Магнитофоссилии как объекты геологического наследия

Гутак Ярослав Михайлович; Рубан Дмитрий Александрович

Раздел 2 Section 2

ГЕОЛОГИЯ GEOLOGY

УДК55:502.76

МАГНИТОФОССИЛИИ КАК ОБЪЕКТЫ ГЕОЛОГИЧЕСКОГО НАСЛЕДИЯ

Я.М. Гутак1, Д.А. Рубан2

1 Сибирский федеральный индустриальный университет, г. Новокузнецк [email protected] 2Южный федерального университет г. Ростов на Дону, [email protected]

Магнитофоссилии являются результатом деятельности магнитотактических бактерий. Их уникальность определяется особенностями жизнедеятельности, специфическими связями с древней средой, использованием для отработки «тонких» методик изучения осадочных пород и т.д. Магнитофоссилии могут рассматриваться в контексте нескольких типов геологического наследия: палеонтологического, палеогеографического, минералогического, геохимического, седиментационного, космогенного и педологического. Эти объекты вполне могут вовлекаться в геоконсервацимонные мероприятия несмотря на свой малый размер.

Ключевые слова: бактерии, геологическое наследие, георазнообразие, магнитофоссилии, палеосреда.

Дата поступления 2.06.2016

К настоящему времени ископаемые бактерии уже стали объектами пристального внимания палеонтологов, а их в той или иной степени развернутая характеристика составляет обычный раздел в современных учебниках по этой дисциплине [1-3]. При этом последняя треть XX - начало XXI вв. ознаменовались интересом к т.н. «магнитофосси-лиям», которые являются результатом фоссилизации магнитотактических бактерий. Большой вклад в понимание этих интереснейших палеонтологических объектов внесли труды Дж. Киршвинка (США), Д. Хеслопа (Австралия), Т. Ямадзаки (Япония) и др. Можно утверждать, что сейчас уже имеются достаточные знания для того, чтобы считать указанных организмов хорошо изученными. Этот факт вместе с очевидной необычностью магнитофосси-

лий позволяет поставить вопрос об их значении в качестве геологического наследия. Важность его решения диктуется двумя обстоятельствами. Во-первых, палеонтологические объекты относятся к наиболее ценным составляющим этого наследия. Во-вторых, в настоящее время в академических кругах активно обсуждается проблема георазнообразия, что требует учета как можно большего числа потенциально важных объектов. Более того, в недавней работе международной исследовательской группы [4] уже было отмечено, что магнитофоссилии имеют прямое отношение к геологическому наследию в его современной трактовке.

Основной целью настоящей работы является комплексное рассмотрение магнитофоссилий в качестве объектов геологического наследия. Для этого

сначала предпринята систематизация представлений о них, что позволяет выявить их уникальность, а также отношение к разным типам наследия, а затем кратко проанализированы возможности, связанные с геоконсервационными мероприятиями в отношении этих объектов. При этом учитываются современная классификация типов геологического наследия, равно как и факт наличия сложных взаимосвязей между отдельными типами (4-5).

Магнитофоссилии являются весьма специфическими палеонтологическими объектами. Они образуются в результате фоссилизации магнитотактических бактерий, обладающих магнитосомами - магнитными минеральными частичками в органических мембранах, используемых для пассивной ориентировки в пространстве и поиска оптимальных условий развития [6- 9]. Эти микроскопические организмы появились еще в архее и продолжают существовать по настоящее время. При определенных условиях для них был характерен гигантизм [10-12] Известна связь таких бактерий с докембрийскими строматолитами [13]. Уникальность магнитофоссилий определяется, прежде всего, их крайне специфической биологической природой, отмеченной выше, и, следовательно, они должны быть отнесены к палеонтологическому типу геологического наследия. Кроме того, процессы фоссилизации, приводящие к формированию собственно палеонтологической летописи таких бактерий, также своеобразны [14].

Возможно, уникальность магнито-фоссилий даже больше при рассмотрении с позиции их связи с древней средой. В настоящее время они обнаруживаются в самых различных фациях: глубоководных, мелководных, озерных. Например, магнитофоссилии присутствуют в красных глинах Тихого океана

[15], в донных отложениях озер Байкал

[16] и Эли (США) [17]. Считается, что они маркируют окислительно-

восстановительный геохимический барьер [7], хотя новейшие исследования указывают на возможность развития магнитотактических бактерий и в окислительной среде [15]. Любопытно, что форма магнитофоссилий находится в зависимости от условий обитания. Более вытянутые формы характерны для восстановительной среды (15, 18]. Ранее внимание обращалось на присутствие магнитофоссилий в отложениях, накапливавшихся при четко выраженных гляциальных циклах [7, 18]. Однако в последние годы исследователи установили также факт их связи с фациями, характеризующими гипертермальные условия. В частности, это известно для палеогеновых палеонтологических летописей Нью-Джерси (США), Антарктики, Индийского океана [11-12]. Еще одной интересной особенностью является развитие магнитотактических бактерий в связи с эоловым привносом железосодержащих частиц в крупные морские бассейны. Это имело место в Индийском океане во время эоценового термального оптимума [19], а также в Японском море в позднем кайнозое [18, 20]. Исследования в предгорья Аппалачей показали присутствие магнитофос-силий в шельфовых отложениях, соответствующих по возрасту палеоцен-эоценовому термальному максимуму и формировавшихся вблизи места впадения крупной реки (наподобие современной Амазонки) [21]. К сказанному следует добавить, что отмеченный выше гигантизм также связан с определенными параметрами древней среды [10-12]. Более того, магнитофоссилии могут напрямую использоваться в целях проведения палеореконструкций [7]. Все сказанное выше обращает внимание на палеогеографическую составляющую магнитофоссилий как объектов геологического наследия.

Уникальность магнитофоссилий определяется также их минералогической и геохимической характеристиками. По составу они представлены таки-

ми минералами, как магнетит и грейгит [7-8). При этом специалисты подчас ведут речь о т.н. «биомагнетите». Для последнего характерно аномально пониженная (в сотню раз) концентрация некоторых химических элементов [22]. Исследования последних лет выявили любопытные факты относительно геохимии марганца в связи с магнитофос-силиями [8]. Вполне очевидно, что с точки зрения геологического наследия магнитофоссилии представляют собой интерес и как особенность осадочных горных пород, включая такие специфические морские формации, как красная глина [15]. Эти палеонтологические объекты оказывают влияние на магнитные свойства осадка, что было детально изучено на примере позднекайнозой-ских глубоководных отложений к северо-западу от Австралии [23]. Кроме того, вещество таких фоссилий активно участвует в процессах диагенеза [16], при этом иногда растворяясь [24] и, следовательно, мобилизируясь. Изучение магнитофоссилий и связанных с ними тафономических процессов способствует отработке геофизических и петрофизических методов [6, 17, 25-26].

Однако сказанным уникальность магнитофоссилий не ограничивается. Во-первых, их изучение позволяет обсуждать крупные события в истории Земли, включая влияние вспышки сверхновой порядка 2,8 млрд. лет назад [27]. Во-вторых, ведутся исследования по прослеживанию связи деятельности магнитотактических бактерий с процессами почвообразования. Так в луговых почвах южной Баварии (Германия) установлено не только присутствие этих бактерий, но и их очевидной влияние на магнитные свойства почв [28], что, безусловно, должно рассматриваться и в геологической перспективе.

Таким образом, магнитофоссилии являются уникальными объектами, которые должны быть отнесены к геологическому наследию. Эта уникальность определяется не только специфической

биологической природой данных организмов, их связями с древней средой и т.д., но также и прямым отношением сразу к нескольким типам геологического наследия. Как минимум, это палеонтологический, палеогеографический, минералогический, геохимический се-диментационный, космогенный и педологический типы в соответствие с существующей классификацией [5].

В силу ряда объективных причин непосредственное изучение магнито-фоссилий, особенно в древних толщах, затруднено (очень маленькие размеры, плохая сохранность). Большей частью мы сталкиваемся с продуктами жизнедеятельности ассоциации различных магнитофоссилий (железистые кварциты в позднем архее и раннем протерозое) подобно карбонатным строматолитам и фитодериватам, которые рассматриваются как продукт совместной деятельности симбиоза цианобионтов. Как показывают современные исследования в том числе и российских ученых [29] в образовании отдельных видов строматолитов участвовали несколько сотен видов цианобионтов. Видимо, аналогичный механизм следует предположить и для образований производимых магнитофоссилиями.

Деятельностью магнитофоссилий, по всей вероятности, следует объяснять и аномалии в разрезе докембрия и фа-нерозоя, не связанные с инверсиями магнитного поля Земли. Такие аномалии в последнее время уже вовлекаются в сферу стратиграфии и используются для расчленения и корреляции разрезов. В качестве примера можно привести детализацию пограничного интервала кампан-маастрихтского времени юго-востока Русской платформы [30].

Если в силу своей уникальности магнитофоссилии являются объектами геологического наследия, то они подлежат вовлечению в геоконсервационные мероприятия. Помимо прочего это означает, что они должны сохраняться доступными для непосредственного

изучения и наблюдения. Однако в силу своего предельно малого размера осуществить все это не так просто. Может быть предложено две стратегии соответствующих действий. Во-первых, это выделение геологических объектов (например, обнажений горных пород), содержащих магнитофоссилии, в качестве обычных геологических памятников. Такая геоконсервация in situ позволит акцентировать внимание на уникальность палеонтологической летописи магнитотактических бактерий в связи с древней средой и горными породами. В пределах подобных объектов ученые смогут проводить специальные исследования. Во-вторых, речь идет об отборе образов пород с магнитофоссилиями с последующей их передачей для хранения в музейных коллекциях. Эта геоконсервация ex situ обеспечит акцент на собственно палеонтологической составляющей данных объектов геологического наследия.

Важно понимание того, что объекты геологического наследия нужны не только для сохранения уникальной информации, но также для ее использования в учебных целях и для популяризации научных знаний. Иными словами, речь идет о потребностях студентов и геотуристов. Посещая геологический памятник или осматривая музейную коллекцию, им требуется не только профессиональная интерпретация уникальных особенностей представленных в них объектов, но еще и возможность

непосредственно увидеть наиболее интересные особенности. В отличие от специалистов, проводящих исследования, они не обладают ни достаточными знаниями для самостоятельного осознания сути демонстрируемых феноменов, ни специальными устройствами для наблюдения столь мелких объектов как магнитофоссилии. Решению этой проблемы может помочь установка специальных информационных панелей (стендов), макетов древних организмов и т.п., а также оборудование музейных помещений устройствами, позволяющими увидеть магнитофоссилии, детально рассмотреть их морфологические особенности. Это могут быть микроскопы, в т.ч. обеспечивающие визуализацию на экране компьютера или специальном дисплее. К сожалению, в полевых условиях, т.е. в непосредственной близости от геологических памятников, разместить такое оборудование затруднительно (за исключением тех случаев, когда экспозиции или небольшие музеи оборудованы).

Все сказанное выше позволяет сделать два принципиальных вывода. Во-первых, магнитофоссилии обладают большой уникальностью и, следовательно, выступают в качестве потенциальных объектов геологического наследия. Во-вторых, несмотря на микроскопический размер видится вполне возможным вовлекать их в геоконсерваци-онные мероприятия.

Список литературы

1. Гутак Я.М., Антонова В.А. Основы палеонтологии. - Новокузнецк: Изд. центр СибГИУ, 2016. - 320 с.

2. Михайлова И.А., Бондаренко О.Б. Палеонтология. - М.: Изд-во МГУ, 2006. - 592 с.

3. Jones R.W. Applied Palaeontology. - Cambridge: Cambridge University Press, 2012. - 434 p.

4. Bruno D.E., Crowley B.E., Gutak Ja.M., Moroni A., Nazarenko O.V., Oheim K.B., Ruban D.A., Tiess G., Zorina S.O. Paleogeography as geological heritage: Developing geosite classification // Earth-Science Reviews, 2014. - V. 138. - P. 300-312.

5. Рубан Д.А. Геоконсервационный аспект недропользования: объекты геологического наследия и взаимосвязь их типов // Недропользование XXI век. - 2013. - № 2. -С. 108-113.

6. Pan Y., Deng C., Liu Q., Petersen N., Zhu R. Biomineralization and magnetism of bacterial magnetosomes // Chinese Science Bulletin. - 2004. - V. 49. - P. 2563-2568.

7. Kopp R.E., Kirschvink J.L. The identification and biogeochemical interpretation of fossil magnetotactic bacteria // Earth-Science Reviews. - 2008. - V. 86. - P. 42-61.

8. Keim C.N., Lins U., Farina M. Manganese in biogenic magnetite crystals from magnetotactic bacteria // FEMS Microbiology Letters. - 2009. - V. 292. - P. 250-253.

9. Abracado L.G., Abreu F., Keim C.N., Campos A.P.C., Lins U., Farina M. Magneto-some chain superstructure in uncultured magnetotactic bacteria // Physical Biology. - 2010. -V. 7. - 046016.

10.Schumann D., Raub T.D., Kopp R.E., Guerquin-Kern J.-L., Wu T.-D., Rouiller I., Smirnov A.V., Sears S.K., Lucken U., Tikoo S.M., Hesse R., Kirschvink J.L., Vali H. Gigantism in unique biogenic magnetite at the Paleocene-Eocene Thermal Maximum // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. - 2008. - V. 105. -P. 17648-17653.

11.Chang L., Roberts A.P., Williams W., Fitz Gerald J.D., Larrasoana J.C., Jovane L., Muxworthy A.R. Giant magnetofossils and hyperthermal events // Earth and Planetary Science Letters. - 2012. - V. 351-352. - P. 258-269.

12.Wang H., Wang J., Chen-Wiegart Y.-C.K., Kent D.V. Quantified abundance of magnetofossils at the Paleocene-Eocene boundary from synchrotron-based transmission X-ray microscopy // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. - 2015. - V. 112. - P. 12598-12603.

13.Chang S.-B.R., Stolz J.F., Kirschvink J.L., Awramik S.M. Biogenic magnetite in stromatolites. II. Occurrence in ancient sedimentary environments // Precambrian Research. -1989. - V. 43. - P. 305-315.

14.Li J., Benzerara K., Bernard S., Beyssac O. The link between biomineralization and fossilization of bacteria: Insights from field and experimental studies // Chemical Geology. -2013. - V. 359. - P. 49-69.

15.Yamazaki T., Shimono T. Abundant bacterial magnetite occurrence in oxic red clay // Geology. - 2013. - V. 41. - P. 1191-1194.

16.Peck J.A., King J.W. Magnetofossils in the sediment of Lake Baikal, Siberia // Earth and Planetary Science Letters. - 1996. - V. 140. - P. 159-172.

17.Kodama K.P., Moeller R.E., Bazylinski D.A., Kopp R.E., Chen A.P. The mineral magnetic record of magnetofossils in recent lake sediments of Lake Ely, PA // Global and Planetary Change. - 2013. - V. 110. - P. 350-363.

18.Yamazaki T. Paleoposition of the Intertropical Convergence Zone in the eastern pacific inferred from glacial-interglacial changes in terrigenous and biogenic magnetic mineral fractions // Geology. - 2012. - V. 40. - P. 151-154.

19.Savian J.F., Jovane L., Giorgioni M., Iacoviello F., Rodelli D., Roberts A.P., Chang L., Florindo F., Sprovieri M. Environmental magnetic implications of magnetofossil occurrence during the Middle Eocene Climatic Optimum (MECO) in pelagic sediments from the equatorial Indian Ocean // Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. - 2016. -V. 441. - P. 212-222.

20.Suk D. Environmental conditions for the presence of magnetofossils in the Last Glacial Maximum inferred from magnetic parameters of sediments from the Ulleung Basin, East Sea // Marine Geology. - 2016. - V. 372. - P. 53-65.

21.Kopp R.E., Schumann D., Raub T.D., Powars D.S., Godfrey L.V., Swanson-Hysell N.L., Maloof A.C., Vali H. An Appalachian Amazon? Magnetofossil evidence for the development of a tropical river-like system in the mid-Atlantic United States during the Paleocene-Eocene thermal maximum // Paleoceanography. - 2009. - V. 24. - PA4211.

22.Amor M., Busigny V., Durand-Dubief M., Tharaud M., Ona-Nguema G., Gelabert A.,

Alphandery E., Menguy N., Benedetti M.F., Chebbi I., Guyot F. Chemical signature of mag-netotactic bacteria // Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. - 2015. - V. 112. - P. 1699-1703.

23.Heslop D., Roberts A.P., Chang L., Davies M., Abrajevitch A., De Deckker P. Quantifying magnetite magnetofossil contributions to sedimentary magnetizations // Earth and Planetary Science Letters. - 2013. - V. 382. - P. 58-65.

24.Vali H., Kirschvink J.L. Magnetofossil dissolution in a palaeomagnetically unstable deep-sea sediment // Nature. - 1989. - V. 339. - P. 203-206.

25.Kopp R.E., Weiss B.P., Maloof A.C., Vali H., Nash C.Z., Kirschvink J.L. Chains, clumps, and strings: Magnetofossil taphonomy with ferromagnetic resonance spectroscopy // Earth and Planetary Science Letters. - 2006. - V. 247. - P. 10-25.

26.Heslop D., Roberts A.P., Chang L. Characterizing magnetofossils from first-order reversal curve (FORC) central ridge signatures // Geochemistry, Geophysics, Geosystems. -2014. - V. 15. - P. 2170-2179.

27.Bishop S., Ludwig P., Egli R., Faestermann T., Korschinek G., Rugel G. Search for supernova 60Fe in the Earth's microfossil record // AIP Conference Proceedings. - 2012. -V. 1484. - P. 63-68.

28.Fassbinder J.W.E., Stanjekt H., Vali H. Occurrence of magnetic bacteria in soil // Nature. - 1990. - V. 343. - P. 161-163.

29.Станевич А.М., Немеров В.К., Чатта Е.Н. Микрофоссилии протерозоя Саяно-Байкальской складчатой области. Обстановки обитания, природа и классификация. -Новосибирск, Гео, 2006. - 204 c.

30.Гужигова А.А. Магнитостратиграфия пограничного интервала кампана-маастрихта юго востока Русской плиты: автореф. дисс. на соиск. уч. степ. к.г.-м.н. -Новосибирск, 2016. - 17 с.

References

1. Gutak Ya.M., Antonova V.A. Osnovy paleontologii. - Novokuznetsk: Izd. tsentr Sib-GIU, 2016. - 320 s.

2. Mikhaylova I.A., Bondarenko O.B. Paleontologiya. - M., 2006. - 592 s.

3. Jones R.W. Applied Palaeontology. - Cambridge: Cambridge University Press, 2012. - 434 p.

4. Bruno D.E., Crowley B.E., Gutak Ja.M., Moroni A., Nazarenko O.V., Oheim K.B., Ruban D.A., Tiess G., Zorina S.O. Paleogeography as geological heritage: Developing geosite classification // Earth-Science Reviews, 2014. - V. 138. - P. 300-312.

5. Ruban D.A. Geokonservatsionny aspekt nedropolzovaniya: obyekty geologicheskogo naslediya i vzaimosvyaz ikh tipov // Nedropolzovaniye XXI vek. - 2013. - № 2. - S. 108113.

6. Pan Y., Deng C., Liu Q., Petersen N., Zhu R. Biomineralization and magnetism of bacterial magnetosomes // Chinese Science Bulletin. - 2004. - V. 49. - P. 2563-2568.

7. Kopp R.E., Kirschvink J.L. The identification and biogeochemical interpretation of fossil magnetotactic bacteria // Earth-Science Reviews. - 2008. - V. 86. - P. 42-61.

8. Keim C.N., Lins U., Farina M. Manganese in biogenic magnetite crystals from magnetotactic bacteria // FEMS Microbiology Letters. - 2009. - V. 292. - P. 250-253.

9. Abracado L.G., Abreu F., Keim C.N., Campos A.P.C., Lins U., Farina M. Magneto-some chain superstructure in uncultured magnetotactic bacteria // Physical Biology. - 2010. -V. 7. - 046016.

10.Schumann D., Raub T.D., Kopp R.E., Guerquin-Kern J.-L., Wu T.-D., Rouiller I., Smirnov A.V., Sears S.K., Lucken U., Tikoo S.M., Hesse R., Kirschvink J.L., Vali H. Gigantism in unique biogenic magnetite at the Paleocene-Eocene Thermal Maximum // Proceedings

of the National Academy of Sciences of the United States of America. - 2008. - V. 105. -P. 17648-17653.