Существование молекул гумуса оказалось под вопросом

Наука и жизньНаука

Гумус: история органического вещества в почве

В рамках информационного партнёрства с научно-популярным сайтом biomolecula.ru публикуем журнальный вариант статьи, которая была представлена на конкурс «Био/мол/текст»-2021/2022 в номинации «Свободная тема».

Кандидат биологических наук Тимофей Чернов

Частички почвы под электронным микроскопом. Минеральные зёрна (жёлтого цвета) связаны с плёнками из смеси органических веществ и глинистых минералов (на фото — синего цвета) и тяжами из органических веществ (зелёный цвет). Фото предоставлено Ильёй Шоркуновым, Институт географии РАН

Гумус — так называют органические вещества в почве, природу которых учёные пытаются понять уже более двухсот лет. В XVIII веке его считали сгнившими остатками растений и животных и вплоть до начала XIX-го полагали, что именно гумус служит источником углерода для растений. В XХ веке пришли к выводу, что гумус состоит из сложных и устойчивых молекул, которые образуются в самой почве. А в XХI веке существование этих молекул оказалось под вопросом, и некоторые учёные предлагают вообще отказаться от термина «гумус». Но интерес к почвенной органике не угасает, ведь сейчас она считается не только источником плодородия, но и средством борьбы с глобальным изменением климата.

Первооткрыватели

Слово «гумус» (humus) родом из древнего Рима, тогда оно означало просто почву. Римские авторы трактатов по сельскому хозяйству писали, что некоторые почвы, которые они называли «жирными» (pinguis), отличаются более высоким плодородием. А ещё о том, что можно добавить в почву навоз и она станет жирнее, что бы это ни значило.

У римского поэта Вергилия кроме эпических стихов есть поэма «Георгики»1 — по сути дела, рифмованный учебник по сельскому хозяйству для начинающих. Там есть строки:

Почву жирную мы, наконец, и таким отличаем
Способом: если в руках её мять, не становится пылью,
Но наподобье смолы прилипает, клейкая, к пальцам.

Историк, писатель и натуралист Плиний Старший был не согласен с таким способом определения «жирности» почвы2:

Не обязательно жирна, клянусь
Геркулесом, земля, пристающая к
пальцам: это доказывает глина.

Звучит не очень научно, но римляне явно понимали, что почвы различаются чем-то очень важным, хотя природа этой «жирности» была им неизвестна.

Во второй половине XVIII века развиваются идеи о том, что почва образуется из органических остатков. Ломоносов в книге «О слоях земных» (1763 г.) писал, что чернозём «произошёл от согнития животных и растущих тел со временем» (эту фразу потом будут активно цитировать целые поколения российских почвоведов). Гумусом начинают называть остатки растений и животных, которые разлагаются в почве. В 1786 году немецкий учёный Франц Карл Ашар (Ахард) обработал щелочной экстракт из торфа серной кислотой и получил в колбе некий тёмный осадок. С этого момента слово «гумус» начинает означать органическое вещество, которое можно выделить из почвы таким методом.

Немецкий учёный Франц Карл Ашар первым выделил гумус из торфа. Источник: Wikimedia Commons/PD

Состав гумуса долго оставался неизвестным. Его воспринимали как загадочный «сок земли», который служит источником плодородия почвы. В XVIII веке почти полстолетия властвовала гумусовая теория питания растений шведского учёного Юхана Валлериуса и немецкого агронома Альбрехта Тэера: они считали, что растения строят свои тела из органического вещества почвы. В начале XIX века гумус изучали швед Якоб Берцелиус, голландец Геррит Ян Мульдер, немец Карл Шпренгель. Последний довольно скептически относился к идее, что растения питаются углеродом из почвы. В 1840 году вышла книга профессора Гиссенского университета Юстуса Либиха «Сельскохозяйственная химия», которая окончательно похоронила гумусовую теорию питания растений, и интерес к гумусу на некоторое время угас.

Золотой век науки о гумусе

В конце XIX века появляется новая наука — почвоведение. Гумусом снова начинают интересоваться, но уже не с агрономической, а с фундаментально-научной точки зрения. В XX веке «гумус» становится одним из наиболее важных научных терминов для почвоведов в СССР и Европе. Они изучали вещества, которые когда-то выделил Франц Карл Ашар. Методику выделения немного изменили, но сам принцип — щелочная экстракция из почвы и осаждение сильной кислотой — остался прежним. Два основных вопроса, на которые искали ответ, — это из чего состоит гумус и как он образуется. Его элементный состав (углерода 53—58%, водорода 3—4%, азота 3—5%, кислорода 31—40%) оказался похожим для разных почв — значит, эти вещества довольно универсальны.

По соотношению углерода и водорода примерно определяли, из каких структурных частей состоит вещество: для соединений с более высокой долей водорода характерны углеродные цепочки, а с более низкой — циклические соединения. Присутствие кислорода усложняло задачу, но всё равно было ясно, что в гумусе есть много циклических или ароматических единиц. В 1915 году Евгений Петрович Троицкий, первый заведующий кафедрой химии почв МГУ им. М. В. Ломоносова, после окисления гумуса выделил кислоту, в составе которой было бензольное кольцо: так стало понятно, что в гумусе точно есть ароматические группы. Позже в его составе обнаружили множество других ароматических соединений, например, мономеров лигнина и флавоноидов (веществ растительного происхождения с большим количеством бензольных колец). Американские учёные Освальд Шрайнер и Эдмунд Шори (Oswald Schreiner и Edmund C. Shorey) в 1908—1930 годах разрушали гумус кислотным гидролизом (нагреванием раствора с сильной кислотой) и получили множество разных веществ, в том числе аминокислоты и сахара — составные части белков, нуклеиновых кислот и полисахаридов.

Гипотетические формулы гумусовых веществ по Дитеру Кляйнхемпелю. Рисунок из статьи: Kleinhempel D. Ein Beitrag zur Theorie des Huminstoffzustandes. // Archives of Agronomy and Soil Science — V.14 — 1970 — Issue 1 — P. 3—14.

Эксклюзионная хроматография и метод динамического рассеяния света* позволили определить размеры молекул. Оказалось, что масса молекул гумуса составляет до сотен тысяч дальтон, то есть это очень крупные соединения. Когда появился метод радиоуглеродного датирования, попробовали определить возраст гумуса. Получились сотни или даже тысячи лет. Выходит, гумусовые вещества очень устойчивы к разложению? Иначе как бы они могли сохраниться на протяжении тысяч лет в населённой микроорганизмами почве, где органика разлагается довольно быстро?

* Эксклюзионная хроматография — способ разделить молекулы по размеру, пропуская их через пористый материал. Метод динамического рассеяния света — способ определить размеры молекул по тому, как они рассеивают луч света.

В итоге у почвенных химиков сложилась такая картина образования гумуса. Мёртвые части растений падают на поверхность почвы и разлагаются до низкомолекулярных соединений. Эти простые вещества затем постепенно начинают снова соединяться и превращаются в новые устойчивые макромолекулы — гумус. Почти то же «согнитие растущих тел» Ломоносова, только после «согнития» происходит сборка новых молекул из продуктов разложения. Этот процесс был назван гумификацией, или «вторичным синтезом». Имелось в виду, что первичный синтез происходит в телах живых организмов, а вторичный — в почве. В химическом смысле гумусовые вещества представляли как гетерополимеры с «ядром» из ароматических колец и гетероциклов и «периферией» — углеводородными цепочками с карбоксильными, фенольными, спиртовыми, амидными и другими функциональными группами. Конкретных формул этих веществ определить не удавалось, но их пытались предположить на основе состава и свойств гумусовых веществ.

Авторизуйтесь, чтобы продолжить чтение. Это быстро и бесплатно.

Регистрируясь, я принимаю условия использования

Рекомендуемые статьи

Био-механизм Био-механизм

Пауки, пожалуй, самые высокотехнологичные существа на планете

Вокруг света
Правда ли, что собаки скучают по хозяину, когда он уходит Правда ли, что собаки скучают по хозяину, когда он уходит

Что чувствует ваша собака, когда вы оставляете её одну?

ТехИнсайдер
Портрет на фоне Галактики Портрет на фоне Галактики

Чёрные дыры – самое смелое предсказание общей теории относительности Эйнштейна

Наука и жизнь
Что делает высокие температуры такими смертоносными Что делает высокие температуры такими смертоносными

Почему жара так сильно сказывается на нашем здоровье?

ТехИнсайдер
Звенигород: окно в небо Звенигород: окно в небо

Затерянный мир науки среди коттеджных посёлков и таунхаусов

Наука и жизнь
Фрукты против БАДов Фрукты против БАДов

Нужно ли летом пить витамины или достаточно сезонной еды?

Лиза
Чем грозит слабеющий гольфстрим? Чем грозит слабеющий гольфстрим?

Новые данные, уточняющие поведение Гольфстрима

Наука и жизнь
Куратор выставки «Брат Иван» — о личности и коллекции Ивана Морозова Куратор выставки «Брат Иван» — о личности и коллекции Ивана Морозова

Алексей Петухов рассказывает, какие характеры были у русских коллекционеров

РБК
Десять значимых событий 2022 Десять значимых событий 2022

Что произошло в науке за 2022 год

Наука и жизнь
Прошедшее будущее Прошедшее будущее

10 вещей, которые Пьер Карден сделал в моде первым

Weekend
Хетти Грин. Ведьма с Уолл-Стрит Хетти Грин. Ведьма с Уолл-Стрит

В городе ее знала каждая собака, а солидные бизнесмены кланялись ей за милю

Караван историй
Неслучайны связи Неслучайны связи

Мы поговорили с создателями трех тревел-проектов о том, как искать «своих»

Seasons of life
Как изменить голос в Дискорде: 4 бесплатные и простые программы на любой вкус Как изменить голос в Дискорде: 4 бесплатные и простые программы на любой вкус

4 бесплатные программы, которые помогут изменить голос в Discord

CHIP
Больше чем учитель: кто такой ментор и зачем он нужен ребенку Больше чем учитель: кто такой ментор и зачем он нужен ребенку

Зачем нужен менторинг нашим детям?

Psychologies
Как развить самодисциплину: японские правила жизни Как развить самодисциплину: японские правила жизни

Как самодисциплина помогает японцам справляться с жизненными трудностями?

Psychologies
Эффект бабочки: чешуекрылые подсказали ученым, как создать сверхматериал для звукоизоляции Эффект бабочки: чешуекрылые подсказали ученым, как создать сверхматериал для звукоизоляции

Природа уже изобрела сверхматериалы до нас

Вокруг света
Изобретение советских физиков может обеспечить энергией весь мир на миллионы лет Изобретение советских физиков может обеспечить энергией весь мир на миллионы лет

Неисчерпаемая энергия у нас прямо под ногами, только непонятно, как ее достать

ТехИнсайдер
Вы расстались: как улучшить сценарий будущих отношений? Вы расстались: как улучшить сценарий будущих отношений?

Как не попасть в капкан повторяющегося сценария отношений

Psychologies
Физики создали активную среду для непрерывного материальноволнового лазера Физики создали активную среду для непрерывного материальноволнового лазера

Установка, в которой происходит непрерывная поддержка конденсата Бозе-Эйнштейна

N+1
Пальмы больше не нужны: зачем ехать на Северный полюс и в Антарктиду Пальмы больше не нужны: зачем ехать на Северный полюс и в Антарктиду

Арктический туризм набирает популярность у российских путешественников

Вокруг света
Красноту северного полюса Харона объяснили радиолизом фотолизированного метанового инея Красноту северного полюса Харона объяснили радиолизом фотолизированного метанового инея

Ученые описали механизм окраски шапки спутника Плутона Харона в красный цвет

N+1
Самки тасманийских сцинков сменили пол в утробе матери Самки тасманийских сцинков сменили пол в утробе матери

Тасманийские сцинки могут менять соотношение полов среди потомства

N+1
Ищу себя, найду не скоро: сложности отношений с Ищу себя, найду не скоро: сложности отношений с

Непризнанный гений — это 1% вдохновения и 99% жалоб на непонимание окружающих

VOICE
Ученые секвенировали геном жителя древнеримских Помпей. Он оказался неместным Ученые секвенировали геном жителя древнеримских Помпей. Он оказался неместным

Метод дробовика помог изучить останки жителя древнеримских Помпей

Вокруг света
5 редких и до смешного простых образов Джейн Биркин, которые мы повторим этим летом 5 редких и до смешного простых образов Джейн Биркин, которые мы повторим этим летом

Джейн Биркин в ближайшие десятилетия не потеряет свой титул модной иконы

VOICE
Удар хватил: 5 российских правителей, которых подкосил инсульт Удар хватил: 5 российских правителей, которых подкосил инсульт

Болезнь, которая не обходит стороной ни бедняков, ни государей

Вокруг света
Чтение выходного дня: как начиналась Февральская революция? Глава из книги Сергея Минаева «Бунт и смута на Руси» Чтение выходного дня: как начиналась Февральская революция? Глава из книги Сергея Минаева «Бунт и смута на Руси»

Отрывок из книги «Бунт и смута на Руси» — о февральской революции

Правила жизни
Белые медведи с юго-востока Гренландии из-за нехватки морского льда перешли на пресный Белые медведи с юго-востока Гренландии из-за нехватки морского льда перешли на пресный

Как белые медведи приспосабливаются к глобальному потеплению?

N+1
Дело Бейлиса и миф об иудейском заговоре в России начала XX века. Отрывок из книги Дело Бейлиса и миф об иудейском заговоре в России начала XX века. Отрывок из книги

Отрывок из истории, которая стала символом пугающей силы лжи

СНОБ
Люди находят друзей по запаху: необычное исследование израильских ученых Люди находят друзей по запаху: необычное исследование израильских ученых

Новые знакомые, пахнущие так же, как мы, вызывают у нас неосознанную симпатию

Psychologies
Открыть в приложении