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

Гены, дрожжи и… человек Гены, дрожжи и… человек

Интервью с Дмитрием Кнорре об исследовании дрожжей

Наука и жизнь
Это вовсе не шея! 5 частей тела, которые стареют первыми и чем это грозит Это вовсе не шея! 5 частей тела, которые стареют первыми и чем это грозит

Наши органы стареют с разной скоростью, и нужно знать, к чему это может привести

VOICE
6 признаков глупого человека 6 признаков глупого человека

Как понять, кого нужно избегать? Да и нужно ли на самом деле?

Psychologies
Разнимать или убежать? Как вести себя, если при тебе ссорятся близкие люди — советы эксперта Разнимать или убежать? Как вести себя, если при тебе ссорятся близкие люди — советы эксперта

Если два близких тебе человека поссорились, что делать?

VOICE
Звенигород: окно в небо Звенигород: окно в небо

Затерянный мир науки среди коттеджных посёлков и таунхаусов

Наука и жизнь
Что делать, если ты попала на стрессовое собеседование? Что делать, если ты попала на стрессовое собеседование?

Как понять, что ты попала на стрессовое интервью и как себя вести?

VOICE
Прикоснуться к сердцу Прикоснуться к сердцу

Завтрак съешь сам — этого правила неизменно придерживаются на юге Китая

Вокруг света
Происхождение собак связали с двумя разными популяциями волков Происхождение собак связали с двумя разными популяциями волков

Предками собак могли быть одомашненные волки из Сибири и с Ближнего Востока

N+1
Вселенная Эдгара По Вселенная Эдгара По

Иногда чуткие к достижениям науки писатели могут предугадывать будущее

Наука и жизнь
Почему сбываются гороскопы? Объясняем с точки зрения науки (настоящей) Почему сбываются гороскопы? Объясняем с точки зрения науки (настоящей)

Что такое эффект Барнума-Форера?

Maxim
Самые яркие «Анны Каренины»: актрисы, которым пришлось броситься под поезд Самые яркие «Анны Каренины»: актрисы, которым пришлось броситься под поезд

Кто в истории кино играл Анну Каренину

VOICE
Современные культы и секты, которых стоит опасаться Современные культы и секты, которых стоит опасаться

Религиозные течения, которые вместо спасения даруют печальные последствия

Maxim
Я держу себя за руку: 13 способов выбирать себя прямо сейчас Я держу себя за руку: 13 способов выбирать себя прямо сейчас

13 шагов, благодаря которым вы быстрее придете к себе

Psychologies
От  От 

Необычные и невероятно красивые места России

Караван историй
Я пошла учиться в медицинский колледж в 37 лет. Почему и зачем? Я пошла учиться в медицинский колледж в 37 лет. Почему и зачем?

О решении поменять профессию в зрелом возрасте и рассказывает Евгения Шафферт

Psychologies
Как не «попасть», покупая смартфон на AliExpress? Как не «попасть», покупая смартфон на AliExpress?

Как правильно покупать смартфон на Aliexpress, чтобы не пожалеть

CHIP
Основано на реальных событиях: вы будете удивлены, но эти фильмы не выдумка Основано на реальных событиях: вы будете удивлены, но эти фильмы не выдумка

Самые сильные и лучшие фильмы, основанные на реальных событиях

ТехИнсайдер
Продолжительная засуха привела к социальной напряженности и краху Майяпана Продолжительная засуха привела к социальной напряженности и краху Майяпана

Ученые исследовали материалы из крупнейшей политической столицы майя

N+1
«Цинизм может быть веселой игрой» «Цинизм может быть веселой игрой»

Откуда взялись советские трикстеры и во что они превратились

Weekend
Девушка, которая обучала дельфинов-убийц: история советской каскадерки Галины Шуреповой Девушка, которая обучала дельфинов-убийц: история советской каскадерки Галины Шуреповой

«40 дельфинов-афалин, из которых власти СССР намеревались сделать убийц»

VOICE
Нетипичная Балтика: как небанально провести выходные в Калининградской области Нетипичная Балтика: как небанально провести выходные в Калининградской области

Изучаем места в Калининградской области, которых точно нет в путеводителях!

Maxim
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?

ТехИнсайдер
Опасные незнакомцы Опасные незнакомцы

Как объяснить ребенку правила общения с чужими людьми

Лиза
Добро пожаловать в петлю: краткая история смертной казни Добро пожаловать в петлю: краткая история смертной казни

Как менялись способы исполнения смертного приговора с древних времен по наши дни

Правила жизни
Секретное досье Uber: ложь, насилие и подкуп как методы захвата рынка Секретное досье Uber: ложь, насилие и подкуп как методы захвата рынка

Компания Uber снова оказалась в центре внимания

Forbes
Как ИИ делает ошибки и обманывает исследователей Как ИИ делает ошибки и обманывает исследователей

Нередко ИИ находит то, чего на самом деле нет

ТехИнсайдер
Большой отец Большой отец

Как Олег Кулик стал символом постсоветского искусства и разделил его судьбу

Weekend
Люди дороже денег: как торговые центры привлекают посетителей в кризис Люди дороже денег: как торговые центры привлекают посетителей в кризис

ТРЦ привлекают все больше досуговых концепций, но доходов они почти не приносят

Forbes
Как в 50 выглядеть на 35: в чем главный секрет невероятной молодости королевы Рании Как в 50 выглядеть на 35: в чем главный секрет невероятной молодости королевы Рании

Как супруга короля Иордании Рания в 51 год умудряется выглядеть на 35 лет

VOICE
Учил инвесторов отличать порядочные фирмы от обманщиков и сам «надул» их на $71 млн: история нефтегазового мошенника Учил инвесторов отличать порядочные фирмы от обманщиков и сам «надул» их на $71 млн: история нефтегазового мошенника

Кристофер Фолкнер — как ему удалось обмануть доверчивых инвесторов

VC.RU
Открыть в приложении