Характеристика органического вещества Phylladoderma arberi Zalessky — растения­деривата пермских углей Печорского бассейна

Представляемая работа является продолжением цикла хемосистематических исследований палеозойских растительных фоссилий (Telnova et al., 2022; Kocheva et al., 2022; Telnova et al., 2023; Kocheva et al.,

рактерны только для организмов определенных видов, родов, семейств или порядков, и это может в дополнение к морфологии служить основой их классификации. Поэтому работы по применению результатов физико-химических исследований для палеозойских растительных фоссилий являются актуальными.

В данной работе в качестве основного биомаркера, обладающего специфическими таксономическими признаками, предложен один из наиболее устойчивых растительных полимеров — лигнин (Yu et al., 2025; Reyes-Rivera et al., 2020), продукты трансформации которого при окислительно-восстановительных, дегра-дационных и конденсационных процессах, протекающих при фоссилизации, сохраняют свою ароматическую природу.

Лигнины представляют собой ароматические природные высокомолекулярные соединения, входящие в состав всех наземных высших растений и выполняющие адаптивные и другие жизненно важные функции — механические, биохимические, антиоксидантные и др. (Liu et al., 2025).

Лигнины являются продуктами биосинтеза и отличаются сложной химической структурой (рис. 1, a) из трех основных фенилпропановых единиц (ФПЕ) — гваяцильной (G), сирингильной (S) и п -кумаровой (H) (рис. 1, b) (Zheng et al., 2025). В процессе образования межмономерных связей могут участвовать различные атомы углерода ФПЕ. Для лигнинов характерна поливариантность типов межмономерных связей (алкил-арилэфирные, арил-арильные, алкил-алкильные) и функциональных групп. Установлено, что процесс биосинтеза на этапе свободнорадикальной дегидро-генизационной полимеризации в системе «мономерный предшественник — пероксидаза — пероксид водорода» с образованием макромолекул лигнина протекает без прямого генетического контроля (Лебедев и Шестибратов, 2021; Peracchi et al., 2024), в отличие от синтеза монолигнолов, которые являются основными структурными фрагментами лигнинов. Все известные современные лигнины являются композиционно неоднородными, состоящими из G-, S- и H-структурных фрагментов в том или ином соотношении. Единственное исключение составляет лигнин лиственницы, построенный только из гваяцильных G-единиц (Wan et al., 2025).

В настоящее время известно, что механизмы синтеза лигнина существовали у водорослей задолго до выхода растений на сушу. Соединения, идентифицированные как лигнины, обнаружены в зеленых и красных водорослях, которые появились более миллиарда лет назад. Лигнин также обнаружен у бурых водорослей (Резников и Михасева, 1976; Sariñana-Aldaco et al., 2025), известных с кайнозоя. Бурые водоросли являются уникальной группой живых организмов, развившей настоящий многоклеточный план строения тела независимо от большинства других многоклеточных организмов. Состав продуктов пиролитической деструкции таломов бурых водорослей указывает на присутствие лигнина: идентифицированы фенолы и кислоты, которые относятся к п -кумаровым, гваяцильным и сирингильным структурным единицам лигнина. Сложный композиционный состав лигнина бурых водорослей был интерпретирован в рамках современной концепции биосинтеза лигнина без генетического контроля.

Исследования по хемосистематике палеозойских растений немногочисленны, не хватает вариаций структурного строения лигнина для таксономических выводов, необходимо создание баз данных строения лигнинов в различных филогенетических линиях палеозойских растений. С этой целью проведено изучение Phylladoderma arberi Zalessky — одного из растений-дериватов пермских углей Печорского бассейна. Выбор растения P. arberi для хемосистематических исследований обусловлен следующими факторами. Фито-леймы P. arberi почти целиком слагают так называемый филладодермовый уголь, маломощные прослои которого встречаются в средней и верхней частях таль-бейской свиты в среднем течении р. Адзьвы (бассейн р. Печоры). Несмотря на хорошую изученность Печорского угольного бассейна, начатую еще работами А. А. Чернова (Чернов, 1932), и промышленное освоение, растения-дериваты пермских углей с позиций хемосистематики ранее не изучались и в настоящее время представляют большой научный интерес.

Параллельно с фундаментальными исследованиями проводится поиск новых направлений практического использования этих результатов в народном хозяйстве, прежде всего в углехимии и медицине. Перспективы практических разработок мы связыва-

Рис. 1. Модель структуры (а) и основные структурные единицы лигнина (b)

Fig. 1. Model of the structure (a) and main structural units of lignin (b)

b

ем с исследованиями по созданию разнообразных продуктов и материалов на основе лигнинсодержащих веществ, обладающих широким спектром адсорбционных и антиоксидантных свойств (Karmanov et al., 2023).

Цель данной работы состояла в микроморфологи-ческом исследовании (определение степени сохранности фоссилий) и структурно-химической характеристике органического вещества фитолейм Phylla-doderma arberi Zalessky с позиций хемосистематики.

Объекты и методы исследований

Объект исследования. Бурые угли Печорского бассейна (Республика Коми) целиком сложены фитолей-мами Phylladoderma arberi Zalessky (класс Gymnospermae, подкласс Ginkgoopsida, порядок Peltaspemales, семейство Cardiolepidaceae) — одного из растений-дериватов пермских углей. Это так называемый филладодермо-вый уголь (рис. 2), образующий маломощные прослои в средней и верхней частях филладодермовой толщи (верхи тальбейской свиты, печорская серия, гвадалупский ярус), обнажающейся по правому берегу р. Адзьвы — правого притока р. Усы.

Материал собран Л. А. Фефиловой, год сбора — 1967, р. Адзьва (бассейн р. Печоры), обн. 44/75, коллекция № 1001 Е. И. Полетаевой, ящик 16, хранится в Геологическом музее им. А. А. Чернова ИГ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН.

Для физико-х имических исследований фитолей-мы из исходного образца филладодермового угля отмывались от неорганической части (глина) дистиллированной водой в ультразвуковой ванне до прозрачности воды. Время отмывки подбиралось опытным путем. Общий вид фитолейм P. arberi (рис. 3) сфото-

Рис 2. Образцы филладодермового угля (р. Адзьва, Печорский угольный бассейн, Геологический музей им. А. А. Чернова, ИГ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН, Сыктывкар, коллекция № 1001)

Fig. 2. Samples of Phylladoderm coal (r. Adzva, Pechora coal basin, Geological Museum named after A. A Chernov, IG FRC Komi SC UB RAS, Syktyvkar, collection No. 1001)

Рис 3. Внешняя поверхность кутикулы Phylladoderma arberi Zalessky в сканирующем электронном микроскопе

Fig. 3. The outer surface of the Phylladoderma arberi Zalessky cuticle as seen in a scanning electron microscope графирован на СЭМ (TESCAN VEGA 3 с энергодисперсионной приставкой X-max 50 Oxford Instruments, рабочее напряжение 10 кВ).

Для микроморфологических исследований фито-леймы отделялись от общей массы угля с помощью скальпеля и иглы и затем подвергались стандартной процедуре мацерации: в течение трех — шести часов выдерживались в смеси Шульце (концентрированная азотная кислота + бертолетова соль) и промывались аммиаком для растворения углистого вещества. Из выделенных таким образом кутикул готовили препараты для изучения в световом микроскопе Amplival Karl Zeiss, а также в СЭМ JEOL JSM-35C и VEGA3 TESCAN.

Спектры электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) получены на радиспектрометре Х-диапазона (9.4 ГГц) RadioPAN SE/X-2547 при комнатной температуре образца. Навеска препарата составляла ~ 20 мг. Спектры регистрировались в виде первой производной сигнала поглощения при частоте ВЧ модуляции 100 кГц. Обзорные спектры записывались в диапазоне поляризующего магнитного поля 0–500 мТ с амплитудой ВЧ-модуляции 0.1 мТ при мощности СВЧ 20 мВт. Детальная запись линии углеродных радикалов производилась с разверткой величины поляризующего магнитного поля 10 мТ с амплитудой ВЧ-модуляции 0.05 мТ при ненасыщающей мощности СВЧ 2 мВт. В качестве стандарта g-факторов и меры концентрации использовался эталонный образец ДФПГ (g = 2.0036, 1.96 × 10¹⁷ спин). Погрешность определения g-факторов — 0.0003, ширины линий — ±0.01 мТ, относительной и абсолютной концентрации — 15 и 30 % соответственно.

Дериватография выполнялась на приборе синхронного термического анализа STA 449 F5 Jupiter ASC (NETZSCH, Германия). Условия съемки: нагрев со скоростью 10 °C/мин до 900 °C, атмосфера — воздух, скорость потока 50 мл/мин, корундовые тигли.

Состав летучих продуктов пиролиза образца изучали методом газовой хромато-масс-спектрометрии (Py-GC/MS) на газовом хромато-масс-спектрометре GCMS-QP2010 Plus с пиролизером EGA/PY-3030D (Frontier lab, Япония). Применяли режим плавного нагрева от 50 до 600 °C со скоростью 50 °C/мин. Образующиеся вещества отдували гелием и конденсировали при температуре –30 °C. Анализ продуктов пиролитической деструкции образцов проводили с использованием существующих библиотек масс-спектров. Оценка содержания низкомолекулярных продуктов пиролиза проводилась по площадям соответствующих им пиков на пиролитической газовой хроматограмме .

Результаты и их обсуждение

Морфология P. arberi . Листья простые, линейные или удлинённо-овальные, со сравнительно редкими параллельными жилками, сходящимися к верхушке, которая часто бывает выемчатой. Как правило, листья обладают толстой кутикулой, позволяющей детально исследовать их эпидермальную структуру. Эпидерма нижней стороны листа изогональная (рис. 4); клетки верхней эпидермы образуют более или менее отчётливые ряды (рис. 5, 6).

Рис 4. Кутикула нижней стороны листа Phylladoderma arberi Zalessky в световом микроскопе

Fig. 4. Cuticle of the underside of a Phylladoderma arberi Zalessky leaf as seen under a light microscope

Рис. 6. Внутренняя поверхность кутикулы с верхней стороны листа Phylladoderma arberi Zalessky в сканирующем электронном микроскопе

Fig. 6. The inner surface of the cuticle on the upper side of the Phylladoderma arberi Zalessky leaf in a scanning electron microscope

Периклинальные стенки покровных клеток гладкие. Устьица на обеих сторонах листа погруженные, многочисленные, расположены беспорядочно, ориентированы продольно или косо. Устьичные ямки овальные, как правило, с небольшим валикообразным утолщением кутикулы по краю (рис. 3). Замыкающие клетки крупные, сильно кутинизированные. Их полярные концы оттянуты в форме ласточкиных хвостов и, в отличие от боковых крыловидных расширений, отогнуты вверх (к поверхности листа) по бокам устьичной ямки (рис. 7). В мезофилле часто встречаются смоляные тельца и тяжи.

Морфологические наблюдения свидетельствуют о том, что фитолеймы P. arberi в процессе фоссилиза-ции сохранили внешнее и внутреннее строение, что позволило сделать таксономическое определение фос-силий. Однако хорошо сохранившаяся морфология растительных фоссилий не всегда может свидетельствовать об отсутствии существенного преобразования органического вещества.

Рис. 5. Кутикула верхней стороны листа Phylladoderma arberi Zalessky в световом микроскопе

Рис. 7. Фрагмент эпидермы с устьицем Phylladoderma arberi Zalessky в сканирующем электронном микроскопе

Fig. 5. Cuticle of the upper side of a Phylladoderma arberi Zalessky leaf as seen under a light microscope

Fig. 7. Fragment of epidermis with stoma of Phylladoderma arberi Zalessky in a scanning electron microscope

Результаты физико-химических исследований. Обзорный спектр ЭПР образца исследуемого угля (рис. 8, a) содержит асимметричную линию с g ≈ 4.3 и суперпозицию нескольких сигналов, центрированных относительно g ≈ 2.0. Сигнал с g ≈ 4.3 относится к изоморфным ионам Fe³⁺ в глинистых минералах (каолинит). Широкая полоса в области g ≈ 2.0 происходит от примесей оксигидроксидов железа. На нее наложена секстетная структура с расщеплением 9.4 мТ, характерная для изоморфных ионов Mn²⁺ в карбонатах, и очень интенсивная узкая линия углеродных радикалов C^•.

Линия углеродных радикалов имеет хорошо выраженную асимметричную форму с относительно уширенным низкополевым крылом (рис. 8, b). Средние измеренные значения g₀ = 2.0033 и ширина линии по точкам экстремумов ∆ B_pp = 0.47 мТ. Асимметрия может быть связана с аксиальной анизотропией g-фактора углеродного радикала: g_|| ≈ 2.005; g _⊥ ≈ 2.003. Учитывая сложный состав органического вещества исследуемого образца, маловероятно наличие в его структуре одного типа углеродных радикалов с анизотропным g-фактором.

Можно предположить, что в органической части присутствует несколько систем спинов углеродных радикалов. На рис. 8, b экспериментальный спектр аппроксимирован парой изотропных лоренцианов, различающихся шириной компонентов и — в меньшей степени — их g-факторами. Соотношение интегральных интенсивностей компонентов примерно 5:1. Компонент с большим интегральным вкладом (C^•₁) характеризуется широкой линией c ∆ B_pp = 0.544 мТ и значением g₀ = 2.0038. Ширина линии второго компонента (C^•₂) почти вдвое меньше ( ∆ B_pp = 0.264 мТ), а значение g₀ = 2.0030 ближе к g-фактору свободного электрона (2.0023).

Понижение значения g-фактора и ширин линий углеродных радикалов фоссилизированных растительных остатков связано с увеличением доли ароматических структур, ростом степени карбонатизации в ходе диагенеза органического вещества. Углеродные радикалы C• отражают преобразование органического вещества с формированием изолированных ароматических структур (C•1) и начало формирования протяженных полиароматических доменов (C•2).

Расчет суммарной концентрации спинов (парамагнитных центров) методом двойного интегрирования линии стандартного образца ДФПГ и суммарного расчетного контура линии углеродных радикалов дает концентрацию спинов в навеске образца 1.3 × 1018 спин/грамм. Расчет концентрации спинов в органической части образца филладодермового угля осуществляли с использованием данных, полученных методом дериватографии. Этот метод хорошо зарекомендовал себя для качественной и количественной оценки содержания органических веществ таких объектов, как почвы, торф, полимеры, горные породы и др. Согласно полученным данным (рис. 9), зольность исследуемого образца составляет 42.75 %. С учетом адсорбированной и химически связанной воды (~ 10 %) концентрация парамагнитных центров в органической части навески образца ~ 3×1018 спин/грамм.

Наличие в исследуемом образце филладодермо-вого угля продуктов трансформации протолигнина, относящихся к H-, G- или S-структурам, определяли методом пиролитической газовой хромато-масс-спектрометрии.

При пиролизе образца угля всего образовалось 62 низкомолекулярных соединения, из которых 10 являются фенолами; 2 из этих фенолов размечаются одним пиком 6 (рис. 10). Идентифицированы следующие мажорные низкомолекулярные фенольные соедине-

330            332            334            336            338 В, mT

Рис. 8. Обзорный спектр ЭПР образца филладодермового угля (a); форма линии углеродных радикалов и ее деконволюция (b): Exp. — экспериментальный спектр; С^• ₁ и C^• ₂ — лоренцевы составляющие; Sum — сумма компонентов

Fig. 8. General EPR spectrum of Phylladoderma coal sample (a); shape of carbon radical line and its deconvolution (b): Exp. — experimental spectrum; С^• ₁ and C^• ₂ — Lorentz components; Sum — sum of components

ния, относящиеся к п-кумаровому типу или H-единицам лигнинов: фенол (пик 1 на хроматограмме), 2-метилфенол (пик 2), 4-метилфенол (пик 3), 2,6-диметилфенол (пик 4), 2,5-диметилфенол (пик 5), 2,4-диметилфенол + 2,3-диметилфенол (пик 6), 4-этиллфенол (пик 7).

Также по библиотекам масс-спектров идентифицированы в следовых количествах (на хроматограмме не размечаются) 2,4,6-триметилфенол (следует отнести к фрагменту С2–Сn', С6–Сn'' конденсированной

Н-структурной фенилпропановой единицы) и 4-пропенилфенол (следует отнести к фрагменту Н-струк-турной фенилпропановой единицы). Низкомолекулярные соединения гваяцильного (G) и сирингильно-го (S) типа в продуктах пиролиза отсутствуют. В целом полученный результат однозначно свидетельствует о существовании в растениях-дериватах пермских углей Печорского бассейна композиционно однородного протолигнина Н-типа, композиционный состав

Рис. 9. Дериватограмма образца филладодермового угля

Fig. 9. Derivatogram of Phylladoderma coal sample

Рис. 10. Пиролитическая газовая хроматограмма образца филладодермового угля в области мажорных фенолов

Fig. 10. Pyrolytic gas chromatogram of Phylladoderma coal sample in the region of major phenols

которого можно представить как H:G:S = 100:0:0. Современные лигнины с таким композиционным составом неизвестны.

Подобные результаты были получены нами при изучении ряда фитофоссилий, в частности раннедевонских барзасских фитолейм Orestovia -подобных растений (Kocheva et al., 2026), углефицированных фрагментов позднедевонского археоптерисового (Progymnospermopsida) — Callixylon (Kocheva et al., 2019), раннекаменноугольных семян, извлеченных из пород турнейского возраста (~360 млн лет, формация Pease Bay) в северо-восточной части Шотландии (Kocheva et al., 2022).

Ранее нами была выдвинута гипотеза о том, что эволюция растительного мира сопровождалась усложнением химической структуры лигнинов. Это выражалось в первую очередь в увеличении степени мето-ксилированности фенилпропановых структур и появлением гваяцильных G- и сирингильных S-единиц. Процесс ранней углефикации связан, как известно, с преобразованием растительных остатков в условиях повышенных температур и давления, что может приводить к деградации боковых алифатических цепей ароматических соединений. Кроме того, при преобразовании лигнинсодержащих остатков в уголь анаэробные микробы «удаляют» метоксильные группы из ароматических G- и S-структур и превращают их в метан. После удаления OCH₃-групп на ароматическом кольце остаётся свободная валентность. Она заполняется гидроксильной группой, образуя фенольный гидроксил. В результате этого процесса гваяцильные структуры лигнина, которые, возможно, могли существовать в пермских растениях-дериватах, превращаются в соединения пироктехинового типа. В продуктах пиролиза такие соединения отсутствуют, что служит дополнительным аргументом в пользу отнесения протолигнина пермских растений-дериватов P. arberi к композиционно однородному лигнину Н-типа.

На более поздних этапах углефикации, при переходе угля из стадии бурого в стадию длиннопламенного, возможно образование на ароматическом кольце свободных радикалов, которые легко вступают в реакции конденсации, сшивая между собой ароматические фрагменты. Это ведет к быстрому росту молекулярной массы, увеличению ароматичности и уплотнению структуры угля.

Заключение

Проведено изучение органического вещества фи-толейм Phylladoderma arberi Zalessky, слагающих пермский филладодермовый уголь (Печорский угольный бассейн). Дано описание кутикулярной структуры P. arberi. Выполненные структурно-химические исследования показывают, что в изучаемом веществе фито-лейм P. arberi присутствуют соединения ароматической природы, указывающие на наличие продуктов трансформации растительного биополимера лигнина, построенного из п-кумаровых единиц. Методом ЭПР-спектроскопии установлены значительная степень трансформации органического вещества, начало формирования областей концентрированных полиарома-тических структур. Методом пиролитической хромато-масс-спектрометрии установлена ароматическая при- рода органического вещества, структурно близкого лигнину, построенного из п-кумаровых единиц. Это позволяет выдвинуть предположение о том, что древнейшие лигнины относились к композиционно однородным биополимерам Н-типа. Для объяснения данного результата можно предложить следующие гипотезы:

• —    отсутствие генетического контроля над свободнорадикальной полимеризацией монолигнолов у древних растений, что приводило к образованию только H-структур;

• —    сходный механизм преобразования органического вещества растений-дериватов в процессе фос-силизации, что могло нивелировать исходные различия в составе лигнина и привести к деградации метоксильных групп с образованием Н-структур;

• —    полуводные или водные условия произрастания растений-дериватов, где наличие воды служило механическим протектором и не стимулировало эволюционное усложнение лигнина до G- и S-типа.

Полученные результаты расширяют спектр физикохимических исследований, направленных на хемоси-стематическое изучение палеозойских фитофоссилий. Однако анализ результатов проведенных физикохимических исследований Phylladoderma arberi Zalessky в настоящее время не позволяет выявить эволюционные тренды лигнинов, то есть этот вопрос остается открытым.

Работа выполнена в рамках Государственного задания (НИР) Института геологии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН (тема № 122040600014-6, физико-химические исследования), Института биологии ФИЦ Коми НЦ УрО РАН (тема № 122040600024-5, структурные исследова ния) и Ботанического института РАН (тема № 124013100860-6, морфологические исследования) с использованием научного оборудования ЦКП «Геонаука» и ЦКП «Арктика» Северного (Арктического) федерального университета.