Анатомія стародавніх рослин у викопних вугіллях

Навчання 26 серпня 2022 Перегляди: 58

На початку минулого століття англійський дослідник М. Стопс, вивчаючи під мікроскопом кам’яне вугілля в тонких зрізах (шліфах), описала складові його компоненти. Один з них вона назвала фюзеном (від французького fusain — «волокнистий»). Пізніше Стопс ввела і термін «мацерали», що означає складову частину вугілля (аналогічно мінералам — складовим частинам гірських порід). Німецький вчений Е.Штах розробив методику вивчення вугілля під мікроскопом у відображеному світлі (в полірованих пришліфуваннях — аншліфах), що дозволило спостерігати будову не тільки прозорих (бурих і кам’яних) вугілля, а й антрацитів (у тонких зрізах скоєно непрозорих), а також графітів. У міжнародній номенклатурі компонентів вугілля фюзен включено до групи інертиніту. Ми будемо використовувати саме цей термін.

Інертиніт — постійний компонент торфів і вугілля. У торф «яних болотах штату Флорида (США) його утримання місцями становить десятки відсотків. Вугілля деяких родовищ практично цілком складені інертинітом (наприклад, Ангренський вугільний басейн в Узбекистані). У вугіллі Донецького басейну вміст інертиніту становить від одиниць до декількох десятків відсотків.

Зовнішні ознаки інертиніту (чорний, м’який, бруднює пальці) роблять його схожим на деревне вугілля. Під мікроскопом у світлі, що проходить, він завжди непрозорий, а у відображеному — найбільш світлий з мацералів (білий або світло-жовтий).

За даними хімічного та технічного аналізів, практично всі параметри інертиніту (з точки зору споживчих якостей вугілля) характеризують його негативно: він не володіє властивостями, необхідними для перетворення в металургійний кокс, і його присутність погіршує якість коксівного вугілля. Аналогічним чином він впливає на вугілля при отриманні кам’яновугільної смоли, пального газу та рідкого палива. Вугільний пил, який утворюється при роботі шахтних комбайнів та іншого спеціального обладнання, збагачується частинками інертиніту і при диханні травмує тканини легких шахтарів значно сильніше, ніж частинки інших мацералів. Інертиніт збільшує пожежонебезпеку вугілля через те, що його пориста текстура сприяє циркуляції повітря в пластах. Єдиний напрямок промислового використання вугілля, в якому інертиніт не відіграє істотної негативної ролі, — спалювання (енергетика). Він горить, але (ложка дьогтю!) його теплотворна здатність нижча, ніж у інших мацералів. Всі перераховані особливості визначаються природною хімічною інертністю інертиніту, в чому він також схожий з деревним вугіллям.

Але інертиніт відіграє значну роль в якості індикатора палеогеографічних умов, що існували на торф’яній стадії формування вугілля. На відміну від інших мацералів, які утворюються при розкладанні залишків рослин в умовах малорухливого і збідненого киснем водного середовища торф’яного болота, він — результат висушування (або згоряння при пожежах) рослинних тканин. Наявність у вугільних пластах прошарків інертиніту вказує на перерви торфонакоплення внаслідок настання періодів посухи. Розрізнені його фрагменти в торфі зазвичай свідчать про привнесення цього мацералу поверхневими водами або (частіше) вітром, як це трапляється, наприклад, в Підмосков’ї і в інших районах, розташованих поблизу періодично палаючих торф’яних масивів.

Тепер про те, що стало відомо порівняно недавно. Було виявлено, що фрагменти інертиніту, що знаходяться у вугіллі, здатні зберігати тонкі деталі анатомічної будови тканин і клітин рослин, з яких вугілля утворене [1]. Побачити це виявилося можливим завдяки використанню методу іонного цькування (іонного розпилення), який застосовується в науці і техніці.

При таких дослідженнях вирівнена, відшліфована і полірована поверхня зразка вугілля (аншліф) розміщується в потоці іонів інертного газу — аргону. Під впливом іонів відбувається диференційне руйнування (травлення) поверхні органічних мацералів вугілля залежно від індивідуальних особливостей їх кристалохімічної структури. Ці особливості визначаються прижиттєвими відмінностями в анатомії та біохімії рослинних тканин, які (відмінності) не зникли в наступних геологічних процесах. Анатомічні структури збереглися в інертиніті вугілля різних стадій метаморфізму: бурих, кам’яних, антрацитів і навіть графіту [1-3]. Приклади картини, що виникає при цькуванні, наводяться на малюнках.

Анатомічні картини, що виникають при травленні інтертиніту вугілля: а-в — зрізи тканин деревини і кори, пане — вміст внутрішньої порожнини клітин (цитоплазма): ядра клітин у цитоплазмі, пори в оболонці клітин і плазмодесми — тяжи, що з’єднують сусідні клітини (д, е); слоїстість оболонок (пане). Перелічені анатомічні елементи мають розміри від декількох мікрометрів (ядра клітин) до часток мікрометра (плазмодесми)

Дивовижне збереження елементів анатомічних структур рослинних тканин, перетворених на інертиніт. Звернемо увагу: ядра клітин складаються у живих рослин в основному з білків і нуклеїнових кислот — органічних сполук, легко і швидко руйнуються мікробами. Уважно розглянувши малюнки, ми розуміємо, що повне зневоднення (висушування) — ефективний процес збереження органічної речовини, в тому числі її найтонших анатомічних структур, у викопному стані. Мабуть, подібне відноситься і до інших висушених органічних об’єктів, наприклад, археологічних.

Спробуємо запропонувати наступну інтерпретацію демонстрованих на малюнку анатомічних картин. Основні біохімічні сполуки, що утворюють тканини вищих рослин, — целюлоза і лігнін. Внаслідок іонного цькування відбувається переважне видалення легших атомів. У складі обох сполук абсолютно переважають кисень (атомна вага О’16) і вуглець (атомна вага С ­ 12). Атомне ставлення вуглецю до кисню у целюлози дорівнює 0,75, у лігніна — 2,6, тобто лігнін істотно збагачений «легкими» атомами вуглецю. Зазначені характеристики вихідних анатомічних структур рослинних тканин, безсумнівно, змінюються при перетворенні органічної речовини рослин у торфовищах і в наступних геологічних процесах (метаморфізмі) в надрах землі. Однак відносні відмінності в елементному складі і молекулярній структурі при цьому можуть зберегтися. І в результаті виявляється можливим спостерігати кристалохімічну репліку анатомічної структури тканин, що належали вуглеутворюючим рослинам. Таким чином, іонне цькування інертиніту відкриває перспективи у вивченні анатомічної еволюції (мікроскопічної цитології) рослинного світу, у всякому разі — світу рослин-вуглеутворювачів. З практичної точки зору вивчення інертиніту за допомогою цього методу розширює можливості реконструкції палеогеографічних умов, що існували при утворенні вугільних пластів, їх кореляції в геологічних розрізах вугленосних формацій і родовищ.

Відомий вчений-біохімік, нобелівський лауреат М. Кальвін, засновник розділу біохімії «молекулярна палеонтологія», вважає, що її предмет — молекулярні фрагменти стародавнього життя у складі викопної органічної речовини. За такими фрагментами можна судити про їх біохімічних попередників. Іонне травлення, що розкриває анатомічну індивідуальність і біорізноманіття рослинних тканин, може стати джерелом подібних відомостей і надати нові дані для молекулярної палеонтології.

Інертиніт вугілля заслуговує уваги не тільки як новий об’єкт палеонтологічної та палеобіохімічної інформації. Електронна мікроскопія і сучасні мікроскопічні та мікрохімічні методи, цілком ймовірно, дозволять вивчати структурні елементи органелл цитоплазми, які на представленому малюнку виглядають темними включеннями (пане). Вони, швидше за все, просто недоступні для вивчення під світловим мікроскопом [4]. Враховуючи вік геологічних об’єктів, ми не виключаємо також можливість і виявлення в цитоплазмі викопних клітин морфологічних елементів, які були притаманні стародавньому життю, але зникли в ході еволюції. У зв’язку з цим інертинить, як джерело інформації про світ стародавніх рослин, заслуговує уваги не тільки геологів і палеоботаників, але і фахівців у галузі гістології та цитології.

Зазначимо, що цькування ніколи не виявляло структур, які не відповідали відомим анатомічним елементам рослин. Враховуючи, що всі ці елементи мають у живих рослин індивідуальний біохімічний склад, можна зробити принципово важливий висновок: іонне травлення розкриває успадковані відмінності біохімічного складу тканин і клітин, а також внутрішньоклітинних структур стародавніх рослин. Це дозволяє, у свою чергу, стверджувати, що кардинальна перебудова органічної речовини в геологічних процесах не призводить до перетворення біохімічних сполук на якийсь однорідний геополімер. Навпаки, вихідні біохімічні сполуки, перетворюючись на «молекулярні копалини», зберігають кристалохімічну індивідуальність, яка не втрачається навіть на високих стадіях метаморфізму.

Література1

. Кізільштейн Л. Я., Шпіцглуз А.Л. Атлас мікрокомпонентів і петрогенетичних типів антрацитів. Ростов-на-Дону, 1998.

2. Кізільштейн Л. Я., Шпіцглуз А.Л. Анатомічний атлас рослин-вуглеутворювачів палеозою. Ростов-на-Дону, 1999.

3. Кізільштейн Л. Я., Шпіцглуз А.Л. Інертініт — хранитель життя//Наука і життя. 2016; (5): 42–44.4.

Фрей-Вісслінг А., Мюлеталер К. Ультраструктура рослинної клітини. М., 1968. [Frey-Wyssling A., Mühlethaler K. Ultrastructural Plant Cytology. Amsterdam, 1965.]