ПАЛЕОНТОЛОГИЯ

Биогенные кристаллы. Двойникование биогенных кристаллов

 Кристаллы многих веществ образуют особые сростки, так называемые двойники. Более сложные сростки называются тройниками, еще более сложные - полисинтетическими двойниками. Двойникование наблюдается во всех скелетах. Вероятно, раньше всего это явление изучалось на моллюсках [1994], а с наибольшей детальностью - на примере некоторых кокколитов [253]. Кроме кокколитов двойникование изучалось нами на скелетах червей, литотамниевых водорослях, на костях человека и на ряде других объектов [254].

Структурная роль двойникования при биоминерализации чрезвычайно велика: двойникование выступает как фактор сопряжения относительно правильной кристаллографической формы с формой биологических образований, всякого рода овалов, субсферических структур и т. д. (рис. 57). Примечательно, что на примере дискоастеров (ископаемых остатков, сближаемых с кокколитами) нам удалось показать, что благодаря полисинтетическому двойникованию возникают сростки с пятилучевой симметрией. Как известно, ни в каких кристаллах невозможна ось симметрии пятого порядка; к сросткам это ограничение не относится, но соответствующие структуры маловероятны для небиологических систем и практически не встречаются. Добавим, что имеются теоретические расчеты, объясняющие появление округленных контуров в системах геометрически сложного двойникования микроскопических реальных кристаллов и небиологической природы [513]. Следовательно, организмы при биоминерализации осуществляют сопряжение кристаллографически правильной формы с криволинейными контурами типичных биологических структур.

Потенциальные формообразующие возможности скелетного образования, в котором одноименные кристаллографические оси всех кристаллитов параллельны друг другу, весьма ограничены. Кроме того, прочностные характеристики такого скелета несовершенны материал неизбежно получится волокнистый, легкорасщепляющийся. Природа преодолевает эти сложности, используя явление двойникования. Из-за двойникования в трехмерной структуре скелета всегда есть усовидные кристаллиты, расположенные под углом к основному "пучку" (см. рис. 56, 4; идеализированный вариант - см. рис. 56, 7). В результате формируется скелет с весьма совершенными прочностными характеристиками.

Поскольку углы взаимного поворота кристаллитов не произвольны, а соответствуют законам двойникования, то суммарная структура строго упорядочена и энергетически весьма выгодна. Последнее не надо понимать только в смысле экономии энергии при биоминерализации. Существует фундаментальный физико-химический принцип: любая система стремится занять положение с возможным минимумом потенциальной энергии. Любой спонтанный природный процесс направлен в сторону понижения общей потенциальной энергии; соответствующим образом ведут себя механические пружины, магниты, химические процессы и т. д.

Энергетическая выгодность микроструктурной системы скелета означает: 1) построение скелета в конечном итоге приводит к минимизации потенциальной энергии, при прочих равных условиях такой процесс легче "автоматизировать"; 2) если потенциальная энергия скелета минимальна, то автоматически исключается возможность биологически нецелесообразных перестроек: такая перестройка приводила бы к повышению потенциальной энергии и как спонтанный процесс невозможна. Если организму понадобится перестроить скелет, то он сможет это сделать, используя внешние источники энергии [253]. Состояние, энергетически выгодное при одних условиях, может стать невыгодным при других, поэтому непосредственно распространять характеристики прижизненной устойчивости скелета на процессы фоссилизации нельзя, но определенная взаимосвязь соответствующих закономерностей существует.

Кристаллы одного и того же вещества, в частности кальцита, могут двойниковаться несколькими геометрическими способами. Соответственно трехмерная структура полисинтетического двойника может быть очень сложной. Для определенных кокколитов весьма экзотической формы, состоящих из огромного числа кристаллитов, нам удалось показать, что весь кокколит является единым полисинтетическим двойником. Сейчас мы подошли вплотную к пониманию того, что вся суммарная структура макроскопического скелетного образования (например, типа раковины гастроподы) может быть представлена как единый сложный полисинтетический двойник. Если это так, то появится возможность конкретизировать параметры рациональности микроструктур различных скелетов. В этом случае несомненно, что в некоторых группах изменятся представления о признаках прогрессивности. В частности, общепринятая точка зрения о примитивности микрогранулярной структуры восходит к доэлектронно-микроскопическим временам, когда эта структура казалась хаотичной. В свете сказанного микрогранулярную структуру в том виде, в каком она предстает при детальных электронно-микроскопических исследованиях, надо признать одной из самых высокоупорядоченных.

В то же время двойникование биогенных кристаллов - явление специфическое, лишь частично аналогичное двойникованию "обычных" кристаллов. При двойниковании небиогенных кристаллов границами двойников являются если и не атомные плоскости, то области соизмеримой толщины. В скелетах же сдвойникованные кристаллы разделены органической пленкой. Энергетическая выгодность такого необычного двойникования обусловлена наличием дальнодействующей упорядоченности; нечто похожее реализуется в системах жидких кристаллов. Геометрическая и размерная специфика кокколитов позволила прямым наблюдением показать фактическое существование дальнодействующей упорядоченности (на уровне дислокаций решетки) в системе несоприкасающихся кристаллитов, показать ощутимость соответствующих физических сил и реальность того вклада, который привносится в энергетическую выгодность системы существованием дальнего порядка [253].