Великий французский естествоиспытатель Жорж Кювье в числе многих научных заслуг имеет и такую: он основал науку, изучающую древнюю жизнь Земли, — палеонтологию. По современным данным, жизнь на нашей планете возникла не менее чем 3,8 млрд лет назад. Таким образом, возраст объектов, изучаемых палеонтологией, огромен. Эти объекты представлены сохранившимися в осадочных породах окаменевшими остатками животных и растений, их отпечатками на горных породах, следами жизнедеятельности, а также органическими фрагментами.
Как наука о жизни палеонтология является разделом биологии. Однако она тесно связана с геологией, поскольку последняя, во-первых, поставляет ископаемый материал, а во-вторых, использует результаты биологических исследований для оценки возраста горных пород на основании установленных биологией закономерностей эволюции органического мира. Этот аспект чрезвычайно важен, так как обеспечивает оценку относительного возраста (древнее — моложе) горных пород и, следовательно, возможность их сопоставления в разных участках земной коры. Методы ядерной геохронологии позволили перевести относительную шкалу в абсолютную, то есть определять возраст горных пород в естественных единицах времени, обычно в десятках и сотнях миллионов лет от современной геологической эпохи. Поскольку организмы прошлого обитали только в определенных географических условиях, по ним геологи судят об условиях образования горных пород и месторождений полезных ископаемых. Это очень интересная, но особая тема.
Раздел палеонтологии, изучающий остатки ископаемых растений, назван палеоботаникой. Объектом палеоботаники являются отпечатки листьев, стволов и плодов растений, а также сохранившиеся обугленные (мумифицированные) их остатки. Заметим, кстати, что именно подобного рода остатки в достаточно больших скоплениях образуют месторождения горючих полезных ископаемых — торфа, угля, горючих сланцев и нефти. Классификация ископаемых организмов строится на основании их характерных внешних признаков. Например, раковины моллюсков (одного из самых распространенных и информативных видов ископаемых остатков) классифицируются по строению (рельефу) их поверхности; отпечатки листьев — по особенностям расположения жилок в теле листа и форме его контура. Внешним различиям остатков организмов соответствовали глубокие генетические различия физиологии и биохимии, и поэтому их нельзя считать формальными и случайными.
Начиная со второй половины прошлого века успехи биологии определялись исследованиями на молекулярном уровне. Вполне естественно, что молекулярно-биологические подходы начали применять и при изучении ископаемого органического вещества. Выдающийся ученый-биохимик, лауреат Нобелевской премии по химии 1961 года Мелвин Кальвин предложил термин “молекулярная палеонтология”. Предметом новой науки Кальвин считал ископаемые молекулярные остатки органических соединений, по структуре которых можно судить об их биохимическом происхождении. Большой вклад в молекулярную палеонтологию внесли российские ученые Н. Б. Вассоевич, А. Н. Гусева, И. Е. Лейфман (МГУ).
Масса ископаемого органического вещества в породах земной коры очень велика. По данным, приведенным в книге известного американского исследователя Э. Т. Дегенса, она составляет примерно 3,8.1015 т органического углерода. Подавляющая часть этой массы — 3,6.1015 т — приходится на так называемое рассеянное органическое вещество, которое находится в осадочных горных породах в виде мелких фрагментов, а его концентрация составляет десятые и сотые доли процента.
После неизбежной гибели живых организмов их органическое вещество немедленно начинает разрушаться. Как доказано Луи Пастером, это разрушение есть не что иное, как “поедание” мертвых тканей микроорганизмами. В большинстве случаев все заканчивается полной “утилизацией”, после которой остаются только углекислый газ (СО2), вода (Н2О) и минеральные соединения. Процесс микробиологического разрушения так эффективен, что его избежало и сохранилось в ископаемом состоянии не более 1% начальной массы органического вещества, созданного биосферой Земли. Приведенная выше оценка массы органики в породах земной коры и этот 1% позволили ученым приблизительно оценить массу органического вещества Земли за всю ее историю в 4.1017 т. Заметим, что она соизмерима с массой горных пород, слагающих земную кору.
Итак, в осадочных породах в состоянии концентрирования и рассеяния находится огромное количество ископаемого органического вещества, однако далеко не все оно пригодно для исследований с позиций молекулярной палеонтологии. Большая часть ископаемой органики до захоронения настолько переработана микроорганизмами, что первичный молекулярный каркас безвозвратно утрачен или до неузнаваемости изменен. Эти изменения усиливаются под воздействием температуры и давления, возрастающих по мере погружения пород в глубины земной коры. В результате исчезают первичные и образуются новые органические соединения, получившие название “геополимеры”. Подобная судьба более всего характерна для рассеянного органического вещества. Что же касается концентрированного, то в этом случае геологический результат может быть и иным.
Геологи, изучая ископаемые угли под микроскопом, давно обратили внимание на то, что среди слагающих их растительных остатков встречаются такие, которые хорошо сохранили клеточное строение анатомических элементов растений — древесины, листьев или коры. По-видимому, в определенных условиях разложение органических веществ замедлялось и прекращалось. Можно было предположить, что в подобных условиях могли сохраниться и органические молекулы — молекулярные ископаемые. Автор статьи и его коллега А. Л. Шпицглуз нашли подтверждение этому предположению.
Ископаемые угли принято делить на бурые, каменные и антрациты. Все они образовались из растений торфяных болот. Различия между углями разных месторождений (химические, физические и технологические) возникли вследствие того, что в результате тектонических движений земной коры они оказались на разных глубинах в условиях разных давлений и температур. В терминах геологии угли бурые, каменные и антрациты имеют разную степень метаморфизма.
Для изучения структуры ископаемых углей, а именно антрацитов, мы решили использовать эффект ионного травления. Когда на поверхность вещества направлен поток заряженных частиц (ионов) с достаточно высокой энергией, происходит распыление, или травление, вещества. Если вещество неоднородно, то травление идет неравномерно, в соответствии с различиями в молекулярной структуре и элементном составе компонентов.
Антрациты, образовавшиеся под воздействием высоких температур и давлений, имеют низкое удельное сопротивление, то есть хорошо проводят электричество. Поэтому образец угля может служить катодом в установке ионного распыления. Достаточно мощный и устойчивый поток заряженных частиц получается при ионизации атомов аргона в поле постоянного тока.
Перед ионной обработкой поверхность образца выравнивают, шлифуют и полируют. Подготовленный таким способом препарат называется аншлифом. Антрациты совершенно не прозрачны, и поэтому наблюдать их под микроскопом можно только в отраженном свете. Именно в отраженном свете сделаны микрофотографии, представленные в статье.
Эффект ионного травления оптически проявляется различными оттенками серого цвета: чем больше вещества вытравлено, тем темнее цвет поверхности. Органические вещества одних тканей легче поддаются травлению, других — труднее. Благодаря этому на поверхности образца проявляется анатомическая структура растительных тканей, попавших в угли в процессе их формирования. Увидеть эту структуру можно под микроскопом.
На фотографиях 1—6 представлены растительные структуры, обнаруженные в углях (антрацитах) Донецкого бассейна, возраст которых составляет около 380 млн лет, что соответствует каменноугольному периоду палеозойской эры.
У живых растений клетка состоит из оболочки и заключенного внутри оболочки вещества (протопласта), содержащего молекулярные образования (органеллы). В ископаемом состоянии, как правило, сохраняются только оболочки клеток, но иногда удается увидеть и внутренние структуры.
Оболочки растительных клеток имеют слоистое строение: наружный слой называется первичной оболочкой, внутренний — вторичной. Оболочки образованы целлюлозой и лигнином. Целлюлоза — природный полимер, состоящий из звеньев глюкозы. В отличие от других веществ растительной клетки целлюлоза представляет собой молекулярный кристалл. Лигнин — полимер, основу молекул которого образуют ароматические (бензольные) кольца. В отличие от целлюлозы он имеет аморфное строение. Содержание целлюлозы максимально во вторичной оболочке клетки, а в первичной — значительно больше лигнина.
Первичная оболочка разрушается ионным пучком сильнее, чем вторичная (фото 1, 2). По-видимому, молекулярные структуры, сложившиеся в результате геохимических преобразований лигнина, менее устойчивы к ионному распылению, чем структуры, образованные целлюлозой. Различный характер распыления элементов протопласта (см. фото 1) интерпретировать труднее вследствие их изначально сложного биохимического состава.
В антрацитах сохранились следы оболочек спор ископаемых растений (фото 3, 4). У живых растений они состоят из биохимически устойчивых липидных соединений, включающих в виде каркаса слои целлюлозы. Липидный материал оболочки спор распыляется при ионной бомбардировке очень слабо (остается светлым), а целлюлозный каркас сильно разрушен (почти черный).
Восковая пленка на поверхности листа растения, так называемая кутикула, состоит из чередующихся слоев целлюлозы и чистого липидного вещества (фото 5).
Концентрическая слоистость стенки древесного грибка образована чередованием слоев хитина (вещества, близкого по химическому составу и структуре к целлюлозе) и лигнина (фото 6).
Приведенные примеры показывают, что растения, из которых образовался уголь, могут в тончайших деталях сохранять клеточное строение и анатомические структуры, несмотря на мощное воздействие давлений и температур, которому они подвергались в течение сотен миллионов лет. По-видимому, геополимеры, образовавшиеся из разных биохимических соединений, сохраняют в ископаемом состоянии определенную кристаллохимическую индивидуальность. Именно эта индивидуальность и определяет оптический эффект, возникающий при ионном травлении.
Возможность выявить в ископаемых растительных тканях анатомические элементы, оставшиеся незамеченными при обычных способах подготовки образцов углей к микроскопическим исследованиям, делает ионное травление источником новой и ценной информации. Однако задачи молекулярной палеонтологии шире. Главная ее цель — идентифицировать геополимеры в терминах биохимии, то есть выявить признаки, по которым можно было бы сопоставлять молекулярные ископаемые и исходные биохимические соединения. Причем желательно и в тех случаях, когда ископаемый материал не сохранил явные клеточные структуры. Тогда появятся шансы идентифицировать первичную биохимическую природу ископаемого органического вещества, утратившего клеточное строение, в том числе рассеянного.
Разрешима ли эта задача? Полагаю, что цель может быть достигнута, если анатомические элементы растений (подобные тем, которые иллюстрируют предлагаемую статью) будут исследованы аналитическими методами, позволяющими идентифицировать их состав и молекулярную структуру, например методами рентгеновской микроскопии. Полученные характеристики можно использовать в дальнейшем как эталон при изучении ископаемого органического вещества, утратившего первоначальное анатомическое строение.
Данные о молекулярном строении ископаемого вещества нужны не только палеонтологам и палеобиохимикам, но и геологам для решения вопросов происхождения и качества нефти и выбора оптимальных направлений использования ископаемых углей и горючих сланцев.
Метод ионного распыления позволил проявить клеточные микроструктуры в углях разного геологического возраста и даже в графитах. Стало очевидным, что тончайшие детали клеточного строения сохраняются в ископаемом растительном веществе значительно чаще, чем это можно было предположить, но остаются незамеченными при обычных методах подготовки препаратов углей к микроскопическим исследованиям.
Литература
Дегенс Э. Т. Геохимия осадочных образований. — М.: Мир, 1967. — 209 с.
Кальвин М. Химическая эволюция. — М.: Мир, 1971. — 140 с.
Кизильштейн Л. Я., Шпицглуз А. Л. Атлас микрокомпонентов и петрогенетических типов антрацитов. — Ростов н/Д.: Изд-во Северо-Кавказского науч. центра высшей школы, 1998. — 254 с.
Распыление твердых тел ионной бомбардировкой. — М.: Мир, 1986. — 488 с.
