ЛИТОЛОГИЯ И ПОЛЕЗНЫЕ ИСКОПАЕМЫЕ, 2007, № 1, с. 63-75
УДК 549735.1:616-003.84:537.533.35:5507
БАКТЕРИАЛЬНЫЙ ГЕНЕЗИС ФОСФАТОВ КАЛЬЦИЯ В ОРГАНИЗМЕ ЧЕЛОВЕКА И В ПРИРОДЕ
© 2007 г. Л. Г. Гилинская, Ю. Н. Занин*, Н. Ä. Рудина**
Объединенный Институт геологии, геофизики и минералогии им. A.A. Трофимука СО РАН 630090 Новосибирск, проспект акад. Коптюга, 3; E-mail: lgilinskaya@uiggm.nsc.ru *Институт геологии нефти и газа СО РАН 630090 Новосибирск, проспект акад. Коптюга, 3 **Институт катализа им. Г.К. Борескова СО РАН 630090 Новосибирск, проспект Лаврентьева, 5 Поступила в редакцию 17.06.2005 г.
Методами электронной микроскопии, сканирующей и просвечивающей высокого разрешения, проведено сравнительное изучение природных карбонатапатитов морского генезиса желвакового и зернистого типов и патогенных минеральных образований на сердечных клапанах человека. Установлены общие морфологические особенности, соответствующие бактериальной природе фосфатов кальция, которые можно считать типоморфными независимо от места их образования - in vivo или in nature.
Формирование фосфатов кальция типа карбо-натапатита микробиальными организмами в природе - установленный и подтвержденный экспериментально факт. Впервые бактериоморфные образования были выявлены в последние годы XIX века Б. Рено и С.Е. Бертраном [Renault, Bertrand, 1895; Renault, 1900] в копролитах, имеющих предположительно фосфатный состав. Последующие работы Л. Кайе [Cayeux, 1936], А.Г. Волог-дина и К.Б. Корде [1945], А.Г. Вологдина [1947] показали широкое распространение в природных фосфоритах микробиальных форм. Последняя четверть XX века в связи с использованием при исследованиях электронного микроскопа ознаменована огромным количеством работ по изучению различных форм бактериоморфных образований большинства фосфоритовых месторождений мира. Библиография публикаций по этим исследованиям приведена в работе Ю.Н. Занина [2005]. Полученные предыдущими исследователями результаты позволяли предполагать участие микробиальной деятельности в фосфорито-образовании [Cayeux, 1936; Lucas, Prévôt, 1981, 1984, 1985; Миртов и др., 1987], развивающие более ранние представления о роли биогенных факторов в этом процессе [Самойлов, 1912].
Проблема фосфатогенеза очень сложна (и при этом очень важна) из-за участия в нем разных факторов, временной протяженности процесса, что и объясняет многолетние дискуссии, постоянно появляющиеся на страницах научных публикаций, излагать суть которых не является целью настоящей статьи. Каждая из предложенных к настоящему времени гипотез фосфоритообразования - хемо-
генная, биогенная, вулканогенная, детально рассмотренные в работах Г.Н. Батурина [1999], В.Н. Холодова [2003] и др., являются дискуссионными.
Бактериальная гипотеза - относительно самая молодая и, конечно, далека от своего решения. К настоящему времени есть разное восприятие этой гипотезы - от разумно осторожного до безоговорочного признания. Сторонники последнего утверждают, что "...практически все осадочные породы за исключением грубообломочных, вулканогенных, некоторых эвапоритов осаждаются и трансформируются в диагенезе с тем или иным участием микробной составляющей" [Розанов, Заварзин, 1997, с. 245].
Несомненно, что участие бактерий (их "работа") - это одно из звеньев в цепи событий, определяющих фосфогенез. Достижение конечного результата в познании этого сложного процесса возможно лишь при изучении всех звеньев, причем в совокупном воздействии их друг на друга.
Идентификация бактериоморфных образований в природных апатитах подчас сложна, т.к. исследователям приходится иметь дело с уже минерализованным и в той или иной степени преобразованным последующими процессами материалом.
Синтез в лабораторных условиях апатита в органической среде с участием бактерий [Lucas, Prévôt, 1981, 1984, 1985], а также моделирование процесса минерализации (фосфатизации) ци-анобактерий [Тихомирова, Орлеанский, 1994; Герасименко и др., 1996] позволили получить пред-
ставление об его механизме, однако условия этих экспериментов были далеки от природных.
В живых организмах фосфаты кальция присутствуют как физиогенные образования (кости, эмаль зубов, панцирь черепахи, раковины некоторых моллюсков и др.), так и патогенные (желчные, мочевые и слюнные камни, мозговой песок, минеральные бляшки на стенках кровеносных сосудов, отложения на клапанах сердца и др.). Для физиогенных апатитов изучен механизм их образования, установлена ведущая роль органической составляющей, ее взаимоотношение с минеральной компонентой, которое строится по определенным законам. Установлена роль живых клеток, остеобластов, в образовании минерального вещества, выделены вырабатываемые ими ферменты-катализаторы (щелочная фосфатаза, кар-боангидраза) [МсСоплеП et а1., 1961], а также найдены ингибиторы этого процесса [Trautz et а1., 1964].
Значительно сложнее положение с патогенными образованиями в живом организме, которые чаще всего представлены карбонатгидроксил-апатитом. Исследователи признают, что проблема кальцификации (правильнее говорить о фосфатизации) отдельных частей живых организмов является самой сложной, не решенной до настоящего времени. В большинстве случаев не установлена ее природа, нет точного представления о механизме образования кальцификатов. Выяснение природы патогенных образований в живом организме, кроме научного интереса, имеет огромное значение для практической медицины, особенно для сердечно-сосудистой хирургии. Так, замена кальцифицированных клапанов сердца имплантантами не решает кардинально проблему, не избавляет людей от недуга, а лишь продлевает жизнь, но, к сожалению, на небольшой срок (~5 лет с полиуретановыми искусственными имплантантами и ~10—15 лет с биопротезами -свиными клапанами). Оказалось, что имплантанты также подвержены кальцификации, чему способствуют условия существования человеческого организма (рН 7.5 и Т = 37°С), которые с кристал-лохимических позиций являются оптимальными для осаждения апатита, а также его поверхностные особенности, его "способность" расти и на полимерах [КокиЬо, 1995]. Поэтому выяснение природы и механизма образования кальцификатов в живом организме в каждом конкретном случае крайне важно для определения способов лечения или устранения тяжелых недугов.
Морфология и текстурные черты патогенных биоапатитов отличаются от физиогенных, однако они обнаруживают поразительное сходство с определенными группами природных осадочных апатитов, а именно с желваковыми и зернистыми морскими фосфоритами. Сравнительное изуче-
ние физико-химических свойств патогенных образований на сердечных клапанах (кардиолитов) и природных апатитов показало, что наблюдаются как их сходство, так и различие по некоторым параметрам [Гилинская и др., 2001, 2003 а]. Сходство состоит в присутствии в них структурно-связанной воды в форме Н20+, больших количеств карбонат-иона (до 5% и выше), влияющего на размер и форму кристаллитов биологических и природных апатитов [LeGeros et al., 1968], а также в близости морфологии, что свидетельствует об идентичности механизмов образования. Характерным общим признаком является совместное присутствие Si и C в кардиолитах и природных морских апатитах, формирующихся в среде, насыщенной биологическими остатками.
Основное различие сводится к нестехиометрии состава и плохой окристаллизованности патогенных биоапатитов, что вполне объяснимо, т.к. они являются органо-минеральными агрегатами (ОМА) с большой долей органической компоненты (до 25%) [Гилинская и др., 2003а]. Возможная причина различий - временной фактор: возраст биологических ОМА (несколько лет) несравним с возрастом природных апатитов (миллионы лет). Процесс образования патогенных биоапатитов в живом организме прерывается операцией, т.е. он не завершен, о чем свидетельствуют физико-химический состав, далекое от стехиомет-рического (1.67) атомное отношение Са/P = 1.871.93 и присутствие органического вещества [Гилинская и др., 2003 а].
Природные образцы являются карбонатапа-титами с атомным соотношением Ca/P в пределах 1.60-1.67. Они значительно лучше окристаллизо-ваны и содержат гораздо меньше (до 3%) органического вещества, определеного в морских и зернистых фосфоритах методом термического анализа [Гилинская и др., 2001], что является следствием длительности (миллионы лет) их преобразований. Другое различие заключается в типе апатита: биоапатиты являются ОН-разновид-ностью, а природные образцы большей частью F, FOH или OHF и очень редко ОН-апатитами, что, возможно, обусловлено присутствием фтора в морской воде.
Исследования последних лет показали, что в образовании почти всех разновидностей патогенных биоапатитов в живом организме, как и природных фосфатов кальция, принимают участие микроорганизмы - нанобактерии разного типа [Ciftcioglu et al., 1998а, б; Kajander et al., 1998]. Изучение их только началось с отставанием от природных почти на двадцать лет. Данные о морфологических формах бактериальных патогенных образований в живых организмах практически отсутствуют, как и неизвестна в большинстве случаев их природа.
Изучение реальных патогенных биоапатитов, как мы полагаем, дает возможность проследить этапы их образования (в том числе и начальный) в живом организме, т.е. понять механизм процесса, а на природных образцах наблюдать его завершение. Эти исследования нельзя сравнить по значимости с результатами экспериментов, выполненных на модельных объектах в условиях in vitro, т.к. игнорирование при этом роли белка, являющегося центральным эффекторным компонентом процессов в живом организме, не позволяет точно воспроизвести биологический процесс.
Настоящее сообщение посвящено исследованию структуры - внешней (морфология) и внутренней (структурная единица) бактериального апатита, образованного в условиях in vivo и in nature, с целью выяснения механизма его образования и характерных особенностей, которые, как нам представляется, могут стать типоморфными морфологическими признаками бактериального генезиса этого минерала.
МАТЕРИАЛЫ И МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ
Объектами исследования являлись фосфати-зированные минеральные о
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.