Самыми многочисленными остатками ископаемых растений являются споры и пыльца. Но они очень маленькие, сотые доли миллиметра. Чтобы их изучить, нужно использовать не только световой микроскоп, но и высокоразрешающие электронные микроскопы.
Лаборатория электронной микроскопии биологического факультета МГУ, работа за аналитическим ТЭМ (трансмиссионным электронным микроскопом) с функцией томографии
Фото: Предоставлено С.В.Полевовой.
Лаборатория электронной микроскопии биологического факультета МГУ, работа за аналитическим ТЭМ (трансмиссионным электронным микроскопом) с функцией томографии
Фото: Предоставлено С.В.Полевовой.
По остаткам ископаемых растений палеоботаники судят о том, какими были растения прошлых эпох. Но в палеонтологической летописи ископаемые растения сохраняются не целиком, а в виде отдельных кусочков: листьев, ветвей, семян, соцветий и т. д. Много миллионов лет назад, например, из-за порыва ветра или внезапно осыпавшегося берега водоема они оторвались от материнского растения, попали в воду, в бескислородной среде были быстро засыпаны мелкозернистым осадком, тот уплотнился и превратился в камень с разрозненными растительными остатками внутри, которые предстоит найти и изучить исследователям.
По части нам приходится судить о целом растении. Эта часть может быть и микроскопических размеров, как, например, пыльцевые зерна и споры (размером в десятые и сотые доли миллиметра). В современном воздухе они досаждают аллергикам, но точно так же ими была полна и атмосфера далекого прошлого. Как ботаники современных растений по пыльце из воздуха могут определить, чья она, так и по пыльце из геологической породы можно судить о том, какие растения прошлого ее произвели. Пыльца и споры — самые многочисленные ископаемые остатки растений; им посвящен специальный раздел науки — палинология. Она смогла возникнуть благодаря изобретению светового микроскопа. Здесь прогресс палинологии следует за успехами в изобретении все новых, более совершенных микроскопов. «Рабочая лошадка» палинологии — световой микроскоп — позволяет различать детали в тысячную долю миллиметра. А пыльца и споры под световым микроскопом выглядят необыкновенно красиво. Пылинки могут быть украшены шипами или сеточкой, перерезаны бороздами и порами, снабжены воздушными мешками или оторочками. Однако возможности световой микроскопии ограничены длиной световой волны. С помощью видимого света можно различить объекты, размер которых не меньше половины длины световой волны, а это 0,2 мкм (=2х10-4 мм). Более мелкие детали невозможно рассмотреть при помощи светового луча. Нужно излучение с более короткой длиной волны, и такое есть. Это пучок электронов. Здесь длина волны много короче и позволяет различать объекты в несколько ангстрем — 10-7 мм (= одна десятимиллионная миллиметра).
Пыльцевое зерно горлюхи, растения—родственника одуванчика и цикория. Фотография сделана под световым микроскопом. Воспроизведено из Информационной системы идентификации растительных объектов на основе карпологических, палинологических и анатомических данных
Пыльцевое зерно горлюхи, растения—родственника одуванчика и цикория. Фотография сделана под световым микроскопом. Воспроизведено из Информационной системы идентификации растительных объектов на основе карпологических, палинологических и анатомических данных
Начавшееся во второй половине XX века применение электронных микроскопов в тысячу раз увеличило возможности различения деталей строения изучаемых объектов. Это открыло для палинологии новую эру. Оболочка пыльцы и спор под электронным микроскопом оказалась полна очень интересных деталей.
По наблюдаемой в трансмиссионном электронном микроскопе (ТЭМ) ультратонкой структуре оболочек палинологи могут судить о том, каким растениям принадлежали эти пыльца или споры. Хотя в световой микроскоп все они выглядели практически одинаковыми.
Конструктивные особенности электронных микроскопов, обеспечивающие их высокую разрешающую способность, накладывают и немало ограничений на изучаемые объекты. Например, в ТЭМ можно рассматривать только ультратонкие объекты (толщиной 50 нм = 5х10-5 мм). Это потому, что электронный луч может пройти только сквозь достаточно тонкую структуру. А значит, крупные объекты (пыльца и споры) должны быть порезаны на тонкие слои. На ультратонких срезах прекрасно видна структура оболочки, но это двумерная проекция, и, глядя на нее, можно не совсем верно реконструировать объемные структуры. Лучше было бы судить о целом по двум проекциям, и для этого существуют специальные процедуры.
Ультратонкие срезы изготавливают на специальном приборе — ультратоме, оснащенном алмазным или стеклянным ножом. Фото Е. В. Карасева
Фото: Предоставлено Е.В.Карасевым
Ультратонкие срезы изготавливают на специальном приборе — ультратоме, оснащенном алмазным или стеклянным ножом. Фото Е. В. Карасева
Фото: Предоставлено Е.В.Карасевым
Команда исследователей из Палеонтологического института и МГУ изучает две группы высших растений девонского возраста (живших почти 400 млн лет назад). Потомки одной из них, гетероспоровые плауновидные, дожили до наших дней. Небольшое травянистое растение селагинеллу можно увидеть на верховых болотах или купить в цветочном магазине. Представители второй группы — археоптерисовые, первые древесные растения нашей планеты, к сожалению, полностью вымерли. Хотя это были очень разные растения, их споры удивительным образом похожи друг на друга и попадаются в пробах совместно. Как же их различить, если от них остались только споры?
Исследователи полагают, что это кажущееся сходство. Оно усилено тем, что мы имеем дело с ископаемым материалом: с оболочками, уплощенными и гомогенизированными из-за миллионнолетнего воздействия палеотемператур и давления геологических пород. Скорее всего, оболочки этих спор формировались по-разному, из неодинаковых структурных элементов. Различить их не удается по двумерным фотографиям срезов, сделанных с помощью ТЭМ. Если удастся построить трехмерную модель по серии ультратонких срезов, то, вероятно, удастся найти разницу в структуре их оболочек, а значит, различить эти две группы растений только по остаткам их спор.
На помощь традиционному ТЭМ может прийти его новая модификация — аналитический ТЭМ с функцией томографии. В последние годы он с успехом применяется в биологии современных организмов при изучении биологических макромолекул и вирусных частиц, а мы пытаемся адаптировать этот метод для ископаемых пыльцевых зерен и спор. Для ТЭМ-томографии используют полутонкие срезы (например, толщиной 250 нм = 2,5х10-4 мм), которые многократно фотографируют с изменением угла наклона от –70 до +70 градусов, с шагом в один градус. Из серии таких снимков генерируют суммарный файл, который может быть просмотрен как видеофильм. На его основе специальная программа строит трехмерную модель. В случае успешного применения ТЭМ-томографии мы сможем получить более достоверные трехмерные реконструкции оболочек спор и убедительно различить неродственные группы, проявляющие конвергентное (неродственное) сходство.
Таким образом, прогресс микроскопической техники позволяет нам заглянуть все глубже в ультраструктуру оболочки пыльцы и спор и полнее понять жизнь древних растительных сообществ.