Jacek Musiał, Karol Musiał
Poznanie tajemnic powstania zasobów węglowodorów pozwala:
- przewidywać, w jakich miejscach na świecie, w jakich strukturach geologicznych i jak głęboko można oraz warto poszukiwać nowych złóż,
- rozpoznać, w które działki warto inwestować, zanim ich dotychczasowi właściciele dowiedzą się o ich faktycznej wartości,
- przewidywać możliwe wielkości nowych złóż,
- oszacować zasoby światowe,
- próbować naśladować naturę i budować aparaturę, która produkowałaby węglowodory, np. metan; do tego marzy się, aby to robiła z dwutlenku węgla,
- przypuszczać, że proste wtłaczanie dwutlenku węgla do oceanów pozwoliłoby przetworzyć go w metan lub wyższe węglowodory.
W minionych dwustu latach wiedza naukowa oscylowała pomiędzy dwiema skrajnymi teoriami powstawania węglowodorów: abiogeniczną i biogeniczną.
Teoria biogeniczna powstania złóż węglowodorów na Ziemi
‘Biogeniczna’ (organiczna) oznacza: z udziałem organizmów żywych w jej powstawaniu.
Za pochodzeniem organicznym węglowodorów przemawia kilka argumentów. Złoża gazu ziemnego występują głównie w warstwach skał osadowych. Także obecne osady zawierają pewne ilości węglowodorów. Większe złoża powiązane są z czasowym i terytorialnym występowaniem w przeszłości warunków do rozkwitu życia. Termochemicznie najtrudniejszym zadaniem jest rozbicie cząsteczek dwutlenku węgla oraz wody. Jaka do tego musi zostać użyta energia, łatwo obliczyć z porównania odpowiednich entalpii dla substratów i produktów sumarycznej reakcji. W przyrodzie odbywa się to wieloetapowo, a metan wcale nie powstaje wprost z wodoru i węgla.
Surowcem „wtórnym” do powstania węglowodorów są przede wszystkim martwe organizmy. Pierwotnie muszą to być organizmy samożywne, gdyż bez nich nie byłoby organizmów cudzożywnych. Źródłem energii dla organizmów samożywnych (autotrofów) w pierwszym etapie jest utlenianie związków nieorganicznych przez chemoautotrofy lub fotoautotrofy wykorzystujące promieniowanie słoneczne z zakresu od bliskiej podczerwieni poprzez światło widzialne do bliskiego nadfioletu. Fototrofy korzystają nie z całego pasma tego promieniowania, lecz z pewnych, ściśle określonych jego zakresów – pasm absorpcyjnych, zależnych od rodzaju posiadanego chlorofilu. W ten sposób powstaje materia organiczna – węglowodany, tłuszcze i białka.
Na podstawie proporcji różnych węglowodorów i stosunku węgla do wodoru możliwe jest odróżnienie węglowodorów powstałych z organizmów bogatych w lipidy, np. fitoplanktonu, od węglowodorów powstałych z węglowodanów, celulozy, ligniny, będących składnikami budulcowymi np. drewna. Ważną rolę pełnią tzw. metanogeny – bakterie metanogenne, występujące na polach ryżowych, na dnach zbiorników wodnych, w bagnach, oborniku, na wysypiskach śmieci, w przewodzie pokarmowym przeżuwaczy, ale i innych zwierząt, w tym człowieka, a ich ilość zależy od diety (np. wegetarianizm nasila produkcję gazów jelitowych).
W kilkuetapowym procesie przekształcania martwej materii organicznej do węglowodorów biorą udział różne drobnoustroje – w procesach gnicia, butwienia, fermentacji metanowej. Ze względu na potężne ilości odpadów organicznych na świecie, coraz popularniejsze staje się pozyskiwanie tzw. biogazu w reaktorach – biogazowniach. Pokrewnego procesu biotechnologicznego uzyskiwania paliwa płynnego – butanolu z dwutlenku węgla i ścieków z wykorzystaniem m.in. alg, dotyczy US Patent 7855061, wspomniany w kwietniowym numerze „Kuriera WNET” z br. na stronie 4 wydania śląskiego: Niebezpieczne pomysły IPCC składowania CO2.
Jak dotychczas nie stwierdzono, czy obecność klatratów dwutlenku węgla na dnach zbiorników wodnych sprzyja powstawaniu metanu w procesie bio-, lub abiogenicznym, czy je utrudnia.
Teoria abiogeniczna powstania złóż węglowodorów
‘Abiogeniczna’ znaczy: bez udziału organizmów żywych w jej powstawaniu.
Często stawiane jest pytanie, skąd na innych ciałach niebieskich: na Tytanie – księżycu Saturna, Saturnie, Jowiszu, Uranie, Neptunie wziął się metan? Jak to możliwe, że na Marsie odkryto ślady wyższych węglowodorów? Albo życie we Wszechświecie jest zjawiskiem powszechnym, albo istnieją też inne drogi syntezy węglowodorów w naturze. Powstawanie dłuższych łańcuchów węglowodorów z metanu można sobie wyobrazić jako polimeryzację w obecności jakiegoś katalizatora niebiologicznego (w przyrodzie ożywionej rolę katalizatorów pełnią enzymy). Opisanych zostało kilka możliwych dróg. Trochę trudniej już wyobrazić sobie samą syntezę metanu z dwutlenku węgla. Okazuje się, że znaleziono kilka możliwych reakcji syntezy metanu. Odbywać się ona może w warunkach albo wysokiego, albo niskiego ciśnienia, w temperaturach wyższych niż naturalna na powierzchni Ziemi. Możliwe w użyciu substraty poza wodą i dwutlenkiem węgla to tlenek żelaza, węglan wapnia, krzemiany. Na dnie oceanu nie brakuje wodorków (H2S, NH3, CaH2, NaH, PH3), występuje dwusiarczek węgla, choć ten jest zaliczany już do związków organicznych, oraz metale, które mogą pełnić rolę katalizatorów. Występuje ciśnienie do 1000 barów.
Gdyby w ten nieorganiczny sposób powstawały na Ziemi większe ilości węglowodorów, to należałoby ich szukać kilkadziesiąt kilometrów pod ziemią, co technicznie na razie nie jest możliwe do sprawdzenia. Teoretycznie nie można wykluczyć, że część węglowodorów powstałych w sposób nieorganiczny została przekształcona lub zanieczyszczona „markerami biologicznymi” – szczątkami organizmów, które energię czerpią z rozkładu węglowodorów, np. metanotrofów (metanofilów).
Uważa się jednak obecnie, że w eksploatowanych dziś złożach węglowodory pochodzenia nieorganicznego stanowią margines.
Węgiel pierwiastkiem życia
Węgiel we wszechświecie należy do bardziej rozpowszechnionych pierwiastków i zajmuje czwarte miejsce po wodorze, helu i tlenie. Natomiast w skorupie ziemskiej zawartość węgla szacowana jest na poniżej 0,2% i lokuje się pomiędzy 12. a 17. miejscem pod względem rozpowszechnienia po tlenie – 46%, krzemie – 20%, glinie – 8% żelazie – 5% i kolejnych. Na Ziemi mamy 2000 razy mniej węgla niż tlenu. Porównując występowanie węgla i krzemu (pierwiastków o nieco zbliżonych właściwościach chemicznych): węgla we wszechświecie jest 10 razy więcej niż krzemu, na Ziemi zaś węgla mamy 1500 razy mniej niż krzemu.
Pomimo takiej obfitości krzemu, nie rozwinęło się na Ziemi życie oparte na krzemie, a przynajmniej dotychczas nie udało się znaleźć śladów takiego życia.
Prawdopodobnie jest to spowodowane unikalnymi właściwościami węgla, jego zdolnością i łatwością tworzenia znacznie większej liczby różnorodnych związków chemicznych. Ponieważ we wszechświecie proporcje węgla i krzemu są niekorzystne dla krzemu, tym bardziej prawdopodobne wydaje się, że jeśli gdzieś jeszcze występuje w kosmosie życie, to oparte jest też na węglu.
Cały artykuł Jacka Musiała i Karola Musiała pt. „Skąd na Ziemi wzięły się węglowodory?” znajduje się na s. 8 i 9 majowego „Śląskiego Kuriera WNET” nr 71/2020.
- Do odwołania ograniczeń związanych z obowiązującym w Polsce stanem epidemii, „Kurier WNET” będzie można nabyć jedynie w wersji elektronicznej (wydanie ogólnopolskie, śląskie i wielkopolskie wspólnie) w cenie 7,9 zł pod adresem: e-kiosk.pl, egazety.pl lub nexto.pl.
- Czytelnicy gazety za granicą mogą zapłacić za nią PayPalem lub kartą kredytową na serwisie gumroad.com.
- Prenumerata 12-miesięczna wersji elektronicznej: 87,8 zł.
- Wydania archiwalne „Kuriera WNET” udostępniamy gratis na www.issuu.com/radiownet.
O wszelkich zmianach będziemy Państwa informować na naszym portalu i na antenie Radia Wnet.
