Анатомия древних растений в ископаемых углях
В начале прошлого века английский исследователь М. Стопс, изучая под микроскопом каменный уголь в тонких срезах (шлифах), описала слагающие его компоненты. Один из них она назвала фюзеном (от французского fusain — ‘волокнистый’). Позднее Стопс ввела и термин «мацералы», означающий составную часть угля (аналогично минералам — составным частям горных пород). Немецкий ученый Э. Штах разработал методику изучения углей под микроскопом в отраженном свете (в полированных пришлифовках — аншлифах), что позволило наблюдать строение не только прозрачных (бурых и каменных) углей, но и антрацитов (в тонких срезах совершено непрозрачных), а также графитов. В международной номенклатуре компонентов углей фюзен включен в группу инертинита. Мы будем использовать именно этот термин.
Инертинит — постоянный компонент торфов и углей. В торфяных болотах штата Флорида (США) его содержание местами составляет десятки процентов. Угли некоторых месторождений практически целиком сложены инертинитом (например, Ангренский угольный бассейн в Узбекистане). В углях Донецкого бассейна содержание инертинита составляет от единиц до нескольких десятков процентов.
Внешние признаки инертинита (черный, мягкий, пачкает пальцы) делают его похожим на древесный уголь. Под микроскопом в проходящем свете он всегда непрозрачен, а в отраженном — наиболее светлый из мацералов (белый или светло-желтый).
По данным химического и технического анализов, практически все параметры инертинита (с точки зрения потребительских качеств углей) характеризуют его негативно: он не обладает свойствами, необходимыми для превращения в металлургический кокс, и его присутствие ухудшает качество коксующихся углей. Аналогичным образом он влияет на угли при получении каменноугольной смолы, горючего газа и жидкого топлива. Угольная пыль, которая образуется при работе шахтных комбайнов и другого специального оборудования, обогащается частицами инертинита и при дыхании травмирует ткани легких шахтеров значительно сильнее, чем частицы других мацералов. Инертинит увеличивает пожароопасность углей из-за того, что его пористая текстура способствует циркуляции воздуха в пластах. Единственное направление промышленного использования углей, в котором инертинит не играет существенной негативной роли, — сжигание (энергетика). Он горит, но (ложка дегтя!) его теплотворная способность ниже, чем у других мацералов. Все перечисленные особенности определяются природной химической инертностью инертинита, в чем он также сходен с древесным углем.
Но инертинит играет значительную роль в качестве индикатора палеогеографических условий, существовавших на торфяной стадии формирования углей. В отличие от других мацералов, которые образуются при разложении остатков растений в условиях малоподвижной и обедненной кислородом водной среды торфяного болота, он — результат высушивания (или сгорания при пожарах) растительных тканей. Наличие в угольных пластах прослоев инертинита указывает на перерывы торфонакопления вследствие наступления периодов засухи. Разрозненные его фрагменты в торфе обычно свидетельствуют о привносе этого мацерала поверхностными водами или (чаще) ветром, как это случается, например, в Подмосковье и в других районах, расположенных вблизи периодически горящих торфяных массивов.
Теперь о том, что стало известно сравнительно недавно. Было обнаружено, что фрагменты инертинита, находящиеся в угле, способны сохранять тонкие детали анатомического строения тканей и клеток растений, из которых уголь образован [1]. Увидеть это оказалось возможным благодаря использованию метода ионного травления (ионного распыления), который применяется в науке и технике.
При таких исследованиях выровненная, отшлифованная и полированная поверхность образца угля (аншлиф) размещается в потоке ионов инертного газа — аргона. Под воздействием ионов происходит дифференциальное разрушение (травление) поверхности органических мацералов угля в зависимости от индивидуальных особенностей их кристаллохимической структуры. Эти особенности определяются прижизненными различиями в анатомии и биохимии растительных тканей, которые (различия) не исчезли в последующих геологических процессах. Анатомические структуры сохранились в инертините углей разных стадий метаморфизма: бурых, каменных, антрацитов и даже графита [1–3]. Примеры возникающей при травлении картины приводятся на рисунках.
Анатомические картины, возникающие при травлении интертинита углей: а–в — срезы тканей древесины и коры, г–е — содержимое внутренней полости клеток (цитоплазма): ядра клеток в цитоплазме, поры в оболочке клеток и плазмодесмы — тяжи, соединяющие соседние клетки (д, е); слоистость оболочек (г–е). Перечисленные анатомические элементы имеют размеры от нескольких микрометров (ядра клеток) до долей микрометра (плазмодесмы)
Удивительна сохранность элементов анатомических структур растительных тканей, превращенных в инертинит. Обратим внимание: ядра клеток состоят у живых растений в основном из белков и нуклеиновых кислот — органических соединений, легко и быстро разрушающихся микробами. Внимательно рассмотрев рисунки, мы понимаем, что полное обезвоживание (высушивание) — эффективный процесс сохранения органического вещества, в том числе его тончайших анатомических структур, в ископаемом состоянии. По-видимому, подобное относится и к другим высушенным органическим объектам, например, археологическим.
Попробуем предложить следующую интерпретацию демонстрируемых на рисунке анатомических картин. Основные биохимические соединения, образующие ткани высших растений, — целлюлоза и лигнин. В результате ионного травления происходит преимущественное удаление более легких атомов. В составе обоих соединений абсолютно преобладают кислород (атомный вес О ≈ 16) и углерод (атомный вес С ≈ 12). Атомное отношение углерода к кислороду у целлюлозы равно 0,75, у лигнина — 2,6, т.е. лигнин существенно обогащен «легкими» атомами углерода. Указанные характеристики исходных анатомических структур растительных тканей, несомненно, изменяются при преобразовании органического вещества растений в торфяниках и в последующих геологических процессах (метаморфизме) в недрах земли. Однако относительные различия в элементном составе и молекулярной структуре при этом могут сохраниться. И в результате оказывается возможным наблюдать кристаллохимическую реплику анатомической структуры тканей, принадлежавших углеобразующим растениям. Таким образом, ионное травление инертинита открывает перспективы в изучении анатомической эволюции (микроскопической цитологии) растительного мира, во всяком случае — мира растений-углеобразователей. С практической точки зрения изучение инертинита при помощи этого метода расширяет возможности реконструкции палеогеографических условий, существовавших при образовании угольных пластов, их корреляции в геологических разрезах угленосных формаций и месторождений.
Известный ученый-биохимик, нобелевский лауреат М. Кальвин, основатель раздела биохимии «молекулярная палеонтология», считает, что ее предмет — молекулярные фрагменты древней жизни в составе ископаемого органического вещества. По таким фрагментам можно судить об их биохимических предшественниках. Ионное травление, вскрывающее анатомическую индивидуальность и биоразнообразие растительных тканей, может стать источником подобных сведений и предоставить новые данные для молекулярной палеонтологии.
Инертинит углей заслуживает внимания не только как новый объект палеонтологической и палеобиохимической информации. Электронная микроскопия и современные микроскопические и микрохимические методы, вполне вероятно, позволят изучать структурные элементы органелл цитоплазмы, которые на представленном рисунке выглядят темными включениями (г–е). Они, скорее всего, просто недоступны для изучения под световым микроскопом [4]. Учитывая возраст геологических объектов, мы не исключаем также возможность и обнаружения в цитоплазме ископаемых клеток морфологических элементов, которые были присущи древней жизни, но исчезли в ходе эволюции. В связи с этим инертинит, как источник информации о мире древних растений, заслуживает внимания не только геологов и палеоботаников, но и специалистов в области гистологии и цитологии.
Отметим, что травление никогда не обнаруживало структур, которые не соответствовали известным анатомическим элементам растений. Учитывая, что все эти элементы имеют у живых растений индивидуальный биохимический состав, можно сделать принципиально важный вывод: ионное травление вскрывает унаследованные различия биохимического состава тканей и клеток, а также внутриклеточных структур древних растений. Это позволяет, в свою очередь, утверждать, что кардинальная перестройка органического вещества в геологических процессах не приводит к превращению биохимических соединений в некий однородный геополимер. Напротив, исходные биохимические соединения, превращаясь в «молекулярные ископаемые», сохраняют кристаллохимическую индивидуальность, которая не утрачивается даже на высоких стадиях метаморфизма.
Литература
1. Кизильштейн Л. Я., Шпицглуз А. Л. Атлас микрокомпонентов и петрогенетических типов антрацитов. Ростов-на-Дону, 1998.
2. Кизильштейн Л. Я., Шпицглуз А. Л. Анатомический атлас растений-углеобразователей палеозоя. Ростов-на-Дону, 1999.
3. Кизильштейн Л. Я., Шпицглуз А. Л. Инертинит — хранитель жизни // Наука и жизнь. 2016; (5): 42–44.
4. Фрей-Висслинг А., Мюлеталер К. Ультраструктура растительной клетки. М., 1968. [Frey-Wyssling A., Mühlethaler K. Ultrastructural Plant Cytology. Amsterdam, 1965.]
Источник
В каменноугольных пластах Донбасса встречаются отпечатки растений, что росли здесь в давние времена
Что это за растения, в каких условиях они росли и как давно? Почему их отпечатки встречаются не на земной поверхности, а на больших глубинах?
На территории Донецкого каменноугольного бассейна около 400 млн. лет тому назад произрастали различные растения: различные виды папоротников, каламитов (хвощевые), сигиллярии, лепидодендроны, кордаиты. Высота растений была разной: каламитов — до 10 м., сигиллярии и лепидодендроны — до 30-40 м., а кордаиты — до 10- 20 м. В то время на этой территории был теплый тропический климат. Было очень много болот, в прибрежной полосе воды которых росли каламиты (хвощевые растения). Выше, на более сухих участках суши росли сигиллярии, лепидодендроны, папоротники самых разных видов (мариоптерис, невроптерисы), араукаритовые. В это время в районе Донбасса был сильно развит вулканизм. Подъемы и опускания многих участков суши чередовались один за другим. Огромные ураганы очень часто проносились над этим районом, ломая хрупкие растения и пернося их остатки на разные расстояния. Обильные водные потоки сносили их в болота, в низины. Перекрытые наносами песка и глины, стволы и различные остатки этих растений, пропитывались водой с растворенными в ней минералами. Без доступа воздуха растения, зацементированные под водой в толще осадков, постепенно окаменевали. За много миллионов лет и десятки поднятий и опусканий территории Донбасса, размыва толщ осадочных пород, выветривания, сохраненные в толще Земли остатки растений карбона то появлялись очень близко к дневной поверхности земли, то снова погружались в глубь недр. Те же остатки древних растений, которые находились на открытой поверхности суши, потихоньку превращались в торф, подвергаясь окислению кислородом, перекрывались песком, глиной и превращались со временем в бурый, а затем и в каменный уголь, антрацит и кокс. На твердых, слежавшихся отложениях песка и на песчаниках, глинах, известняках от древних растений возникали отпечатки обуглившегося или ожелезнелого типа -листьев, стеблей, стволов, веточек, корней, плодов и т. д. Вот, как-то так. Думаю, что объяснил понятно. А их фото можно найти
достаточно легко. Стоит только ввести в «Поисковик» свой вопрос. Удачи!
Источник