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

«Каменный цветок» среднерусских лесов «Каменный цветок» среднерусских лесов

Молодило русское и молодило шароносное — «спартанцы» растительного мира

Наука и жизнь
Путь самурая: как философия бусидо помогает сохранить честь в сложные времена Путь самурая: как философия бусидо помогает сохранить честь в сложные времена

Как современный человек может рассматривать кодекс чести самурая

Forbes
Звенигород: окно в небо Звенигород: окно в небо

Затерянный мир науки среди коттеджных посёлков и таунхаусов

Наука и жизнь
Работает ли современная медицина и может ли она нанести вред Работает ли современная медицина и может ли она нанести вред

Эффективны ли применяемые сегодня методы лечения?

TechInsider
Город, рассказывающий истории Город, рассказывающий истории

Как Нижний Новгород стал одним из главных направлений внутреннего туризма

Правила жизни
Как охладить котиков в жару: 6 способов защитить питомца от перегрева Как охладить котиков в жару: 6 способов защитить питомца от перегрева

Как легко помочь котику избежать перегрева?

TechInsider
Даниил Галицкий, изворотливый король Даниил Галицкий, изворотливый король

В Галицко-Волынском княжестве монголы впервые не смогли взять одну из крепостей

Дилетант
Как общаться с прорабом и строителями, чтобы тебя не обманули: 4 совета от опытного дизайнера Как общаться с прорабом и строителями, чтобы тебя не обманули: 4 совета от опытного дизайнера

О чем важно сразу договориться с ремонтной бригадой и как проверять этапы работ

Maxim
Конец Бонапарта Конец Бонапарта

Наполеон встретил смерть так же хладнокровно, как вражеские ядра и пули

Дилетант
«Плохие оценки помогли мне преуспеть в бизнесе»: 4 вывода «Плохие оценки помогли мне преуспеть в бизнесе»: 4 вывода

Предприниматель делится своей парадоксальной историей успеха

Psychologies
«Завтра я буду читать и писать»: блестящий чепчик, нарциссы и муми-тролли в любимых книгах писательницы Полины Барсковой «Завтра я буду читать и писать»: блестящий чепчик, нарциссы и муми-тролли в любимых книгах писательницы Полины Барсковой

Писательница Полина Барсковая о безжалостном Шварце и «отдельности» Туве Янссон

Правила жизни
Час состязаний настал: как стоики учат справляться со страхом смерти Час состязаний настал: как стоики учат справляться со страхом смерти

Отрывок из книги философа Джона Селларса «Как жить»

Forbes
Синдром самозванца: есть ли он у тебя и как его побороть Синдром самозванца: есть ли он у тебя и как его побороть

Откуда берется синдром самозванца, мешающий жить и работать

Maxim
Голая правда: путь к себе через нудистский пляж Голая правда: путь к себе через нудистский пляж

Как наша телесная обнаженность влияет на наше самоощущение?

Psychologies
Связь с телом: почему мы не слышим его сигналы и чем это опасно Связь с телом: почему мы не слышим его сигналы и чем это опасно

Наше тело — сложный и тонкий механизм, и оно постоянно подает нам сигналы

The Voicemag
Мауро Колагреко: «Исследуйте землю» Мауро Колагреко: «Исследуйте землю»

Разговор с шеф-поваром, собравшим три звезды Michelin

Bones
В Тихом океане обнаружена огромная область аномально активных гидротермальных источников В Тихом океане обнаружена огромная область аномально активных гидротермальных источников

Найдены самые горячие гидротермальные источники в восточной части Тихого океана

TechInsider
Опасные незнакомцы Опасные незнакомцы

Как объяснить ребенку правила общения с чужими людьми

Лиза
Одна вокруг света: озеро Титикака и ворота в Боливию Одна вокруг света: озеро Титикака и ворота в Боливию

180-я серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко: в Боливию

Forbes

Гуф и Murovei — о том, как они изменились за два года

Правила жизни
Как выбрать пуско-зарядное устройство для автомобиля: основные принципы Как выбрать пуско-зарядное устройство для автомобиля: основные принципы

На что обратить внимание при подборе пуско-зарядного устройства для авто

CHIP
Там, где притаились тени: лабиринт ночи на Марсе Там, где притаились тени: лабиринт ночи на Марсе

Пару миллиардов лет назад Марс мог быть ещё одной колыбелью жизни

Наука и жизнь
Зачем в СССР создавали грандиозные дворцы питания, и почему они исчезли Зачем в СССР создавали грандиозные дворцы питания, и почему они исчезли

Фабрики-кухни, которые начали строить в СССР, быстро окрестили дворцами питания

The Voicemag
Как жить дальше после расставания: 3 совета Как жить дальше после расставания: 3 совета

Что мешает нашему разбитому сердцу исцелиться?

Psychologies
5 самых необычных снарядов, которыми стреляли из пушек 5 самых необычных снарядов, которыми стреляли из пушек

На протяжении веков пушки были одним из важнейших элементов войны

TechInsider
Образ жизни: Капитуровы Образ жизни: Капитуровы

Лесной дом под Всеволожском

Собака.ru
От плоскостопия до артроза От плоскостопия до артроза

Уже после 30 можно столкнуться с неприятностями, связанными с ногами

Лиза
Тернистый путь к Тернистый путь к

Перед тем как выйти на красные дорожки, актеры залечивают раны

TechInsider
Когда Млечный путь столкнется с Туманностью Андромеды, возникнет новая галактика. Но человечество этого уже не увидит Когда Млечный путь столкнется с Туманностью Андромеды, возникнет новая галактика. Но человечество этого уже не увидит

Через несколько миллиардов лет Млечный Путь и галактика Андромеды столкнутся

TechInsider
Взгляд в будущее Взгляд в будущее

Минимализм — стиль, который сейчас переживает второе рождение

SALON-Interior
Открыть в приложении