Многолетние эксперименты по фоссилизации в Палеонтологическом институте им. А.А. Борисяка РАН

В Палеонтологическом институте им. А.А. Борисяка РАН завершены многолетние эксперименты по фоссилизации (окаменению) мягкотелых беcпозвоночных организмов. Установлено, что осажденное на тканях железо не предотвращает разложение органических остатков, как это считалось ранее. Консервацию обеспечивают, по-видимому, другие вещества.

Когда речь заходит об ископаемых останках животных, в первую очередь на ум приходят раковины, кости и зубы, но для палеонтологии чрезвычайно важны и ископаемые другого рода – остатки мягкотелых организмов, не имеющие твердых скелетов. К началу XXI века было описано около полусотни местонахождений, в которых  обнаружили не только элементы скелетов, но и отпечатки мягких тканей ископаемых животных. Долгое время считалось, что они сохранились благодаря редкому сочетанию особых условий захоронения. Но так как за последние два десятилетия число известных местонахождений с остатками мягкотелых увеличилось более чем вдесятеро, то возникли естественные сомнения в редкости и уникальности требуемых условий. Может быть, секрет сохранения органического вещества следует искать среди условий обычных и рядовых?

Так как окаменелости мягкотелых организмов часто встречаются в сочетании с оксидами железа или пиритом, было высказано  предположение о ключевой роли железа в фоссилизации: железо, осаждаясь на органических тканях, консервирует их, а затем замещает своими соединениями.

В лаборатории древнейших организмов Палеонтологического института РАН была проведена серия самых длительных на сегодняшний день тафономических экспериментов. В течение пяти лет остатки мелких ракообразных Artemia salina выдерживали в различных осадках. Ведущий научный сотрудник института Елена Наймарк разработала методику бережного извлечения остатков и дальнейших аналитических исследований. В ходе эксперимента удалось проследить динамику железа при фоссилизации мягких тканей и в результате поставить под сомнение традиционные идеи о его ведущей роли в процессе консервации.

Для эксперимента было выбрано четыре минерала с разным содержанием железа: монтмориллонит, каолинит, шамозит и клинохлор. В результате разложения органического вещества резко изменились химические параметры осадков, что было подтверждено сравнением экспериментальных, исходных и контрольных образцов. При захоронении органики происходило активное выщелачивание (вымывание) железа из минералов осадка, что особенно наглядно проявилось в опыте с монтмориллонитом - в нем обозначился яркий красный слой гидроокисного железа, стабилизированный ионами кремния.

Все минералогические анализы были выполнены Н.М. Боевой в Институте геологии рудных месторождений, петрографии, минералогии и геохимии РАН. На органических тканях рачков из этого красного слоя появились многочисленные шарики микронного размера, состоящие из железа и серы. Такие же железные шарики были обнаружены на рачках из осадка шамозита с исходно высоким содержанием железа. В осадках с невысоким содержанием железа – в каолините и клинохлоре – таких железных шариков на поверхности рачков не обнаружено.

Эксперимент показал, что сохранность зависит вовсе не от эффективности осаждения железа. Лучше всего сохранились рачки в монтмориллоните и каолините, хуже всего – в шамозите и клинохлоре. Каолинит беден железом, соответственно и в рачках его было ничтожное количество, а в рачках из шамозита железа было много, но сохранность оказалась крайне низкой. На основании этих результатов авторы сделали заключение, что железо, если оно присутствует в минералах осадка, будет вымываться и мигрировать до определенного слоя  осадка, осаждаясь на органических остатках. Однако осаждение железа не влияет (или влияет очень мало) на их консервацию, органика все равно будет быстро разлагаться. Консервацию обеспечивают, по-видимому, другие минеральные вещества - ионы алюминия и кремния.

Так в эксперименте удалось проследить всю картину трансформаций железа при фоссилизации мягкотелых организмов, и на этой основе поставить под сомнение традиционные идеи о его участии в фоссилизации. Это помогает лучше понять механизмы формирования палеонтологической летописи, а значит, точнее интерпретировать ее содержание.

«В современной палеонтологии очень большое внимание направлено на фоссилии мягкотелых организмов – то есть организмов, у которых нет никаких твердых частей – скелетов, ракушек, костей, которые обычно достаются палеонтологам. Именно они должны, по идее, сохраняться в ископаемой летописи. Но, например, как сохраняются тела медуз?

Ведь медуза -  это мягкое тело, которое, оставшись на песке, за два часа исчезает полностью. Тем не менее, ископаемые медузы многочисленны и хорошо известны палеонтологам. Среди них не только слепки (их мы можем себе представить), но и остатки органического тела.  Мы видим у этих медуз щупальца, органы равновесия, мышечные волокна. Почему они не исчезают, а консервируются и остаются в виде фоссилий?

Вообще, массу ископаемых мягкотелых составляют ракообразные – примерно 90% всей ископаемой мягкотелой фауны. Так же, как и с медузами, современная палеонтология не может ответить на вопрос – почему эти органические ткани не исчезают полностью, почему бактерии-деструкторы их не съедают, хотя гипотетически должны?

Сейчас этот вопрос – очень большая загадка современной палеонтологии. Ее решение сулит прояснение многих спорных вопросов палеонтологии, сравнительной биологии, сравнительной анатомии и ранней эволюции живых организмов. Подходов к решению – несколько, и реализовывать их можно по-разному.

Один из возможных подходов – изучать геохимию реальных ископаемых, а другой подход – проводить эксперименты. В экспериментах можно буквально увидеть, какие ткани исчезают, в какой последовательности, какие химические реакции запускают разложения и какие – консервацию, какие факторы влияют на скорость разложения. Этот подход называется актуальной или экспериментальной палеонтологией. Один из подобных экспериментов ведется у нас в Палеонтологическом институте им. А.А. Борисяка РАН, он ведется уже 7 лет. Я, к сожалению, не знаю в России больше ни одной группы, которая бы занималась экспериментальной палеонтологией. Мне, по крайней мере, такие специалисты неизвестны, хотя на Западе эта тема чрезвычайно развита – там очень много специалистов, выходят сборники, проводятся международные конференции. От нашей страны только я там появляюсь.

Чем отличается наш эксперимент от тех, которые проводятся в рамках западных школ?

Во-первых, это очень длительный эксперимент. Именно потому, что он такой долгий, нам удалось показать реальные химические и минералогические процессы, которые происходят с органическими остатками.

Во-вторых, мы научились работать не с жидкостями, а с минеральным осадком. Это очень непросто. Ведь, если работать с жидкостями, то необходимо просто вытащить выдержанный сколько-то времени объект, промыть его в дистиллированной воде, а дальше можно начинать исследования. В случае с минеральным осадком – а это система более сложная со всех точек зрения – нужно отделять органическую часть от минеральной, извлекая органические остатки в неповрежденном виде и сохраняя их химическую и минеральную специфику. Пока с таким видом эксперимента справилась только наша группа – новые методики, естественно, дали интересный результат.

В опубликованной части нашего эксперимента мы сфокусировали внимание именно на железе. Дело в том, что господствующая точка зрения предполагает, что консервации мягкотелых остатков, способствует соединение органической матрицы с железом в каком-либо виде (оксидов, пирита). То или иное соединение железа должно вступить в реакцию с органической матрицей, и тогда она законсервируется.

Эта гипотеза сформировалась из-за того, что многие ископаемые – мягкотелые организмы, сохраняются, покрытые налетом железа. Будто они припорошены ржавчиной или пиритовыми зернами… Но есть много фоссилий мягкотелых, где железа нет, а они все равно сохраняются. Либо дело не в железе, либо помимо железа, есть множество других консервантов. А скорее и то, и другое. Поэтому мы ставили эксперименты, в которых работали с соединениями железа, алюминия, кремния, кальция, магния – с самыми разными соединениями и металлами, которые предположительно могут сработать консервантами. Нам удалось показать, что железо вовсе не обязательный фактор консервации, и стоит подумать о каких-то других элементах.

Также хочу отметить, что подобного рода исследования в одиночку или вдвоем сделать невозможно, потому что они предполагают огромное количество инструментальных анализов, сделанных на разных приборах разными специалистами – биохимиками, минерологами, химиками. Наше исследование именно из таких – оно междисциплинарное. У нас работает большая команда очень сильных специалистов, однако, в данном исследовании по железу указано только двое. Остальные – участники других публикаций в различных журналах. 

Стоит отметить, что наше исследование не поддерживалось никакими грантами, поэтому все ученые, которые работают со мной, делают это в силу научного интереса. Ведь тема выбрана перспективная, и она показывает, как шла эволюция ранней жизни. Фоссилизация – это то, что осталось нам в наследство от богатой древней жизни. Так какую часть этой древней жизни мы видим и почему именно ее, и что такое вообще ископаемая летопись?

Так что тема может заинтересовать ученых разных областей знаний – палеонтологов, биологов, биохимиков, которые занимаются «ранней историей жизни»», - рассказала «Научной России» Елена Наймарк, первый автор исследования, ведущий научный сотрудник Палеонтологического института им. А. А. Борисяка РАН.

Публикация: Наймарк Е.Б., Боева Н.М. Роль железа в формировании фоссилий мягкотелых организмов: результаты долговременных экспериментов. //ДАН, Науки о Земле, 2020. Т.490. №2. С. 29-32, DOI:
10.31857/S2686739720020103