Изотопный анализ и происхождение Солнечной системы

Раньше всего радиоуглеродный анализ нашёл широкое применение в биологических исследованиях.

Благодаря методу меченых атомов (т.е. искусственно вводимой изотопной метке) удалось определить

последовательность многих биохимических реакций, проследить пути миграции вещества в организме.

В настоящее время результативными являются приложения изотопии в области рудной геологии,

изучении палеоклимата, нефтегазовой геологии, изучении истории океана и т.д..

Но есть свои особые направления, в отношении которых изотопные методы оказываются наиболее

плодотворными.

Одно из таких направлений - возникновение Солнечной системы, формирование Земли, то есть эта проблема касается тех начал бытия, представления о которых всегда лежали в области гипотез.

Исследование изотопного состава элементов в метеоритах в 50-е годы привело к важному для того времени выводу о генетическом единстве вещества Солнечной системы. Небольшие вариации изотопного состава были вполне объяснимы процессами фракционирования изотопов, а также ядерными реакциями, протекающими под воздействием солнечного и галактического излучений.

Новая ситуация возникла, когда в начале 60-х годов была обнаружена изотопная аномалия ксенона в метеорите Richardton. Наблюдавшийся избыток  ¹²⁹Хе должен был, согласно расчетам, образоваться путем распада изначально присутствовавшего в веществе метеорита ¹²⁹I. Аналогичным образом было показано, что избытки ¹³⁴Хе и ¹³⁶Хе могут быть приписаны распаду первичного ²⁴⁴Рu.

Принципиальная важность этого факта определялась тем, что ¹²⁹I и ²⁴⁴Рu имеют сравнительно короткий период полураспада (16млн. и 82 млн. лет соответственно). Продукты их распада могли сохраниться в метеоритах лишь при условии, что синтез этих элементов произошел незадолго до образования твердых частиц или тел, способных удерживать газ.

Это послужило основанием для развития представления о том, что образованию Солнечной системы предшествовал взрыв сверхновой, добавивший свежесинтезированные ядра, в том числе короткоживущих изотопов, к газопылевому веществу протосолнечной туманности. По мнению ряда исследователей, сам этот взрыв мог быть тем спусковым механизмом, который обусловил развитие гравитационного коллапса в протосолнечной туманности и привел в конечном счете к возникновению Солнечной системы.

В 70-е и 80-е годы стали накапливаться данные о все новых изотопных аномалиях. Был описан неон необычного изотопного состава, который мог образоваться либо в результате мощного облучения с большим выходом ²²Nе, либо вообще представлял собой особую нуклеогенетическую разновидность. Затем обнаружилась изотопная аномалия кислорода в углистых хондритах. Аномалия состояла в нарушении обычного, зависящего от масс изотопов соотношения

между величинами ¹⁸О и ¹⁷О (*), что было объяснено добавлением только изотопа ¹⁶О к веществу Солнечной системы. Изотоп ²⁶Мg в ряде метеоритов оказался избыточным, причем наблюдалась корреляция между его избытком и отношением Аl/Мg в соответствующих образцах.

Одним из наиболее интересных фактов было открытие изотопных аномалий Те, Ва, Nd, Sm. Впервые были обнаружены аномалии, связанные не с новообразованием отдельных ядер, а с изменением относительной распространенности целой изотопной плеяды, которой располагают эти элементы. Это позволило идентифицировать конкретный процесс нуклеогенеза, ответственный за синтез избыточных ядер. Так, в метеорите Allende изотопная аномалия самария проявилась в избыточности ядер ¹⁴⁴Sm, ¹⁴⁷Sm, ¹⁴⁹Sm, ¹⁵²Sm, ¹⁵⁴Sm. Перечисленные изотопы относятся к числу неэкранированных ядер самария, которые возникают в процессе нуклеогенеза на определенной фазе развития сверхновой. Аномальные изотопные отношения были установлены также для Рb, Нg, U, Cа, Аg и других элементов. Анализ выявленных изотопных

аномалий показал, что они не могут быть продуцированы в рамках одного нуклеогенетического эпизода. Отсюда следует, что вещество Солнечной системы представляет смесь ядерно-разнородного материала, синтезированного во время разных космических событий.

Долгое время считалось, что на ранней стадии вещество Солнечной системы представляло собой высокотемпературный газ, по мере остывания которого происходило образование твердых частиц, объединившихся затем в планетоземали, а последние — в планетные тела. Открытие изотопных аномалий поставило под сомнение ряд постулатов. По-видимому, носителями аномалий были твердые межзвездные частички досолнечного вещества, которые смогли выжить в процессе образования Солнца и планет. Иначе говоря, формирование Солнечной системы протекало таким образом, что по крайней мере часть вещества избежала стадии однородного газа.

В составе межзвездной пыли существенную роль

играет углеродистое вещество, с которым как раз связаны необычные изотопные отношения. Вполне вероятно, что оно образовалось не в результате конденсации высокотемпературного газа или дифференциации на родительских телах метеоритов, как полагали ранее, а унаследовано непосредственно от досолнечного межзвездного пылевого вещества.

В высокоуглеродистой фазе метеоритов обнаружены аномально высокие содержания тяжелых изотопов, водорода, углерода, азота (D,¹³С, ¹⁵N). Органический полимер, концентрирующийся в остатке после обработки метеоритов смесью соляной и плавиковой кислот, обнаруживает высокое содержание дейтерия. Измеренное изотопное отношение D/Н достигает величины 85x10^-5, что в 5 раз выше, чем в земном водороде, где оно 16x10^-5, иначе говоря, составляет 4200 промилле, а по сравнению с космическим водородом (2x10^-5) более чем в 40 раз. Подобное обогащение может быть обусловлено фракционированием изотопов между соединениями водорода, но только при очень низких температурах. Например, между СН₄ и Н₂ коэффициент фракционирования теоретически составляет 85 при температуре 100 К. Изотопное равновесие в этом случае может осуществляться посредством реакции изотопного обмена между молекулярным водородом (Н₂) и ионизированными органическими молекулами (ХН⁺).

Такие реакции могут протекать в условиях низких температур космического пространства. Присутствие органических соединений в космосе хорошо установлено. Как полагают, они составляют значительную часть вещества космической пыли. Поэтому межзвездную пыль можно уподобить губке, отсасывающей дейтерий из межзвездной среды. Спектроскопические наблюдения действительно показывают, что органические молекулы в космосе обогащены дейтерием.

Подобный механизм обогащения малоэффективен для изотопов углерода. Поэтому фракции, имеющие аномальный изотопный состав водорода, не выделяются по изотопному составу углерода. Это величины ¹³С в пределах — 7-20 промилле, обычные для органического компонента углистых хондритов. Однако в метеоритах встречается и аномальный углерод. Например, в метеорите Мерчисон изотопный состав углерода фракции, выделенной при высокой температуре, характеризовался не имеющей земных аналогов величиной ¹³С

+ 1100 промилле. В земных образцах величина ¹³С изменяется в основном в диапазоне от +10 до -90 промилле. В

очень редких и специальных случаях природные образцы на Земле имеют ¹³С  от +30 до + 50 промилле. Высокую обогащённость изотопом

¹³С определенных фракций метеоритов следует в этом случае связать с присутствием углерода, образовавшегося в определенных условиях. Известно, что при взрыве красных гигантов в космическое пространство выбрасывается углерод с сильно сдвинутым в пользу ¹³С отношением изотопов (¹³С +35000 промилле).

Выявление в составе метеоритов, главным образом в составе наиболее примитивных углистых хондритов, реликтов межзвездного вещества открывает возможность изучить вещество, явившееся предшественником Солнечной системы.

С другой стороны, известно, что по ряду важных признаков (изотопным составам элементов, соотношению летучих) вещество верхней оболочки Земли обнаруживает сродство с веществом углистых хондритов. В этой связи возможно, что вещество типа углистых хондритов поступило в значительной массе (расчет показывает, что эта масса имеет порядок массы земной коры) на поверхность Земли в конце ее формирования или в какой-то момент ее ранней истории. Углистые хондриты богаты не только углеродом, но и водой. Расчет показывает, что они могли стать источником всей воды на Земле. Время поступления углерода и воды на поверхность Земли есть время, когда появились первые предпосылки возникновения жизни. Углистые хондриты, как известно, содержат разнообразные органические соединения, включая аминокислоты, порфирины, нуклеотиды и т. п. Если органические соединения в составе выпавшего вещества могли хотя бы частично сохраниться, то это обусловило бы сразу высокий фон восстановленных соединений углерода, имеющих предбиологическое значение, в первичных водоемах. Тогда выстраивается непрерывная генетическая линия от форм углерода в межзвездной пыли и до первичных форм углерода на Земле. Исследование ее является, на наш взгляд, важным подходом к пониманию происхождения жизни.

Механизм образования Земли и планет, дифференциации их на оболочки, формирования земного ядра, возникновения и эволюции континентов и океана все еще остается неясным даже в самых главных чертах.

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

* Величина в общем виде определяет отклонение изотопного отношения элемента в изучаемом объекте от соответствующего отношения в международном стандарте. В данном случае, когда речь идет о кислороде, в качестве международного стандарта принято отношение изотопов (¹⁸О/¹⁶О) в морской воде.

* При подготовке материала был использован материал статьи

С.Эпстайна и Э.Галимова «Химия изотопов: от археологии Вселенной до

экологического контроля»