Вопросы интерпретации данных о молекулярных ископаемых

 В связи со все возрастающей ролью информации, которая заключена в хемофоссилиях, в палеонтологии, в изучении возникновения и эволюции биосферы, в геохимии и биогеохимии горючих ископаемых особое значение приобретают вопросы интерпретации данных о молекулярных ископаемых.

По своему характеру химические ископаемые весьма существенно отличаются от ископаемых морфологических остатков организмов, являющихся традиционными объектами палеонтологических исследований.

Естественно, что дальнейшее развитие молекулярной палеонтологии связано прежде всего с совершенствованием аналитических методов и решением специальных методических проблем изучения хемофоссилий. Основополагающими из них следует считать две проблемы: 1) о сингенетичности хемофоссилий вмещающим породам и их вторичных изменениях и 2) о происхождении - биогенном либо абиогенном - хемофоссилий.

Наиболее важными хемофоссилиями для изучения эволюционных процессов, протекавших в архее и протерозое, считаются углеводороды (н-алканы, фитан, пристан), липиды (жирные кислоты) и пигменты (спорополленин, порфирины), обладающие наиболее высокой стабильностью и достаточно отчетливо выраженными особенностями структуры, отличающими их от других соединений. Имеются данные [2345] о находках в докембрийских водорослях Британской Колумбии "свободных", частично, по-видимому, первичных и "связанных" сахаридов. Не вполне ясным оказывается вопрос о поведении аминокислот. Ф. Абель-сон [1, 1253] привел данные в пользу химической и термической устойчивости некоторых из этих соединений, в частности аланина, и высказал мнение о возможности их сохранения в ископаемом состоянии длительное время. Согласно его представлениям, аланин и некоторые другие аминокислоты могут в течение миллиарда лет выдерживать анаэробные условия при температуре 25°С, при комнатной же температуре под действием кислорода они разрушаются за миллион лет. К сходным заключениям о сохранности аминокислот в древних породах, возможности их извлечения, исследования и идентификации пришли многие авторы [460, 945, 1403, 1580, 1586, 2466 и др.]. В частности, И. З. Сергиенко и М. И. Бобылева обнаружили в кианитовых сланцах свиты кейв (2,5 млрд. лет) различные "свободные" и "связанные" аминокислоты, а также углеводы - глюкозу и маннозу.

Согласно Т. В. Дроздовой [337, 338, 339, 621], "связанные" аминокислоты входят в состав высокомолекулярной части рассеянного органического вещества пород, будучи химически связаны в макромолекулах геополимеров.

Вопросы интерпретации данных о присутствии аминокислот в породах разного возраста и разных стадий литогенеза обсуждают Г. А. Лаврентьев и И. А. Егоров [557]. Они подвергают сомнению возможность сохранности нативных аминокислот в течение геологического времени в силу их способности к рацемизации и эпимеризации. Присутствие же аминокислот в докембрийских и более молодых, но метаморфизованных породах объясняются ими как следствие природной контаминации.

Другая группа молекулярных ископаемых - углеводороды "...относятся к наиболее стабильной группе соединений, и можно ожидать, что они сохранили существенные особенности своей первоначальной молекулярной структуры [460, с. 40]. По расчетам, приводимым М. Кальвином (там же), время жизни углеводородов при 300 К составляет 10²⁵ лет, при 400 К - 10^13,5 лет.

Интересный анализ проблемы возможности биогенного или абиогенного происхождения углеводородов в породах привел В. Г. Мейншейн [784]. Он отметил, что хотя органические соединения могут создаваться в результате анаболических или абиотических реакций, многие высокоселективные реакции непосредственно или косвенно связаны с жизнью, а "...основным недостатком большинства абиотических теорий происхождения соединений углерода в породах является, по-видимому, неспособность этих теорий предложить правдоподобный источник абиотических реагентов и катализаторов. Многие из найденных в породах сложных углеводородов достаточно устойчивы, чтобы сохранить структурную упорядоченность, характерную для биологических остатков... и эти вещества или их предшественники очень важны для выяснения биологической эволюции" [784, с. 232, 233].

Из всех биологических молекул, считает В. Г. Мейншейн, насыщенные углеводороды могут иметь наибольшее геохимическое значение; "...энергия разложения некоторых биологических алканов (алканы, согласно этому автору, - это все насыщенные углеводороды, т. е. алканы и цикланы по общепринятой номенклатуре органических соединений) (курсив наш. - И. Л., А. Г., В. М.) и присутствие алканов в породах практически всех возрастов подтверждает, что главная часть этих углеводородов может сохранять свою структурную целостность почти при любых условиях, имеющихся в осадочных отложениях. Таким образом, вопрос состоит, очевидно, не в том, являются ли алканы молекулярными остатками прежней жизни, а скорее в том, насколько или какая часть алканов в древних породах образовалась из алканов биологических липидов" [784, с. 245].

В этом плане важно то обстоятельство, что образование углеводородов при трансформации фоссилизированных кислородосодержащих компонентов липидной и изопреноидной природы является обязательным этапом геохимической истории этих компонентов [287]. В частности, новообразование н-алканов из жирных кислот (свободных или связанных в восках или макромолекулах керогена пород) изменяет молекулярно-массовое распределение унаследованных н-алканов. Изопреноидные алканы (фитан, пристан и др.), стераны, гопаны и другие терпаны обычно имеют своими предшественниками в живом различные кислородные производные (спирты и др.).

При оценке значимости молекулярных ископаемых следует учитывать, что при умеренных температурах и окислительно-восстановительных потенциалах соединения углерода подвергаются структурным изменениям, которые точно отражают воздействующие на них процессы [784]. Уникальность углеродных скелетов стероидов и терпеноидов (как циклических, так и алифатических) и сохранение ими стереохимической конфигурации, отвечающей биологической или близкой к ней (известно, что стереоконфигурация холестерина единственная из 256 возможных по числу хиральных центров), делает эти соединения, как и н-алканы, одними из основных среди молекулярных ископаемых разновозрастных и разнофациальных пород и горючих ископаемых.

Что касается син- и эпигенетичности тех или иных хемофоссилий, то многочисленные исследования показывают, что источник исключительно автохтонных хемофоссилий существует - это нерастворимая часть керогена пород. И. Дж. Галлегос [264] утверждает, что кероген, в котором содержится основная масса органического вещества осадочных пород, - это потенциальный источник незагрязненных биологических маркирующих соединений. Этот вывод важен в том отношении, что макромолекулы керогена пород формируются на стадии седиментогенеза, как показано в настоящее время на примере различных горючих сланцев [264, 493].

В макромолекулы керогена включены в виде структурных элементов биомаркеры тех организмов, остатки которых принимали участие в формировании осадков, давших породы, содержащие кероген. Методом выделения биомаркеров является пиролиз керогена, высвобождающий ранее фоссилизированные жирные кислоты в виде н-алканов, н-алкенов, кетонов, концентрационное распределение которых позволяет реконструировать начальное распределение жирных кислот [493] и изопреноиды - изопренаны, стераны, терпаны - в виде набора соединений, часть из которых, как показано К. Зейфертом, сохраняет стереохимию исходных биомолекул [2260].

Успехи органической геохимии все больше способствуют однозначности интерпретации данных о молекулярных ископаемых. В частности, остается все меньше доводов в пользу абиогенного синтеза хемофоссилий, все больше выясняется роль постфоссилизационных (абиогенных) преобразований захороненных биомолекул в формировании хемофоссилий пород и горючих ископаемых.

* * *

Несмотря на безусловную важность данных молекулярной палеонтологии для разработки проблемы происхождения жизни на Земле, задачи ее в целом представляются более широкими. Количество, разнообразие состава и геохимическая роль живого вещества в процессе биологической эволюции быстро возрастали. В связи с этим молекулярная палеонтология, охватывая своими исследованиями не только докембрий, но и фанерозой, поставляет весьма важную информацию об основных компонентах исходного живого вещества или продуктах их сравнительно неглубокого преобразования, без которой немыслимо изучение биохимии растений и животных геологического прошлого, проникновение во многие закономерности эволюции биосферы, выяснение происхождения и условий накопления горючих ископаемых. На этом пути молекулярная палеонтология вступает во взаимодействие с другими науками, изучающими органическое вещество - углехимией и углепетрографией, нефтехимией, химией горючих сланцев, биогеохимией и другими, сохраняя при этом присущие ей особенности. Прав был, вероятно, Н. Б. Вассоевич [147], утверждавший, что молекулярная палеонтология займет отчетливо выраженное положение между зарождающейся наукой об ископаемом органическом веществе - литогеохимией и палеонтологией.

Закономерности формирования химических ископаемых изучены еще недостаточно. В самом общем виде можно сказать, что их образование связано с фоссилизацией биологических молекул, сохранившихся после гибели материнских организмов, но утративших первоначальную связь с живым веществом и перешедших в ископаемое состояние. Под воздействием геохимических процессов в обстановках осадконакопления и диагенеза часть этих молекул превращается в устойчивые для данных условий соединения, сохраняющие полностью или фрагментарно углеродный скелет исходных биологических молекул и несущие информацию об их систематической принадлежности и путях эволюции.

Важное значение в реализации рассматриваемой идеи имеет разработка палеотаксономического направления исследований, занимающегося классификацией организмов геологического прошлого по их биохимическим особенностям и непосредственно связывающего молекулярную палеонтологию с палеонтологией морфологической.

Известно, что все живущие на Земле организмы вне зависимости от систематической принадлежности обладают определенным единством биохимических процессов и большим сходством состава и структуры всех основных биомолекул. Вместе с тем они отличаются друг от друга по относительному количеству синтезируемых веществ, а также наличию специфических соединений для каждого данного таксона - вида, рода, семейства и т. п. Таксономическая специфичность проявляется наиболее отчетливо в составе основных биополимеров, в частности в характерных соотношениях и последовательности составляющих их мономеров [501]. Это и обусловливает возможность осуществления хемотаксономических исследований.

При изучении биомолекул, извлеченных из молодых пород, можно непосредственно исходить из данных сравнительно-биохимического анализа современных растительных и животных организмов и, основываясь на их хемотаксономических признаках, судить о присутствии или, наоборот, отсутствии близкородственных им существ в среде накопления этих пород. С принципиальной точки зрения аналогичный подход возможен и к изучению хемофоссилий, содержащихся в древних отложениях, хотя его осуществление сильно осложнено вторичными изменениями ископаемых биомолекул и общим ходом биохимической эволюции. Рассматриваемому направлению посвящено уже немало работ, среди которых нужно выделить труд под редакцией М. Флоркэна и X. Масона [1445].

Накопившийся к настоящему времени фактический материал позволяет составить общее представление о распределении органических соединений в осадочной оболочке Земли [501, 1243]. Нельзя, однако, думать, что основным определяющим фактором является абсолютный возраст пород, вмещающих эти вещества. Уменьшение количества растворимых органических геолипидов при одновременном возрастании роли углеводородов и графитизации органических остатков обусловлено преимущественно медленными термическими и каталитическими процессами, протекающими в осадках после захоронения, уплотнения и литификации; абсолютный же возраст пород имеет, по-видимому, существенно меньшее значение, чем термическая история (рис. 88).

Несмотря на то что рассматриваемой проблеме посвящена значительная литература, современное положение дел нередко приводит к неоднозначному толкованию одних и тех же фактов. Весьма сложным оказывается доказательство первичной биогенной природы многих углеродистых соединений, заключенных в древних отложениях, содержащих также морфологические остатки организмов. Известно, что аминокислоты и некоторые другие соединения могут образовываться и неорганическим путем, в том числе в процессе вулканических извержений [625]. Обнаружены они и в углеродистом веществе метеоритов [1384, 1858 и др.], иногда очень древних.

Обладая высокой подвижностью, углеродистые соединения различного (биогенного и абиогенного) происхождения испытывали в течение длительного геологического времени миграцию и преобразования. Поэтому наиболее надежными являются результаты изучения нерастворимой фракции органических веществ горных пород - керогена, который менее мобилен и с большей вероятностью, чем другие хемофоссилии, сингенетичен вмещающим их образованиям.

Таким образом, изучение хемофоссилии с целью получения информации об их происхождении и истории, а в конечном итоге выяснения закономерностей биохимической эволюции представляет большие сложности. Один из путей их преодоления - дальнейшее сближение молекулярной палеонтологии с палеонтологией морфологической и экологической, без участия которых невозможно решение палеохемотаксономических и эволюционных вопросов, а также выяснение состава и закономерностей формирования материнского вещества горючих полезных ископаемых. Следует обратить внимание также на существование еще более широких возможностей, состоящих в развитии, наряду с молекулярной палеонтологией, других наук, теснейшим образом связанных с морфологической палеонтологией, - палеобиохимии, палеобиогеохимии и палеогистологии [501]. Систематическое укрепление связей между этими науками расширяет и углубляет роль палеонтологии в изучении происхождения и развития органического мира и эволюции биосферы в целом.

В заключение можно отметить, что молекулярной палеонтологией до сих пор не найдены доказательства добиологической эволюции. Исследования последних лет все стремительней отодвигают временною границу появления жизни на Земле. Непрерывность наличия органического вещества биогенного генезиса на протяжении всего времени формирования осадочных пород и существование фотосинтеза как биологического процесса на протяжении почти 4 млрд. лет подтвердились комплексными исследованиями ранней органической эволюции в рамках Международного проекта геологической корреляции (МПГК) № 157 "Ранняя органическая эволюция, минеральные и энергетические ресурсы", выполнявшегося с 1977 г. под руководством проф. М. Шидловски (ФРГ).

Согласно Г. Пфлюгу (Pflug H. D., 1984 г.), породы с возрастом 4 млрд лет содержат структурированное органическое вещество, а приемлемые условия жизни на Земле появились 4,2-4,3 млрд лет назад. Наконец, как полагает Г. В. Войткевич (1986 г.), цианобактерии возникли задолго до временной отметки 4 млрд лет, первичные гетеротрофы получили развитие 4-4,55 млрд лет назад, сама же длительность жизни на Земле соизмерима с возрастом планеты или чрезвычайно близка к нему.

Участие живого вещества в геологических процессах во все времена истории Земли свидетельствует о биогенном происхождении всего органического вещества стратисферы, как полагал В. И. Вернадский. В связи с этим следует еще раз подчеркнуть роль молекулярной палеонтологии как науки о палеонтологическом аспекте исследований всего ископаемого органического вещества стратисферы.

 

 

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