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

Земля. Прятки под мантией Земля. Прятки под мантией

Ядро Земли перестало вращаться, электромагнитное поле нашей планеты разрушается

Наука и жизнь
Спорт, бизнес и равенство: как сестры-баскетболистки Кавиндер заработали более $1 млн Спорт, бизнес и равенство: как сестры-баскетболистки Кавиндер заработали более $1 млн

Как участницы студенческой спортивной команды монетизировали свое имя и имидж

Forbes
Звенигород: окно в небо Звенигород: окно в небо

Затерянный мир науки среди коттеджных посёлков и таунхаусов

Наука и жизнь
Археологи выявили четко продуманную застройку на домонгольском селище Чаадаево-5 Археологи выявили четко продуманную застройку на домонгольском селище Чаадаево-5

Археологи сообщили о результатах охранно-спасательных раскопок Чаадаева-5

N+1
Где лечиться? Где лечиться?

В какую поликлинику идти – государственную или частную

Домашний Очаг
Саша Николаенко: «Муравьиный бог: реквием». Что растет из нелюбви Саша Николаенко: «Муравьиный бог: реквием». Что растет из нелюбви

Отрывок из книги Саша Николаенко о том, как детство тратит свое будущее

СНОБ
Чумной форт Чумной форт

История вакцинации против опасных инфекционных заболеваний

Дилетант
Самые активные и самые ленивые породы собак: список Самые активные и самые ленивые породы собак: список

Немалый вклад в характер и активность собаки вносит порода животного

ТехИнсайдер
Конец Бонапарта Конец Бонапарта

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

Дилетант
Как выбрать повербанк или портативный аккумулятор Как выбрать повербанк или портативный аккумулятор

На что обратить внимание и за что не стоит переплачивать, выбирая повербанк

Maxim
Умер Борис Ротенберг, сын Ирины Антоновой Умер Борис Ротенберг, сын Ирины Антоновой

Вспоминаем о главной драме Ирины Антоновой

СНОБ
Болезнь Леди Гаги и Селены Гомес: чем опасна волчанка и как ее распознать Болезнь Леди Гаги и Селены Гомес: чем опасна волчанка и как ее распознать

Системная красная волчанка — «болезнь с тысячью лиц»

Psychologies
Гибель Надежды Гибель Надежды

Популярные версии причины конфликта на банкете в кремлёвской квартире Ворошилова

Дилетант
Не только слушать, но и слышать: как и зачем развивать эмпатию Не только слушать, но и слышать: как и зачем развивать эмпатию

Эмпатия — способность понимать чужие эмоции, чувства и потребности

Forbes
Краткая история «Гоголь-центра» Краткая история «Гоголь-центра»

«Сноб» вспоминает все, что происходило в театре «Гоголь-центер» и вокруг него

СНОБ
Не надевайте шорты и пейте больше кофе: что нужно для успеха на индийском рынке Не надевайте шорты и пейте больше кофе: что нужно для успеха на индийском рынке

Поиск инвесторов и тестирование гипотез на индийском рынке

Forbes
«Прыжок в темноту». Как принимать важные решения, если очень страшно «Прыжок в темноту». Как принимать важные решения, если очень страшно

Отрывок из книги «Мужество: почему смелым судьба помогает»

Inc.
5 лучших романов Александра Дюма 5 лучших романов Александра Дюма

В честь юбилея Александра Дюма вспоминаем самые любимые его книги!

Maxim
В Оксфорде провели масштабное исследование лекарств от бессонницы — и большинство оказалось крайне сомнительными В Оксфорде провели масштабное исследование лекарств от бессонницы — и большинство оказалось крайне сомнительными

Многие распространенные лекарства от бессонницы не имеют данных о безопасности

ТехИнсайдер
95 лет роману Двенадцать стульев 95 лет роману Двенадцать стульев

«12 стульев» — пример живой сатиры, понятный читателю из совсем другого мира

Правила жизни
От Врубеля до Урса Фишера: как керамика стала популярным трендом в искусстве От Врубеля до Урса Фишера: как керамика стала популярным трендом в искусстве

С чего началось увлечение аудитории и коллекционеров керамикой

Forbes
3ачем Том Круз висел в гримерке вверх ногами и другие сумасшедшие факты о его фильмах 3ачем Том Круз висел в гримерке вверх ногами и другие сумасшедшие факты о его фильмах

Самые безумные откровения из актерской карьеры Тома Круза

Maxim
Кето или интервальное голодание? Идеальная диета по знаку зодиака Кето или интервальное голодание? Идеальная диета по знаку зодиака

Какую диету рекомендуют тебе звезды?

VOICE
Устойчивые к антибиотикам штаммы брюшного тифа распространяются из Южной Азии Устойчивые к антибиотикам штаммы брюшного тифа распространяются из Южной Азии

Брюшной тиф снова представляется опасность и может вызвать эпидемии

ТехИнсайдер
Помнят ли кошки и собаки свое прошлое Помнят ли кошки и собаки свое прошлое

Как кошки и собаки запоминают информацию?

ТехИнсайдер
Генетическое тестирование: зачем оно нужно и почему мы (не) решаемся его сделать? Генетическое тестирование: зачем оно нужно и почему мы (не) решаемся его сделать?

Отрывок из книги про гены «Мальчик, который не переставал расти»

Psychologies
Физики напрямую увидели электронные вихри Физики напрямую увидели электронные вихри

Физики впервые напрямую увидели вихри электронной жидкости

N+1
В двух сантиметрах от позора: Бейонсе, Дафф, Спирс и другие звезды, которые не умеют носить мини В двух сантиметрах от позора: Бейонсе, Дафф, Спирс и другие звезды, которые не умеют носить мини

Как не стать жертвой модного провала, надев мини?

VOICE
Найден способ связать воедино массивы кремниевых кубитов Найден способ связать воедино массивы кремниевых кубитов

Ученый нашел решение фундаментальной проблемы квантовой вычислительной техники

ТехИнсайдер
Дикие истории Дикие истории

Как накормить гостя не только вкусной, но и полезной едой?

Bones
Открыть в приложении