Основы минералогии гипергенеза

Термины "биоминерал" и "биоминералогия" появились в 1970-е годы (Lowenstam, 1981), т.е. значительно позднее известных геолого-минералогических исследований биоминерального сырья - фосфоритов, биогенной серы, гидроксидно-железистых образований, янтаря и т.д. (работы Я. В. Самойлова, А. С. Соколова, Ф. Кларка, А. В. Казакова и др.). История свидетельствует о том, что корни учения о биоминералах уходят в парадигмы природоведческих дисциплин геологического цикла - палеонтологии, минералогии и геохимии. Через палеонтологию в комплексных исследованиях осуществлялась связь минералогии с биологией, а затем - с учением об эволюции и жизнедеятельности организмов в условиях седиментационных и диагенетических процессов. Именно палеонтологи развили представление о нескелетном и скелетном способах образования неорганического вещества с активным участием живых организмов, для которых сравнительно недавно были предложены и начали укореняться соответствующие термины - "индуцируемая" и "матрицируемая" биоминерализация (Lowenstam, 1981).

В последние годы границы собственно минералогических исследований биоминерализации делаются все более неопределенными в связи с тем, что в понятие "биоминерала" и, следовательно, в круг объектов минералогии оказались произвольно включенными неорганические образования биологических процессов - продукты физиологической (жемчуг, скорлупа птичьих яиц, кости скелета) и патологической деятельности организмов (желчные, зубные и прочие "камни"). Для них, с учетом специфики состава и наличия в нем как неорганической, так и органической (мягкие ткани) составляющих, был предложен не только дополнительный термин "органо-минеральный агрегат" (ОМА), но и систематика ОМА с выделением орто-, мета- и тафобиогенных биоминералов (Кораго, 1992). При этом для неорганической части ОМА началось прямолинейное использование названий соответствующих минералов ("апатит" для фосфата Са, "кальцит" для карбоната Са и т. д.), а органические образования ОМА (холестерин, цистин, мочевая кислота и др.) были непосредственно включены в список органических минералов.

В связи со сказанным представляется целесообразным подчеркнуть, что конвергенция признаков - в рассматриваемом случае состава вещества и структурного подобия - обычное для естествознания явление, однако никто не помышляет рассматривать кита как рыбу.

При кажущейся очевидности предмета "биоминералогии" и при чрезмерно свободном использовании терминов "биоминерал", "биоминерализация", "ОМА" - до консенсуса в их понимании, к сожалению, пока далеко. Проблема достижения консенсуса представляется отнюдь не надуманной, поскольку неясность в методологии, равно как и вытекающая из нее неопределенность в терминологии, провоцирует непрофессионализм и, соответственно, низкую эффективность исследований на стыке наук -в данном случае на стыке минералогии и биологии. В связи с изложенным для обсуждения предлагаются следующие определения весьма важных для рассматриваемой проблемы терминов.

Определение 1. "Биоминерал" - минерал, в истории эволюции которого индивиды на некоторое время включались в биологические циклы и (или) передавались из биологических циклов. Понятие "минерал" принимается соответствующим установившемуся в мировой науке определению, согласно которому неотъемлемым признаком минерала считается формирование (также эволюция) его вещества в ходе геологических процессов (Поваренных, 1966).

Определение 2. "Биоминерализация" - процесс образования и (или) преобразования минералов, протекающий в геологической среде с участием организмов. При этом выражение "с участием организмов" нуждается в дальнейшей детализации. Участие может быть непосредственным (вхождение в механизмы эволюции минералов), сопутствующим (организмы катализируют/ингибируют процессы минералообразования) или регулирующим, когда организмы регулируют параметры среды минералообразования.

Определение 3. "Биоминералогия" - раздел учения о процессах минералообразования, трактующий механизмы переключения неорганического вещества из биологического цикла движения материи в геологический или обратно. Так как понятие минерала является единым и сквозным для всего курса минералогических проблем, описание биоминералов не является предметом биоминералогии. Оно входит неотъемлемой частью в фундаментальную характеристику соответствующих минералов.

В настоящее время известно около четырех десятков биоминералов. Это делает вполне своевременной и весьма полезной подготовку периодических сводок теоретических представлений и фактического материала в области биоминералогии.

Введенные палеонтологами термины "индуцируемой" и "матрицируемой" биоминерализации соответствуют различным способам накопления органического и неорганического вещества в результате жизнедеятельности организмов. Однако не всякий "индуцируемый" и особенно "матрицируемый" процесс завершается минералообразованием.

Типичным случаем индуцируемой (нескелетной) биоминерализации является минералогическая сторона жизнедеятельности тионовых (окисляющих) и сульфатредуцирующих бактерий. При окислении сульфидных минералов с помощью тионовых бактерий продукты деструкции сульфидов накапливаются в гипергенном растворе (представляющем собой конкретную геологическую среду) в форме кислых сульфатных комплексов типа [Me(HSO₄)_n]^+m, которые, подвергаясь гидролизу, дают материальную основу для формирования таких минералов, как ярозит, брошантит, батлерит и др. (Яхонтова, Нестерович, 1982).

С другой стороны, в природном процессе сульфатредукции соответствующие бактерии обеспечивают генерацию сероводорода, способного далее трансформироваться в сульфидные минералы, что и фиксируется в качестве широко распространенного геологического явления, в обоих случаях индуцируемый, жизнедеятельностью бактерий процесс завершается минерализацией.

Начавшись при появлении в протерозое простейших организмов - прокариотов, индуцируемые бактериями геологические процессы продолжаются в антропогене. Их результаты - интересный объект исследований в области типоморфизма. Так, установлено, что в результате жизнедеятельности микроорганизмов происходит фракционирование изотопов и индуцируемые биоминералы обогащаются легкими изотопами серы и углерода (Гриненко, 1974).

Процесс накопления матрицируемых ("скелетных") минералов в результате концентрирования неорганических и органических веществ биологической внешней или внутренней матрицы (скелета) в истории филогенеза появился позднее - в раннем кембрии - с возникновением эукариотов (многоклеточных организмов).

Например, в раковине моллюска матрицей в указанном выше понимании являются хитоновый и протеиновый слои со специфическими группировками на поверхности атомов кислорода, контролирующими ориентировку кристаллографических осей неорганических индивидов фосфатных, карбонатных и других агрегатов, содержащих также имплантированное органическое вещество. Для трансформации такого рода продуктов в минералы необходимо протекание достаточно сложных и длительных геологических процессов минерализации, происходящих в условиях седиментации и диагенеза. Подобным образом формируются залежи фосфоритов, в составе которых апатит является типичным биоминералом.

С матрицируемым процессом часто связаны образования кальцита, арагонита, витерита, целестина, опала, кварца, а также агрегаты перечисленных минералов с характерными для них сложными взаимоотношениями.

Многофазное вещество скелетов, фиксируемое, к сожалению, новым термином ОМА, не может рассматриваться в качестве минералов (или биоминералов). Палеонтологи не раз подчеркивали, что процесс матрицирования - это еще не минерализация; проблема постседиментационной эволюции скелетных образований нуждается в развитии специальных исследований.

Минералоподобные фазы, возникающие в организмах по ходу нормального либо патологического метаболизма, формируются в качестве промежуточного результата движения материи в биологических циклах. При этом организмы находятся в состоянии интенсивного массо-, энерго- и информационного обмена с окружающей средой, обычно осложненного неравновесной термодинамикой необратимых процессов. Образования матрицируемого процесса конкретизируют механизмы и параметры метаболизма, но не минералообразующей среды и геологической формы движения материи, где формирующиеся кристаллические структуры минералов запечатлевают их геологическую историю посредством уникальной системы типоморфных признаков. Вольное применение понятия "биоминерал" в такой ситуации не столько расширяет горизонты минералогии, сколько засоряет ее фактами и концепциями, угнетающими собственную систему знаний. К сожалению, это полностью относится к монографии А. А. Кораго (1992), фактическая сторона которой имеет отношение не к минералогии, а к медицине и биологии.