Ученые Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ и Палеонтологического института им. А. А. Борисяка РАН (ПИН РАН) сравнили кристаллографическую текстуру раковин двустворчатых моллюсков семейства митилид (мидии): батимодиолусов (Bathymodiolus thermophilus), обитающих на глубине около 2500 м на отдалении от побережья Чили и Перу в Тихом океане, и их родственников – черноморских мидий (Mytilus galloprovincialis), а также других представителей рода Mytilus, которых отдыхающие могут собирать непосредственно на морских пляжах.
Несмотря на кардинальные различия в образе жизни этих моллюсков, текстура минералов, составляющих створки их раковин, оказалась практически одинаковой и с высокой вероятностью может являться стабильным систематическим признаком всего семейства. Кроме того, для B. thermophilus кристаллографическая текстура впервые количественно измерена с высокой точностью во всем объеме образца. Исследование поможет глубже понять механизмы биоминерализации – образования минеральных скелетов живыми организмами. В дальней перспективе развитие этого направления исследований может привести к разработке материалов с заданными свойствами на основе органической матрицы.
Образцы исследуемых раковин моллюсков: B. thermophilus (сверху) и M. galloprovincialis (снизу). Красным прямоугольником обозначены фрагменты для изучения микроструктуры
Створки раковин моллюсков были взяты из вод Азовского моря в Крыму, с берегов Адриатики, Северного моря, черноморского побережья Румынии, с Алеутских островов и из ЮАР. Глубоководные моллюски B. thermophilus были предоставлены для исследования сотрудниками Института океанологии имени П. П. Ширшова РАН. В Институте океанологии активно изучают сообщества организмов, живущих в местах выхода гидротермальных источников на дне океана. Образцы раковин батимодиолусов были отобраны в ходе экспедиции 2003 года на глубине около 2470 м, в районе 9°50’ с. ш. 104°17’ з. д., где на границе тектонических плит выходят горячие источники подводного хребта – Восточно-Тихоокеанского поднятия.
Температура потоков составляет несколько десятков градусов; при этом там, где горячие источники отсутствуют, температура воды близка к нулю. Таким образом, глубоководные мидии вблизи источников живут при + 20−30 °C, почти так же, как и черноморские на мелководье. Но условия их жизни при этом совершенно другие – экстремальные: на такую глубину не проникает дневной свет; там присутствует высокое давление – примерно 250 атмосфер. А главное, на месте выхода источников совершенно иной минеральный состав воды, где есть в больших количествах сероводород и масса соединений различных металлов: железа, цинка, марганца, меди и других. «Соответственно, кислотность воды там повышена, а при закислении карбонат кальция, составляющий минералы кальцит и арагонит, из которых состоят створки раковин, должен растворяться либо подвергаться каким-то изменениям. Мы предположили, что как микроструктура, так и кристаллографическая текстура этого минерала могут отличаться у глубоководных и мелководных мидий», — пояснил соавтор исследования Алексей Пахневич, старший научный сотрудник ЛНФ ОИЯИ и ПИН РАН. Микроструктура раковин всех изученных моллюсков оказалась схожей, отличие состоит только в форме фибр B. thermophilus.
Микроструктура B. thermophilus (слева) и микроструктура M. galloprovincialis (справа)
Кристаллографическая текстура – преимущественные ориентации зерен кристаллических решеток в поликристалле относительно внешних плоскостей и направлений – измерялась не на одной створке, а на нескольких, поскольку в одной отдельно взятой створке может иметься аномалия, если при жизни моллюск болел, скудно питался, жил в тесноте.
«Когда мы померили несколько створок, казалось, что текстура у него практически та же самая, что у черноморских мидий. То есть никакие экстремальные условия: ни давление, ни закисление воды, ни химизм – не влияют на текстуру. Это первый важнейший вывод», — подчеркнул Алексей Пахневич.
Глубоководные и обычные моллюски, взятые для исследования, относятся к двум разным подсемействам семейства мидий (Mytilidae). Тождество ориентаций кристаллитов в их створках указывает на то, что текстура может служить важным таксономическим признаком, то есть доказательством, что биологические организмы принадлежат одной и той же группе, в данном случае – одному семейству.
Это уже не первое исследование научной группы, которое показывает, что кристаллографическая текстура — очень устойчивая характеристика раковин живых организмов. Ранее ученые уже сравнивали один и тот же вид черноморских мидий M. galloprovincialis на разных временных отрезках существования: современных из Азовского моря и ископаемых возрастом порядка 30 000 лет. Кристаллографическая текстура тех и других также оказалась в целом одинаковой (текстура кальцита у ископаемых чуть более острая, чем у современных).
«Похоже на то, что, если настолько разные условия обитания приводят к одинаковой текстуре, это значит, что она в каком-то смысле оптимальна. Хотелось бы понять, что делает ее такой устойчивой? Эволюция отбрасывает слабое или не соответствующее внешним условиям. Раз эти мидии выживают в настолько разных условиях, значит, их текстура эволюционно очень выгодна», — делает вывод соавтор исследования, старший научный сотрудник ЛНФ ОИЯИ Дмитрий Николаев.
В чем заключается это преимущество, ученым только предстоит понять. Возможно, так раковина становится более прочной, а может быть, такая текстура способствует более быстрому росту мидии либо дает ей возможность потреблять меньше питательных веществ.
Кристаллографическая текстура створок измерялась методом нейтронной дифракции на установке СКАТ (Спектрометр количественного анализа текстуры) исследовательского реактора ИБР-2.
Летом 2024 года проходила научная экспедиция на берегах реки Волга в Саратовской и Волгоградской областях. Здесь выходят на свет морские отложения верхнемеловой эпохи (100,5–66 млн лет). Ученые планируют по результатам этой поездки измерять кристаллографическую текстуру минералов в раковинах двустворчатых моллюсков амфидонт (Amphydonta), а также в рострах белемнитов (народное название — «чертов палец»).
В окрестностях Серпухова (Московская область) научная группа собрала строматолиты – ископаемые остатки продуктов жизнедеятельности древних сообществ цианобактерий. Текстура этого материала, в котором исходный карбонат кальция замещен оксидом кремния, будет сравниваться с текстурой окружающей породы, а также со строматолитами из других мест.
«Даже после гибели цианобактерий строматолит по-прежнему остается биологической матрицей, по которой растут замещающие минералы, текстура которых отличается от обычного кремния», — прокомментировал Алексей Пахневич.
Кроме того, собран материал из Крыма по ближайшим вымершим родственникам ископаемых моллюсков Gryphaea dilatata – последние были изучены научной группой в 2022 году. «Наша цель состояла в поиске моллюска того же семейства, но другого геологического периода, чтобы сравнить их. Это направление исследований касается изменений кристаллографической текстуры во времени – насколько она устойчива и постоянна», — добавил Алексей Пахневич.
Интерес к исследованиям научной группы выразил Дальневосточный геологический институт ДВО РАН. Коллеги с Дальнего Востока планируют предоставить ученым раковины местной мидии рода Modiolus для исследования их кристаллографической текстуры.