9. Соотношение стабильных изотопов в биогенных и абиогенных соединениях

В гл. III мы уже говорили о том, что многие элементы фактически представляют собой смесь химически неразличимых изотопов, различающихся только по физическим свойствам, например по атомной массе. Тогда мы уделили основное внимание нестабильным изотопам, которые используются при определениях абсолютного возраста в качестве геологических часов. Но стабильных изотопов существует гораздо больше, и сейчас мы поговорим о них.

Из многих проблем, связанных со стабильными изотопами, мы займемся вопросом об установлении биогенного или абиогенного происхождения некоторых веществ. Специалистов, занимающихся этой проблемой, интересуют в основном три элемента: углерод (С), кислород (О) и сера (S). Полный обзор литературы до 1959 года по изотопному составу этих, а также других элементов, важных для изотопной геологии, можно найти у Ранкамы [33]; с тех пор появились еще некоторые работы по сере [12, 20]. Я ограничусь здесь рассмотрением изотопов углерода, поскольку они особенно важны для нашей проблемы и, кроме того, на их примере мы можем ознакомиться с трудностями, встающими при работе со стабильными изотопами других элементов.

В атмосфере содержится четыре разные двуокиси углерода, различающиеся по изотопному составу: ¹²С¹⁶O₂, ¹³С¹⁶O₂, ¹²С¹⁶O¹⁸O и ¹²С¹⁸O₂. Наиболее распространены первые три типа молекул, причем ¹²С преобладает над ¹³С. Это видно из приводимых ниже данных, характеризующих соотношение фракций природной двуокиси углерода различного изотопного состава [33]:

¹ (При нормальной температуре и давлении.)

В настоящее время в процессе фотосинтеза, осуществляемого зелеными растениями, достигается очень точное фракционирование изотопов углерода. Отношение ¹²С/¹³С в них составляет от 90,0 до 92,9% отношения, определенного для так называемого "чикагского стандарта" - углеродистого вещества ископаемого белемнита^*. В небиогенном углероде это отношение варьирует от 88,0 до 90,2%. Как возникает такое различие в изотопном составе углерода, мы можем представить себе только в самых общих чертах. Фотосинтез представляет собой последовательность кинетических процессов, а не равновесных реакций. Значит, в каждой из последовательных реакций определяющую роль играет кинетика, а легкий изотоп реагирует в целом быстрее, чем тяжелый. С другой стороны, метаболизм зеленых растений состоит не только из фотосинтеза, но и из других процессов, например дыхания, причем некоторые из них представляют собой равновесные реакции, а известно, что в реакциях ассоциации - диссоциации в соединениях с прочной химической связью преимущественно накапливается тяжелый изотоп. Разумно предположить, что характерное отклонение изотопного состава биогенного углерода и вариации этого состава в современных зеленых растениях объясняются разными причинами: отклонение от обычного отношения ¹²С/¹³С возникает главным образом в процессе фотосинтеза, а разброс этого отклонения связан с другими метаболическими процессами.

^* (Результаты определений изотопного состава выражают обычно относительно какого-либо условного стандарта. В качестве стандарта выбирают углеродсодержащее вещество, которое, во-первых, обладает "устоявшимся" изотопным составом (достаточно долго хранилось, например известняк или ископаемые скелеты животных) и, во-вторых, имеется в достаточных для работы количествах. Чикагский стандарт был принят группой ученых, работавшей в Чикаго. - Прим. перев.)

Возможно, это объяснение неверно. Но так или иначе, в ископаемых соединениях углерода также обнаружен "биогенный тип" отклонения изотопного состава. В углероде из угля или графита всегда относительно больше ¹²С, чем в углероде из изверженных пород. Возможно, во втором случае связывание углерода в большей мере зависело от равновесных процессов, что и привело к обогащению ¹³С.

Заметим, что изотопный состав углерода угля и графита из осадочных пород раннего и среднего докембрия близок к изотопному составу растений нашей эпохи. Из этого делается вывод, что, во-первых, весь этот углерод имеет биогенную природу и, во-вторых, что жизнь существовала на Земле в период отложения самых древних осадочных пород, известных науке.

Однако такой вывод надо признать если не совершенно ошибочным, то, во всяком случае, необоснованным. Сходство изотопного состава говорит только о сходной степени фракционированности изотопов, т. е. о принципиальном сходстве процессов образования анализируемых веществ. Можно не сомневаться в том, что в неорганическом фотосинтезе, происходившем в условиях бескислородной атмосферы, кинетика играла не меньшую роль, чем в фотосинтезе органическом, протекающем в современных условиях. Итак, мы пришли к отрицательному заключению: сходство соотношения стабильных изотопов углерода в современных зеленых растениях и в биогенных отложениях с изотопным составом углерода древнейших осадочных пород еще не доказывает, что эти породы образовались биогенным путем. Это справедливо и для соотношения стабильных изотопов других элементов.