Альбидная ткань конодонтовых элементов: строение и модель формирования

Строению твердых тканей конодонтовых элементов посвящена многочисленная литература, начиная с работ X. Пандера (1856). Обширный обзор современного состояния знаний о гистологии твердых тканей конодонтовых элементов содержится в работе Ф. Донохью [12]. Проведенные впоследствии исследования позволили несколько уточнить классифика цию твердых тканей и их характеристики, в частности, из альбидной ткани в качестве самостоятельной была выделена параламеллярная [2, 24].

Гистологические признаки используются в качестве доказательной базы для уточнения родственных связей конодонтов. В разное время предлагались гомологии тканей конодонтовых элементов с минерализованными тканями позвоночных: эмалью, дентином, костной тканью [9, 1, 16, 20, 12, 21, 18]. В качестве аргументов обычно приводится общее сходство состава и структурно-текстурных особенностей. Полученные в последние годы данные об особенностях кристаллического строения и состава твердых тканей конодонтов [23, 5, 17, 14, 19, 3, 8, 15] позволяют предложить новую интерпретацию имеющихся гистологических материалов.

Наибольший интерес представляет альбидная ткань (или «белое вещество» в другой терминологии), поскольку она специфична именно для конодонтов и рассматривается как наиболее эволюционно продвинутый тип ткани у этих организмов [12, 13]. Именно для этой ткани предполагаются различные механизмы формирования и варианты гомологии с твердыми тканями позвоночных.

Методы и подходы

На материале, представленном слабоизмененными процессами фос-силизации конодонтовых элементов из среднего ордовика (волховский горизонт) и верхнего девона северо-запада Восточно-Европейской платформы (среднего франа Главного девонского поля и нижнего фамена Центрального девонского поля), а также нижнего карбона (турнейский ярус) Печорской гряды, были проведены исследования альбидной ткани. Все изученные конодонтовые элементы обладали низким индексом окраски (ИОК=1, что соответствует практическому отсутствию термальной переработки вещества [8]) и характеризовались отсутствием следов коррозии, перекристаллизации и посмертных деформаций.

Основу изучения альбидной ткани составили оптические методы. Конодонтовые элементы изучались в проходящем свете в шлифах и иммерсионных препаратах (в глицерине и пихтовом бальзаме), а также в отраженном свете в аншлифах и полированных шлифах. Для изготовления шлифов и аншлифов конодонтовые элементы фиксировались в канадском бальзаме или полиметилакрилате. В качестве дополнительной информации были привлечены результаты электронной микроскопии (СЭМ и ПЭМ, исследования проводились Е. В. Россеевой в Max-Planck-Institut) [7,19, 3, 15], рентгеновской микротомографии (микротомограф SkyScan 1272, исследования проводились авторами в НМСУ «Горный») [4], рентгеноструктурного анализа [7, 8] и биохимических исследований [15, 19]. Органическая составляющая конодонтовых элементов изучалась после деминерализации в 1Н-растворе HCl, или ЭДТА. Выделенное органическое вещество исследовалось чувствительным к коллагену методом трихромно-го окрашивания по Ван Гизону, а также использовалось для анализа белка электрофорезом (SDS PAGE, исследования проводились в Max-Planck-Institut) и для рентгеноструктурного анализа [5, 15, 19].

Результаты и обсуждение

На основе проведенных исследований удалось установить следующие основные характеристики альбидной ткани. Эта ткань характерна исключительно для ядер зубцов срединных гребней первичных отростков конодонтовых элементов (рис. 1). В других морфологических образованиях (платформах, вторичных гребнях) альбидная ткань отсутствует. Специфический вариант распределения альбидной ткани наблюдается в эхелонах некоторых спатогнатид [6], гомологичных срединному гребню.

Минеральная составляющая альбидной ткани представлена кристал литами апатита-(CaF) (флюорапати-та) с параметрами кристаллической ячейки: a = 9.374-9.376, c = 6.882— 6.892. Размер отдельных кристаллитов составляет десятые доли микрона. Плотная упаковка кристаллитов формирует агрегат, обладающий оптическими свойствами монокристалла и дающий характерную для монокристалла дифракционную картину (рис. 2). При этом высокая степень упорядоченности кристаллитов отмечается в альбидной ткани средне- и позднепалеозойских конодонтов. Раннепалеозойские конодонтовые элементы демонстрируют присутствие в альбидной ткани слегка разориентирован-ных кристаллитов, обусловливающее неодновременное погасание в скрещенных николях [15]. Минеральная структура альбидной ткани представляет собой пористый мезокристалл, при этом кристаллографическая ось с кристаллитов ориентирована по направлению максимальной скорости роста — вдоль оси зубцов [7, 15, 19]. Высокая степень упорядоченности и плотная упаковка кристаллитов отличает альбидную ткань от костных тканей и дентина позвоночных.

Границы между альбидной и другими типами тканей постепенные. На границах не нарушается слоистая (ламеллярная) текстура, то есть наблюдается продолжение ламелл ламеллярной и параламеллярной тканей в альбидную (рис. 3). Поэтому можно предположить, что рост всех типов тканей в пределах одной ламеллы происходил одновременно.

Структуры, сформированные альбидной тканью в конодонтовом

Рис. 2. ПЭМ-изображение тонкого среза (FIP-cut) альбидной ткани в зубце позднедевонского рамиформного конодонтового элемента (а) и демонстрирующая высокоупорядоченную кристаллическую структуру картина электронной дифракции (б)

Рис. 1. Распределение структур из альбидной ткани в позднедевонском рамиформном конодонтовом элементе (фото в иммерсии, показатель преломления жидкости 1,473, проходящий свет). Обозначение тканей: al — альбидная; lm — ламеллярная; plm — параламеллярная

• Fig. 1.    Distribution of albid tissue structures in Late Devonian ramiform conodont element (photo in immersion, liquid refractive index 1,473, transmitted light). Tissues: al — albid; lm — lamellar; plm — paralamellar

• Fig. 2.    TEM image of FIP-cut of albid tissue in the spike of Late Devonian ramiform conodont element (a) and electron diffraction pattern showing a highly ordered crystalline structure (б)

  

  Рис. 3. Границы альбидной ткани с другими типами тканей: a — СЭМ-изображение пришлифовки позднедевонского рамифор-много конодонтового элемента; б — оптическое изображение шлифа через срединный гребень позднедевонского Pa-элемента рода Youngquistognathus ; в — СЭМ-изображение сломанного зубца позднедевонского рамиформного конодонтового элемента, демонстрирующее «чехол» ламеллярной ткани на структуре, сложенной альбидной тканью. Обозначения тканей: al — альбид-ная; lm — ламеллярная; plm — параламеллярная

  
  

Fig. 3. Boundaries of albid tissue with other types of tissue: a — SEM image of grinding of Late Devonian ramiform conodont element; б — optical image of section through the medium ridge of Late Devonian Pa-element of Youngquistognathus ; в — SEM image of a broken spike of Late Devonian ramiform conodont element showing “cover” of lamellar tissue on albid structure. Tissues: al — albid; lm — lamellar;

plm — paralamellar элементе, обычно покрыты «чехлом» ламеллярной ткани, состоящим из одной ламеллы (рис. 3).

Обнаруженная в последние годы в альбидной ткани конодонтовых элементов специфическая структура, «внешняя кайма» [7], представляет особый интерес. Это зона с низкой упорядоченностью кристаллитов (дает дифракционную картину, характерную для поликристаллического вещества) [7], расположенная около внешней поверхности массива альбидной ткани (рис. 4). «Внешняя кайма» обнаруживается не на всех конодонтовых элементах, а лишь на внешней ламел-ле альбидной ткани в случаях, когда не развит или слабо развит «чехол», состоящий из ламеллярной ткани. Внутренняя граница «внешней каймы», как правило, имеет сложную извилистую форму (рис. 4). Предполагается, что при завершении цикла роста конодонтового элемента специфическая ткань «внешней каймы» преобразовывалась в альбидную ткань, поэтому мы не наблюдаем участков ткани «внешней каймы» внутри структур из альбидной ткани или под ламеллярным «чехлом» [15]. Отсутствие фрагментов ламеллярной ткани внутри массивов альбидной ткани позволяет предположить, что перед каждым циклом роста последних происходила резорбция ламеллярного «чехла».

Для альбидной ткани характерно присутствие микро- и нанопор, а также микроканалов. Поры и каналы, по данным рентгеновской микротомографии, частично заполнены органи ческим веществом. Размер микропор в альбидной ткани близок по значению к размерам пор в дентине позвоночных (0.64 мкм). Распределение пор и каналов может быть хаотичным, а может формировать структуры, ориентированные вдоль оси зубца (рис. 5). Общая микропористость аль

Рис. 4. ПЭМ-изображение тонкого среза (FIP-cut) альбидной ткани в краевой части зубца позднедевонского рамиформного конодонтового элемента, демонстрирующее границу (пунктирная линия) альбидной ткани ( al ) и ткани «внешней каймы» ( im )

Fig. 4. TEM image of FIP-cut of albid tissue in the edge part of spike of Late Devonian ramiform conodont element showing a boundary (dotted line) of albid tissue ( al ) and tissue of “outer rim» ( im )

бидной ткани, по данным рентгеновской микротомографии, не превышает 1—2 %, а средний объем пор составляет 4—5 мкм3. Пористость в сочетании с высокой степенью кристалличности отличают альбидную ткань от эмали и энамелоида позвоночных.

Органическая матрица, изученная на деминерализованных конодонтовых элементах, едина в различных типах тканей (рис. 6), отличия заключаются лишь в содержании органического вещества. В альбидной ткани оно крайне низко (около 1 % объемн.) в отличие от ламеллярной и парала-меллярной тканей (2—3 % объемн.). Органическое вещество обладает положительной гистохимической реакцией на коллаген (окрашивание методом Ван Гизона) как у альбидной, так и у ламеллярной ткани (рис. 6). Проведенный валовый анализ органической матрицы конодонтовых элементов методом электрофореза (SDS PAGE) подтвердил присутствие коллагена [19]. Результаты электрофореза и положительная гистохимическая реакция на коллаген позволяют предположить, что высокая степень минерализации твердых тканей конодонтов позволяет сохраняться в них сложным белковым молекулам, которые относительно быстро разрушаются вне минерального матрикса [22].

Попытки выделить генетический материал из органического вещества не увенчались успехом. Возможно, что отсутствие генетического материала является следствием внеклеточной природы органической матрицы

Рис. 5. Рентгеновские микротомографии конического конодонтового элемента рода Jablonnodus (поздний девон): а — внешний вид элемента; б — визуализация пор и каналов (указаны стрелками) в центральной части зубца, сложенной альбидной тканью

Рис. 6. Деминерализованные в растворе соляной кислоты альбидная и ламеллярная ткани позднедевонского рамиформного элемента (S-элемент отряда Polygnathida): а — в проходящем свете без окрашивания; б — после окрашивания во Ван Гизону (красная окраска соответствует коллагену)

Fig. 5. X-ray microtomographs of conical conodont element of Jablonnodus genus (Late Devonian): a — appearance of the element; б — visualization of pores and channels (indicated by arrows) in the central part of spike composed by albid tissue

Fig. 6. Albide and lamellar tissue, demineralized in hydrochloric acid, of Late Devonian ramiform element (S-member Polygnathida): a — in transmitted light without staining; б — after van Gieson’s staining (red color corresponds to collagen)

конодонтовых элементов. Последнее косвенно подтверждается отсутствием остатков клеточных структур в деминерализованных конодонтовых элементах (рис. 6).

На основе имеющихся данных о составе и структуре альбидной ткани возможно предложить модель ее формирования. Модель должна учитывать следующие особенности данной ткани:

• 1.    Рост конодонтовых элементов происходил периодически за счет добавления ламелл на внешней поверхности элемента. Фазы роста разделялись фазами активного функционирования конодонтовых элементов (модель Бенгтссона) [10, 11].

• 2.    Структуры, сложенные альбидной тканью, либо покрыты ламел-лой ламеллярной ткани, либо имеют специфическую «внешнюю кайму», однако ламеллы альбидной ткани не чередуются с ламеллами ламеллярной.

• 3.    Ламеллы продолжаются в аль-бидную ткань из контактирующих с ней ламеллярной и параламеллярной тканей; границы тканей нерезкие.

• 4.    Органическая матрица всех типов тканей имеет сходное строение и состав и представлена коллагеном или коллагеноподобным белком.

Учитывая отсутствие в органической матрице очевидных остатков клеточных структур и особенности роста конодонтовых элементов, можно предположить, что для конодонтов была характерна биологически контролируемая внеклеточная минерализация.

Результаты гистологических исследований конодонтовых элементов позволяют выделить ряд стадий формирования структур из альбидной ткани (рис. 7):

• 1.    Резорбция внешней ламеллы, сложенной ламелярной тканью.

• 2.    Образование органической матрицы, представленной, скорее всего, ориентированными параллельно оси роста фибриллами коллагена.

• 3.    Первичная минерализация органической матрицы. Формирование слабоупорядоченных кристаллитов фосфата кальция внутри коллагеновой матрицы. При прекращении процесса на этой стадии (например, вследствие гибели организма) на ко-нодонтовом элементе остается «внешняя кайма».

• 4.    Конечная кристаллизация минерального компонента ламеллы альбидной ткани. При этом происходит

• 5.    Формирование перекрывающей ламеллы («чехла») из ламеллярной ткани. Вероятно, процесс ее образования аналогичен (стадии 2—4), но последние стадии происходили с меньшей степенью резорбции органической матрицы и упорядочения кристаллитов.

частичная резорбция органической матрицы, удаление воды, включение в структуру ионов фтора и упорядочение кристаллитов вплоть до формирования мезокристалла.

Согласно предложенной модели, цикл роста конодонтового элемента охватывал последовательное формирование двух ламелл. В структурах, сформированных ламеллярной тканью, обе ламеллы состояли из этой ткани. В областях развития альбидной ткани первая (внутренняя) ламелла состояла из альбидной ткани, а вторая (внешняя) ламелла — из ламеллярной.

Выводы

Таким образом, альбидная ткань конодонтовых элементов представляет собой пористый мезокристалл с коллагеновой органической матрицей (менее 1 % объема ткани) и неотчетливо ламеллярной текстурой. Предпо-

Цикл роста конодонтового элемента

Цикл биоминерализации

Цикл биоминерализации

Са3(РО,

Резорбция Формирование и первичная       Формирование минерализация органической     минерализованных матрицы                    тканей

Формирование и первичная        Формирование минерализация органической      минерализованных матрицы                     тканей

Условные обозначения

органическая матрица (фибриллы коллагена)

остаточная органическая матрица

ткань “внешней каймы”

ламелла ламеллярной ткани

ламелла альбидной ткани

• Рис. 7. Модель формирования альбидной ткани

Fig. 7. Model of albid tissue formation лагается, что формирование альбидной ткани происходило за счет биологически контролируемой внеклеточной минерализации. За один цикл роста секрецировалось две ламеллы: внутренняя из альбидной ткани и внешняя из ламеллярной. В начале следующего цикла ламелла из ламеллярной ткани резорбировалась.

В общих чертах предложенная модель сходна с процессом формирования костных тканей современных позвоночных. Однако существенные отличия в структуре и составе альбидной ткани и твердых тканей костей и зубов не позволяют рассматривать гистологические признаки в качестве доказательства принадлежности конодонтов к позвоночным. Имеющееся сходство может быть обусловлено близкими процессами биоминерализации, а не синплезиоморфией.

Авторы выражают признательность Е. В. Россеевой за предоставленные материалы минералогического изучения конодонтовых элементов и рецензенту В. Н. Пучкову за критические замечания, способствовавшие улучшению работы. Исследования выполнены при поддержке ЗАО «Поляргео».