Магнитная нанопалеонтология

В ИГиНГТ проводится комплексное исследование осадков современных озер

Над проектами по комплексному изучению осадков современных озер под руководством проректора по научной деятельности КФУ, директора Института геологии и нефтегазовых технологий Даниса Нургалиева работают группы исследователей.

Сегодня все чаще говорят о климатических изменениях, происходящих на нашей планете, нас все больше волнуют изменения погоды и причины ее переменчивости. Уже всем известны такие термины как "глобальное потепление" и "таяние ледников". Однако еще больший интерес связан с нашим будущим, можем ли мы предсказывать, прогнозировать, моделировать климатические условия?

Согласно принципу актуализма "познание прошлого - ключ к познанию будущего", мы может для решения этих задач использовать большие объемы информации о прошлом климатических изменений. Наиболее просто и понятно – провести анализ данных,  полученных прямыми наблюдениями в гидрометеорологических обсерваториях, распределенных на большей части суши и даже в океанах. Однако эти ряды очень короткие и охватывают в лучшем случае несколько десятков лет. Наблюдения за 100-200 лет имеются по очень ограниченному числу обсерваторий и не могут дать необходимую пространственную детальность. Большие временные интервалы (более 300 лет) могут быть охарактеризованы только косвенными данными, такими как исторические записи. Осадки современных морей и океанов являются значимыми палеоэкологическими архивами, хранящими информацию об изменениях климата, и различных событиях, происходящих в прошлом. В свою очередь, осадки современных озер с высокими скоростями накопления, позволяют получить более детальные палеоклиматические записи по сравнению с океаническими осадками. Основным фактором, определяющим осадконакопление в озерах, являются климатические условия, которые определяют гидрологический и гидрохимический режим водоемов, преобладающий характер осадконакопления и тип отложений. Разнообразие типов озер и многочисленные факторы, определяющие процессы осадконакопления в каждом из них, формируют индивидуальный качественный и количественный состав отложений конкретного озера. Изучение этих процессов в современных обстановках позволяет создавать палеореконструкции окружающей среды в геологическом прошлом, а на их основе моделировать поведение климата в будущем.

Рисунок 1. Изменения климата в Фанерозое [Veizer et al., 1999].

Успех изучения озерных осадочных объектов обеспечивается комплексным исследовательским подходом, позволяющим достигнуть более глубокого понимания связей и характера взаимодействия между литосферой, гидросферой, атмосферой и биосферой, находящих свое отражение в вещественном составе, свойствах и стратификации озерных осадочных отложений. Среди комплекса литохимических и палеобиологических методов, магнитно-минералогические исследования выступают как активно развивающийся диагностический комплекс для реконструктивных целей. При этом большую роль в составе озерных отложений играют биогенные магнитные минералы. Такие минералы производят магнитотактические бактерии (МТБ).

МТБ распространены в осадках пресных и морских водоемов, во влажных почвах. Живут бактерии придонно на границе ил – вода. Плавают при помощи жгутиков, которые расположены с одной или двух сторон тела. Для обеспечения процессов жизнедеятельности эти организмы приобрели специфическую способность передвигаться в пространстве, используя для навигации внешнее магнитном поле, а в качестве компаса - магнитные частицы. Такие частицы называют «магнитосомы» и находятся они в пузырьках, собранных в одну или несколько цепей – «магнитосомных нитей», расположенных в цитоплазме вдоль оси подвижности тела бактерии, для увеличения магнитного момента.

Впервые такие бактерии были отмечены Беллини в 1963 г., а в 1975 г. впервые описаны при наблюдении их миграции к северу в поле зрения микроскопа [Bellini, 1963; Blakemore, 1975].

Рисунок 2. Электронно-микроскопический снимок (ПЭМ) бактерий M. gryphiswaldense с цепями магнетитовых наночастиц [Fischer et al., 2008]. 

Обычно магнитотактические бактерии содержат порядка 10–20 упорядоченных магнитных частиц, однако, существуют бактерии, содержащие до 1000 магнитосом. Использование высокоточной электронной микроскопии позволило определить размеры и морфологию магнитных кристаллов: размеры большинства наблюдаемых частиц варьируют в очень небольшом диапазоне 35–120 нанометров. Однако встречаются и более крупные частицы, что некоторые ученые связывают с влиянием аридизации климата. Кристаллы бывают кубической формы, в виде параллелепипедов, в виде пули или наконечника стрелы.

Магнитосомы рассматриваются в качестве информативного палеоэкологического показателя в записях осадочных пород, являются важным носителем информации о происхождении геомагнитного поля и строении глубинных геосфер, об истории движения литосферных плит, инверсиях магнитного поля Земли. Другим важным направлением исследований является изучение процессов биоминерализации и генетики.

Прежде чем наблюдать остатки магнитотактических бактерий под микроскопом, необходимо их выделить из осадков. А это очень долгая и дорогая процедура. Поэтому нами в Институте геологии и нефтегазовых технологий созданы уникальные методики обнаружения древних магнитосом на основе специальных магнитных измерений образцов и обработки этих данных. Указанные измерения производятся на оригинальном приборе – коэрцитивном спектрометре (рис. 3), созданном в Казанском университете еще в 80-е годы прошлого века Ясоновым П.Г, Буровым Б.В., Нургалиевым Д.К.. Получаемые спектры (рис. 4а) дают информацию о магнитных зернах, содержащихся в осадках, при этом используют различные методики разложения коэрцитивных спектров на компоненты (рис. 4б, 5) [Kosareva et al., 2015; Fabian et al., 2016].

Рисунок 3. Общий вид коэрцитивного спектрометра J_meter.

Рисунок 4. а) Коэрцитивные спектры по намагничиванию образцов донных отложений оз. Хубсугул (с2-118, с6-180, с7-126, с18k-34, с29-206, с31k-106, с32-275). б) Пример разложения коэрцитивного спектра намагничивания (непрерывная линия) на компоненты (пунктирные линии). Озеро Хубсугул образец С21к-150 [Kosareva et al., 2015]. Здесь выделяются биогенная, детритовая и высококоэрцитивная магнитные компоненты. Биогенная магнитная компонента отражает содержание магнитосом в древних осадках.

Рисунок 5. Примеры разложения коэрцитивных спектров намагничивания на компоненты [Fabian et al., 2016]. Образцы оз. Хубсугул. В образце с глубины 2894 см выявлено значительное содержание биогенной компоненты (79%). В образце с глубины 1959, напротив, незначительное содержание биогенной магнитной компоненты (14%).

Таким образом, не разрушаю породу и не производя сепарацию магнитных частиц мы очень быстро можем получить информацию о наноразмерных магнетиках биологического происхождения в осадках – магнитосомах. Это новое направление в палеонтологии – магнитная нанопалеонтология. Оно создано и развивается сегодня в Казанском университете.

Сопоставление полученных результатов с данными комплексных исследований литологическими, геохимическими и палеобиологическими методами позволяют судить о возможности использования характеристик магнитосом, выявленных в процессе магнитных измерений образцов, как индикаторов изменения окружающей среды в далеком геологическом прошлом.

Над проектами работают ученые различных направлений: литолого-геохимические исследования проводят Нургалиева Н.Г., Косарева Л.Р., Баталин Г.А., Гареев Б.И., Широких Е.Б.; минералогические - Ескина Г.М.; магнитно-минералогические - Косарева Л.Р., Кузина Д.М., Антоненко В.В., Юсупова А.Р., Ясонов П.Г.; палеобиологические исследования – Фролова Л.А., Нигаматзянова Г.Р., Зиннатова Э.А; электронная микроскопия – Евтюгин В.Г., Воробьев В.В.; cейсмоакустические исследования - Крылов П.С., Ясонов П.Г.

Авторы предоставленного материала Косарева Л.Р., Нургалиев Д.К.

Литература

1. Bellini S. Ulterioristudisui “batterimagnetosensibili” (Further studies on magnetosensitive bacteria) / Institute of Microbiology, University of Pavia, Italy,1963.
2. Blakemore R.P. Magnetotactic bacteria / Science.- 1975.- 190.-  Р. 377–379.
3. Fabian K., Shcherbakov V.P., Kosareva L., Nourgaliev D. Physical interpretation of isothermal remanent magnetization endmembers: New insights into the environmental history of Lake Hovsgul, Mongolia / Geochemistry, Geophysics, Geosystems 2016. Vol. 17 (11). P. 4669-4683.
4. Fischer H., Mastrogiacomo G., Löffler J. F., Warthmann R. J., Weidler P. G., Gehring A. U. Ferromagnetic resonance and magnetic characteristics of intact magnetosome chains in Magnetospirillum gryphiswaldense / Earth and Planetary Science Letters 270 (2008) 200–208.
5. Kosareva L.R., Utemov E.V., Nurgaliev D.K., Shcherbakov V.P., Kosarev V.E., Yasonov P.G. Separation of Ferromagnetic Components by Analyzing the Hysteresis Loops of Remanent Magnetization Izvestiya / Physics of the Solid Earth.- 2015.- Vol. 51, No. 5.- Р. 689–708.
6. Veizer, J., Ala, D., Azmy, K., Bruckschen, P., Buhl, D., Bruhn, F., Carden, G.A.F., Diener, A., Ebneth, S., Godderis, Y., Jasper, T., Korte, C., Pawellek, F., Podlaha, O. and Strauss, H. (1999) 87Sr/86Sr, d13C and d18O evolution of Phanerozoic seawater. Chemical Geology 161, 59-88.