Микротвердость минерализованных тканей конодонтов

Конодонты представляют собой полностью вымершую группу палеозойско-раннемезозойских морских организмов неясного систематического положения. В ископаемом состоянии от них остаются минерализованные части ротового аппарата — конодонтовые элементы. Конодонтовые элементы являются органоминеральными композитами на основе фторгидроксиапатита и коллагеноподобного белка [14, 16, 18]. Особенности строения и вариации в содержании органического вещества позволяют различить ряд минерализованных тканей. В корональной части выделяются ламеллярная, интерламеллярная, параламеллярная и альбидная ткани. Наиболее минерализованная ткань — альбидная, она содержит менее 1 % органической компоненты и представлена пористым мезокристаллом — упорядоченным апатит-(CaF)-белковым композитом [10]. Далее в порядке возрастания содержания органического вещества идут параламеллярная, ламеллярная и интерламеллярная ткани [3, 4].

Состав и структура минерализованных тканей конодонтов достаточно хорошо изучены (см. обзоры [1, 12]). Однако данные о механических свойствах этих тканей практически отсутствуют. Такого рода информация может позволить более обоснованно проводить биомеханические и морфофункциональные интерпретации, а также даст возможность оценить функциональное значение тканевой дифференциации конодонтовых элементов [5].

Кроме того, относительная простота строения и состава тканей конодонтовых элементов по сравнению с минерализованными тканями позвоночных [13] позволяет использовать их как основу для разработки методов синтеза упорядоченных биомиметических апа-тит-белковых композитов [18].

Ряд исследователей указывали на влияние содержания фосфора, стронция и фтора в биоапатите минерализованных тканей позвоночных на их микротвердость [17, 18]. При этом существует и противоположная точка зрения, заключающаяся в том, что твердость тканей зависит исключительно от степени их минерализации [15].

Задача данной работы состоит в оценке влияния особенностей состава и строения минерализованных тканей конодонтов на их механические свойства (микротвердость).

Материал и методы

Материалом для исследований механических свойств твердых тканей послужили конодонтовые элементы хорошей сохранности (ИОК = 1, что отвечает температуре катагенеза менее 60 °C, и отсутствие следов перекристаллизации) из верхнего девона (франский и фаменский ярусы) Восточно-Европейской платформы, верхнего девона — нижнего карбона (верхний фамен — турне) востока Печорской плиты, среднего карбона Южного Притиманья (московский ярус). Конодонты раннего и среднего франа ( Youngquistognathus praean-gustidiscus Zhuravlev, Youngquistognathus sp., Polygnathus reimersi Kuzmin, P. pseudoxylus Kononova, Alekseev, Barskov, Reimers, Mehlina gradata Youngquist, Ligonodina sp.) происходят из разрезов Главного девонского поля (бассейны рр. Волхов и Сясь, а также южный берег оз. Ильмень), позднего франа — раннего фамена ( Mitrellataxis conoidalis Dzik, Polygnathus sp.) — из разрезов Центрального девонского поля (карьеры Русский Брод и Каменка). Позднефаменско-турнейские конодонты ( Polygnathus parapetus Druce, Siphonodella bella Kononova et Migdisova) собраны в разрезах в бассейне р. Кожвы (юг Печорской гряды). Среднекаменноугольные (московские) конодонты ( Declinognathodus sp.) происходят из скважины «Аныбская-3Р» (Юго-Западное Притиманье).

Конодонтовые элементы из указанных местонахождений фиксировались в эпоксидной смоле, пришлифовывались и полировались. Полированная поверхность изучалась оптическими и электронно-микроскопическими методами, а также использовалась для определения микротвердости (рис. 1).

Рис. 1. Пришлифовка S-элемента рода Youngquistognathus : A — оптическое изображение. Красные стрелки отмечают места определения микротвердости; B — электронно-микроскопическое изображение в режиме BSE. Условные обозначения: al — альбидная ткань; lm — ламеллярная ткань; plm — пара-ламеллярная ткань.

Fig. 1. Polished section of S-element of Youngquistognathus : A — optic image. Red arrows mark points of microhardness measurements; B — SEM image (BSE). Legend: al — albid tissue; lm — lamellar tissue; plm — paralamellar tissue

Состав твердых тканей определялся на электронном микроскопе VEGA TESCAN с рентгеновским энергодисперсионным спектрометрометром VEGA 3LMN, INCAENERGY 450 (Tescan, Чехия) при ускоряющем напряжении 20 КВ. Содержания элементов (Ca, Na, Sr, P, F, O) пересчитывали в атомные проценты. В качестве стандартов использовали: волластонит для кальция, GaP для фосфора, флюорит для фтора, SrF2 для стронция, альбит для натрия и SiO2 для кислорода. Состав был определен для альбидной (18 измерений), ламеллярной (16 измерений) и параламеллярной (7 измерений) тканей. По аналогии с минерализованными тканями позвоночных предполагается, что органическая и неорганическая компоненты конодонтовых элементов находятся в химическом взаимодействии [19]. По этой причине расчеты формул минеральной компоненты (апатита) по данным элементного состава не проводили.

Оценку содержания органического вещества в тканях по причине крайне малых размеров и веса конодонтовых элементов (вес одного элемента составляет около 10-5 г) проводили по соотношению объема ко-нодонтового элемента и объема органического вещества после деминерализации. Измерения проводили с помощью оптического микроскопа и корректировали по данным рентгеновской микротомографии. При этом предполагалась плотность минеральной составляющей 2.8 г/см3, а плотность органической составляющей 1.3 г/см3. Точность такого метода крайне низкая, поэтому результаты рассматриваются как оценочные и пригодные лишь для качественного, а не количественного сравнения [3, 4].

Краткая характеристика основных тканей конодонтовых элементов

По результатам проведенных нами ранее исследований [3, 4, 6] и литературным данным [10, 14, 16, 18] все твердые ткани корональной части конодонтовых элементов представлены композитами на основе фторгидроксиапатита и коллагеноподобного белка. Данные трихромного окрашивания по Ван Гизону и результаты атомно-силовой микроскопии показывают, что органическое вещество всех тканей корональной части конодонтовых элементов имеет одинаковый состав и представлено коллагеноподобным белком, вероятно нефибриллярного типа [3, 4, 6, 16]. Ткани сильно различаются по содержанию белковой компоненты: в ламеллярной ткани она составляет примерно 3—4 %, а в альбидной — менее 1 %. Параламеллярная ткань, скорее всего, содержит промежуточное количество органического вещества.

Кроме содержания органической компоненты, ткани корональной части отличаются структурно-текстурными особенностями. Альбидная ткань образована высокоупорядоченными нанокристаллитами апатита-(CaF), которые формируют пористый «мезокристалл» [10]. Поры в альбидной ткани обладают различной морфологией и часто распределены упорядоченно [2] (рис. 2). Общая пористость альбидной ткани, оцененная по электронно-микроскопическим изображениям сечений и по рентгеновским микротомограммам, варьирует в широких пределах (3—30 %) и локально может достигать 30 %. Средний размер пор составляет около 1 мкм при диапазоне вариаций от 0.3 мкм до

Рис. 2. Поры в альбидной и параламеллярной тканях. Поперечное сечение Pa-элемента Youngquistognathus praean-gustidiscus Zhuravlev (р. Сясь, нижний фран). Электронномикроскопическое изображение в режиме BSE. Условные обозначения тканей см. на рис. 1

Fig. 2. Pores in the albid and paralamellar tissues. Transverse section of Pa element of Youngquistognathus praeangustidiscus Zhuravlev (Syas River, lower Frasnian). SEM image (BSE). See fig. 1 for legend

13 мкм. Параламеллярная ткань сформирована крупными кристаллитами, относительно плотно упакованными по призматическим граням [11]. Кристаллиты слагают слоистую (ламеллярную) текстуру с толщиной ламелл от 0.4 мкм до первых микрон. В параламеллярной ткани отмечаются тонкие поры (0.3—0.8 мкм), приуроченные преимущественно к границам ламелл (рис. 2). Общая пористость этой ткани не превышает 1.5 %.

Ламеллярная ткань состоит из кристаллитов апатита-(CaF), окруженных органическим веществом. Размер и морфология кристаллитов варьирует в широких пределах, их длина может быть от десятых долей микрона до 6 мкм, а диаметр — от 0.2 до 0.9 мкм. Кристаллиты слагают отчетливо слоистую (ламеллярную) текстуру, границы между ламеллами обогащены органическим веществом и стронцием (до 0.65 %) [20].

Интерламеллярная ткань сходна по строению с ламеллярной, но отличается более высоким содержанием органического вещества [1].

По степени упорядоченности кристаллитов и однородности ткани образуют ряд от слабоупорядоченных и неоднородных (со слоистой, ламеллярной текстурой) интерламеллярной и ламеллярной тканей до высокоупорядоченной и однородной (массивной) альбидной ткани.

Результаты

По результатам микрозондового анализа средний состав минеральной компоненты различных тканей практически не отличается и соответствует апатиту, состав которого близок к стехиометрическому (средняя величина соотношений Ca/P и (Ca+Na+Sr)/P близки к стехиометрическому значению 1.67) (табл. 1). При этом локальные вариации состава довольно значительны (табл. 2). Отмечены вариации в содержании натрия, стронция и фтора, а также отклонения соотношения (Ca+Na+Sr)/P от стехиометрического (вариации от 1.62 до 1.77).

Измерения микротвердости показали некоторые различия между разными тканями и наличие существенных вариаций в пределах одного типа ткани (рис. 3, таблица 2). Средние значения микротвердости приведены в таблице 3.

Наибольшей средней микротвердостью (3.1 ГПа) обладает параламеллярная ткань, но при этом она характеризуется и наибольшим разбросом значений микротвердости — от 1.6 до 5.7 ГПа (стандартное отклонение 1.0). Несколько ниже и менее изменчива (от 1.9 до 4.8 ГПа) микротвердость альбидной ткани (среднее значение 2.9 ГПа при стандартном отклонении 0.7). Ламеллярная ткань демонстрирует более низкую и слабее варьирующую микротвердость (в среднем 2.6 ГПа, стандартное отклонение 0.5, диапазон вариаций от 1.8 до 4.0 ГПа). Для этой ткани установлена слабопрояв-ленная анизотропия микротвердости: поперек ламел-лы она несколько выше (в среднем 2.7 ГПа), чем вдоль ламеллы (2.5 ГПа). Однако эти различия средних величин статистически не значимы. Минимальной микротвердостью обладает интерламеллярная ткань (от 2.0 до 2.2 ГПа, в среднем 2.1 ГПа).

Следует отметить, что измеряемая величина микротвердости является интегральной характеристикой, поскольку размеры индентора значительно превышают размер отдельных кристаллитов во всех типах тканей. По этой причине на значение микротвердости оказы-

Таблица 1. Средний состав минеральной компоненты тканей корональной части конодонтовых элементов (вес. %)

Table 1. Mean composition of the mineral component of the tissues of conodont element crown (wt. %)

Ткань Tissue	Содержания (вес. %) Content (wt. %)						(Ca+Na+Sr)/P (at.%)	Ca/P (at.%)	Количество измерений Number of measurements
	O	P	Ca	F	Na	Sr
Ламеллярная Lamellar	37.3	17.7	37.7	4.2	0.3	0.4	1.71	1.65	26
Параламеллярная Paralamellar	36.6	17.1	36	4.6	0.4	0.4	1.70	1.63	7
Альбидная Albid	36.5	17.3	36.8	3.7	0.5	0.4	1.67	1.64	16

Таблица 2. Локальные определения состава и микротвердости (HV) тканей конодонтовых элементов Table 2. Local measurements of composition and microhardness (HV) of conodont element tissues

Ткань Tissue	Содержания в вес. % Content in wt. %						Ca+Na+Sr/P (at. %)	HV (GPa)
	O	F	Na	P	Ca	Sr
	38.86	4.72	0.16	18.06	38.3	0.4	1.66	2.3
	39.41	5.88	0.11	18.24	38.86	0.62	1.67	2.3
	33.64	4.51	0.23	17.51	37.75	0.43	1.69	3.5
	33.99	4.26	0.66	17.01	36.36	0.27	1.71	3.5
Альбидная Albid	38.15	5.16	0	15.73	32.67	0.38	1.64	3.36
	36.28	4.3	0	17.19	36.32	0.05	1.65	2.5
	36.98	4.99	0	16.87	35.14	0.1	1.62	3.66
	38.48	4.25	0	16.14	33.82	0.24	1.65	2.86
	39.95	4.17	0.23	18.49	39.36	0.54	1.67	2.83
	34.02	3.44	0.79	17.59	36.96	0.21	1.69	2.47
	33.78	4.03	0.64	17.54	37.33	0.25	1.70	2.46
	33.47	5.65	0.45	16.62	36.71	0.95	1.77	2.22
Ламеллярная Lamellar	33.99	3.75	0.61	16.91	36.17	0.26	1.71	2.46
	36.4	4.72	0	16.44	35.17	0.26	1.72	1.77
	36.83	4.66	0	16.65	35.17	0.42	1.69	1.77
	37.21	3.98	0	16.6	34.85	0.11	1.67	2.59
Параламеллярная	33.91	3.4	0.87	17.41	36.83	0.26	1.71	2.56
Paralamellar	36.33	4.98	0	16.62	35.26	0.65	1.70	3.66

Рис. 3. Распределение значений микротвердости в тканях корональной части конодонтовых элементов: A — альбидная; B — параламеллярная; C — ламеллярная

Fig. 3. Distribution of the microhardness values in the tissues of conodont element crown: A — albid; B — paralamellar; C — lamellar

вают влияние не только механические свойства минеральной компоненты, но и текстурно-структурные характеристики ткани и содержание органического вещества.

Обсуждение результатов

Для тканей девяти конодонтовых элементов, по которым получены данные о составе биоапатита и значения микротвердости, установлено отсутствие значимых корреляций микротвердости и содержания Ca, Na, Sr и P. Соотношение (Ca+Sr+Na)/P, характеризующее относительную долю вакансий в позиции кальция в биоапатите, также демонстрирует отсутствие статистически значимого влияния на микротвердость при общем тренде снижения микротвердости с увеличением значения (Ca+Sr+Na)/P (рис. 4). Для альбидной ткани этот тренд проявлен только в интервале значений (Ca+Sr+Na)/P менее 1.66, а для ламеллярной ткани практически отсутствует.

Таким образом, микротвердость демонстрирует отсутствие устойчивой зависимости от вариаций химического состава как в пределах одной ткани, так и для различных типов тканей на уровне отдельных конодонтовых элементов.

В альбидной ткани вариации микротвердости показывают зависимость от пористости. На девяти конодонтовых элементах (16 замеров) установлена обратная корреляция микротвердости этой ткани и общей пористости, оцененной по электронно-микроскопическим изображениям (рис. 5). Такая корреляция, скорее всего, обусловлена тем, что размер пор в альбидной ткани (обычно менее 1 мкм по [2]) значительно меньше отпечатка индентора (около 10—15 мкм), поэтому на глубину отпечатка, по которой оценивается микротвердость, влияет не столько размер и морфология отдельных пор, сколько общая пористость. Можно предположить, что именно значительная пористость альбидной

Таблица 3. Средние значения микротвердости по Виккерсу тканей корональной части конодонтовых элементов Table 3. Mean values of Vickers’ microhardness of the tissues of conodont element crown

Ткань Tissue	Микротвердость (ГПа) Microhardness (GPa)	Стандартное отклонение Standard deviation	Количество измерений Number of measurements
Ламеллярная Lamellar	2.55	0.5	65
Параламеллярная Paralamellar	3.10	1.0	45
Альбидная Albid	2.94	0.7	60
Интерламеллярная Interlamellar	2.14	0.1	5

(Ca+Na+Sr)/P

Рис. 4. Зависимость микротвердости (HV) тканей конодонтовых элементов от величины соотношения (Ca+Na+Sr)/P. Условные обозначения: 1 — альбидная ткань; 2 — параламеллярная ткань; 3 — ламеллярная ткань

Fig. 4. Microhardness (HV) and (Ca+Na+Sr)/P of the tissues of conodont elements. Legend: 1 — albid tissue; 2 — paralamellar tissue; 3 — lamellar tissue

ткани (в среднем около 16 % для изученных конодонтовых элементов) определяет ее существенно более низкую микротвердость по сравнению с кристаллическим фторгидроксиапатитом, несмотря на высокую упорядоченность кристаллитов и низкое содержание органического вещества. Из графика на рис. 5 следует, что микротвердость альбидной ткани при нулевой пористости будет близка к 5.3 ГПа, то есть к средней микротвердости кристаллического апатита (5.33 ГПа) [7]. В других

Рис. 5. Соотношение общей пористости и микротвердости (HV) альбидной ткани

Fig. 5. Total porosity vs microhardness (HV) of the albid tissue типах тканей пористость не превышает 1.5 %, поэтому ее влияние на микротвердость не оценивалось.

Если рассматривать непористые разновидности тканей, то максимальной микротвердостью (около 5 ГПа) будет обладать наиболее однородная альбидная ткань с высокоупорядоченными кристаллитами. Несколько меньшая микротвердость (в среднем 3.1 ГПа) характерна для параламеллярной ткани с плотной упаковкой кристаллитов и слабопроявленной слоистой текстурой. Еще меньшей микротвердостью обладают ламеллярная (в среднем 2.6 ГПа) и интерламеллярная (в среднем 2.1 ГПа) ткани с относительно слабоупорядоченными кристаллитами и отчетливой слоистой (ламеллярной) текстурой, намеченной неоднородным распределением органического вещества и стронция. Влияние на микротвердость неоднородности ткани на границах ламелл косвенно подтверждается различиями значений микротвердости, измеренных вдоль и поперек ламелл. Рассмотренный выше ряд тканей со снижением микротвердости также характеризуется последовательным повышением содержания органического вещества.

Исходя из имеющихся данных, можно предположить, что основным определяющим фактором вариаций микротвердости являются структурно-текстурные особенности тканей (включая пористость) и по- 43

рядок содержания в них органического вещества, а не особенности химического состава апатита. Этот вывод согласуется с результатами Gutierrez-Salazara и Reyes-Gasgaa [15] по эмали и дентину зубов. Данные исследователи не нашли статистически значимых зависимостей микротвердости этих тканей от содержания примесей в апатите. Согласно их исследованиям, микротвердость тканей зубов зависит от степени минерализации, а также демонстрирует несколько большие значения в поперечном сечении зуба по сравнению с продольным [15].

Следует отметить, что микротвердость тканей ко-рональной части конодонтовых элементов близка к таковой эмали зубов человека (3.0—4.25 ГПа) и значительно превышает микротвердость дентина (0.6—0.8 ГПа) и цемента зубов (0.45—0.55 ГПа) [8, 9].

Заключение

Микротвердость минерализованных тканей конодонтовых элементов изменяется в диапазоне от 1.5 до 5.7 ГПа, в среднем составляя 2.8 ГПа. Предполагается, что дифференциация тканей по микротвердости обусловлена текстурно-структурными различиями и вариациями в содержании органической компоненты. Изменения микротвердости в рамках одной ткани, вероятно, определяются особенностями распределения органического вещества, упорядоченностью кристаллитов, а также локальной пористостью. Содержание F, Na и Sr в апатите и соотношение Ca/P не оказывают существенного влияния на микротвердость тканей. Полученные данные позволят проводить обоснованные биомеханические реконструкции конодонтовых элементов и аппаратов, а также оценить функциональное значение гистологических преобразований в филоморфогенезах конодонтов.

Автор выражает благодарность А. С. Шуйскому за помощь в электронно-микроскопических исследованиях в ЦКП «Геонаука», а также рецензентам за конструктивные замечания, способствовавшие улучшению работы.