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

Маршруты Сикстинской Мадонны Маршруты Сикстинской Мадонны

«Сикстинской Мадонне» было суждено пережить много приключений

Дилетант
От «Лолиты» до «Лауры» От «Лолиты» до «Лауры»

Гид по англоязычным романам Владимира Набокова

Weekend
Портрет на фоне Галактики Портрет на фоне Галактики

Чёрные дыры – самое смелое предсказание общей теории относительности Эйнштейна

Наука и жизнь
«Синдром внезапного богатства»: когда деньги — это стресс «Синдром внезапного богатства»: когда деньги — это стресс

Богатство часто бывает разрушительно

Psychologies
Звенигород: окно в небо Звенигород: окно в небо

Затерянный мир науки среди коттеджных посёлков и таунхаусов

Наука и жизнь
Самосострадание или высокая самооценка: что важнее и почему? Самосострадание или высокая самооценка: что важнее и почему?

Что делать, чтобы приобрести навык самосочувствия?

Psychologies
Дорога в «парадиз» Дорога в «парадиз»

В августе 1700 года Пётр начал, без объявления, войну со Швецией

Дилетант
История одного здания: комплекс домов страхового общества «Россия» История одного здания: комплекс домов страхового общества «Россия»

Интересные подробности о комплексе зданий страхового общества «Россия»

Культура.РФ
Опасные гидраты и где они обитают Опасные гидраты и где они обитают

Потепление климата связывают с ростом в атмосфере количества парниковых газов

Наука и жизнь
Картина в деталях: «Обнаженная в кресле» Роберта Фалька Картина в деталях: «Обнаженная в кресле» Роберта Фалька

Почему Фальк написал свою натурщицу в таких необычных тонах?

Культура.РФ
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
5 неочевидных врагов идеальной улыбки 5 неочевидных врагов идеальной улыбки

Коктейли, каркаде, семечки — что еще может испортить твою улыбку?

Лиза
Почему не стоит гнаться за счастьем? Тезисы из выступления американского писателя Почему не стоит гнаться за счастьем? Тезисы из выступления американского писателя

Как начать жить в настоящем, а не ждать идеального будущего

Правила жизни
Координационный полимер помог разделить смесь изомерных ксилолов Координационный полимер помог разделить смесь изомерных ксилолов

Селективность адсорбции оказалась рекордной

N+1
Лихорадочная работа: мозг человека способен разогреваться до 40,5ºС Лихорадочная работа: мозг человека способен разогреваться до 40,5ºС

Мозг здорового человека может достигать температуры в 40,5ºС

Вокруг света
Сезонные десерты от GRANDPRO Сезонные десерты от GRANDPRO

Новые продукты и технологии позволяют создавать необычные блюда и десерты

Bones
Можно ли прожить без «обнимашек»? Можно ли прожить без «обнимашек»?

Прикосновения играют огромную роль в нашей жизни

Здоровье
Нина Хрущёва vs Джеки Кеннеди Нина Хрущёва vs Джеки Кеннеди

Встречались не только президенты, встречались и их жёны

Дилетант
«Мне стало казаться, что за мной следят спецслужбы»: история читательницы «Мне стало казаться, что за мной следят спецслужбы»: история читательницы

Что делать, если кажется, будто каждый наш шаг находится под чьим-то контролем?

Psychologies
Палеогенетики подтвердили родство таштыкских мумий с сибирскими скифами Палеогенетики подтвердили родство таштыкских мумий с сибирскими скифами

Ученые впервые прочитали геномы представителей таштыкской культуры

N+1
Секретный шифр: в чем разница между классической, квантовой и постквантовой криптографиями Секретный шифр: в чем разница между классической, квантовой и постквантовой криптографиями

В чем разница между квантовым и постквантовым шифрованием?

ТехИнсайдер
Как играют умершие актеры: что такое дипфейк Как играют умершие актеры: что такое дипфейк

Что такое дипфейки и насколько они могут быть опасны

Psychologies
Откуда берутся психосоматические заболевания и как их лечить Откуда берутся психосоматические заболевания и как их лечить

Почему важно проживать свои эмоции и как вылечить болезнь работой с сознанием?

Maxim
Николай Пирогов: за что святого доктора и отца-основателя военно-полевой хирургии отправили в ссылку? Николай Пирогов: за что святого доктора и отца-основателя военно-полевой хирургии отправили в ссылку?

Российский врач, ученый и педагог Николай Пирогов был фанатом своего дела

ТехИнсайдер
Так сошлись звезды: зачем предприниматели и политики ищут ответы в астрологии Так сошлись звезды: зачем предприниматели и политики ищут ответы в астрологии

Как обращение к предсказательным практикам определяло историю

Forbes
Домохозяйка из Китая 10 лет описывала вымышленную историю России в Википедии. Она придумала «Кашинский рудник», создав вокруг него целую вселенную Домохозяйка из Китая 10 лет описывала вымышленную историю России в Википедии. Она придумала «Кашинский рудник», создав вокруг него целую вселенную

Эту домохозяйку из Китая теперь называют «китайским Борхесом»

Правила жизни
Астероид Бенну оказался необычайно рыхлым Астероид Бенну оказался необычайно рыхлым

Грунт Бенну вблизи его поверхности характеризуется низкой плотностью

N+1
Письма счастья: правила SMS-переписки, которая заинтригует мужчину Письма счастья: правила SMS-переписки, которая заинтригует мужчину

Какие сообщения помогут зацепить парня навсегда?

VOICE
Гори-гори ясно: 15 крутых кострищ на любого случая Гори-гори ясно: 15 крутых кострищ на любого случая

Костровое дело - это целая наука

ТехИнсайдер
Совместное проживание с партнером: как подготовиться Совместное проживание с партнером: как подготовиться

Как правильно подготовиться к важному этапу совместного проживания?

Psychologies
Открыть в приложении