Нефть, кровь и реголит: как в Сколтехе изучают сверхсложные смеси

Ученые из Сколтеха, МФТИ и институтов РАН поделились с Sk.ru подробностями исследования древнего битума из античной амфоры, найденной на Таманском полуострове. Изучение химических трансформаций, которые в течение тысячелетий происходили с битумом, имеет не только умозрительное, но и вполне практическое преломление. «Битумы сложно анализировать, при этом для нефтехимии они очень важны: так называемые асфальтены могут забивать трубы и доставлять массу проблем, - поясняет научный руководитель исследования Евгений Николаев. – Они являются объектом исследования молодой науки петролиомики, нацеленной на глубокий анализ нефти»

Исследование древнего битума, описанное в Journal of Mass Spectrometry, стало результатом усилий команды ученых. В нее входили представители Сколтеха, МФТИ, Института истории материальной культуры, Института энергетических проблем химической физики им. В.Л. Тальрозе и Института биохимической физики им. Эмануэля. Профессор Николаев в Сколтехе возглавляет лабораторию масс-спектрометрии; в МФТИ и Институте энергетических проблем химической физики РАН он является научным руководителем Лабораторий ионной и молекулярной физики. Основным исполнителем проекта был выпускник МФТИ и постдок Сколтеха Юрий Костюкевич.

«Битум – продукт нефти, которым человечество пользуется с каменного века. Даже слово «мумия» произошло от персидского слова, которое означает «битум», - рассказывает Sk.ru Юрий Костюкевич. - Именно его древние египтяне применяли при бальзамировании тел умерших. Греки использовали битум в строительстве, медицине и обороне. Возможно, знаменитый «греческий огонь», горючую смесь, наводившую ужас на врагов, тоже делали с помощью битума».

Исследование началось после того, как в новостях в интернете Юрий увидел сообщение о том, что у берегов Таманского полуострова археологи обнаружили амфору с битумом и предварительно датировали находку V веком до новой эры. «Дальше была череда телефонных переговоров, которые позволили нам выйти на Сергея Соловьева из Института истории материальной культуры, который обнаружил амфору и стал нашим соавтором в этой работе. Сергей и его коллеги проводили раскопки примерно в том районе, где сейчас строят Керченский мост. Обнаруженную амфору они передали в музей в Тамани. Туда я и отправился»,  - вспоминает Юрий. Ему удалось взять образец древнего битума  и привезти его на анализ в Москву.

Исследователи исходили из того, что битум в амфоре подвергался естественным процессам разложения, вызываемым микроорганизмами. Из-за них происходит окисление содержащихся в битуме органических молекул, то есть присоединение кислорода. Чем старше образец, тем больше атомов кислорода в нём находится. Элементный анализ показал, что найденный битум содержит 11% кислорода, хотя в свежих нефтяных образцах это число не больше 1%. Остальные элементы - углерод С, водород Н, азот N и сера S – находились в обычном соотношении. Следовательно, битум долго разлагался в амфоре и, вероятнее всего, пробыл в ней около 2,5 тысяч лет - этот вывод подтвердил первоначальную датировку амфоры археологами.

Однако элементный анализ не позволяет узнать, какие молекулы находятся в образце. Используя масс-спектрометр, химики заглянули глубже и изучили доли различных веществ, которые содержатся в древнегреческом битуме. В общей сложности российские ученые обнаружили тысячи разных веществ в нем, и выяснили, как в них распределен кислород. Эти данные, как надеются авторы исследования, помогут понять, был ли битум добыт в Тамани, откуда он мог вывозиться в греческие метрополии, или же завезен из Эллады.

«Масс-спектрометрия сверхвысокого разрешения - один из мощнейших методов аналитической химии. Её применение для задач нефтехимии, археологии, медицины позволяет получать уникальную информацию о молекулярном составе вещества. Совсем недавно родилась новая наука - петролиомика, нацеленная на глубокий анализ нефти. Методы, которыми мы пользуемся, позволяют увидеть и идентифицировать более 100 тысяч соединений в нефти. Исследование древнего битума уже многое рассказало нам о трансформации нефти за тысячелетия. Используя масс-спектрометрию, в будущем, возможно, мы получим новые данные о торговых путях и перевозке товаров в древнем мире», - надеется профессор Николаев. Юрий Костюкевич добавляет: изначально исследователи планировали сравнить древний битум с образцами нефти с Кавказа. «К нашему удивлению оказалось, что в России  нет коллекции кавказских нефтей. Сибирские есть, а кавказских - нет. Если где-нибудь в лаборатории найдется такая коллекция и мы сумеем получить к ней доступ, то с удовольствием продолжим изучать происхождение битума из древнегреческой амфоры, - рассказывает Юрий.  - Было бы интересно также получить доступ к египетским мумиям, хранящимся в Эрмитаже и Пушкинском музеее. Масс-спектрометрические исследования египетских мумий Лувра проводились на масс-спектрометрах со сравнительно слабыми характеристиками по сравнению с теми, которыми мы располагаем сейчас. В этих исследованиях было определено происхождение использованных при мумификации битумов. Оказалось, что египтяне использовали битум не только из  Мертвого моря (до XIX века называвшимся Асфальтовым озером), но и из других мест».  

«Конек» Евгения Николаева и его коллег – разработка эффективных методов анализа сверхсложных смесей, к которым относится нефть. Некоторое время назад ученые сотворили сенсацию, опубликовав статью с интригующим заголовком  «Самая молодая природная нефть на Земле». Проанализировав методом радиоуглеродного анализа образцы нефти из кальдеры вулкана Узон на Камчатке, профессор Николаев и его коллеги пришли следующему выводу - возраст нефти не превышает 50 лет. Евгений Николаев признается: «Мы крайне удивились,  но, тем не менее, опубликовали эти объективные научные данные. Тем не менее, что-то не давало покоя, мы продолжили исследование и обнаружили, что отношение  радиоактивного улерода-14 к стабильным изотопам в несколько раз превышает теоретически возможный». Вероятные объяснения таковы:  либо в вулкане есть источник нейтронов, то есть природный реактор (такое вполне вероятно, говорит профессор), либо речь идет о какой-то военной истории, и тогда ответ на эту научную загадку вполне может оказаться тайной за семью печатями.

Недавно группа Евгения Николаева (в Сколтехе возглавляемая им лаборатория масс-спектрометрии входит в структуру Космического центра) закончила работу по идентификации лунного грунта, доставленного на Землю в ходе миссии «Луна-24» в 1976 году. О деталях исследования реголита профессор намеревается отчитаться в ближайшее время в научной статье, пока же в интервью Sk.ru он кратко резюмирует суть: «Лунная органика так же богата, как нефть, в ней содержатся органические соединения в широком диапазоне масс. Мы предполагаем, что эти органические вещества  были занесены на Луну кометами». Больше всего органики на Луне должно быть на полюсах. Солнечный свет не попадает в лунные каверны, и органические вещества могут  сохраняться в неименном виде на протяжении миллиардов лет. Анализ этой органики был бы чрезвычайно интересен в случае развертывания лунной базы, ведь это потенциальное топливо, особенно с учетом того, что в полярных областях, как принято считать,  есть вода в виде льда.

Другое связанное с космосом направление деятельности лаборатории  масс-спектрометрии – изучение влияния длительных космических полетов на белковый состав крови космонавтов. По оценке Е. Николаева, физиология космических полетов в России развита как нигде в мире; этим направлением занимается несколько институтов. «Мы же хотим понять физиологические изменения на молекулярном уровне, в том числе оценить изменения белкового состава крови. Так, недавно вместе с коллегами из Института медико-биологических проблем РАН мы завершили эксперимент по количественной протеомике (предметом изучения этой науки являются белки, их функции и взаимодействия в живых организме – прим Sk.ru) 18 космонавтов». Установленный в Сколтехе масс-спектрометр ультравысокого разрешения может быть использован для решения самых разнообразных биологических задач, в частности, в области омиксных технологий.

«Мы активно обсуждаем в Сколтехе, как оптимальным образом организовать работу на этом приборе, - говорит собеседник Sk.ru. – Любой крупный университет в мире имеет центры, специализирующиеся на профильных направлениях научных исследований, в том числе масс-спектрометрические».