Термостимулированное образование парамагнитных ион-радикалов в органической компоненте ископаемых костных остатков

С. Л. Вотяков, Ю. В. Щапова, Д. В. Киселева,

Н. Г. Смирнов

ТЕРМОСТИМУЛИРОВАННОЕ ОБРАЗОВАНИЕ ПАРАМАГНИТНЫХ

ИОН-РАДИКАЛОВ В ОРГАНИЧЕСКОЙ КОМПОНЕНТЕ ИСКОПАЕМЫХ

КОСТНЫХ ОСТАТКОВ

Ключевые слова: ЭПР, органические ион-радикалы, термическое воздействие, костная и зубная ткань, мелкие млекопитающие, Четвертичный период. ESR, organic ion-radicals, heat treatment, bone and tooth tissue, Quaternary small mammals

Впервые в современных и ископаемых костных (зубных) тканях обнаружен сигнал ЭПР от ион-радикалов, индуцированных термохимическими преобразованиями органической компоненты; проанализированы параметры формы и ширины линии ион-радикалов, рассмотрены их возрастные вариации; исследованы температурные эффекты возникновения-разрушения ион-радикалов органического вещества в присутствии кислорода воздуха, который определяет перестройку его химических связей, окисление углеродной матрицы.

For the first time ESR-signal provided by ion-radicals induced by thermochemical transformations of organic constituent is discovered in modern and ancient bone (tooth) tissues. Ion-radical line shape and width parameters are analyzed; their age variations are examined. Temperature effects of formation-destruction processes of organic constituent ion-radicals were investigated in the presence of air oxygen which defines rearrangement of its chemical bonds and carbon matrix oxidation

В природных и синтетических органо-минеральных образованиях (в костной и зубной ткани млекопитающих, в патогенных камнях из организма человека, в углях и кероге-нах, в осадочных породах, содержащих рассеянное органическое вещество, в биополимерах и др.) фиксируются парамагнитные ион-радикалы; они образуются как при радиационном воздействии на материал, так и в ходе термохимических реакций в органической компоненте - при термообработке этих образований в природных (лабораторных) условиях. Радиационно-стимулированные механизмы образования ион-радикалов изучены достаточно детально, в частности, для костных и зубных тканей зафиксировано образование радиационных карбонатных ион-радикалов COnm" за счет естественного гамма-фона in vivo или в лабораторных условиях in vitro вследствие перезарядки карбонатных группировок, присутствующих в минеральной компоненте этих тканей - в структуре биоминерала апатита или на поверхности его наноразмерных глобул (данное явление нашло широкое применение в ретроспективной палеодозиметрии [1-4]). Процессы термостимулированного образования ион-радикалов в органической компоненте органо-минеральных агрегатов, в особенности, природного происхождения практически не изучены.

Цель работы - исследование лабораторного термостимулированного образования ион-радикалов в ископаемых костных остатках мелких млекопитающих из зоогенных отложений в карстовых полостях (пещерах) Четвертичного периода уральского региона при вариациях длительности и условий их захоронения (фоссилизации), приложение результатов к оценкам их относительного возраста.

Объекты и методы исследования. Изучена серия челюстей водяной полевки (Arvicola terrestris) из современных поверхностных и голоценовых захоронений, а также челюстей копытного лемминга (Dicrostonyx torquatus) из плейстоценовых захоронений

различных местонахождений Северного и Среднего Урала [5]; проанализированы различные участки челюстей - диастема и венечные отростки. Эксперименты выполнены на радиоспектрометре Х-диапазона ББЯ 70/БХ при 300К; для индуцирования ион-радикалов костные остатки отжигались на воздухе при температурах от 100 до 800 0С.

Обсуждение результатов

Результаты. В исходных пробах парамагнитного поглощения не обнаружено; после лабораторного отжига костных остатков при температурах 200-700 0С во всех пробах появляется сигнал ЭПР (далее термохимический ион-радикал Яг/х) со значением д=(2,0055 - 2,0059)±0,0005 и шириной линии 5,5-9,3 Гс; форма сигнала близка к лоренцевой. Ранее [6, 7, 8] ион-радикалы с подобными параметрами, установленные в углях и керогенах, а также в некоторых метеоритах и термообработанных осадочных породах земного происхождения, содержащих рассеянное органическое вещество, были интерпретированы как связанные с дефектами органических макромолекул, в частности, в керогене - как радикал п-типа, связанный с его нерастворимой органической матрицей. Подобную модель можно предположить и для ион-радикала Кт/х в ископаемых костных тканях. Установлено, что его концентрация на начальных (до 400-600 0С) этапах отжига остатков возрастает до значений порядка 1017 спин/г (этап термостимулированного образования ион-радикала при перестройке химических связей в органике и ее окислении); при последующем отжиге содержание Кт/х уменьшается (этап его деструкции, сопровождающий сгорание органики на воздухе); после отжига выше 735 0С во всех пробах сигнал исчезает (рис.1). Изменение парамагнитных свойств материала в диапазоне 100-700 0С идет на фоне значительного (до 30 %) уменьшения массы костной ткани вследствие потери адсорбированной (структурной) воды и окисления углеродной матрицы - выгорания органических веществ - при 230-400 0С преимущественно низкомолекулярных, представленных неколлагеновыми белками с низкой молекулярной массой (альбумин и др.), и при 400-600 0С высокомолекулярных веществ, основным из которых является белок коллаген, составляющий органический каркас кости и определяющий ее структурные и механические свойства. Отсутствие ион-радикалов в исходных пробах свидетельствует о том, что деградация органической составляющей остатков при их захоронении (фоссилизации) в природных условиях не сопровождается разрывом связей в органических молекулах с формированием стабильных ион-радикалов. Лабораторный отжиг проб вызывает термохимические преобразования в органической составляющей - разрыв связей в коллагене и неколлагеновых белках с образованием стабильных ион-радикалов Кт/х на их фрагментах. Парамагнитные ион-радикалы Кт/х можно рассматривать как некие зонды термодинамических процессов в органической составляющей костных остатков, их появление и последующее исчезновение в процессе отжига сопровождает термоактивированное преобразование (сжигание) органики.

Установлено, что характерным свойством ион-радикала Кт/х, наряду с немонотонной концентрационной зависимостью в процессе отжига, является изменение (уменьшение) величины его д-фактора и сужение линии сигнала с ростом температуры отжига (рис.2). Концентрационные зависимости ион-радикала Кт/х от температуры отжига существенно различаются для образцов из местонахождений различного возраста (рис.3): для наиболее древних ископаемых остатков максимумы концентрации на температурных зависимостях сдвинуты в область низких и средних температур (200-400 0С), тогда как для современных и голоценовых остатков максимальные концентрации достигаются при более высоких температурах отжига (500-600 0С). Этот результат свидетельствует о различной степени преобразования (деструкции, гидролитической деградации) органической компоненты костных остатков в зависимости от возраста и условий захоронения остатков. Можно заключить, что для более древних отложений требуется меньшая энергия термической

активации как для разрыва связей и перевода органических макромолекул в парамагнитное состояние, так и для разрушения парамагнитных ион-радикалов Ктх. В костных остатках из современных и молодых отложений появление ион-радикала Ктх требует повышенных энергий активации; образующийся при этом радикал является и более термически стабильным.

иоис :оог

301 г с ЗОЙГС

-s'1 400 С Л \ 400 С

32І \ / 500ГС

J v шс 600 с

\г г

330» 3320 334!) 33 № 3300 33 20 3340 3360

Магнитное ноле, I с

Рис. 1 - Динамика изменения спектров ЭПР в образцах диастем Лгу1ео1а terrestris, Грот Филин (а) и Diеrostonyx ^щиа^, Дыроватый Камень, р. Чусовая (б) [5] после отжига на воздухе при различных температурах

Рис. 2 - Типичные зависимости значений g-фактора (а), ширины линии ЭПР (б), концентрация ион-радикалов Я™ (в) образцов диастем из местонахождений различного возраста от температуры отжига: 1, 3 - Лгу^ ео1а Terrestris, Навес Старик; 2 - Лтео1а ter-restris, Грот Филин; 4 - Diеrostonyx torquatus, Дыроватый Камень, р. Чусовая

Рис. 3 - Вариации отношений концентраций С600/С400 и С200/С400 ион-радикалов RTX в костных остатках, отожженных при температурах 200, 400 и 600оС: 1 - древние; 2 - современные и голоценовые отложения

Установленная закономерность может быть положена в основу экспресс - методики оценки степени преобразования органической составляющей костных остатков (относительного возраста отложений). В качестве количественного критерия степени преобразо-ванности нами использованы отношения концентраций С200/С400 и С600/С400 ион-радикалов К™ в пробах после их отжига при температурах 200, 400 и 600 оС (рис.3). В древних образцах отношение С600/С400 низко (после отжига таких образцов при 600 оС ион-радикал Ктх практически не сохраняется); при этом отношение С200/С400 может варьировать в широких пределах. Напротив, в более молодых остатках отношение С600/С400 имеет более высокие значения, а соотношение С200/С400 - низко. Отношение концентраций С200/С400 характеризует начальный участок термохимического наведения ион-радикала Ктх: чем выше параметр С200/С400, тем ниже температура начала термохимической реакции и тем сильнее исходная степень преобразования органики (для современных слабо преобразованных отложений С200/С400<1.2; для древних отложений вариации С200/С400 отражают различия степени преобразования органики). Отношение концентраций С600/С400 характеризует участок термической деструкции ион-радикала Ктх: чем выше параметр С600/С400, тем выше температура деструкции (для древних отложений, деструкция в которых заканчивается при пониженных температурах, С600/С400 < 0.1; для современных отложений, в которых деструкция сдвинута в область повышенных температур, С600/С400= 0.3-1.1). Таким образом, показано, что с увеличением возраста ископаемых остатков возрастает термохимическая «эффективность» образования ион-радикала Кт/х - он появляется после отжига проб при пониженных температурах; с уменьшением возраста процессы наиболее эффективного образования ион-радикала К/х смещаются в область повышенных температур.

Работа выполнена при поддержке грантов РФФИ № 07-05-00097-а, 08-04-00663-а, а также программы «Происхождение и эволюция биосферы» и программы УрО РАН с ДВО РАН «Применение анализа стабильных изотопов углерода, кислорода и азота костных остатков наземных млекопитающих для палеоэкологических и палеоклиматических реконструкций четвертичного периода».

Литература

1. Ikeya, M. ESR dosimetry for atomic bomb survivors using shell buttons and tooth enamel / M. Ikeya, J. Miyagawa, S. Okajima //Jap. J. Appl. Phys. - 1984. - Vol.24. - № 9. - P. 697-699.

2. Ishii, H. ESR dosimetry of teeth residents close to Chernobyl Reactor accidents / H. Ishii, M. Ikeya //J. Nucl. And Technol. - 1990. - Vol.27. - № 12. - P. 1153-1157.

3. Брик, А.Б. О механизмах изменения парамагнитных центров в эмали зубов при нагревании по данным ЭПР / А.Б. Брик, О.И. Щербина, Э.Х. Хаскелл, Э.В. Соботович, А.М Калиниченко // Мин. журнал. - 1997. - Т.19. № 4. - С.3-13.

4. Вотяков, С.Л. Особенности радиационного дефектообразования в биогенных апатитах / С.Л. Вотяков, Г.И. Ронь, Д.Р. Борисов, Ю.В. Мандра, А.А. Краснобаев // Ежегодник - 1997. - 1998. -Ин-т геологии и геохимии УрО РАН. Екатеринбург. - С.129-134.

5. Смирнов, Н.Г. Разнообразие мелких млекопитающих Северного Урала в позднем плейстоцене и голоцене / Н.Г. Смирнов // Материалы исследования по истории современной фауны Урала. -Екатеринбург. - 1996. - С.39-83.

6. Dickneider, T.A. EPR study of kerogens from Middle Valley, Northern Juan de Fuca Ridge (ODP Leg 139) / T.A. Dickneider, S. Scull, J.K. Whelan, N.V. Blough // Org. Geochem. - 1997. - Vol.26. №5/6. -P.341-352.

7. Gourier, D. Search for EPR markers of the history and origin of the insoluble organic matter in extraterrestrial and terrestrial rocks / D. Gourier, L. Binet, A. Scrzypczak, S. Derenne, F. Robert // Spectro-chimica Acta. Part A. - 2004. - Vol.60. - P.1349-1357.

8. Вотяков, С. Л. ЭПР как метод исследования органической компоненты биогенных карбонатных пород (на примере строматолитсодержащих пород рифея Южного Урала) / С.Л. Вотяков, А.А. Галеев, О.Л. Галахова, Л.В. Леонова, А.С. Ильиных // Ежегодник - 2005. - 2006. - Ин-т геологии и геохимии УрО РАН. Екатеринбург. - С.39-47.

© С. Л. Вотяков - член-корр. РАН, зав. лаб. института геологии и геохимии УрО РАН, V0tyak0v@igg.uran.ru; Ю.В. Щапова - Институт геологии и геохимии им. акад. А.Н. Зава-рицкого УрО РАН; Д. В. Киселева - канд. геол.-мин. наук, науч. сотр. того же ин-та, Kiseleva@igg.uran.ru; Н. Г. Смирнов - науч. сотр. института экологии растений и животных УрО РАН, NSmirn0v@ipae.ru.