神奇分子在哪裡之——長鏈烯酮

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天氣冷了,我們會穿上厚衣服保暖。同樣地,地球上的其他生物在感知到外界環境冷暖變化的時候,也會給自己添減「衣物」,以適應環境溫度的變化。該過程的幕後功臣就是我們今天要介紹的神奇分子。那麼,它們究竟是怎麼做到的,對於我們探尋古環境的奧秘又有什麼用呢?

神奇分子在哪裡?我們首先從長鏈烯酮說起。

1

顆石藻(Coccolithophores)

提到長鏈烯酮,就不得不提及它的母質來源——顆石藻。1836年,Ehrenberg首次於波羅的海發現了顆石藻,隨後科學家在全球海洋均發現了各種類型的顆石藻。顆石藻又稱球石藻,是一類廣佈的海洋藻類,屬於單細胞鈣質浮游藻類,生活在200米以淺的上層海水中。多數顆石藻為自養生物,藉助陽光和水中的二氧化碳、硝酸鹽和其他非有機鹽進行光合作用。顆石藻大小不一(直徑5-100 μm),具有獨特的形態學特徵,其內部是細胞以及有機質,而外部則被許多圓盤狀、具有獨特花紋的碳酸鈣「骨骼」(顆石)包圍。

顆石藻及其細胞結構示意圖(Billard & Innouye, 2004)

當顆石藻細胞死亡後,其體內的細胞部分腐爛分解,而鈣質「骨骼」則會隨著水體或生物糞便雜質等下沉到海底,並逐漸形成化石,長久地在海洋沉積物中保存下來,為我們探尋古海洋環境留下了蛛絲馬跡。

2

長鏈烯酮

長鏈烯酮(LCAs, long-chain alkenones)是指帶有2至4個雙鍵的長鏈不飽和甲基或乙基酮(C37-C39),主要產自少數幾種顆石藻的細胞質和細胞膜,其中最主要的貢獻源是赫胥黎藻(Emiliania huxleyi)和大洋橋石藻(Gephyrocapsa oceanica)。這兩種藻都屬於廣溫性(對生活的適應溫度範圍很廣)藻種,廣泛分佈於世界大洋中。如赫胥黎藻適應的溫度範圍為2-29℃,根據生活水域測定溫度,可分為極地型、冷水型和暖水型。顆石藻這種分佈特徵決定了長鏈烯酮也存在於全球的各個海域。

在生活中,我們或許會留意到,當天氣寒冷的時候,動物的油脂往往會比植物油更易凝固。出現這種現象,除了有兩者凝固點不同的原因之外,還因為動物油脂含脂多,主要為飽和脂肪酸,容易凝固,而植物油中含油多,油分子中含不飽和脂肪酸高(即相對來說含有的不飽和鍵更多),不易凝固。那麼,顆石藻的細胞膜也是如此,當其所處的環境溫度發生變化時,為了保持細胞膜的流動性,在生物合成過程中,它會自行調整酮類化合物的不飽和鍵的比例,以適應外界變化。在高緯度海區,海溫較低時,顆石藻會更傾向於合成不飽和鍵更多的C37:3和C37:4,以維持細胞膜的流動性。而在低緯度海區,海溫較高,顆石藻則大量合成不飽和鍵較少的C37:2。這就好比哈爾濱的你「棉襖加身尤覺冷」,三亞的我「T恤短褲仍嫌熱」。正是顆石藻的這種特性,使得C37烯酮的不飽和度成為了指示水體溫度變化的良好指標。

長鏈烯酮分子結構圖

長鏈烯酮分子結構圖

長鏈烯酮不飽和度通常指含有37個碳原子的長鏈烯酮的不飽和度,用或來表示。其中,U指不飽和(Unsaturation),K指酮(Ketone or Alkeno-ne),37指長鏈烯酮的碳原子數。在實際應用中,其計算公式為:

也就是C

也就是C37:2的佔比。

實驗表明,

實驗表明,

與全球海表溫度都有著非常好的對應關係,並在溫暖(28°C)和寒冷(-6°C)海區都有著較好的應用。但由於顆石藻的生長還會受到除溫度以外的環境因素的控制,不同海域的

與海表溫度之間的線性關係並不完全一致,需要根據實際情況而定。

與表面混合層(0-30 m)樣品的實測水溫的關係(Conte, 2006, GGG)

但是這並不影響指標在全球海區的廣泛應用。從空間上看,指標可應用於全球海域,描繪著不同海域的獨特畫卷。從時間上看,指標可跨越百萬年甚至千萬年時間尺度,訴說著氣候演變的波瀾壯闊。

看到這裡,你應該對這種神奇分子有一定的了解了吧?雖然長鏈烯酮看不見,摸不著,但通過有機提取實驗和檢測儀器,我們便能確定它的存在,並利用其不飽和度與海溫之間的關係,建立「古海洋溫度計」,追溯過去幾百萬年以來的海水溫度變化,為科學家研究地球海陸變遷、氣候冷暖變化,提供了珍貴的「歷史檔案」。看來,這種分子的神奇之處便在於,在脫衣與穿衣的變換中,訴說著氣候的變遷。

圖 基於烯酮古溫度測定的四個地點的海溫估算(Herbert, et al, 2010, science)

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