Изотопный состав урана в осадочных породах дает возможность узнать, какой была активность микроорганизмов в древние геологические эпохи.

При упоминании урана сразу возникает ассоциация с топливом для атомных станций или начинкой ядерных боеголовок. Еще вспоминаются урановые рудники, откуда его, собственно, и добывают. Но мало кто задумывается о том, сколько урана может содержаться в морской воде. А ведь Мировой океан – это огромное естественное месторождение урана, его там, по приблизительным оценкам, около 10 миллиардов тонн, то есть на каждого жителя Земли приходится по тонне. Масштабы, конечно, впечатляют, но если поделить это количество на всю массу воды, которая содержится в морях и океанах, то получится совсем мизерная концентрация. Именно из-за такого небольшого относительного содержания мы можем спокойно отдыхать на морском побережье, не боясь лучевой болезни. Но даже микроскопический уровень химических элементов поддаётся измерению чувствительными приборами. И вот здесь самое время вспомнить про изотопный состав.

Фото: Shawn Bagley/Flickr.

Уранинит, настуран или урановая смоляная обманка – наиболее распространенный в природе минерал урана. Состоит преимущественно из оксидов урана. Фото: Rui Costa/Flickr.

Стекло с добавлением солей урана способно светиться в лучах ультрафиолетового света. Однако, не нужно думать, что радиация «светиться» - к радиоактивности это свечение не имеет никакого отношения. Фото: Danilo Russo/Flickr.

Во-первых, что такое изотоп? У каждого атома химического элемента, будь то водород, кислород или уран, есть ядро, которое состоит из протонов и нейтронов. Число протонов определяет, какой это будет элемент: например, если протон всего один – то получится водород, если протонов восемь – получится кислород, а если их станет совсем много, допустим, 92 – тогда у нас будет уран. Но кроме протонов, в ядре есть еще и другие частицы - нейтроны. Их число не влияет на то, какой получится элемент, но от них зависит его масса и некоторые другие свойства, в том числе, стабильность. Атомы, которые имеют одинаковое число протонов, но разное число нейтронов, называются изотопами одного химического элемента. 

В природе существует три изотопа урана, это уран-234, уран-235 и уран-238. Число, которое стоит после названия элемента указывает на массу его ядра. Все три изотопа урана имеют одинаковое число протонов – 92, а вот число нейтронов у них разное. У самого «толстого» изотопа их 238-92=146. У урана-235 их уже на три меньше – 143. В горных породах и в морской воде содержится в основном уран-238, в то время как урана-235 примерно в сто с лишним раз меньше. Уран, в котором содержится очень мало изотопа-235, называют обедненным, если много – обогащённым. Ядерной промышленности нужен высокий уровень изотопа-235, поэтому природный уран обогащают с помощью сложной технологической процедуры.

Но причём здесь микроорганизмы? Как оказалось, в некоторых метаболических реакциях бактериям необходимо избавляться от «лишних» электронов. Эти лишние электроны бактерия может передать растворенным в окружающей водной среде ионам, например, находящимся в воде ионам урана. «Забрав» лишние электроны от бактерий, уран переходит в нерастворимую форму и выпадает в осадок в виде неорганических солей. Но то же самое происходит и без участия бактерий: горные породы могут накапливать растворенные в океане ионы урана в результате обычных химических реакций. И, казалось бы, эти два процесса – органический и неорганический, неотличимы. Однако исследователи из политехнической школы Лозанны выяснили, что это не так.  
Для неорганического процесса осаждения абсолютно не важен изотопный состав урана – оба изотопа, уран-235 и уран-238 неотличимы с точки зрения химии. Но бактерии оказались более «привередливыми» – они предпочитали уран-238 по сравнению с его более легким 235-м изотопом. Получается, что если в древних осадочных слоях относительное содержание 238-го изотопа выше, чем в других породах, значит, эти слои образовались при участии живых микроорганизмов. Оценив содержание обоих изотопов в архейских осадочных породах из западной части Австралии, исследователи обнаружили, что тут присутствуют соли урана, образованные в результате биохимических реакций. Иными словами, 2,5 миллиарда лет назад микробы уже вовсю вмешивались в геохимические процессы.

Кстати, японские исследователи разработали метод выделения урана из морской воды с помощью специальных белковых молекул. Однако по сравнению с добычей урана из горных пород такой способ в несколько раз дороже, что пока делает его экономически невыгодным.

Фото: Shawn Bagley/Flickr, Rui Costa/Flickr, Danilo Russo/Flickr

По материалам EPFL