Коллекция минералов

При слове «скелет» большинство читателей наверняка представят себе костяк с ребрами, позвоночником, конечностями и черепом. И некоторые, возможно, усомнятся в принадлежности черепа к скелету. Относить ли к скелету зубы — задумаются, а предложение назвать скелетом почечные или зубные камни сочтут за издевку. Тем не менее все это — скелет, то есть биоминеральные структуры, образовавшиеся за счет жизнедеятельности организма. В данном случае — человеческого.

Наш скелет состоит из фосфата кальция, часто с примесью карбоната (гидроксилапатит — Са₅[(РO₄, СO₃)₃ (ОН)]), как и у других позвоночных. Этот же минерал встречается в раковинах некоторых брахиопод, панцирях высших раков и чешуйках зеленых водорослей. У многих других организмов скелет сложен карбонатом кальция (кальцит — СаСO₃), в кристаллах которого часть атомов кальция может быть замещена магнием (магнезиальный кальцит) или стронцием (арагонит). На химической формуле минерала эта ничтожная доля иных атомов не отражается, а вот для облика (габитуса) кристаллов, их химических и физических свойств имеет огромнейшее значение, а для организмов, обладающих скелетами, — решающее. Из этих минералов построены раковины двустворок и улиток, панцири лангустов и крабов, чашечки морских лилий и иглы морских ежей, веточки кораллов и морских водорослей, микроскопические раковинки большинства амеб фораминифер и почти невидимые скелетики водорослей кокколитофорид, парящих в толще океана. Всего же на основе карбоната кальция организмы научились образовывать свыше 300 разных кристаллических и аморфных форм и складывать их в тысячи различных структур. Третьим по значимости минералом в живой природе является кремнезем — аморфная разновидность кварца (SiO₂). Из него сложены иголочки — спикулы, которые образуют скелеты стеклянных и обыкновенных губок, ажурные раковинки амеб радиолярий и диатомовых водорослей, а также фитолиты — игольчатые образования в стеблях и листьях травы. И у травы есть скелет. Кстати, стеклянные губки получили свое название не случайно: аморфный кремнезем — это и есть стекло. И используют его губки по назначению: спикулы служат световодами, направляющими солнечные лучи к одноклеточным водорослям, запрятанным глубоко среди губковых клеток.

^{Срез кальций-фосфатного бивня (резца) мамонта Mammuthus primigenius (диаметр 7 сантиметров); северо-восток России; 50–15 тысяч лет. Музей «Ледниковый период», Москва}

Триада из фосфата, карбоната кальция и кремнезема сложилась по очень простой причине: элементы, образующие эти минералы, одни из самых распространенных в земной коре, гидросфере и атмосфере. Доля кислорода составляет 49 процентов, кремния — 26, кальция — 3, фосфора — 0,1. Вроде бы десятая часть процента — совсем немного, но большинство элементов встречается гораздо реже (например, доля золота — менее 0,01 процента). Поэтому все они давно используются организмами при обмене веществ (кислород при дыхании), для накопления и перераспределения энергии (фосфор), передачи нервных импульсов (кальций). Именно поэтому фосфат, наверное, и стал первым скелетным минералом: палеонтолог Фебе Коэн из Гарвардского университета и ее коллеги обнаружили этот минерал в сетчатых чешуйках микроскопических водорослей, живших 700–800 миллионов лет назад. На сегодня — это самые древние известные организмы с биоминеральным скелетом.

Кроме того, эти минералы достаточно хорошо растворимы, чтобы использовать их в строительстве скелета без энергетических сверхзатрат. А раз растворимы, то и в осадок выпадают легко. Ведь строительство скелета — это и есть управляемое отложение осадка, в нужном месте, необходимом количестве и в правильное время. Важно и то, что эти минералы достаточно устойчивы в среде, в которой организмы существуют в океане или на суше. Скажем, минералы алюминия (его доля в земной коре — 7,5 процента) — алюмосиликаты — практически нерастворимы, а такие минералы, как галит, или каменная соль, — хлорид натрия (этих элементов в земной коре — 2,4 и 0,2 процента соответственно) — растворяются слишком быстро.

Впрочем, из любых правил есть исключения. При избытке некоторых элементов организмы приспособились использовать дармовые ресурсы. Так, в глубинах океана, вблизи горячих гейзеров черных курильщиков улитки, как выяснил зоолог Андерс Варен из Шведского музея естественной истории, строят раковину из пирита (FeS₂) и грей-гита (Fe₃S₄), поскольку курильщики выбрасывают в океан большие объемы железа и серы (эти элементы и придают подводным столбам «дыма» черную окраску.) Получаются не раковины, а блестящие ювелирные изделия.

Впервые минералы железа (магнетит и магтемит) нашли у многостворчатых моллюсков хитонов. В середине XX века, когда в способности живых организмов синтезировать железосодержащие минералы никто не верил, геолог Хайнц Ловенштам был изгнан в Америку из Германии за несоответствие местным понятиям о чистоте расы. В США Ловенштам обратил внимание на странные дырки в силурийских рифах, которые обнажаются в окрестностях Ниагарского водопада. Он понял, что крепчайшие рифы разрушались отнюдь не под действием волн, а обглоданы кем-то вооруженным воистину железными зубами. Вскоре он установил обладателей металлических челюстей, причем не вставных, а собственных…

Хайнц Ловенштам составил славу американской науки еще и тем, что, по существу, заложил основы современной палеоэкологии, а также установил многие закономерности в формировании древних рифов, позволившие удачно прогнозировать наличие в них нефтяных запасов. Нефтяные магнаты, удивленные и уязвленные такими возможностями «чистой науки», сначала пытались выкупить данные Ловенштама, а потом несколько раз обчистили его квартиру в поисках нужной документации. Однако он отклонил заманчивые предложения, не испугался угроз и опубликовал свой труд в открытой научной печати. Книга о ниагарском силурийском рифе с тех пор стала одним из учебников для седиментологов, изучающих осадочные горные породы, и палеонтологов. Он же впервые всерьез занялся исследованиями роста различных минералов под контролем организмов.

Оказывается, в появлении естественных железных зубов нет ничего удивительного. Изначально скелеты были нечем иным, как складом ионных излишков (кальция, фосфата и прочих), отслуживших свое время в обмене веществ. А поскольку практически ничего лишнего любому живому существу не требуется, этот склад сам стал превращаться в орган, например в опорный скелет у кораллов, губок, водорослей и других рифостроителей. Именно из сросшихся известковых скелетов этих организмов и образуются рифы. Железо, являющееся одним из компонентов гемоглобина (белка, переносящего кислород) и других жизненно важных пигментов (не случайно его недостаток приводит к анемии), тоже в конце концов оказывается на складе в виде ферромагнитных оксидов (магнетит, магге-мит) или сульфидов (грейгит). Так почему бы этим запасам не найти иного применения?

Хитоны и нашли: во время отливов они вообще остаются на суше, затаившись в ямке под восемью пластинками своего панциря. Ямку, иногда в несколько сантиметров глубиной, хитон выскребает радулой — многорядной системой зубов — обычно в известняке, но может и в более прочных горных породах. Там хитоны выискивают микроскопические водоросли и бактерии, которыми питаются, попутно разрушая прибрежные скалы и превращая их в причудливые острова. Однако чтобы скоблить известняк, нужно иметь зубы крепче, чем порода. И хитоны отрастили себе железные самозатачивающиеся зубы — из магнетита (Fe₃0₄). Может, и мы со временем приспособимся отращивать себе железные (или золотые — мечтать так мечтать) зубы, поскольку собственные, гидроксилапа-титовые, с нашей необузданной тягой к нездоровой пище не справляются — и приходит кариес. Осталось только, подобно хитонам, прожить на Земле полмиллиарда лет, и полный рот золота нам обеспечен.

Акантарии — одноклеточные существа из группы ри-зарий, которые парят в толще океана, выставив из раковинки сотни тонких лучиков цитоплазмы — аксоподий, предпочли для постройки своего игольчатого скелетика использовать целестин (SrSO₄). Этот красивый небесно-голубой минерал используется человеком уже более двух тысяч лет в фармацевтике и прежде всего в пиротехнике: именно он придает праздничным фейерверкам кармино-во-красный цвет. Но вот зачем столь легко растворимый в морской воде сульфат стронция понадобился акантари-ям, совершенно неясно. Чтобы быть невидимыми? Ведь целестин прозрачный. Или акантарии появились в такое время, когда, и в таком месте, где в океан поступало много стронция и сульфата? Это мы вряд ли узнаем, поскольку целестиновый скелет растворяется, едва только акантария умирает, и в ископаемом виде не сохраняется.

Всего же организмы используют более 60 различных видов минералов.