Ученые обнаружили следы прочного материала, из которого когда-то состояли внешние панцири древних морских существ, называемых трилобитами, сохранившиеся внутри окаменелостей возрастом более 500 миллионов лет. Результаты исследования опубликованы в журнале Palaios.
Это открытие показывает, что части живых организмов могут сохраняться в горных породах гораздо дольше, чем считали эксперты ранее, и меняет представление ученых о том, как углерод хранится глубоко внутри Земли в течение длительных периодов времени.
Внутри слоев сланцевой породы недалеко от Долины Смерти в восточной Калифорнии исследователи обнаружили окаменелость трилобита вида Olenellus, вымершего морского животного, обитавшего на дне океана более 500 миллионов лет назад, которая все еще содержала небольшой фрагмент своей первоначальной раковины.
В ходе лабораторных исследований в Техасском университете в Сан-Антонио (UTSA) был получен четкий химический сигнал из этого участка раковины.
Элизабет Бейли, специалист по изучению Земли и планет из Техасского университета в Сан-Антонио, связала этот сигнал с оболочечным полимером, который не был обнаружен в ходе более ранних поисков.
Даже при наличии лишь нескольких ископаемых остатков обнаружение хитина указывает на то, что некоторые богатые углеродом соединения могут оставаться в неволе при обычных условиях захоронения.
Современные панцири крабов и шкурки насекомых сохраняют свою жесткость и легкость благодаря хитину — прочному материалу на основе сахара, входящему в состав многих внешних оболочек.
Клетки нанизывают хитин на длинные цепочки, а затем упаковывают их в волокна, которые устойчивы к разрыву и не растворяются легко.
«Однако после целлюлозы хитин считается вторым по распространенности природным полимером на Земле», — сказала доктор Бейли. Поскольку хитин образуется в результате жизнедеятельности множества организмов, скорость его распада определяет, будет ли органический углерод быстро возвращаться в окружающую среду или останется захороненным дольше.
В нормальных условиях морского дна бактерии и грибы атакуют хитин вскоре после смерти, используя ферменты для его расщепления.
В океанах и почвах ферменты, вырабатываемые микробами, расщепляют цепочки хитина на более мелкие сахара, которые могут потреблять клетки.
В процессе захоронения тепло и давление обычно изменяют структуру этих молекул, оставляя после себя лишь углеродную пленку или минеральную копию.
Эта история делает опасения по поводу загрязнения вполне обоснованными, поэтому любой положительный результат должен соответствовать высоким стандартам.
Чтобы исключить современное загрязнение, команда UTSA искала химические следы, которые проявились бы только в том случае, если бы старый полимер остался.
Флуоресцентный краситель заставил ископаемый материал светиться, и два последующих химических анализа подтвердили тот же самый эффект.
С помощью инфракрасного излучения и анализа массы были обнаружены структурные элементы хитина, что позволило уточнить идентификацию.
Вероятно, на исход повлияла история захоронения, поскольку более высокая температура или циркуляция жидкости могут стереть органические следы, даже если раковины сохранились.
Минералы проникли в мельчайшие полости раковины, затем затвердели, препятствуя проникновению воды и микробов к полимеру.
После того как горная порода запечатала оболочку, уровень кислорода снизился, и процесс разложения замедлился, поскольку большинству микробов необходим кислород для расщепления молекул.
Аналогичные химические процессы были обнаружены в кембрийских губках, и в статье была установлена связь между их выживанием и быстрым образованием минеральных отложений.
Небольшие изменения температуры, давления или потока грунтовых вод могут уничтожить тот же самый полимер, поэтому длительное сохранение его свойств никогда не следует считать само собой разумеющимся.
Значительная часть углерода на Земле оказывается в горных породах, и, как отмечает Геологическая служба США, поглотители могут хранить его в течение длительного времени.
Погребенные останки могут избежать полного разложения, но затем под давлением осадочные породы превращаются в горные породы, удерживая часть углерода вне воздуха.
Хитин переносит как углерод, так и азот, способствуя секвестрации углерода — долговременному хранению углерода вне атмосферы в виде устойчивых слоев.
«Результаты исследования показывают, что хитин сохраняется в геологической летописи гораздо дольше, чем считалось ранее», — сказал Бейли.
Известняки образуются, когда остатки морской воды накапливаются и цементируются, образуя толстые слои известняка, который также добывается людьми в качестве камня.
У многих животных, образующих раковины, хитин служит гибким каркасом, поэтому карбонатные отложения могут покрывать его вместе с минералами.
Наряду с раковинами из карбоната кальция, эти осадки могут также задерживать частицы хитина, добавляя больше органического углерода в известняк.
Тем не менее, естественное захоронение действует в течение длительных периодов времени, поэтому оно не может противостоять быстрому росту концентрации углекислого газа сегодня.
Захоронение может привести к нагреванию и сжатию горных пород, вызывая метаморфизм — изменения в породах, обусловленные теплом и давлением в течение определенного времени.
Высокие температуры могут разрывать длинные цепочки, а минералы могут замещать исходный полимер, не оставляя никаких явных следов.
Тем не менее, даже после небольшого нагревания раковина каррарского моллюска сохранила сигнал, что свидетельствует о способности хитина сохраняться дольше, чем предсказывают химические процессы.
Для определения этой критической точки потребуются окаменелости из более горячих регионов и различных типов горных пород, а не только хорошо сохранившиеся раковины.
Помимо трилобитов, во многих ископаемых сохранились тонкие органические слои, и теперь эти слои можно исследовать на наличие остатков хитина.
Сравнение похожих раковин, относящихся к разным периодам захоронения, может помочь исследователям из UTSA выявить случаи, когда хитин сохраняется, а когда он превращается в более простой углерод.
Обнаружение хитина наряду с минеральными зернами также помогает палеонтологам отделить первоначальную биологическую структуру от более поздних изменений, произошедших в процессе окаменения.
Тщательный контроль по-прежнему будет иметь значение, поскольку современные органические остатки могут проникать в трещины и размывать границу между старым и новым.
Сохранение хитина внутри одной древней раковины показывает, что геологическая летопись может содержать больше биологических данных, чем ожидалось.
Отслеживание мест, где этот полимер сохраняется, и мест, где он исчезает, позволит уточнить оценки углеродного цикла и направлять будущие поиски ископаемых остатков.
