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
Пенопласт на обед, отруби на ужин: найдены черви, которые могут спасти Землю Пенопласт на обед, отруби на ужин: найдены черви, которые могут спасти Землю

Личинки умудряются получать питательные вещества из пенополистирола

Вокруг света
Звенигород: окно в небо Звенигород: окно в небо

Затерянный мир науки среди коттеджных посёлков и таунхаусов

Наука и жизнь
Дружба среднего возраста: россияне рассказали, где можно найти друга после 30 лет Дружба среднего возраста: россияне рассказали, где можно найти друга после 30 лет

Найти близкого человека в зрелом возрасте можно в самых неожиданных местах

Psychologies
Где лечиться? Где лечиться?

В какую поликлинику идти – государственную или частную

Домашний Очаг
5 романтичных экранизаций французских романов 5 романтичных экранизаций французских романов

Французские романы, которые послужили основой для отличных экранизаций

СНОБ
Петербургские «Кресты» Петербургские «Кресты»

Имена арестантов «Крестов» вошли в учебники, само здание — памятник архитектуры

Дилетант
«Чахоточный шик. История красоты, моды и недуга». Как и почему туберкулез стал романтической болезнью «Чахоточный шик. История красоты, моды и недуга». Как и почему туберкулез стал романтической болезнью

Почему в XVIII–XIX веках чахотка была романтическим диагнозом

N+1
Охота за Эйхманом Охота за Эйхманом

Адольф Эйхман вошёл в историю как «архитектор холокоста»

Дилетант
Обертывание пленкой и не только: 5 самых бесполезных способов похудения, на которые мы ведемся Обертывание пленкой и не только: 5 самых бесполезных способов похудения, на которые мы ведемся

5 самых популярных, но, увы, бесполезных методов потери лишних килограммов

VOICE
«Я к вам пишу, а дальше что?»: как перестать бояться белого листа «Я к вам пишу, а дальше что?»: как перестать бояться белого листа

Тебя тоже пугает белый лист? VOICE знает, как бороться с белизной

VOICE
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

ТехИнсайдер
Разрушающая ревность: как избавиться от деструктивного чувства в отношениях Разрушающая ревность: как избавиться от деструктивного чувства в отношениях

Откуда берется чувство ревности и как от него избавиться?

Psychologies
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
Одна вокруг света: оазис и таинственные знаки в пустыне Одна вокруг света: оазис и таинственные знаки в пустыне

178-я серия о кругосветном путешествии москвички Ирины Сидоренко и ее собаки

Forbes
Почему собаки ставят на вас лапы: 9 главных причин Почему собаки ставят на вас лапы: 9 главных причин

Собака ставит на вас лапы? Есть несколько причин, объясняющих такое поведение

ТехИнсайдер
Невидимые миру Невидимые миру

Жён советских лидеров часто называли «первыми леди СССР». Но это были лишь слова

Дилетант
Сериалы как средство побега от реальности: 7 увлекательных телешоу, в чьих вымышленных мирах можно раствориться Сериалы как средство побега от реальности: 7 увлекательных телешоу, в чьих вымышленных мирах можно раствориться

Эскапистские сериалы, которые представляют собой чисто жанровое развлечение

Правила жизни
Дешево и экологично: в Италии придумали способ хранения энергии с помощью CO2 Дешево и экологично: в Италии придумали способ хранения энергии с помощью CO2

Инженеры запустили технологию хранения электроэнергии с помощью углекислого газа

Вокруг света
Национальные десерты Национальные десерты

Современный авторский взгляд на национальные десерты

Bones
Найден способ связать воедино массивы кремниевых кубитов Найден способ связать воедино массивы кремниевых кубитов

Ученый нашел решение фундаментальной проблемы квантовой вычислительной техники

ТехИнсайдер
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
Уникальный экспериментальный комплекс для исследования космических лучей: что общего у Москвы, Южного Полюса и Пампы Уникальный экспериментальный комплекс для исследования космических лучей: что общего у Москвы, Южного Полюса и Пампы

Уникальная научная установка «Экспериментальный комплекс НЕВОД»

ТехИнсайдер
Сплошное расстройство! Сплошное расстройство!

Кишечные инфекции в жару – не редкость. Как избежать проблем?

Лиза
В Великобритании появились дикие зубры В Великобритании появились дикие зубры

Специалисты по охране природы надеются, что зубры заменят степных бизонов

N+1
Как не нужно заниматься фитнесом: 10 ошибок, которые делает каждый второй во время тренировок Как не нужно заниматься фитнесом: 10 ошибок, которые делает каждый второй во время тренировок

Эти ошибки популярны среди тех, кто только начинает заниматься спортом

ТехИнсайдер
Эти галактические явления пугают даже опытных астрономов: чего мы не знаем о Вселенной Эти галактические явления пугают даже опытных астрономов: чего мы не знаем о Вселенной

Галактические явления, которые нарушают прогнозы и ставят в тупик

ТехИнсайдер
Чем русский борщ отличается от украинского Чем русский борщ отличается от украинского

Историки и рестораторы ответили на застарелый и наболевший вопрос

Maxim
Мартин Иванов: Всех своих «Таурусов» я получил за фильмы о Борне Мартин Иванов: Всех своих «Таурусов» я получил за фильмы о Борне

Чем известен автомобильный каскадёр Мартин Иванов?

4x4 Club
Политический скандал, отказ Брежнева и другие интересные факты об Олимпийских играх 1980 года Политический скандал, отказ Брежнева и другие интересные факты об Олимпийских играх 1980 года

10 увлекательных фактов о самом главном спортивном событии 1980 года

ТехИнсайдер
Открыть в приложении