Введение
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., 2026). Хемосистематика, новое в России направление, представляет собой раздел науки таксономии, в которой организмы классифицируются в зависимости от сходств их биохимического состава. Известно, что в современном мире некоторые химические вещества характерны 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, деградационных 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 дегидрогенизационной 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. Фитолеймы P. arberi почти целиком слагают так называемый филладодермовый уголь, маломощные прослои которого встречаются в средней и верхней частях тальбейской 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 связываем 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 микроморфологическом исследовании (определение степени сохранности фоссилий) и структурно-химической характеристике органического вещества фитолейм Phylladoderma arberi Zalessky с позиций хемосистематики.
Объекты и методы исследований
Объект исследования. Бурые угли Печорского бассейна (Республика Коми) целиком сложены фитолеймами Phylladoderma arberi Zalessky (класс Gymnospermae, подкласс Ginkgoopsida, порядок Peltaspemales, семейство Cardiolepidaceae) — одного из растений-дериватов пермских углей. Это так называемый филладодермовый 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-химических исследований фитолеймы 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) сфотографирован на СЭМ (TESCAN VEGA 3 с энергодисперсионной приставкой X-max 50 Oxford Instruments, рабочее напряжение 10 кВ).
Для микроморфологических исследований фитолеймы 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).
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 фоссилизации сохранили внешнее и внутреннее строение, что позволило сделать таксономическое определение фоссилий. Однако хорошо сохранившаяся морфология растительных фоссилий не всегда может свидетельствовать об отсутствии существенного преобразования органического вещества.
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 DBpp = 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 DBpp = 0.544 мТ и значением g0 = 2.0038. Ширина линии второго компонента (C•2) почти вдвое меньше (DBpp = 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 филладодермового 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 соединения, 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-структурной фенилпропановой единицы). Низкомолекулярные соединения гваяцильного (G) и сирингильного (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 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 метоксилированности 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 фитолейм 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 фитолейм 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 полиароматических структур. Методом пиролитической хромато-масс-спектрометрии установлена ароматическая природа 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 фоссилизации, 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 физико-химических исследований, направленных на хемосистематическое изучение палеозойских фитофоссилий. Однако анализ результатов проведенных физико-химических исследований Phylladoderma arberi Zalessky в настоящее время не позволяет выявить эволюционные тренды лигнинов, то есть этот вопрос остается открытым.
Авторы выражают благодарность сотруднику ИГ ФИЦ Коми НЦ УрО РАН Е. М. Тропникову и сотруднику ИХ Коми НЦ УрО РАН к. х. н. В. А. Белому за помощь в проведении исследований.
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 исследования) и Ботанического института РАН (тема № 124013100860-6, морфологические исследования) с использованием научного оборудования ЦКП «Геонаука» и ЦКП «Арктика» Северного (Арктического) федерального университета.
