Без химията на организмите много „камъни” не биха съществували

Някога, много отдавна, в нашата Вселена не е имало и един минерал. Причината е проста – в свръхгорещата среда веднага след Големия взрив просто не са съществували твърди вещества, пише сп. „Сайънтифик Америкън”. Едва 5000 века след сътворението са се появили първите атоми – водород, кислород и малко литий. Още няколко милиона години минават, преди разсеяните из Космоса газове да се сгъстят в мъглявини и в първите звезди.

Но едва след като някои от тези примитивни светила се взривяват като свръхнови заради прекалено голямата си маса, в пространството политат продуктите на ядрения синтез – почти всички елементи от Менделеевата таблица. И тогава са синтезирани първите молекули на бъдещите твърди минерали.

Но повечето от тях, като отделни частици, без уникалните си кристални решетки, от които произтичат неповторимите им свойства, си остават самотни странници сред новообразуваните газово-прашни космически облаци.

Кои са били първите?

Според учените най-рано са се пoявили микроскопични кристали диамант и графит, съставени от въглеродни атоми, както знае всеки ученик. Скоро след това се появяват карборунд (муасанит) и осборнит (титаниев нитрид), днес известни повече в свръхтвърдите си синтетични форми, използвани за направа на инструменти. Към тях се добавят и някои окиси и силикати. Десетки милиони години това са били единствените „камъчета” във Вселената.

Сравнението с днешната картина на нашата планета е смайващо – само известните видове минерали на Земята са над 4400. Още по-забележителни са причините за това разнообразие – защото произтичат от уникалната структура на космическия ни дом, както и от това, че той е обитаем.

От няколко години насам екипът на проф. Робърт Хейзън от Геофизичната лаборатория на САЩ във Вашингтон работи по ново „родословие” на минералите, което разкрива някои неподозирани досега факти от семейната им история. Те въвеждат доскоро пренебрегваните измерения на времето и еволюцията в минералогията.

За осемте души от този екип нямало съмнение, че истинската еволюция на минералите започва с появата на скалните планети, подобни на нашата Земя – те са истинските заводи за минерали във Вселената. През последните 4,5 млрд. години нашата планета е преминала през редица етапи, всеки със свои уникални явления, довели до драматични изменения и обогатяване на минералогията по повърхността й.

Някои от детайлите в тази „каменна” история са спорни и тепърва ще се уточняват, но общата картина е ясна. Най-впечатляващото в нея е, че животът не е просто плесен върху вечните скали на Земята. Той е най-активен съучастник в преобразуването им в различни нови видове минерали.

Това предполага, че минералогията може да се окаже и важен инструмент в търсенето на живот извън нашата планета. Не е изключено именно стабилни минерални проби от близкия и далечен Космос да дадат сигурен отговор на въпроса „Има ли някой там?”, вместо крехките, ефимерни органични молекули.

Планетите се раждат в звездни мъглявини, „засявани” с материя от избухващи свръхнови звезди.

По-голямата част от мъглявината бързо се свива към центъра си, образувайки съответната звезда, а останалият материал образува огромен диск, въртящ се около светилото. Тези останки постепенно се слепват във все по-големи тела – рохкави буци с размерите на песъчинки, камъчета, юмрук. В този първичен прах са представени дузината примитивни минерали, заедно с други атоми и молекули.

Запалването (началото на термоядрените реакции) на младата звезда води до драматични промени: огнената й ласка започва да преработва първичния прах и газ. В нашата система този момент е настъпил преди около 4,6 млрд. години. Слънчевата топлина разтопила и премесила елементите, при което се появяват кристали на десетки нови минерали. На този първи етап от минералната еволюция се раждат желязно-никелови сплави, сулфиди, фосфати, куп окиси и силикати. Много от тези минерали се откриват в най-древните метеорити под формата на „хондрули” – разтопени капки от някога стопена скала. Същите метеорити-хондрити са донесли до наши дни и дузината първични минерали – като нано- и микроскопични гранули.

В родилната мъглявина на Слънцето хондрулите бързо се слепват в планетезимали – зародиши на планети, като някои от тях нарастват до над 150 км в диаметър. Тези размери са достатъчни рохкавите предпланети частично да се топят и материалът в тях да се разпределя в концентрични пластове от отделни минерали – а в центъра да се образува плътно, богато на метали ядро. Честите сблъсъци между тези тела добавят ударна и топлинна енергия в процеса на образуване на все по-големи обекти. Така в най-големите планетезимали се раждат и нови минерали. Водата също играе своята роля. Тя винаги е била в системата под формата на ледени прашинки в предслънчевата мъглявина. Прашинките пък се топят и отлагат като лед по цепнатините и разломите на планетезималите. В течната си и газообразна форма водата участва в образуването на други нови минерали.

При тези динамични процеси на планетообразуване се появяват около 250 различни вида минерали. Това са строителните материали, от които се образува всяка скална планета.

И до днес тези „тухли” падат на Земята под формата на разнообразни метеорити.

Под този дъжд, много по-проливен в младостта на Слънчевата система, планетата ни непрекъснато увеличавала размерите си, същото ставало и с друго тяло, летящо по приблизително същата орбита. Тази друга планета, наричана Тея, била с диаметъра на Марс и в един момент, само стотина милиона години след образуването на системата ни, се сблъсква със Земята. Ударът е фалцов, затова по-голямата част от останките се слепват в познатата ни Луна, друга порция от късовете още стотина милиона години кръжи около Земята във вид на пръстени.

Тази катастрофа обяснява големия въртящ момент в системата Земя-Луна и някои необичайни характеристики на Луната: нейният състав е почти идентичен с този на земната мантия, а желязното й ядро е много по-малко от очакваното за „самородна” планета, уловена от Земята – защото ядрото на Тея се слива с това на планетата ни.

По онова време по повърхността вече са се появили и много редки елементи – уран, берилий, злато, арсен, олово и други. Те могат да образуват разнообразни минерали. След удара разтопената до лава Земя започва да се охлажда. Лавата започва да се превръща в тънка кора от базалтови скали.

В последвалия еон на Хадес много нови минерали се образуват при постоянното изстиване и повторно втечняване на лавата (под кората), както и при изветрянето под действието на младите океани и атмосферата. След безброй цикли на „преваряване” големи количества редки елементи достигат достатъчни концентрации, за да образуват нови поколения екзотични минерали.

Не всяка планета може да стане такава фабрика за минерали. Малкият, сух Меркурий и точно толкова сухата наша Луна са геологично мъртви, там не е имало особено силни разтапяния. Затова на такива тела едва ли има повече от 350 различни вида минерали. Марс, където има малко вода, може да е произвел малко повече – може би около 500.

Земята е по-голяма, по-гореща и затова има много начини да създава нови минерали. Всички скални планети са преминали фази на мащабна вулканична дейност, но само Земята (и може би Венера) са разполагали с достатъчно вътрешна топлина, за да рециклират изстиналата базалтова лава в други магмени скали, наречени гранитоиди – гранитите са от тях. Те представляват едрозърнести минерални смеси, включително от кварц (като пясъка по плажовете), фелдшпат (най-често срещания минерал в земната кора) и слюда. Всички тези минерали са създадени по-рано като дребни песъчинки в големите планетезимали, но за първи път се появяват в изобилие в геологичния портфейл на Земята благодарение на гранитообразуващите процеси.

Така планетарната ни „тенджера” концентрира редки, „несъвместими” елементи, които не се сработват кристалографически с по-обичайните минерали. Появяват се над 500 уникални минерала, включително гигантски кристали, богати на литий, берилий, бор, цезий, тантал, уран и още десетина други редки елементи. За да се превърнат те в минерали, е необходимо време – според някои учени повече от милиард години.

Земята се сдобива с още видове минерали чрез тектониката на литосферните плочи на океанските дъна. Така се образува нова земна кора през вериги от вулкани, докато старата кора се претопява, навлизайки към мантията в зоните на подпъхване. В процеса се топят огромни количества влажни, химически разнообразни скали – и се образуват нови концентрации от редки елементи. В сулфидни залежи с такъв произход се раждат стотици нови минерали, там са и някои от най-големите запаси от метални руди. Други стотици нови видове минерали се появяват на повърхността на Земята, когато тектоничните сили повдигат и излагат на атмосферно въздействие дълбочинните скали, образувани при високи налягания – като нефрит например.

Около 1500 вида минерали са породени от динамични процеси, в които участват кората и мантията през първите 2 млрд. години от съществуването на планетата ни. Но днес ние познаваме 4400 различни минерала. Как се е утроило разнообразието им?

Причината е животът.

Биосферата отличава Земята от всички други планети и луни и точно тя е променила безвъзвратно приповърхностната среда на планетата – най-вече океаните и атмосферата, но също така и скалите и минералите.

Първопроходците на живота – примитивните едноклетъчни, „хранещи” се с химическата енергия на скалите – не са оказали сериозно влияние на минералогията на Земята. Учените са открили минерални следи от живот отпреди 3,5 млрд. години – морски рифове, изградени от калциев карбонат (скелети и черупки), както и железни окиси, поели първите атоми кислород, освободени от живи организми. Но тези първи форми не са променили броя на минералните видове, нито тяхното разпределение.