В природе найдено несколько сот тысяч различных видов молекул; более полумиллиона их создано искусственно. Минералы относятся к числу первых. Их определяют по химическому составу и по кристаллической структуре. По составу минералы подразделяют на девять классов — от индивидуальных элементов до органических соединений; сюда входят фосфаты, сульфаты, силикаты и другие вещества. По строению они сгруппированы в семь кристаллографических систем. Последние определяются относительной длиной ребер и величинами углов кристаллических форм. Многие свойства минералов повлияли на создание условий для жесткой канализации биологического развития.

Минералогия относится к числу медленно развивавшихся научных направлений. Хотя минералы и проще живых организмов, но многие их свойства детально не проанализированы. Механизм такого важного процесса, как кристаллизация, еще далеко не раскрыт, а регенерацию кристаллов только начинают изучать. В результате у минералогов пока нет предпосылок для постановки экспериментов, которые позволили бы раскрыть механизмы эволюции минералов. К тому же познания этих ученых в биологии, как правило, ограничены. Поэтому они не в состоянии компетентно ставить вопросы, касающиеся роли минералов в биологической эволюции.

Эволюция минералов

Об эволюции минералов предпочитают не говорить, потому что обычно их рассматривают как инертные или статичные структуры, образовавшиеся на заре существования Земли. Однако у минералов, как и у химических элементов, был свой путь эволюции. Они представляют собой химические соединения — твердые тела, образованные с помощью природных процессов, как правило, неорганические и имеющие кристаллическое строение.

1. При образовании минералов в природных условиях также преобладали упорядоченность и простота построения. Число известных типов минералов составляет примерно 3000, но все их разнообразные кристаллические формы являются вариантами семи основных кристаллографических систем: кубической, тригональной, гексагональной, тетрагональной, ромбической, моноклинной и триклинной. При этом кубическая система служит основой всех остальных.

2. Исходя, из этих семи систем выведены 230 возможных пространственных групп симметрии, основанных на расположении атомов. Существуют и другие способы описания кристаллов, основанные на магнитных моментах или других свойствах, но число видов периодических структур всегда конечно.

Так же ограничено и число порядков симметрии вращения. Оно может равняться 1, 2, 3, 4 или 6. Иногда в одном кристалле имеются оси симметрии разных порядков, но никогда не встречается симметрия пятого или седьмого порядка, наблюдаемая у растений и у беспозвоночных.

4. Существуют закономерности, определяющие слоистость структуры минералов; в настоящее время они изучаются в нескольких лабораториях. Эти закономерности отражают упорядоченный характер образования слоев и укладки их в стопки, указывают на геометрическую простоту их упаковки, выявляют типы симметрии и позволяют оцепить минимальную энергию решетки. Тем не менее, мы еще далеки от понимания детального механизма эволюции минералов.

Изоморфизм в эволюции минералов

Подобие форм у минералов еще не означает, что одинаков их химический состав. Например, к минералам с кристаллами тригональной системы принадлежат бруцит, кальцит, сидерит, кварц, турмалин и ряд других. Кристаллы той же системы могут образовывать также оксиды, карбонаты и силикаты. Еще больше совпадают структуры у других минералов. Апатит, пироморфит и миметизит образуют гексагональные призмы. Вивианит, эритрин и аннабергнт всегда образуют идентичные моноклинные кристаллы. Сначала считали, что идентичность формы является результатом неупорядоченных процессов, так как подобные минералы различны по химическому составу, но вскоре выяснилось, что такое предположение ошибочно. Изучение минералов одинаковой формы показало, что при различии состава у них есть общие особенности молекулярной структуры. Так, из химических формул вивианита и эритрина — соответственно видно, что у эритрина железо замещено кобальтом, а фосфор — мышьяком. Следовательно, идентичность кристаллических структур при различном химическом составе является результатом не случайного процесса, а выражением глубоко скрытого сходства на молекулярном или атомиом уровнях. Митчерлих назвал это явление изоморфизмом.

Анализ свойств минералов приводит к поучительному выводу: тождественность или подобие формы при, казалось бы, разнородности структуры не случайны, а обусловлены физико-химическим сходством, скрытым на более глубоком уровне и потому нелегко распознаваемым.

В многообразии минералов есть закономерности

Неродственные виды живых организмов могут иметь сходные обтекаемые очертания. В то же время близкие виды могут иметь неодинаковые формы; примером служат гиппопотам и жираф, принадлежащие к одному отряду парнокопытных.

Аналогичная картина наблюдается и у минералов. Явление, противоположное изоморфизму, именуется полиморфизмом минералов. Один и тот же минерал может существовать в совершенно несходных формах. Наиболее изученный случай — это кальцит СаСОз, встречающийся примерно в 600 формах и более чем в 2000 их комбинаций. Форма кристаллов варьирует от игл до пластин. Давно известно, что кристалл кальцита любой формы можно разбивать на все более мелкие, вплоть до микроскопических размеров, ромбоэдрические кристаллы.

Это привело к представлению об определенной упаковке атомов в кристаллических телах, что впоследствии было подтверждено рентгенографическими исследованиями Лауэ и других. Однако и минералы более простого химического состава могут давать структуры с еще более резкими различиями формы и свойств. Так, элемент углерод существует в виде алмаза или графита. Алмаз, наиболее твердый из известных минералов, обычно бесцветен и кристаллы его принадлежат к изометрической системе. Графит же мягок, обычно имеет серый или черный цвет, аморфен или образует гексагональные кристаллы. Трудно представить себе более значительное различие формы и свойств у одного и того же элемента, лишенного каких-либо примесей.

Как показал рентгеноструктурный анализ, причина этого различия заключается в способе упаковки, т. е. в геометрии взаимного расположения атомов, образующих кристаллы. Таким образом, форма определяется двумя главными факторами: атомным составом и способом сборки в слои. Способ сборки в свою очередь может зависеть от параметров среды, например, от давления. Образование некоторых форм кристаллов кварца происходит при сверхвысоком давлении, близком к тому, которое существует в глубинах Земли. Физические теории происхождения форм минералов интенсивно разрабатываются рядом групп исследователей.

Не имеющий генов кальцит образует тысячи кристаллических форм в рамках одной основной структуры.