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
Остатки растений в угольных почках
В августе был несколько дней в Лисичанске. Благодаря стараниям одного из местных шахтеров, моя коллекция пополнилась несколькими образцами угольных почек из пласта К8 (вестфал). На западе они известны как coal balls или Torfdolomit.
Поскольку почки покрыты слоем угля, то каждый такой образец — это по сути, сюрприз. Внутри может ничего не быть, а может попасться что-то довольно интересненькое. Главное при этом — угадать с линией резки.
И если для шахтеров угольные почки являются проблемой (они не горят и могут сделать пласт непригодным для разработки), то для палеоботаников некоторые из них могут являться настоящей кладовой.
Ведь абсолютное большинство растений карбона дошли до наших дней лишь в виде отпечатков, а в почках можно увидеть, как выглядела клеточная структура этих растений. По сути дела это ничто иное, как по до конца невыясненным причинам окаменевший торф (карбонатное замещение).
Пока получил три почки, и все три оказались с остатками растений. В первых двух — масса мелких корней, стеблей и прочего, пока не поддающегося четкой идентификации растительного материала. Возможно направление резки было выбрано не самое удачное (здесь у меня совсем нет опыта). А вот в третьей, самой маленькой почке оказались фрагменты двух (предположительно) стигмарий.
Источник