состав ископаемых скелетных образований. Биоминерализация

 

ПАЛЕОНТОЛОГИЯ

 

 

Принципы и направления исследований тонкой структуры и вещественного состава ископаемых скелетных образований. Биоминерализация. Основные вопросы биоминерализации

 

Известно, что кости, раковины и другие скелетные образования состоят из природных композиционных материалов, являются комплексом биополимеров и ионных кристаллов (в подавляющем большинстве случаев карбонатов или фосфатов кальция). В составе минеральной части скелета низших организмов широко распространен аморфный диоксид кремния.

 В минерализованных структурах разных организмов (от одноклеточных до млекопитающих) состав органического компонента с точностью до групп соединений одинаков. Это белковомукополисахаридный комплекс, куда входят фибриллярные структурные белки (коллаген или сходные с ним белки). Мукополисахариды иногда представлены хитином, чаще это другие соединения, иногда их называют хитиноидными. Сам термин "хитин" имеет два значения: 1) в узком смысле - индивидуальное вещество из группы мукополисахаридов; 2) в широком смысле - материал, из которого состоит панцирь членистоногих (фактически это комплекс, включающий собственно хитин и структурные белки). Материал панциря членистоногих является неплохой иллюстрацией того, что такое органический компонент любого скелета*.

Пространственные соотношения между органической и минеральной фазами скелета

 Тонкая структура органических матриц подобна трехмерной сетке: в одном направлении вытянуты молекулы белка, двум другим соответствует субдвумерная мукополисахаридная сетка [1087]. Полисахаридная "сетка" состоит из дискретных пластин (см. 2.2). На определенной стадии внутри белковых фибрилл возникают кристаллические зародыши, причем взаимная ориентация кристаллографических осей хаотична, соответствующая упорядоченность возникает только на последующих стадиях процесса [1640]. Заметим, что такая же картина наблюдается и при типовой эпитаксии небиологических материалов. Эпитаксия - направленная кристаллизация одного вещества, определяемая частицами другого. Необходимым ее условием является определенное стереохимическое соответствие между компонентами.

Расположение кристаллических зародышей при биоминерализации подчиняется четкой упорядоченности. В случае коллагена считается установленным, что зародыши формируются, как показано на рис. 56 [1641, 2395]. В действительности соотношения, видимо, сложнее; во всяком случае интерпретация ряда моментов неоднозначна. Возникновение зародышей в зонах, которые, по существу, являются субмолекулярными "порами", обеспечивает важный момент: на ранней, самой уязвимой стадии процесса кристаллиты минимально деформируют тонкую структуру коллагена [2395], на последующих стадиях минерализации такая деформация неизбежна. Подчеркнем, что когда минерализация только начинается, внутри объема органической матрицы еще нет тех "пустот", в которых могли бы уместиться полностью кристаллиты. Процессы собственно кристаллизации и процессы "освобождения места" в органической матрице идут почти синхронно. Таким образом, биоминерализацию можно представить как результат "замещения" части вещества органической матрицы минеральными кристаллами.

В подавляющем большинстве случаев рост кристаллов останавливается на той стадии, когда между соседними кристаллитами остаются органические мембраноподобные пленки. В результате возникает структура, свойственная большинству скелетов и аналогичная кладке кирпичей, скрепленных цементом: соседние кристаллиты не срастаются между собой непосредственно, а соединены в единое твердое тело (кость, раковину и т. д.) "цементирующей пленкой" органической матрицы (см. рис. 56). При этом, например, прочность кости определяется не только параметрами идеализированной решетки кристаллов и особенностями геометрии системы, но и энергией специфического взаимодействия между органической и минеральной частями скелета. Точная природа этого взаимодействия неизвестна, но представление о существовании специфического комплексообразования на границе раздела является общепризнанным.

Элементарные кристаллиты, т. е. минимальные структурные единицы, имеющие обволакивающую органическую пленку, геометрически являются сильно вытянутыми пластинками. Их размер по порядку величин одинаков у самых разных организмов: длина - около 100 нм, ширина - десятки нанометров, толщина - около 5 нм. Как правило, толщина органических пленок, разделяющих элементарные кристаллиты, достигает нескольких нанометров [2395].

Массовая доля органической части при таких соотношениях составляет ориентировочно 20-30%, что соответствует фактической ситуации для большинства скелетов. Однако известны минерализованные структуры и с гораздо меньшим содержанием органического вещества - например, скелеты некоторых иглокожих и эмаль зуба млекопитающих [2395].

Их минерализация на ранних стадиях идет в полном соответствии со сказанным выше, но потом рост кристаллов не останавливается до тех пор, пока органическая матрица практически полностью не будет "вытеснена". Так, в эмали сформированного зуба массовая доля органического вещества составляет 0,5-1,5% [2220]. В данном случае функциональный смысл явления понятен: органические пленочные прослойки недопустимо снижают твердость эмали. Однако за такое повышение твердости организму приходится "расплачиваться". Лишаясь органической части, эмаль становится структурой, гораздо более хрупкой, чем обычная кость.

 Помимо этого эмаль в прижизненном состоянии - практически мертвое образование, она не обновляется и не способна к регенерации. Однако большинство минерализованных объектов подчиняется принципу "обволакивающих пленок". Но надо четко понимать, что нет механизмов, которые бы индивидуально синтезировали органическую пленку вокруг каждого кристаллита. Онтогенетически пленки соответствуют той части органического вещества, которая не была замещена растущими минеральными кристаллами. По отношению к кристаллам эти пленки являются не новообразованием, а реликтом ранних стадий процесса.

Скелетам свойственно наличие нескольких соподчиненных уровней структуры (см. рис. 56). Например, раковина состоит из слоев, слои - из призм, призмы - из ламеллей, последние - из фибр и т. д. Конкретные соотношения, само количество иерархических уровней, а также исторически сложившаяся терминология для разных организмов неодинаковы. При формировании относительно крупных (микронных, миллиметровых, а иногда и сантиметровых) структурных единиц между кристаллографическими осями элементарных кристаллитов реализуются вполне определенные соотношения, в простейшем случае одноименные оси взаимнопараллельны. При этом, например, в поляризационном микроскопе такие крупные структуры могут проявлять свойства монокристаллов.

 

 

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