Молекулярная палеонтология - исследования молекулярных ископаемых

 

ПАЛЕОНТОЛОГИЯ

 

 

Молекулярная палеонтология - исследования молекулярных ископаемых

 

Идея о расширении рамок классической палеонтологии была высказана в 1923 г. одним из основоположников биогеохимии Я. В. Самойловым, который писал: "Наша современная палеонтология в своих обширных и глубоких достижениях базируется на ископаемых морфологических остатках организмов, я мыслю палеонтологию биохимическую, которая открывала бы нам существование организмов (может быть, совершенно не известных нам морфологически) исключительно по их биохимическим особенностям..." [907, с. 118]. Эта мысль Я. В. Самойлова значительно опережала свое время и не могла быть практически реализована из-за отсутствия точных методов исследований, но она оставила заметный след в науке и способствовала развитию не только органической геохимии и палеонтологии, но и палеофизиологии (см. 1.6).

Возникновение молекулярной палеонтологии связано с именем лауреата Нобелевской премии М. Кальвина. В статье "Молекулярная палеонтология" [1402], а затем в монографии "Химическая эволюция" [1403, русский перевод - 460] им были сформулированы основные положения молекулярной палеонтологии как направления исследований биогенных органических соединений ("молекулярных ископаемых") в докембрийских породах, лишенных морфологических палеонтологических остатков. Очевидно, что молекулярная палеонтология возродила на современном, качественно значительно более высоком уровне научно-технического прогресса предвидение Я. В. Самойлова.

Современные успехи биоорганической химии и хемотаксономии организмов, широкое изучение органических соединений в осадочных породах и в составе горючих ископаемых, выяснение закономерностей фоссилизации и последующих преобразований захороненных биомолекул привели к расширению круга объектов молекулярной палеонтологии и областей ее применения.

Предпосылки возникновения молекулярной палеонтологии

 Вторая половина XX в. характеризуется бурным развитием наук, занимающихся изучением вещества на молекулярном уровне. Ярким выражением этого явилось возникновение в середине 50-х годов молекулярной биологии - новой области естествознания, приведшей к революции в познании живой природы.

Молекулярная биология проложила дорогу новому подходу к изучению явлений жизни - исследованию элементарных биологических процессов на уровне молекул биополимеров и предельно простых систем [42]. Успехи молекулярной биологии в изучении процессов жизнедеятельности на уровне молекулярных структур и молекулярных взаимодействий [63] доказали биохимическую общность всех организмов и единство их происхождения, функционирование на молекулярном уровне не только управляющих организменных и биоценотических, но и эволюционно-генетических систем сложных организмов.

Переход на молекулярный уровень познания органических соединений в геологических объектах связан как с развитием методов идентификации органических соединений, так и с переносом достижений в выяснении химического состава биологических объектов и процессов их функционирования из неонтологии в палеонтологию. Подобную тенденцию отмечал еще в 1917-1918 гг. Я. В. Самойлов, который считал, что "настало время для расширения палеонтологических исканий в сторону раскрытия прошлой жизни в ее биохимических проявлениях. Палеонтология биохимическая (физиологическая), естественно, должна пользоваться и другими методами изучения, чем палеонтология морфологическая, а именно - геохимическими методами" [907, с. 91].

Предвидение Я. В. Самойлова оправдалось лишь в 50-х годах нашего столетия, когда внедрение современного молекулярного Уровня в исследования ископаемых остатков организмов привело в первую очередь к обособлению в качестве самостоятельной научной дисциплины палеобиохимии, возникшей на стыке палеонтологии, биохимии, молекулярной биологии и геохимии органических соединений.

Термин "палеобиохимия" был предложен Я. В. Самойловым [907]. Хотя исследования в этой области начались еще в 1908 г. [501], современный уровень в палеобиохимии был достигнут благодаря классическим работам Ф. Абельсона, опубликованным в 1954-1961 гг. В качестве двух основных направлений в палеобиохимии Ф. Абельсон [1] наметил рассмотрение сравнительной биохимии современных организмов с палеонтологической точки зрения и изучение состава органических веществ в ископаемых остатках организмов и в углеродсодержащих породах.

По определению Ч. М. Колесникова, "...в самом широком понимании палеобиохимия - это биохимия живого вещества биосферы Земли минувших геологических эпох. Конечной целью палеобиохимии в таком ее понимании является стремление изучить на молекулярном уровне происхождение и закономерности эволюции живого вещества, а также оценить влияние его на ведущие процессы, протекающие в биосфере Земли в течение геологической истории" [501, с. 9].

Развитие палеобиохимии привело на рубеже 60-х годов к обособлению в качестве самостоятельных научных направлений органической геохимии [1] и биогеохимии органического вещества [1805], а в конце 60-х годов - к обособлению молекулярной палеонтологии [1402], хотя и после этого длительное время молекулярная палеонтология рассматривалась как одно из направлений палеобиохимии [51, 501, 1925] и геохимии органического вещества [620].

Предмет, объекты и методы молекулярной палеонтологии

 М. Кальвин так определил предмет молекулярной палеонтологии: "...в породах, более древних, чем докембрийские, морфологических остатков не обнаружено, и поэтому нам придется иметь дело с "молекулярными остатками", по структуре которых мы можем судить об их происхождении" [460, с. 17].

Развернутую характеристику молекулярных ископаемых привел М. Руттен [895]: "Молекулярные ископаемые - это молекулы биологического происхождения" (с. 191), "...химически распознаваемые остатки биологических соединений" (с. 203), "...это более устойчивые фрагменты крупных органических молекул, ранее входивших в состав организма, а затем распавшихся в процессе фоссилизации" (с. 192). Следует подчеркнуть, что М. Руттен отмечает распознаваемость молекулярных остатков организмов на химическом уровне.

Видимо, начало работ по выделению и идентификации из геологических объектов соединений, имеющих аналоги в живой природе среди биомолекул, связано с именем А. Трайбса, обнаружившего в 1934-1935 гг. порфирины в нефтях и горных породах. Биомолекулы и их геохимические дериваты, идентифицированные в различных геологических объектах, получили самые разные наименования, отражающие, как правило, различные аспекты геологической судьбы биомолекул. Так, Д. Фокс [1600] назвал каротиноиды, выделенные из морских осадков, "biochemical fossils". Ф. Абельсон [1252] именовал аминокислоты, выделенные из пород, "fossil organic compounds". Название "biological markers" впервые встречается в работе Дж. Эглинтона с соавторами [1777], a "chemical fossils" - в статье Э. Баргхорна, У. Майншайна и Дж. Шопфа [1303] и в обзоре М. Кальвина [1401]; в статье М. Руттена [2195] этот термин использован в несколько ином написании - "chemofossil". M. Кальвин впервые употребил термин "molecular fossils" [1401]. Ал. А. Петров [817] применил название "реликтовые соединения". Наконец, следует упомянуть термин "geochemical fossils", использованный М. Тиссо и Д. Вельте [2387; русск. перевод - 1059].

Перечисленные наименования отражают разный подход к информации, которую несут ископаемые биомолекулы и их геохимические дериваты. Так, термин "biological markers" (в русском переводе - биологические маркеры, метки или метчики, биологические индикаторы, биологически маркирующие) передает взгляд на биомолекулы и их геохимические дериваты как на соединения, характеризующие следы жизнедеятельности в породах различного возраста, особенно докембрийского. Другой аспект - унаследованность структуры от биомолекул - отражен в названии "реликтовые соединения", "реликты", хотя лишь часть из них может считаться в полном смысле истинными реликтами: неизмененными, полностью сохранившимися биомолекулами. Наконец, в названиях "biochemical fossils" (биохимические ископаемые), "chemical fossils" (в русском переводе - химические ископаемые, хемофоссилии), "molecular fossils" (молекулярные ископаемые) и "geochemical fossils" (геохимические ископаемые) выражен историко-генетический подход, т. е. участие биомолекул в геохимических процессах захоронения исходного биологического материала и его сохранность в геологических объектах на химическом (молекулярном) уровне. Все эти названия определяют ископаемые органические соединения как предмет молекулярной палеонтологии, но вместе с тем отражают судьбу биомолекул, вырванных геохимическими процессами из биотического круговорота углерода в те или иные эпохи существования биосферы, т. е. имеют четко выраженный биогеохимический характер.

Место "молекулярных остатков" как предмета палеонтологии можно определить в сравнении с традиционно изучаемым палеонтологическим материалом. Согласно В. В. Друщицу [342], материалом для палеонтологии служат любые сохранившиеся в слоях Земли остатки организмов или следы их жизнедеятельности, называемые окаменелостями, или фоссилиями. Поэтому последовательность морфологически различимых фоссилий "макрофоссилии - микрофоссилии - нанофоссилии" естественно дополнить хемофоссилиями - остатками органических соединений организмов, распознаваемыми на химическом молекулярном уровне [286].

Термин "хемофоссилии" предпочтительнее упомянутых выше терминов, поскольку показывает не только химический уровень сохранности и распознаваемости ископаемого биологического материала, но и роль химических изменений исходных биомолекул.

Молекулярная палеонтология фиксирует "молекулярные остатки" в тех или иных геологических объектах. В современной палеонтологии молекулярные ископаемые, или хемофоссилии, рассматриваются как одна из форм сохранности палеонтологических объектов, как следы жизнедеятельности организмов прошлых геологических эпох. В связи с этим молекулярную палеонтологию можно рассматривать не только как раздел палеобиохимии, изучающий преимущественно докембрийскую эволюцию, но и как раздел палеонтологии, анализирующий остатки организмов на молекулярном уровне в осадочных породах любого возраста (не только в докембрийских). До настоящего времени объем понятия "молекулярная палеонтология" еще не определился, о чем свидетельствует статья Б. Раннегара "Molecular palaeontology", опубликованная в журнале "Palaeontology" в 1986 г. Б. Раннегар отнес к молекулярной палеонтологии такие палеобиохимические, по существу, направления исследований, как изучение органических молекул в остатках ископаемых организмов, биоминерализация, изучение филогении белков.

Вместе с тем уже достаточно ясно может быть выражена специфика молекулярной палеонтологии, связанная с рассмотрением молекулярных ископаемых как палеонтологического материала, несущего обычную палеонтологическую информацию (например, об организмах прошлого и палеобиоценозах, об условиях накопления осадков и т. д.). Молекулярные ископаемые позволяют опознать на химическом уровне как метаболиты, так и молекулярные остатки различных организмов палеобиоценозов (от автотрофов до гетеротрофов-деструкторов), уцелевшие в процессах биодеструкции и захоронившиеся в осадках. Поэтому можно считать, что в самом широком понимании молекулярная палеонтология изучает молекулярные следы жизнедеятельности организмов прошлых геологических эпох с целью суждения по молекулярным остаткам об эволюции живого вещества и биосферы.

Методы исследований "молекулярных ископаемых" отличаются от традиционных для палеонтологии методов и в настоящее время базируются на достижениях газовой хроматографии и масс-спектрометрии, особенно компьютерной хроматомасс-спектрометрии и пиролитической техники в комплексе с другими современными методами молекулярного анализа [784, 1059]. При современном уровне техники аналитических работ хемофоссилии - биологически маркированные соединения - могут быть выделены и определены даже в тех случаях, когда материнские организмы полностью распались, а органические вещества рассеялись, и их содержание во вмещающих породах, возраст которых насчитывает сотни миллионов и даже более 2,5 миллиардов лет, крайне невелико.

Специфика исследования молекулярных ископаемых позволяет, по мнению И. С. Барскова, считать, что "исследования в области молекулярной палеонтологии лежат вне собственно палеонтологии и являются, скорее, отраслью химии и геохимии органических веществ" [51, с. 6]. Это отражает расширение рамок классической палеонтологии по предмету и методам исследований, сближение ее с органической геохимией - современной крупной отраслью геохимии.

 

 

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