Ізотопний склад урану в осадових породах дає можливість дізнатися, якою була активність мікроорганізмів у стародавні геологічні епохи.
При згадці урану відразу виникає асоціація з паливом для атомних станцій або начинкою ядерних боєголовок. Ще згадуються уранові рудники, звідки його, власне, і добувають. Але мало хто замислюється про те, скільки урану може міститися в морській воді. Адже Світовий океан - це величезне природне родовище урану, його там, за приблизними оцінками, близько 10 мільярдів тонн, тобто на кожного жителя Землі припадає по тонні. Масштаби, звичайно, вражають, але якщо поділити цю кількість на всю масу води, яка міститься в морях і океанах, то вийде зовсім мізерна концентрація. Саме через такий невеликий відносний зміст ми можемо спокійно відпочивати на морському узбережжі, не боячись променевої хвороби. Але навіть мікроскопічний рівень хімічних елементів піддається вимірюванню чутливими приладами. І ось тут саме час згадати про ізотопний склад.
По-перше, що таке ізотоп? У кожного атома хімічного елемента, будь то водень, кисень або уран, є ядро, яке складається з протонів і нейтронів. Число протонів визначає, який це буде елемент: наприклад, якщо протон всього один - то вийде водень, якщо протонів вісім - вийде кисень, а якщо їх стане зовсім багато, припустимо, 92 - тоді у нас буде уран. Але крім протонів, в ядрі є ще й інші частинки - нейтрони. Їх число не впливає на те, який вийде елемент, але від них залежить його маса і деякі інші властивості, в тому числі, стабільність. Атоми, які мають однакове число протонів, але різне число нейтронів, називаються ізотопами одного хімічного елемента.
У природі існує три ізотопи урану, це уран-234, уран-235 і уран-238. Число, яке стоїть після назви елемента вказує на масу його ядра. Всі три ізотопи урану мають однакове число протонів - 92, а ось число нейтронів у них різне. У самого «товстого» ізотопу їх 238-92 = 146. Біля урану-235 їх вже на три менше - 143. У гірських породах і в морській воді міститься переважно уран-238, тоді як урану-235 приблизно в сто з гаком разів менше. Уран, в якому міститься дуже мало ізотопу-235, називають збідненим, якщо багато - збагаченим. Ядерній промисловості потрібен високий рівень ізотопу-235, тому природний уран збагачують за допомогою складної технологічної процедури.
Але причому тут мікроорганізми? Як виявилося, в деяких метаболічних реакціях бактеріям необхідно позбавлятися від «зайвих» електронів. Ці зайві електрони бактерія може передати розчиненим у навколишньому водному середовищі іонам, наприклад, іонам, які перебувають у воді. «Забравши» зайві електрони від бактерій, уран переходить у нерозчинну форму і випадає в осад у вигляді неорганічних солей. Але те ж саме відбувається і без участі бактерій: гірські породи можуть накопичувати розчинені в океані іони урану в результаті звичайних хімічних реакцій. І, здавалося б, ці два процеси - органічний і неорганічний, невідгукнуті. Однак дослідники з політехнічної школи Лозанни з'ясували, що це не так.
Для неорганічного процесу осадження абсолютно не важливий ізотопний склад урану - обидва ізотопи, уран-235 і уран-238 невідличні з точки зору хімії. Але бактерії виявилися більш «вибагливими» - вони надавали перевагу урану-238 порівняно з його більш легким 235-м ізотопом. Виходить, що якщо в древніх осадових шарах відносний вміст 238-го ізотопу вище, ніж в інших породах, значить, ці шари утворилися за участю живих мікроорганізмів. Оцінивши вміст обох ізотопів в архейських осадових породах із західної частини Австралії, дослідники виявили, що тут присутні солі урану, утворені в результаті біохімічних реакцій. Іншими словами, 2,5 мільярда років тому мікроби вже щосили втручалися в геохімічні процеси.
До речі, японські дослідники розробили метод виділення урану з морської води за допомогою спеціальних білкових молекул. Однак порівняно з видобутком урану з гірських порід такий спосіб у кілька разів дорожче, що поки робить його економічно невигідним.
Фото: Shawn Bagley/Flickr, Rui Costa/Flickr, Danilo Russo/Flickr
За матеріалами EPFL