Углерод, пожалуй, следует считать важнейшим элементом на Земле. Углерод – это ключ к пониманию изменений климата и окружающей среды. Углерод с давних пор является важнейшим источником энергии. Углерод – решающий элемент для развития жизни и к тому же основной элемент в разработке новых лекарственных препаратов и другой продукции. Нам необходимо лучше узнать углерод, причем не только его поверхностные проявления в океане, атмосфере, горных породах и живых организмах, но и саму его суть.

В 2009 г. Фонд Альфреда Слоуна совместно с Геофизической лабораторией запустил проект Обсерватории глубинного углерода (DCO), грандиозную, рассчитанную на десять лет программу исследования углерода в масштабах планеты, особенно его химической и биологической роли в недрах Земли. Где располагается углерод? Насколько велики его ресурсы? Как он перемещается к поверхности и от нее? Насколько распространена глубинная биосфера?

Этот междисциплинарный и международный проект уже привлек сотни исследователей из десятков стран. Цели у нас самые разные: от составления глобального реестра глубинных микроорганизмов до мониторинга выбросов углекислого газа из всех действующих на планете вулканов. Но самой главной задачей DCO является выяснение происхождения углеводородов, от метана до нефти. Геохимик Эд Янг и его коллега Эдвин Шойбле, оба из Калифорнийского университета в Лос-Анджелесе, считают, что изотопы могут послужить ключом, который поможет выяснить, что является источником просачивающегося метана на дне океана – минералы или микроорганизмы. Но их теоретические выкладки не могут быть проверены путем простого сопоставления тяжелых и легких изотопов. Эд Янг намерен измерить изотопологи.

Изотопологи – это химически идентичные молекулы, которые различаются только по составу изотопов. Метан, состоящий из одного атома углерода и четырех атомов водорода, существует в виде целого ряда изотопологов. Примерно 99,8 % всех атомов углерода являются более легкой разновидностью углерода – углеродом-12, но на каждые пятьсот атомов приходится один тяжелый изотоп углерода-13. Аналогично водород обычно бывает представлен легким вариантом (строго говоря, это водород-1, но его обычно называют просто водород), но существует также и более тяжелый изотоп – водород-2, который обычно называют дейтерием. Соотношение водорода и дейтерия на Земле примерно равно тысяча к одному. Эти пропорции означают, что одна из каждых пятисот молекул метана содержит изотоп углерода-13, а примерно четыре из каждой тысячи молекул метана содержат дейтерий.

Следовые количества каждого из двух тяжелых изотопов довольно трудно измерять, но Эд Янг с коллегами охотятся вовсе не за ними. Они намереваются измерить неуловимые, дважды замещенные изотопологи метана – примерно одну молекулу метана на миллион, которая содержит либо одновременно углерод-13 и дейтерий (обозначаемую ¹³CH₃D), либо два дейтерия (¹²CH₂D₂). По подсчетам Эдвина Шойбле, соотношение этих двух редких изотопологов в каждом отдельно взятом образце метана может служить чувствительным индикатором температуры, при которой формировался метан. Все дело именно в температуре: если данный метан образовался при температуре ниже 100 °С, то это свидетельствует о его органическом происхождении; если он формировался при температуре выше 500 °С, то он, вероятнее всего, неорганический.

На бумаге этот замысел выглядит замечательно. Однако проблема в том, что в мире не существует прибора, способного измерить соотношение между ¹³CH₃D и ¹²CH₂D₂. Обычный изотопный анализ проводится на масс-спектрометре, измеряющем процесс разделения в соответствии с их массами. Эти два изотополога различаются по массе меньше чем на одну сотую процента, а потому попытки различить их сопровождаются существенными осложнениями. К тому же изотопологи встречаются в крайне малых концентрациях, что еще более затрудняет их анализ. Эду Янгу и его сотрудникам понадобился прибор с гораздо более высокой способностью различать массы и узнавать молекулы. Поэтому одним из первых шагов, предпринятых Обсерваторией глубинного углерода, стал сбор средств для разработки опытного образца такого инструмента, стоимостью 2 млн долларов, пригодного для измерения содержания изотопологов в метане. (В этом приняли участие также Национальный научно-исследовательский фонд США, Департамент энергетики США, корпорация Shell Oil и Институт Карнеги в Вашингтоне.) Предприятие весьма рискованное. Чтобы создать такой прибор, понадобятся годы, а затем уйдет еще несколько лет, пока мы не убедимся, что он действует. Оправданием такому риску служит возможность получить определенный ответ на вопрос об источниках образования глубинного метана, а также представление об участии метана в кардинальном изменении климата на планете.