Микротоннели в гранате

Перед вами микрофотография кристалла граната. Светлая сеть — это микротоннели, идущие от поверхности (ms, mineral surface) вглубь кристалла. Такими микротоннелями пронизаны многие гранаты, найденные в речных и почвенных отложениях в Таиланде, как и гранат на фото.

Этот гранат представляет собой изоморфный ряд пироп (Mg₃Al₂[SiO₄]₃)–альмандин (Fe₃Al₂[SiO₄]₃), то есть в нем наблюдается неограниченная взаимозаменяемость двух химических компонентов — магния и железа. Алюминиевые гранаты устойчивы к механическим воздействиям, растворителям, обладают высокой твердостью (6,5–7,5 по шкале Мооса) и химической инертностью. Именно поэтому они накапливаются в речных отложениях.

Гранат с микротоннелями. Вверху слева — фотография граната с микротоннелями (темные); вверху справа — нитевидные структуры внутри тоннелей; внизу — реконструкция сети микротоннелей, полученная с помощью рентгеновской томографии с синхротронным излучением. Трехмерное изображение строится за счет изменения излучения при сканировании материала. ms (mineral surface) — поверхность кристалла. Фото из статьи M. Ivarsson et al., 2018. Intricate tunnels in garnets from soils and river sediments in Thailand — Possible endolithic microborings

Как же возникли тоннели в столь твердом минерале? В первую очередь на ум приходят абиотические процессы — например, химическое растворение или воздействие радиации. Многие гранаты имеют додекаэдрические формы роста, и именно параллельно граням додэкаэдра могут располагаться тоннели, так как сила связи в кристалле в местах соприкосновения граней ослаблена.

Некоторые простые формы кристаллов граната. А — ромбододекаэдр, Б — тетрагонтриоктаэдр, В — комбинация ромбододекаэдра и тетрагонтриоктаэдра. Как правило, именно параллельно граням простых форм начинают развиваться тоннели от поверхности кристалла. Рисунок с сайта ru.wikipedia.org

Но тоннели, возникшие в  результате абиотических процессов, выглядят скорее как прямые линии, а не образуют сложную разветвленную сеть. Кроме этого, некоторые тоннели нашего граната содержат нитевидные структуры диаметром 5–15 мкм и длинной не менее нескольких сотен мкм. При этом, они имеют почти тот же диаметр, что и сам тоннель, в котором они расположены. Эти структуры состоят из глинистых и карбонатных минералов и содержат большое количество углерода, а значит, органических веществ. Это насыщенные и ненасыщенные жирные кислоты, в том числе входящие в состав клеточных мембран многих бактерий и эукариотов.

Микротоннели в гранате. A — реконструкция с помощью томографии внутренней структуры микротоннелей; B — объемная томография, иллюстрирующая гексагональное сечение тоннелей; С — поперечное сечение тоннелей; D, E — изображения входных отверстий, полученные на электронном микроскопе; F — сужение тоннеля по мере увеличения глубины, фото получено на электронном микроскопе; G, H — микрофотографии тоннелей, отчетливо видно сужение тоннеля с глубиной. Фото из статьи M. Ivarsson et al., 2018. Intricate tunnels in garnets from soils and river sediments in Thailand — Possible endolithic microborings

Предположительно, микротоннели возникали в несколько стадий. На первой происходило абиотическое разрушение поверхности, в результате которого образовывались следы травления, то есть небольшие ямки, неровности характерной для граната четырехугольной или шестиугольной формы. На второй стадии происходила колонизация микроорганизмами этих ямок, которые проникали вглубь кристалла в зонах вытравленных полостей, выделяли кислоту и проникали еще глубже. В результате этого процесса и сложились сети, видимые сегодня. Нитевидные структуры внутри них, получается, состоят из продуктов растворения граната, продуктов жизнедеятельности микроорганизмов и их остатков. Основным питательным компонентом для организмов, по всей видимости, было двухвалентное железо, которым богаты гранаты пироп-альмандинового ряда.

Что же это были за организмы, способные «прогрызть» твердый минерал? Такие организмы называются эндолитами (от греческого ἔνδον — «внутри», λίθος — «камень»), так как они обитают в горных породах, кораллах, раковинах животных или в порах между кристаллами породы. Эндолиты есть среди архей, бактерий, грибов, водорослей, цианобактерий и даже беспозвоночных животных (например, некоторые губки и мшанки). Они способны обитать в самых разнообразных условиях, следы их жизнедеятельности были обнаружены на глубине до трех километров. Как правило, эндолиты имеют длительный жизненный цикл (рекорд продолжительности жизни — 10 000 лет) и способны выдерживать высокие температуры. Например, штамм 121 археи Geogemma barossii (Strain 121) способен размножаться при 121 °С, а сохранять жизнеспособность при 130 °С. Эндолиты обнаружены практически во всех условиях, с самой разнообразной вариацией температур и влажности: в почве, в океанической и континентальной коре, на всех материках, в том числе в Антарктиде.

Кусок песчаника из Антарктиды с обитающими в нем эндолитами. Ярко-оранжевый прослой — результат жизнедеятельности организмов (перевод Fe²⁺ в Fe³⁺). Фото из статьи A. Dance, 2015. Inner Workings: Endoliths hunker down and survive in extreme environments

Преимущество такого экстремального образа жизни — стабильная, защищенная от внешних воздействий среда с достаточным количеством питательных веществ. Эндолиты растворяют минералы, при этом освобождаются электроны, которые они используют для синтеза органических веществ или запасания энергии, то есть являются литотрофами («камнеежками»).

Схема, иллюстрирующая разные группы эндолитов и их положение в горных породах. Эуэндолиты (Euendoliths) активно проникают вглубь горной породы, образуя тоннели и полости, соответствующие форме своего тела (к ним и относятся эндолиты, проделавшие полости в гранатах). Хазмоэндолиты (Chasmoendolith) обитают в трещинах горных пород. Криптоэндолиты (Cryptoendolith) обитают в пустотах между минеральными зернами горных пород. Аутоэндолиты (Autoendoliths) обитают в поровых пространствах, которые заполняют новыми горными породами, которые образуются в результате их метаболизма. Серым цветом представлена горная порода, белым — трещины и поровые пространства, коричневым — породы, образованные в результате метаболизма аутоэндолитов. Рисунок из статьи J. Marlow et al., 2015. Autoendoliths: a distinct type of rock‐hosted microbial life

Эндолиты могли быть первыми живыми организмами на Земле, так как они присоблены к экстремальным условиям и защищены от воздействия ультрафиолетового излучения.

Фото из статьи M. Ivarsson et al., 2018. Intricate tunnels in garnets from soils and river sediments in Thailand — Possible endolithic microborings.

Александр Марфин