Палеоботаник в "машине времени"

Путешествующий "по времени" герой Герберта Уэллса совершал свои экскурсии в прошлое и будущее в фантастическом аппарате из никеля и горного хрусталя, в окружении рычагов и циферблатов сложных приборов. Палеоботаник погружается в глубь тысячелетий, находясь в гораздо более обыденной обстановке. На столе - микроскоп, осветительная лампа, подготовленные для просмотра предметные стекла с препаратами. Осторожно передвигая стекло под объективом микроскопа, ученый с напряженным вниманием просматривает все части препарата. Перед взором проходят разнообразные частицы. Встречаются бесформенные минеральные и растительные остатки, кусочки обуглившейся растительной ткани... Но вот глаз уловил образования правильной формы с выраженным рисунком на поверхности - пыльцу или спору. Форма пыльцы может быть самой разнообразной и причудливой: близкой к шару, эллипсоиду, пирамиде и т. д. Пыльца березы, например, похожа на чечевичное зерно, с тремя порами, расположенными по ее экватору; пыльца сосны состоит из эллипсоидального тела и двух шаровидных "воздушных мешков" (рис. 2; а, б). Чаще всего пыльца растений встречается в виде одиночных пыльцевых зерен, но иногда они соединены по два - диады, по четыре - тетрады (рис. 2; в, г), а то и в целые грозди - поллинии.

Рис. 2. Пыльцевые зерна: 1 - береза; 2 - сосна; 3 - вереск; 4 - мимоза; 5 - кедр (с двумя мешками); в - подокарпус докридиоидный (с тремя мешками). Увеличено в 600-1000 раз

Несколько особняком стоит пыльца некоторых хвойных растений: сосны, ели, пихты, кедра и др. Характерная черта их строения - наличие по бокам основного тела воздушных мешков; обычно их два, но у некоторых даже три (рис. 2; д, е). Благодаря им удельный вес пылинок значительно уменьшается, и увеличивается возможность переноса их ветром на далекие расстояния, иногда более чем за тысячу километров^*.

^* (Ученые обратили внимание на аэродинамические свойстве пыльцы различных видов растений и установили, что пыльца сосны летает по принципу аэростата, а спора плауна - вертолета.)

Пылинки, или, как принято их называть, "пыльцевые зерна", имеют небольшую величину: они измеряются сотыми и тысячными долями миллиметра (микронами). Каждому виду растений соответствует пыльца определенной формы, строения и размера. Пыльца имеет сложное строение; центральная часть ее, содержащая протоплазму, облечена несколькими оболочками.

Внутренняя оболочка, которая облегает непосредственно протоплазму, - тонкая, нежная, гладкая и прозрачная. Она называется интиной и состоит из целлюлозы, в ископаемом состоянии почти никогда не сохраняется. Наружная же оболочка, называемая экзиной, сложена стойким веществом - спорополленином, который и обеспечивает ей особенно хорошую сохранность.

Пыльцевые и споровые оболочки выдерживают нагревание до температуры 300°, обработку щелочами или концентрированными кислотами; от механических воздействий (перетирание, удары и прочие) пылинку спасают ее небольшие размеры. Благодаря всем этим свойствам оболочки пыльцы и спор хорошо сохраняются в различных по происхождению континентальных и морских отложениях. Однако лучше всего они "консервируются" в осадках органического происхождения (уголь, торф, ил, сапропель).

Пыльцевое зерно, которое мы рассматриваем под микроскопом, лишено протоплазмы и интины (они разложились). В сохранившемся виде до нас доходят лишь оболочки, своего рода "мумии" микроскопического организма.

Экзина, в свою очередь, представляет собой чрезвычайно сложное многослойное образование. Внешний слой ее (так называемая секзина) очень сложно устроен и состоит из структурных элементов (столбиков, различным образом расположенных, свободно стоящих или сросшихся). У некоторых видов пыльцы на поверхности зкзины имеются скульптурные образования. У одних видов пыльцы они имеют вид неровностей, у других - форму шипов, бородавок или бугорков (рис. 3; 1, 2, 3). Они часто образуют оригинальные красивые узоры. Рассматривая такие пыльцевые зерна в плане, мы видим, что поверхность их представляется нам мраморной, крупноточечной, ячеистой (напоминающий соты), струйчатой или сетчатой (рис. 3; 4, 5, 6). Скульптурные образования имеют большое значение в установлении принадлежности пыльцы к определенному семейству, роду или виду растений. Они также предохраняют пыльцевые зерна от внешних механических воздействий.

Рис. 3. Строение поверхности пыльцевых зерен: 1 - крупношиповатая поверхность, 2 - крупнобугорчатая, 3 - мелкосетчатая, 4 - мелкошиповатая с бугорками, 5 - мелкобугорчатая, 6 - мраморовидная со струйчатой структурой, 7 - с большим количеством пор, 8 - с тремя бороздами, 9 - с одной бороздой. Увеличено в 500-1000 раз

У ветроопыляемых растений пыльца обычно имеет гладкую поверхность, реже со слабо выраженными скульптурными элементами, Пыльцевые зерна насекомоопыляемых растений несут довольно сложные скульптурные выросты, благодаря которым пыльца надежно прилипает к хоботкам и лапкам насекомых. Такие особенности строения возникли, конечно, не случайно и являются результатом длительного естественного отбора.

Пыльцевые зерна имеют так называемые поры, или борозды. Это место предназначено для прорастания пыльцевой трубки. У некоторых растений поры, или борозды, на пыльце отсутствуют; в этом случае прорастание зерна происходит путем разрыва экзины в ослабленной зоне.

Как мы видим из рисунка (рис. 3; 7, 8, 9), количество, расположение и форма пор у пыльцы разных растений сильно отличаются: у одних они в виде крупного отверстия, у других окаймлены валиком несколько утолщенного участка экзины, у третьих глубоко погружены. Борозды также различны по величине и форме. То они узкие, то широкие, а у иных еле заметны. При определении семейства, рода или вида растения, к которому принадлежит данное пыльцевое зерно, устройство, расположение и число пор, или борозд, служит основным диагностическим признаком.

Споры, так же как и пыльцевые зерна, имеют сложное строение и разнообразную форму (рис. 4). Оболочки некоторых видов спор, кроме экзины, иногда имеют еще одну внешнюю оболочку, называемую периспорием. Периспорий у некоторых спор хорошо сохраняется и выглядит очень красиво.

Рис. 4. Строение спор папоротника: 1 - спора с однолучевой щелью, 2 - с периспорием, 3 - с трехлучевой щелью

Характерная морфологическая особенность большинства спор - наличие на ее оболочке щели, через которую происходит ее прорастание; щель может быть однолучевой и трехлучевой.

Размеры спор сильно варьируют: у отдельных видов зеленых мхов они имеют всего лишь 16 микронов, а у некоторых папоротников - 70 микрон. Окраска спор, так же как и пыльцы, занимает последнее место среди диагностических признаков. Им пользуются в очень редких случаях, так как окраска довольно непостоянна и сильно меняется от способа обработки.

При определении систематической принадлежности пыльцы и спор нужно обращать внимание на такие признаки, как строение, число и расположение пор, борозд, щелей; строение, форма и очертание пыльцевого или спорового зерна; структура (внутреннее строение) и скульптура экзины (выступы, шипы и пр.). Все указанные признаки характерны для того или иного рода и вида растений. Благодаря им часто по одной пылинке или споре, пользуясь микроскопом, можно узнать, какому растению они принадлежат. Конечно, это можно сделать только в том случае, если ископаемая пыльца или спора найдены в так называемых молодых отложениях, которые образовались в те геологические времена, когда флора Земли была уже близка к современной.

Но прежде чем приступить к рассмотрению и изучению пыльцы под микроскопом, необходимо ее выделить из образца горной породы, который мы отобрали из интересующего нас разреза. Как же это сделать?

Добывание пыльцы и спор из горных пород производится в специальных лабораториях и требует большого искусства. От правильной технической обработки проб, отобранных из естественных отложений или из скважин для производства спорово-пыльцевого анализа, зависит дальнейший успех исследования, связанного с микроскопией.

Обрабатывается порода разнообразными методами. Применение того или иного метода обработки горных пород для получения наибольшего количества заключенных в породе пыльцы и спор зависит от литологического^* состава и происхождения породы. Суть обработки заключается в освобождении пыльцы и спор от мешающих анализу примесей. А "примесями" являются элементы тех пород, в которых пыльца и споры сохранялись.

^* (Литология - наука об осадочных породах и их происхождении с момента образования вещества осадочных пород до начальных стадий метаморфизма.)

В торфах и торфянистых глинах пыльцы обычно много. Размельчить небольшой кусочек торфянистой породы, отварить ее в щелочи для избавления от склеивающих гуминовых кислот - и можно уже рассматривать капельки полученной смеси под микроскопом.

Делается это в так называемой глицериновой среде: капелька приготовленной породы смешивается с глицерином и из этой смеси приготовляется препарат для просмотра. Но этот примитивный метод обработки пригоден только в том случае, когда исследуемая порода переполнена пыльцой (до 10-20 тыс. зерен на 1 г породы), а это бывает очень редко.

В основном палинологам приходится иметь дело с горными породами, содержащими очень мало пыльцы и спор. Подготовка таких пород к микроскопическому анализу очень сложна и требует большой затраты времени. Излагать последовательно все процедуры, необходимые для извлечения пыльцы, здесь, конечно, невозможно, по этому вопросу написаны специальные руководства.

Мы расскажем лишь об основных принципах этой обработки. Заключаются они в том, что изучаемую породу необходимо как можно мельче раздробить, сделать се наиболее доступной для воздействия кислот, щелочей и других химических веществ, с которыми связана обработка, а затем отделить пыльцу и споры от минеральных; и углистых частиц, в которых они были заключены в породе. Размельчение породы производится механическим путем (куски породы размельчаются в специальных ступках или в специальных приборах с помощью ультразвука), а затем эта измельченная до состояния порошка порода поступает в обработку.

Конечным этаном обработки является разделение специально подготовленной породы на фракции с различным удельным весом с помощью сепарационного метода В. П. Гричука^*.

^* (Метод заключается в центрифугировании породы в смеси с так называемыми тяжелыми жидкостями, удельный вес которых больше удельного веса органического вещества и меньше удельного веса основных породообразующих минералов.)

При центрифугировании такой смеси минеральные частицы (основная масса породы) оседают на дно центрифужных стаканов, а органические остатки, в том числе и пыльца, всплывают наверх. Дальнейшая обработка производится уже именно с той частью породы, которая всплывает в тяжелой жидкости.

Вес и объем отделенной "органической части" в сравнении с весом и объемом поступившего в обработку образца ничтожны. Представьте себе такие соотношения: в обработку взят кусок песчаника весом 400 г, а вес выделенной органической части - доля грамма. К тому же и в этой доли грамма содержится не только пыльца и споры, но и масса мельчайших кусочков растительной ткани, угольков, клеток водорослей.

Для того чтобы освободить пыльцу и споры от этих примесей, приходится прибегать еще к целому ряду манипуляций, с помощью которых растворяют и разрыхляют кусочки растительной ткани. При этом употребляются крепкие кислоты, пергидрол, уксусный ангидрид и многие другие химические вещества. Все манипуляции связаны с центрифугированием, длительным отстаиванием и отмучиванием в растворах и постоянным наблюдением за состоянием органических остатков под микроскопом.

В результате технической обработки, называемой в общей сложности "обогащением", мы получаем из большой навески горной породы незначительное количество осадка, содержащего пыльцу и споры. С этим осадком и связана дальнейшая работа палинолога, который должен выяснить систематическую принадлежность находящейся в нем пыльцы и спор, подсчитать примерное процентное содержание различных ее видов, сделать морфологическое описание найденных видов, суммировать полученные данные в виде таблиц, диаграмм, заключений. И, наконец, рассказать о том, к какому типу растительности принадлежат обнаруженные виды пыльцы и спор и какой возраст имели обработанные породы.

Микроскопические исследования занимают одно из центральных мест в работе палинолога. Таким путем ученые получают исходные данные, на основе которых в последующем устанавливают закономерности изменений растительности и климата в изучаемом районе в тот или иной отрезок времени.

Однако и здесь палеоботаника может подстерегать много неожиданностей. Иногда в образце наряду с пыльцой, соответствующей исследуемому периоду, содержится некоторое количество пыльцы и спор, принадлежащих слоям другого возраста, которые были вынесены из них водой или ветром и затем отложились вторично, - переотложенная пыльца. Иногда они могут составлять до 30% встреченных в образце пыльцы и спор. Следует также учитывать неодинаковый разлет пыльцы различных видов и ряд других, обстоятельств. Таким образом, путешествие палеоботаника "во времени" требует от него большого искусства и знаний не только в своей отрасли, но также и в смежных дисциплинах.

Мы познакомились с принципом определения ископаемых пыльцы и спор, имеющих своих аналогов среди современных растений. Но как поступают, если встречаются пыльца и споры растений, которые уже перестали существовать на Земле, но в то же время были предками современных растений. Для таких случаев ученые разработали искусственные классификационные системы, в которые группируются по морфологическим признакам "неопределимые" формы. В таких системах ископаемые формы получают условное название. Морфологически близкие формы группируются по ряду признаков в условные (формальные) виды, роды и более высокие условные группы.

С 1937 г. и до настоящего времени в СССР широко распространена искусственная система С. Н. Наумовой, А. А. Любер и И. Э. Вальц, Р. Потонье и Г. Кремпа и других исследователей. Ученые, продолжая разрабатывать классификационные системы, ставят перед собой задачу как можно ближе приблизить их к естественной системе растений. Большую помощь в этом оказывает изучение морфологии спор, выделенных непосредственно из спорангиев, сохранившихся вместе с отпечатками вай^*, естественная принадлежность которых хорошо известна. Сравнительное исследование спор и пыльцы ископаемых и современных растений также позволяет иногда выявить их естественную принадлежность.

^* (Вайя - лист саговников, папоротников и пальм, чаще перистый или дланевидный в отличие от хвои и обычных листьев деревьев и трав.)

Попытку найти переход от морфологических систем к естественной сделал немецкий ученый Пфлуг. Анализируя пыльцу древних покрытосемянных растений, он построил так называемые морфологические ряды. В результате детального изучения морфологии пыльцы и спор отдельных видов и групп растений ученым удалось также постепенно установить генетические связи многих папоротниковых и голосемянных растений древних эпох с их современными потомками. Предков многих современных растений можно найти уже с мелового и даже более древнего геологического времени.

Ученые упорно работают над дальнейшим совершенствованием методики исследований палеоботанических остатков. Для технической обработки пород начинают применять ультразвук, для более детального исследования пыльцевых зерен - люминесцентный микроскоп и рентгеновские лучи; для микрофотографирования - ультрафиолетовые источники света. При установлении возраста пластов пыльцевой анализ сочетают с радиоуглеродным. Исследователи, занимающиеся вопросами морфологии пыльцы, используют достижение современной физики - электронный микроскоп.

Если в середине XX в. палеоботаник проникает в глубь тысячелетий при помощи обычного микроскопа, то в конце века он, возможно, будет раскрывать тайны прошлого, вооружившись арсеналом разнообразных сложнейших приборов.