神奇分子在哪里之 —— 长链烯酮
消息来源:baojiabao.com 作者: 发布时间:2024-05-17
天气冷了,我们会穿上厚衣服保暖。同样地,地球上的其他生物在感知到外界环境冷暖变化的时候,也会给自己添减"衣物",以适应环境温度的变化。该过程的幕后功臣就是我们今天要介绍的神奇分子。那么,它们究竟是怎么做到的,对于我们探寻古环境的奥秘又有什么用呢?
神奇分子在哪里?我们首先从长链烯酮说起。
1、颗石藻(Coccolithophores)
提到长链烯酮,就不得不提及它的母质来源 -- 颗石藻。1836 年,Ehrenberg 首次于波罗的海发现了颗石藻,随后科学家在全球海洋均发现了各种类型的颗石藻。颗石藻又称球石藻,是一类广布的海洋藻类,属于单细胞钙质浮游藻类,生活在 200 米以浅的上层海水中。多数颗石藻为自养生物,借助阳光和水中的二氧化碳、硝酸盐和其他非有机盐进行光合作用。颗石藻大小不一(直径 5-100 μm),具有独特的形态学特征,其内部是细胞以及有机质,而外部则被许多圆盘状、具有独特花纹的碳酸钙"骨骼"(颗石)包围。
当颗石藻细胞死亡后,其体内的细胞部分腐烂分解,而钙质"骨骼"则会随着水体或生物粪便杂质等下沉到海底,并逐渐形成化石,长久地在海洋沉积物中保存下来,为我们探寻古海洋环境留下了蛛丝马迹。
2、长链烯酮
长链烯酮 (LCAs, long-chain alkenones) 是指带有 2 至 4 个双键的长链不饱和甲基或乙基酮 (C37-C39),主要产自少数几种颗石藻的细胞质和细胞膜,其中最主要的贡献源是赫胥黎藻 (Emiliania huxleyi) 和大洋桥石藻 (Gephyrocapsa oceanica)。这两种藻都属于广温性(对生活的适应温度范围很广)藻种,广泛分布于世界大洋中。如赫胥黎藻适应的温度范围为 2-29℃,根据生活水域测定温度,可分为极地型、冷水型和暖水型。颗石藻这种分布特征决定了长链烯酮也存在于全球的各个海域。
在生活中,我们或许会留意到,当天气寒冷的时候,动物的油脂往往会比植物油更易凝固。出现这种现象,除了有两者凝固点不同的原因之外,还因为动物油脂含脂多,主要为饱和脂肪酸,容易凝固,而植物油中含油多,油分子中含不饱和脂肪酸高(即相对来说含有的不饱和键更多),不易凝固。那么,颗石藻的细胞膜也是如此,当其所处的环境温度发生变化时,为了保持细胞膜的流动性,在生物合成过程中,它会自行调整酮类化合物的不饱和键的比例,以适应外界变化。在高纬度海区,海温较低时,颗石藻会更倾向于合成不饱和键更多的 C37:3 和 C37:4,以维持细胞膜的流动性。而在低纬度海区,海温较高,颗石藻则大量合成不饱和键较少的 C37:2。这就好比哈尔滨的你"棉袄加身尤觉冷",三亚的我"T 恤短裤仍嫌热"。正是颗石藻的这种特性,使得 C37 烯酮的不饱和度成为了指示水体温度变化的良好指标。
长链烯酮不饱和度通常指含有 37 个碳原子的长链烯酮的不饱和度,用或来表示。其中,U 指不饱和 (Unsaturation),K 指酮 (Ketone or Alkeno-ne),37 指长链烯酮的碳原子数。在实际应用中,其计算公式为:
也就是 C37:2 的占比。
实验表明,
与全球海表温度都有着非常好的对应关系,并在温暖 (28°C) 和寒冷 (-6°C) 海区都有着较好的应用。但由于颗石藻的生长还会受到除温度以外的环境因素的控制,不同海域的
与海表温度之间的线性关系并不完全一致,需要根据实际情况而定。
与表面混合层 (0-30 m) 样品的实测水温的关系 (Conte, 2006, GGG)
但是这并不影响指标在全球海区的广泛应用。从空间上看,指标可应用于全球海域,描绘着不同海域的独特画卷。从时间上看,指标可跨越百万年甚至千万年时间尺度,诉说着气候演变的波澜壮阔。
看到这里,你应该对这种神奇分子有一定的了解了吧?虽然长链烯酮看不见,摸不着,但通过有机提取实验和检测仪器,我们便能确定它的存在,并利用其不饱和度与海温之间的关系,建立"古海洋温度计",追溯过去几百万年以来的海水温度变化,为科学家研究地球海陆变迁、气候冷暖变化,提供了珍贵的"历史档案"。看来,这种分子的神奇之处便在于,在脱衣与穿衣的变换中,诉说着气候的变迁。
Reference
[1] Billard C, Inouye I. What is new in coccolithophore biology?[M]//Coccolithophores. Springer, Berlin, Heidelberg, 2004: 1-29.
[2] Conte M H, Sicre M A, Rühlemann C, et al. Global temperature calibration of the alkenone unsaturation index () in surface waters and comparison with surface sediments[J]. Geochemistry, Geophysics, Geosystems, 2006, 7(2).
[3] Herbert T D, Peterson L C, Lawrence K T, et al. Tropical ocean temperatures over the past 3.5 million years[J]. science, 2010, 328(5985): 1530-1534.
本文来自微信公众号:石头科普工作室 (ID:Dr__Stone),作者:知行
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