаем, что вода на Марсе была, почему бы там не присутствовать бактериям? Однако подтвердить это окончательно пока не удается.

С марсианскими метеоритами еще существует и другая проблема: на самом ли деле эти «марсианские» метеориты с Марса? По изотопным и геохимическим данным они действительно имеют марсианские характеристики, но пока точной идентификации пород нет. Надеемся, что она произойдет после доставки марсианских пород на Землю.

– Астробиологи настаивают, что в космосе более чем достаточно органического вещества, а значит, совершенно не обязательно думать, что жизнь может существовать только на планетах. Но непонятен переход – как из органического вещества образуется жизнь? И что такое жизнь? Если она образовалась на Земле, а не откуда-то «прилетела», то как это могло произойти?

– Думаю, это произошло в водной среде. Метеоритные тела содержат воду, но это не та субстанция, в которой могут зародиться признаки жизни. Она там в связанном состоянии. И входит в основном в структуру минералов. Как это произошло в водной среде, точно никто тоже не знает. А если бы знали, давно бы взяли воду, сложили нужные компоненты и получили бы жизнь. А пока жизнь – это величайшая из тайн.

– Каким образом вы изучаете первое вещество Солнечной системы?

– Первое вещество – это самые древние агрегаты минералов Солнечной системы, и они сохранили следы процессов, которые происходили на ранних этапах ее жизни. Это и изотопные аномалии, и некоторые особые геохимические характеристики. Эра изотопных исследований началась сравнительно недавно, лет 20–30 назад, а до этого можно было только предполагать.

Нашей научной группе в сотрудничестве с зарубежными исследователями удалось определить среднее значение возраста Солнечной системы на основании возрастов первых тугоплавких включений. Также мы обнаружили следы вымерших короткоживущих изотопов в Ca, Al-включениях.

Вся геохимия строится на свойствах химических элементов, основываясь на законах периодической системы Дмитрия Ивановича Менделеева. А изотопная геохимия – это уже другая область со своими законами, где участвуют процессы масс-фракционирования, стабильные и радиоактивные изотопы, радиоактивный распад.

– А в земных породах все это есть?

Любой камень, о котором заподозрили, что это метеорит, официально становится таковым только после того, как его зарегистрируют в Международном номенклатурном комитете.

– Природные процессы такие же. Но в земных породах уже не сохранились следы распада древних короткоживущих изотопов, например 26Al, 53Mn. Только в самых первых образованиях Солнечной системы, Са, Al-включениях, некоторых агрегатах и хондрах мы находим следы существования древних короткоживущих радионуклидов.

– Каким образом эти знания могут пригодиться в прикладном смысле?

– В первую очередь эти знания относятся к фундаментальным исследованиям, но они нужны в том числе для изучения новых родительских тел. Сейчас готовятся полеты исследовательских аппаратов к астероидам, и мы не знаем, с каким веществом там столкнемся. Есть прогнозы, но, как правило, пока не изучишь полученное новое вещество, трудно что-либо определенное сказать. И все знания, которые мы получаем в результате изучения разных компонентов метеоритов, пригодятся в исследовании новых космических тел.

На Земле уже есть много различных типов метеоритов. Большинство из них совпадают по своим спектральным характеристикам с известными астероидами, но есть и несовпадения. Обнаруживаются также такие метеориты, которые непонятно с каких космических тел к нам пришли. Их надо изучать. Процесс попадания на нашу Землю метеоритов случайный. Какие уникальные тела столкнутся в космосе, повезет ли нам получить такого пришельца в свои руки или нет? Одно знаю точно – большая удача изучать новое космическое вещество.

– Ну, смотря какого размера это вещество. А есть ли у вас в институте вещество, которое помогло вам в исследованиях? Знаю, в ГЕОХИ есть целый музей внеземного вещества.

– Безусловно. Наш музей все время пополняется новыми типами вещества, уже и хранить негде! Буквально в прошлом году удалось обнаружить новый подтип метеорита. Таких метеоритов в мире – всего три, один из которых оказался у нас в коллекции. Обычно хондрит, наиболее примитивный метеорит, содержит хондры и матрицу. Само название «хондрит» произошло от того, что в его субстанции есть хондры, округлые образования, погруженные в тонкозернистую матрицу. А вновь поступивший метеорит не содержат этой матрицы. И это не железо-каменный дифференцированный метеорит, а богатый металлом примитивный хондрит. Что же случилось с его матрицей?

– Может, ее и не было?

– Матрица наверняка присутствовала, просто был другой процесс образования хондритов нового типа (G хондритов). Эти метеориты образовались после соударения образовавшихся крупных молодых тел. После катастрофического столкновения сформировался плюм – облако ударного пара и пыли. При этом ударе происходила горячая аккреция, температуры были настолько высокие, что мелкозернистое матричное вещество просто испарилось.

– Откуда этот метеорит прилетел, мы знаем?

– Точно не знаем, но предположительно из пояса астероидов.

– А почему вы говорите, что такие метеориты стали обнаруживаться только сейчас?

– Их просто раньше не находили. Первые такие метеориты были обнаружены в 2012 и 2015 годах. А тот, которым мне посчастливилось заниматься, был третьим. Мои коллеги нашли его в пустыне Чили. Мы все свои находки обязательно регистрируем в Международном номенклатурном комитете. Любой камень, который нашли на Земле и о котором заподозрили, что это метеорит, официально становится таковым только после того, как его зарегистрируют в Международном номенклатурном комитете. А пока этого не произошло, это просто предполагаемый метеорит. Ведь нам каждый день приносят в лабораторию камни, и 99% оказываются не метеоритами.

– Как вы понимаете, что это метеорит?

– Иногда по внешнему виду, но далеко не всегда. Люди приносят какой-то обожженный камень, действительно похожий на метеорит, а он совершенно не магнитный или содержит земные минералы в большом количестве, например кварц, – значит, точно не метеорит.

– Метеорит всегда магнитный, даже каменный?

– Даже каменные метеориты, хондриты, слабомагнитные, поэтому первым делом я подношу к новому камню магнит. Правда, магнитность отсутствует у лунных или марсианских метеоритов и некоторых ахондритов, но это совсем большая редкость. Обнаружить лунный или марсианский метеорит, не спутав его с земной породой, практически невозможно.

– У вас появилось какое-то особенное, сакральное отношение к метеоритам? Ведь это не просто булыжник, подобранный с поверхности нашей планеты, а что-то прилетевшее издалека, неизвестно откуда, может быть, вообще не из Солнечной системы?

– Лично у меня никакого мистического трепета нет. Для меня метеорит – это просто порода, пусть и не похожая на все остальные. Но, когда попадается неизвестный «пришелец», это, конечно, большое волнение. Порой уходит год или больше на его изучение, чтобы разобраться – откуда он и как мог образоваться. Конечно, мне это очень интересно.

– Вспомните какой-нибудь случай, когда вы, изучая метеорит, открыли для себя что-то неожиданное.

– Самое запоминающееся событие, когда я встретила новый минерал. Они до сих пор обнаруживаются в метеоритном веществе, хотя, казалось бы, все давно известно. Это была большая удача – найти минерал среди кальциево-алюминиевых включений, которыми я занимаюсь.

Новый аллюминат кальция CaAl2O4 был открыт мной в 2002-м, а в 2006 году мы его утвердили в Международном комитете по новым минералам и номенклатуре. Мы знали, что будет много работы – нужно доказать, что аналогов этого соединения в природе нет, определить его кристаллическую структуру...

– На Земле такое не встречается?

– Не встречается, потому что условия образования этого минерала были уникальными, например как в доменной печи. Просто так встретить на Земле в природе такой минерал пока никому не удалось.

– А что это значит «встретить минерал»?

– Мы получаем образец метеорита, делаем петрографические шлифы – тонкие срезы, которые изучаются под микроскопом. После оптического микроскопа шлиф изучается на сканирующем электронном микроскопе. Затем определяется химический состав минерала с помощью электронного зонда.

И вот, работая на сканирующем электронном микроскопе, мы увидели, что некоторая фаза выглядит необычно, по-другому. А когда стали изучать химический состав, поняли, что он совершенно отличается от известных кальциевых аллюминатов. Некоторые из них известны на Земле, некоторые – нет. Но именно этот минерал на Земле найден не был.

– Почему вы не назвали его своим именем? Ведь так принято, когда кто-то открывает новый минерал.

– Да, я его обнаружила, но сочла, что это неэтично. Знаю, что ученые, которые находят новые минералы, стараются назвать их в честь дорогих им людей или известных ученых, которые долгое время работали в соответствующей области науки.

Я назвала этот минерал «Дмитрийивановит» – в честь своего мужа Дмитрия Андреевича Иванова, геолога, который погиб во время полевых работ на Кавказе при изучении молодого вулканизма. Под этим именем он официально и зарегистрирован.