Неизвестные биоморфные структуры — природные образования или лабораторный артефакт?

Нина Козина, кандидат геолого-минералогических наук,
Алла Леин, доктор геолого-минералогических наук,
Ольга Дара, кандидат геолого-минералогических наук,
Институт океанологии им. П. П. Ширшова РАН (Москва)
«Природа» №4, 2016

Рис. 1. Расположение станций опробования в Каспийском море: 3907 (Дербентская котловина) и 3916 (Южно-Каспийская котловина)

Большинство научных открытий сделано после внедрения новых технологий или новых приборов. Появление в арсенале морских геологов пробоотборников, позволяющих сохранять без нарушения пограничный слой между водной толщей и донными отложениями, позволило обнаружить и исследовать так называемый наилок — верхний флоккулированный слой над осадками. Его толщина редко превышает 1–2 см, влажность ≥90%. В этом слое взвесь из рассеянной формы нахождения вещества переходит в связанную, т.е. в осадок [1]. Сверху из водной толщи наилок снабжается органическим веществом (ОВ), которое входит в состав взвеси. Это ОВ служит источником для существования микроорганизмов органотрофов. Снизу из осадочной толщи в наилок поступают восстановленные соединения (H₂S, CH₄, CO₂ и др.), за счет окисления которых живут автотрофные микроорганизмы.

Наилок — самое заселенное микроорганизмами место морского дна. В 2012 г. в экспедиции на научно-исследовательском судне «Рифт» (39-й рейс, организованный Институтом океанологии) в рамках проекта «Система Каспийского моря» под руководством академика А. П. Лисицына, с помощью мультикорера (KUM, Германия) были отобраны пробы наилка и поверхностных донных осадков в двух главных глубоководных котловинах Каспийского моря — Дербентской (станция 3907) и Южно-Каспийской (станция 3916) — на глубинах 720 и 1000 м соответственно (рис. 1).

При изучении на сканирующем электронном микроскопе проб осадочного материала из наилка и слоя 0,5–1 см донных осадков были обнаружены многочисленные биоморфные структуры (рис. 2).

Рис. 2. Микрофотографии биоморфных структур (аналитик В. А. Карлов)

Наилок отбирали из колонок мультикорера диаметром 10 см, с шагом 0,5 см (рис. 3). Влажные пробы, хранившиеся в холодильнике при 0–5°C, наносили тонким слоем на алюминиевую подложку, напыляли золотом и просматривали на сканирующем электронном микроскопе (VEGA3 TESCAN, Чехия) с системой рентгеноспектрального микроанализа (INCA Energy, OXFORD Instruments, Великобритания). Пример регистрации спектра и состава биоморфных структур показан на рис. 4.

Рис. 3. Отбор наилка из колонки мультикорера на борту судна

При исследовании наилка и верхнего слоя донных осадков, вмещающего биоморфные структуры, использовали физико-химические, химические, биохимические, микробиологические, радиоизотопные (¹⁴С) и минералогические методы, описанные в наших прошлых публикациях [1–5].

Температура воды у дна в Дербентской котловине составляет 5,5°С, а в Южно-Каспийской — 8°C. В водной толще обеих котловин глубже 600 м существуют восстановительные условия, присутствует H₂S (>0,4 мг/л) и CH₄ (2200–3750 нл) [1–3, 6].

Концентрация сероводорода увеличивается от верхней границы его обнаружения к придонным горизонтам водной толщи, т.е. наилок в обеих котловинах находится в анаэробных условиях с активно протекающими микробными процессами сульфатредукции и метаногенеза [1]. В сероводородной зоне Дербентской и Южно-Каспийской впадин повсеместно фиксировался хлорофилл «а» (показывающий вклад фитопланктона), а низкая доля феофетина «а» (<40%) косвенно подтверждает слабую трансформацию хлорофилла «а», в том числе и в составе фекальных комков [7].

Наилок на станции 3907 в Дербентской котловине состоит из серого хлопьевидного с запахом сероводорода пелитового ила, который постепенно переходит в более уплотненный, представленный чередующимися черными и охристыми слойками. В наилке (слой 0–0,5 см) содержание органического углерода (С_орг) превышает 7% на сухой вес, а в подстилающих илах уменьшается до 5%.

Глинистые минералы (иллит, хлорит, каолинит, смектит, монтмориллонит) в слое 0–0,5 см составляют 32% и уступают по содержанию (≥40%) терригенным обломочным минералам (кварцу, полевым шпатам и др.). Сульфиды представлены рентгеноаморфным гидротроилитом. Пирит не обнаружен [8]. Общая численность микроорганизмов (после обработки проб ультразвуком) — 520·10⁶ клеток·см⁻³. Скорость сульфатредукции — 7,38 мкг S·л⁻¹·сут⁻¹, скорость метаногенеза — 24,1 мкл·дм⁻³. С переходом в уплотненные осадки скорость сульфатредукции уменьшается вслед за уменьшением содержания С_орг.

Наилок в слое 0–0,5 см на станции 3916 в Южно-Каспийской котловине представлен черными и зеленовато-серыми хлопьями, также с запахом сероводорода. Подстилающий наилок пелитовый ил — зеленовато-охристого цвета (полуокисленный), с многочисленными черными включениями гидротроилита. Содержание С_орг в слое 0–0,5 см составляет 8,7% и быстро уменьшается до 4,05% в слое 2–2,5 см. Сумма глинистых минералов 27%, а обломочных — 38%. Присутствует ~1% пирита [8].

В слое 0–0,5 см общая численность микроорганизмов составляет 180·10⁶ клеток·см⁻³. В подстилающем слое 0,5–1,5 см она увеличивается до 8400·10⁶ клеток·см⁻³, оставаясь высокой до горизонта 1,5–2,5 см. Скорости сульфатредукции и метаногенеза (78,4 мкг S·л⁻¹·сут⁻¹ и 30 мкл CH₄·дм⁻³) также максимальны в горизонте 0,5–1,5 см, а не в слое 0–0,5 см, в котором обнаружено ураганно высокое содержание С_орг.

Таким образом, в Дербентской котловине биохимические процессы в наилке происходят с большей активностью, чем в подстилающих илах. В Южно-Каспийской же котловине, напротив, максимальные скорости процессов сдвинуты в подповерхностный слой 0,5–1,5 см.

Рис. 4. Спектр и состав биоморфных структур (пример рабочих материалов)

Биоморфные структуры в обеих котловинах зафиксированы только в восстановленных поверхностных отложениях. На других участках дна они не обнаружены. Длина отдельных образований 1–2 мкм, диаметр 0,2–0,4 мкм. Содержание углерода в таких структурах составляет 60–70%, кислорода — 20–30% (рис. 4), что однозначно доказывает их органическое (биогенное) происхождение. Сумма остальных элементов (Si, Al, Fe, Mg, Ca) не превышает 5%. Скорее всего они связаны с механической примесью пелитового материала из вмещающего осадка.

Приведенные нами данные характеризуют не только биоморфные структуры, но и условия среды, в которой они обнаружены. Большую помощь в изучении этих образований нам оказал сотрудник Института океанологии А. Ф. Сажин.

К сожалению, установить систематическую принадлежность биоморфных структур не удалось. Так, один из ведущих микробиологов нашей страны, В. Ф. Гальченко, ознакомившись с приведенными фотографиями (рис. 2), со всей определенностью дал отрицательный ответ относительно принадлежности биоморфных структур к бактериям и в целом к известным микроорганизмам.

Консультации с протистологами и микробиологами Институтов океанологии и микробиологии РАН, биологического факультета Московского государственного университета, Института микробиологии Бергенского университета (Норвегия), Саутгемптонского университета (Великобритания) не привели к разгадке генезиса обнаруженных нами биоморфных образований.

В заключение подчеркнем, что биохимические исследования слоя на границе водной толщи и донных отложений в глубоководных котловинах Каспия с использованием современных приборов и методов анализа проводятся впервые. Все это не исключает возможности обнаружить и другие новые формы организмов и биологических структур.

Есть надежда, что заинтересованный читатель, ориентируясь на приведенный нами фактический материал, сможет определить систематику биоморфных структур или аргументировано сообщить о лабораторном артефакте.

Работа выполнена при финансовой поддержке Российского научного фонда (проект 14-27-00114). Часть анализов (рентгенодифрактометрический, сканирующая электронная микроскопия, рентгеноспектральный и др.) исследуемого материала выполнена при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (проект 16-35-60028).

Литература
1. Lein A. Yu., Savvichev A. S., Kravchishina M. D. et al. Microbiological and biogeochemical properties of the Caspian Sea sediments and water column // Microbiology. 2014. V. 83. № 5. P. 648–660.
2. Иванов М. В., Саввичев А. С., Клювиткин А. А. и др. Возобновление сероводородного заражения водной толщи глубоководных впадин Каспийского моря // Докл. АН. 2013. Т. 453. № 1. С. 76.
3. Козина Н. В. Минеральный состав донных отложений и особенности современного осадконакопления в Каспийском море: Автореф. дисс. ... канд. геол.-мин. наук. М., 2015.
4. Леин А. Ю., Русанов И. И., Клювиткин А. А. и др. Биохимические процессы в водной толще Каспийского моря в ноябре 2008 года // Докл. АН. 2010. Т. 434. № 6. С. 786–790.
5. Леин А. Ю., Русанов И. И., Кравчишина М. Д., Иванов М. В. О генезисе органического и карбонатного углерода в осадках Северного и Среднего Каспия (по изотопным данным) // Литология и полезные ископаемые. 2012. № 4. С. 319–332.
6. Амбросимов А. К., Клювиткин А. А., Гольдин Ю. А. и др. Комплексные исследования системы Каспийского моря в 39-м рейсе научно-исследовательского судна «Рифт» // Океанология. 2014. Т. 54. № 3. С. 428–432.
7. Кравчишина М. Д., Клювиткин А. А., Паутова Л. А. и др. Хлорофилл «а» во взвеси Каспийского моря как показатель условий биогенной седиментации // Океанология. 2015. Т. 465. № 3. С. 357–362.
8. Первая находка кутнагорита в современных отложениях Южно-Каспийской котловины // Докл. АН. 2015. Т. 465. № 5. С. 572–576.