ПАЛЕОНТОЛОГИЯ

 

 

Палеобиогеохимия. Палеобиогеохимические и палеобиохимические исследования. Изотопный состав углерода

 

Начало исследованиям химического состава организмов и их скелетных частей положено В. И. Вернадским в связи со сформулированными им общими положениями биогеохимии о роли живого вещества в эволюции материи. Основополагающее значение имели труды А. П. Виноградова [171, 172], посвященные изучению химического состава морских организмов, работы Я. В. Самойлова [906], Ф. У. Кларка и Уиллера [1428], обосновавших применение биогеохимической методики к изучению палеонтологических объектов. Палеонтологические проблемы геохимического изучения растительных остатков, выдвинутые С. А. Ивановым [416] и В. А. Успенским [1085], получили в дальнейшем существенное развитие [1385, 2011], хотя более интенсивно это направление прогрессировало в рамках геохимии органического вещества (см. 2.7).

Несмотря на более чем полувековую историю, палеобиогеохимия все еще переживает трудный и противоречивый период становления. Несомненно, остаются справедливыми основные общетеоретические постулаты биогеохимии: 1) каждый биологический таксон обладает специфичностью своего химического состава; 2) в химическом составе каждого организма находит свое отражение геохимическая обстановка среды его обитания.

Вместе с тем необходимо признать, что в настоящее время отсутствуют теоретические научные обоснования, которые позволяли бы объяснить конкретные пути формирования специфичности химического состава организмов, уровень специфичности содержания отдельных элементов и соединений, биологические и физико-химические механизмы влияния среды на формирование химического состава различных частей и тканей организмов. Эти вопросы оказались значительно более сложными, чем представлялось вначале, и эмпирические материалы, накопленные к настоящему времени, пока не дали на них определенных ответов. Исследования химического состава ископаемых остатков организмов призваны учитывать влияние еще одного фактора - процессов фоссилизации, геохимические закономерности которых также известны мало.

В соответствии с тремя названными факторами, обусловливающими состав анализируемых ископаемых скелетных остатков (влияние физиологии организмов, влияние среды и влияние диагенеза в широком смысле), палеобиогеохимия формулирует свои задачи: исследование геохимической эволюции организмов, геохимических параметров среды прошлого и геохимических особенностей постседиментационных процессов. Недооценка хотя бы одного из этих факторов или переоценка любого из них, даже приводя на первых порах к видимому успеху, оборачиваются в конечном итоге ничтожной научной отдачей и могут привести к дискредитации всего научного направления.

Сложность интерпретации данных химического состава наглядно может быть проиллюстрирована историей исследований изотопного состава кислорода в биогенных карбонатах. Соотношение легкого (16О) и тяжелого (18О) изотопов кислорода, входящего в состав карбонатов, осажденных из воды, в соответствии с физико-химическими расчетами [2413] зависит от температуры воды. Эта термодинамическая зависимость, подкрепленная эмпирическими и экспериментальными данными об изотопном составе кислорода биогенных карбонатов раковин моллюсков, лежит в основе палеотермометрии [1942, 2144]. В 50-60-е годы нашего столетия изотопная палеотермометрия завоевала всеобщее признание, были выполнены многочисленные исследования, проведены палеоклиматические построения для многих промежутков геологического времени. Осложняющим моментом считалась лишь возможность диагенетического перераспределения изотопов, от чего можно избавиться подбором анализируемого материала хорошей сохранности.

В дальнейшем, однако, было показано влияние на изотопный состав кислорода раковинных карбонатов изотопного состава вод, в которых обитали организмы, строящие карбонатный скелет. Колебания изотопного состава кислорода воды в различных водоемах сказывались на изотопном составе биогенных карбонатов настолько сильно, что значительно перекрывали влияние температурного фактора. В тех случаях, когда была возможность внести соответствующие коррективы, палеотемпературные определения по биогенным карбонатам могли быть выполнены. В большинстве же случаев параметры изотопного состава вод древних водоемов оставались неизвестными, и палеотемпературные определения были сомнительными [1045].

В 70-е годы появились данные о том, что на изотопный состав кислорода биогенных карбонатов оказывают влияние также особенности физиологии организмов, образующих карбонатный скелет. В одинаковых условиях разные организмы накапливают стабильные изотопы кислорода в различных соотношениях, которые при пересчете на температуру обитания дают весьма различные значения [258]. Все это существенно подорвало доверие к изотопной палеотермометрии, привело к сокращению исследований в этом направлении. Причиной сложившегося положения явилась переоценка влияния одного фактора - среды - и недооценка влияния биологических особенностей организмов.

Вместе с тем существенно увеличившаяся сложность и неоднозначность интерпретации изотопных данных вовсе не должны приводить к отказу от таких исследований. Более того, это открывает возможности для использования изотопного состава кислорода биогенных карбонатов не только и, возможно, не столько для палеотермометрии, но и для выявления биологических особенностей организмов и их эволюции, величина 18О становится комплексным показателем физиологических факторов и геохимических параметров среды [491, 1045]. Причем данные по изотопному составу кислорода могут быть правильно истолкованы только при совокупном анализе с данными по изотопному составу углерода - другого основного элемента карбонатных скелетов. Пути поступления этих элементов в скелет при его минерализации в значительной степени общие, хотя если изотопный состав кислорода в большей степени зависит от физико-химических условий среды (температуры, гидрологического режима), то изотопный состав углерода более чувствителен к биологическим факторам. Изотопный состав углерода, содержащегося в углекислом газе и углекислоте, растворенных в воде и идущих на построение скелета организмов, зависит от его происхождения. Углерод, прошедший через биологический цикл, имеет более легкий изотопный состав.

Комплексные исследования по совокупному изотопному составу кислорода и углерода дают полноценные сведения для палеоокеанологического анализа, а на более детальном уровне исследований - для решения вопросов таксономии [491].

Изотопный состав углерода из органического вещества ископаемых, помимо хорошо известного применения для радиометрических датировок по радиоактивному изотопу 14С, используют и в палеобиологических целях. Отношение стабильных изотопов 13С/12С в органической фазе ископаемых костей применяют для определения характера диеты (растительной, животной, смешанной) древнечетвертичных животных и людей.

Как можно видеть, достаточно сложно обстоит дело даже с наиболее распространенными элементами, входящими в скелетные остатки организмов, - элементами, для которых имеются теоретически достаточно точно обоснованные физико-химические модели их поведения при образовании минеральной фазы скелета.

В составе карбонатных скелетов многих организмов, помимо основных элементов (Ca, O, C), обычно устанавливается присутствие около десятка малых элементов и элементов-примесей (Mg, Sr, Mn, Fe, Ba, Si, Ti, Cu и др.). Для всех этих элементов нет пока теоретических обоснований их присутствия в скелетном веществе, неизвестны причины и механизм их поступления и участия в построении скелета, а для многих неизвестно и место, которое они занимают в системе минерально-органического комплекса (скелета). Таким образом, строгая трактовка причин изменения содержания этих элементов в настоящее время не подкреплена теоретическими физико-химическими или биохимическими моделями. Тем не менее благодаря большому числу проведенных и проводящихся исследований некоторые эмпирические закономерности в распределении малых элементов и элементов-примесей в карбонатных скелетах многих организмов установлены и используются при таксономических, филогенетических и палеогеографических построениях.

В первую очередь это относится к магнию и стронцию, которые присутствуют в карбонатных скелетах постоянно, причем в относительно больших количествах. Кроме того, ясно и их место в минеральной фазе скелетного вещества: как и в неорганически осажденном карбонате кальция они могут замещать кальций в кристаллической решетке минерала. В связи с этим и подтверждая это, установлено, что в органогенных кальцитах содержание магния выше, чем в органогенных арагонитах, тогда как в содержании стронция картина обратная. Пожалуй, единственным исключением является состав кальцитовых ростров некоторых белемнитид, в котором количество магния соответствует его содержанию в "нормальном" кальците, а содержание стронция достигает значений, характерных для "нормального" арагонита. Причиной этого могут быть либо особенности физиологии белемнитид, позволяющие им образовывать кальцит с аномально высоким содержанием стронция, либо особенности диагенеза ростров данной группы организмов.

К настоящему времени опубликовано большое количество работ, в которых анализируется и интерпретируется содержание магния в карбонатных скелетах разных групп организмов. Эти интерпретации преследуют две цели, как и палеобиогеохимические исследования вообще: выяснение таксономической специфичности и зависимости содержания данного элемента от факторов внешней среды. Вместе с тем в очень немногих работах приводятся результаты комплексных исследований и еще меньше таких работ, где анализируются закономерности диагенетического перераспределения магния в скелетных остатках.

 

 

К содержанию: «Современная палеонтология»

 

Смотрите также:

 

ПАЛЕОНТОЛОГИЯ ПОЗВОНОЧНЫХ  геология с основами палеонтологии  По следам минувшего 

 

палеоботаника или ботаническая палеонтология...  Аллювий прарек  Палеовулканология

 

 Древние климаты   Палеогеография   Палео океанология