分子地层学的原理、方法及应用实例

当前分子地层学研究已涉及蛋白质、核酸、碳水化合物、类脂物和木质素等多种生物化学组分。在地层中,分子化石具有分布的广泛性、定量的准确性、应用的指纹性和信息的多样性等特点,其地层学应用的主要原理是依据分子化石的生物源信息和其离开生物体后发生的一系列转化途径来实现的,其表述方法可以是含量、相对丰度、碳数分布和单体同位素特征等。在各类年代学框架下,由这些分子化石参数所揭示的各类生物事件和环境事件可以成为区域性乃至全球性地层对比的主要依据。分子地层学与分子古生物学、生物地球化学、有机地球化学密切相关,它与传统三大地层学分支学科明显不同,目前还没有明确的分子地层单位,也没有进行广泛的分子地层划分与对比工作。对各类生物事件与环境事件有重要指示作用的分子地层学,与生态地层学、事件地层学等地层学分支学科类似,其主要任务是在传统生物地层学或其他年代学框架下,提高地层划分和对比的精度。以浙江长兴煤山二叠纪-三叠纪界线地层和第四纪泥炭为例,以高分辨率的生物事件与环境事件为切入点,分别探讨在生物地层学或其他年代学框架下的分子地层工作,由此提出了分子地层学的分类单位——分子化石带。     

编者按

正地球生物学(geobiology)研究地圈-生物圈耦合系统,即生物圈与地球其他圈层如大气圈、水圈和岩石圈的相互作用机制及其过程.地球生物学、地球化学和地球物理学分别构成了研究地球系统的生物过程、化学过程和物理过程的学科体系.地球生物学的核心是生命与地球环境的相互作用与协同演化.我们过去讲地球与生命的关系,主要强调的是地球环境影响生命,生命适应地球环境,这是一个单向作用的关系.但地球与生命之间应为相互作用的关系,而且是协同演化的.生命演化能否影响地球环境演变,生物过程能否影响地球环     

冰雪层中记录气候与环境变化的痕量含碳杂质

冰雪层是记录全球变化的主要信息载体之一,其中由生源要素碳形成的杂质种类最多。总结了这些含碳杂质记录古气候和古环境变化方面的研究进展,涉及温室气体、低分子可溶性有机酸、人为有机污染物以及孢粉和高碳数有机质。讨论了今后这些研究的重点所在。     

安徽宣城更新世红土正构烷烃分布特征及其古植被意义

利用气相色谱一质谱联用仪(GC-MS)在安徽宣城更新世红土中检测出了微量的分子化石,包括正构烷烃、一元正脂肪酸、一元正脂肪醇以及α-正构脂肪酮等．正构烷烃的分布型式表明其来源于低等菌藻类生物和陆生高等植物,其中高碳数正构烷烃主要以C29为主峰,显示流域中的植被类型以木本植物为主;(C27 C29)／(C31 C33)比值的变化反映出,在以木本植物占优势的背景下,流域中草本植物的相对比例也发生了多次变化．这一比值在本剖面上表现出多阶段的变化．而且这种变化与岩性、粒度变化密切相关,反映出这些参数可能还蕴涵着古气候信息．     

微生物磷脂脂肪酸单体碳同位素示踪碳循环过程

碳循环对于维持地球生命和调控气候变化具有重要意义。微生物是碳循环的关键驱动者之一,微生物群落结构和碳代谢活动的变化,能够影响温室气体的释放和碳储量,并进一步对气候变化产生反馈作用。在当前全球变化和人类活动加剧的背景下,需要进一步了解不同环境中的微生物群落组成和碳代谢活动的特征和响应。磷脂脂肪酸（PLFA）因其快速的周转速率和多样的分子结构,已经被广泛用于原位识别不同环境中活体微生物的生物量和群落结构。在此基础上,PLFA的单体碳同位素组成进一步指示了微生物利用哪些碳源,以及通过何种方式同化这些碳源,从而揭示微生物介导的碳流通和碳循环过程。本文综述了PLFA单体稳定碳同位素组成（δ¹³C）和放射性碳同位素组成（Δ¹⁴C）在示踪微生物碳循环过程中的应用。对比了农田、草地、森林、湿地以及海洋沉积物中活体微生物的碳源利用和碳同化途径的差异,这些差异可能与不同微生物对碳源的偏好以及不同环境中底物碳的可用性有关。对比了岩石、地下水、表层和深层土壤环境中微生物对化石碳源和年轻碳源的差异利用,化石碳是岩石和地下水环境中活体微生物碳源的重要组成部分,表明现代活体微生物可以直接利用部分老碳;相反,表层和深层土壤微生物倾向于利用现代碳源,这些碳源可能来自根系分泌物和从表面垂直输送的溶解有机碳。随着加速器质谱和单个化合物制备技术的进一步发展,预计PLFA单体放射性碳同位素将在微生物碳循环过程中发挥更重要的作用,值得在不同环境中进一步探索。

     

泥炭分子化石单体碳氢同位素的古气候意义

为了查明泥炭分子化石记录的古植被状况与古植物学分析结果的差异，并进一步探讨这些分子化石所记录的古气候信息，本文利用气相色谱仪(CC)、气相色谱—质谱联用仪(GC—MS)、气相色谱—燃烧-同位素比质谱仪(GC-C-IRMS)、气相色谱-热转换—同位素比质谱仪(CC—TC—IRMS)详细分析了一个40cm(约220年)长的泥炭岩芯中的分子化石及其单体碳、氢同位素组成。正构烷烃分子化石的主峰化合物(C23)及其碳、氢同位素组成与温度有很好的对应关系，工业革命以来化石燃料的燃烧效应也在单体碳同位素上反映出来。这些结果反映了泥炭分子化石具有很好的古气候和古环境意义。     

青藏高原东北部全新世泥炭正构烷烃的生物记录

通过对正构烷烃分布特点的系统分析,恢复了青藏高原东北部全新世以来泥炭的生物记录。正构烷烃nC25和nC31相对含量在泥炭序列中呈现的规律性变化揭示出,在全新世期间因气候的变化幅度不同而引起了生物形态种或化学种的取代,即当气候变化幅度大时,沼泽地可能出现了水生植物和陆生植物群落之间的相互演替;当气候波动小时,则出现了分子（化学）种之间的相互取代。将这一研究结果与同一地区的孢粉资料对比、验证,分析了它们之间的差异性,提出了类脂分子化石可作为恢复植被的有效工具,与孢粉相结合,可获取更为全面的植被演化历史。这一研究为青藏高原地区全新世以来的有关生物学信息提供了新的证据。     

旋回地层学：地层学解读时间的第三里程碑

围绕对地质时间的认识,地层学取得了从岩石地层学、生物地层学和旋回地层学3次里程碑性的重大进展.以生物地层学为基础并与放射性同位素定年技术相结合建立的、以百万年为计时单位的地质年代表既创造了地层学的辉煌,也在一定程度上降低了地质学对精确数字定年的不懈追求和为人类社会服务的功能.本文以时间为线索,简要回顾了地层学解读时间的漫长过程,阐述了旋回地层学概念的起源、形成和发展,以及旋回地层学与层序地层学在科学目标、研究内容和研究方法上的异同.以广西晚泥盆世弗拉期-法门期之交海相碳酸盐地层为例,从理论与实践的结合上剖析了旋回地层学的研究方法以及在岩石地层学和生物地层学基础上构建高分辨率,并能与人类社会时间接轨的地质时间坐标的广阔前景和科学意义.     

南京栖霞山铅锌银多金属矿床的生物成矿作用

许多学者探讨过菌藻生物与形成南京栖霞山铅锌银多金属矿床的预富集作用。然而，生物成矿作用是一个随地质作用的发展而发展演化的过程，本文详细研究了矿床中的矿化生物以及矿石中的吸附有机质，证实它们源自菌菏生物，结合非打开性的红外和荧光光谱方法以及打开性的ＧＣ－ＭＳ分析，重点研究了矿床中发现的有机包裹体，检测出成矿流体中的系列生物标志化合物，证实成矿流体中的有机质也源自菌藻生物。根据成矿流体中有机质特征，矿石中成矿元素闻的关系以及有机质中所古的金属元素，论证了这些源自苗藻生物的有机质、有机流体对成矿元素的活化迁移和还原沉淀作用，建立了生物－有机质－流体成矿系统。     

一种潜在的微生物找矿法——蜡样芽孢杆菌指示金矿化的试验研究

利用土壤中蜡样芽孢杆菌（Ｂａｃｉｌｕｓｃｅｒｅｕｓ）寻找隐伏金属矿床是近年来受国外许多学者重视的一种探矿法．运用此法对我国两个金三角地区进行了尝试研究，详细叙述了蜡样芽孢杆菌的分离、培养和鉴定．在已知的金矿区均检测到了很明显的蜡样芽孢杆菌孢子计数异常，异常区每克土壤中的蜡样芽孢杆菌孢子数最高可达１９０００个，异常区比背景区要高几百至几千倍，并发现该异常与土壤中的金异常有一空间上的分离．蜡样芽孢杆菌法很适合于成矿远景区内的找矿工作