分子地层学的基础

分子古生物学是分子地层学的基础，它是以地层或其他地质体中的有机组分为研究对象，研究这些有机组分的组成和结构特征、所记录的生物特征和属性、生命的起源和演化等生物学信息。在这些有机组分中，最为重要的当属分子化石［或称为化学化石(chemical fossils)、生物标志化合物(biomarkers)］。分子化石是指地质体中保存的来自生物有机体的分子，它们在有机质演化过程中具有一定的稳定性，虽受成岩、成土等地质作用的影响，没有或较少发生变化，基本保存了原始生物生化组分的碳骨架，记载了原始生物母质的相关信息，具有一定的生物学意义。分子化石的工作最早要追溯到Treibs(1934)在沉积岩中发现来自植物叶绿素的地质卟啉，较早论述分子化石的是Eglinton et al．(1967)。近些年出版的一些专著，如Peters etal．(2005)、Volkman etal．(2006)、Gaines etal．(2009)和Bianchi et al．(2011)比较系统地介绍了分子化石的研究。

17.1.1　常见分子化石种类

目前，分子化石的研究已涵盖了主要的4类生物化学组分:蛋白质(和核酸)、碳水化合物(包括几丁质)、类脂物和木质素。在这4类分子化石中，研究最广泛的是类脂物、蛋白质和核酸。相比较而言，类脂物在地质体中要稳定得多，可以在许多环境中长期稳定存在，但它所携带的生物学信息较少。相反，蛋白质和核酸的生物学信息相当丰富，但它们相对不稳定，仅在一些年轻的地质体中可以稳定存在。常用分子化石介绍如下。

17．1．1．1　类脂物(lipids)

地质体中分子化石种类最多、分布最广的也是类脂物。根据研究需要，类脂物可分为生物类脂(biolipids)和地质类脂(geolipids)。地质类脂由生物类脂转变而来。生物类脂往往具有双头结构，即有一个疏水端(可溶于油和有机溶剂，但不溶于水)和一个亲水端(可溶于水)。生物类脂主要包括甘油(glycerol)、蜡脂(wax)、萜类(terpenoid)及色素(pigment)。这些生物类脂主要存在于细胞膜中，也出现在叶蜡石中。经历早期成岩转化过程，生物类脂一般会脱去极性官能团，转变为相对稳定的地质类脂。下面简要介绍一些重要的地质类脂。

正构烷烃(n－alkanes):正构烷烃广泛存在于植物和其他生物体内，不同生物源的正构烷烃具有不同的碳数分布形式。海相或湖相的藻类、菌类等低等生物合成的正构烷烃碳链较短(＜C21)，通常以C17或C19为主峰的单峰型分布，缺少高碳数分子，无明显的奇偶优势。来源于陆生高等植物的正构烷烃碳链较长(＞C22)，通常以C27、C29或C31为主峰碳的单峰型分布，具有显著的奇偶优势。

支链烷烃(branched alkanes):在许多地质体中，异构烷烃往往与正构烷烃相伴出现。这些支链烷烃(包括异构烷烃、反异构烷烃，以及多取代烷烃)在细菌和高等植物中均存在。例如，蓝细菌可以合成较高含量的6－甲基、7－甲基十七烷(Köster et al．，1999);硅藻可以合成多支链烷烃(HBI);葡萄球藻可以合成葡萄藻烯。

无环类异戊二烯烷烃(acyclic isoprenoids):属于支链烷烃中的一个特殊类群，其结构的基本单元是异戊二烯。最常见的无环类异戊二烯化合物是姥鲛烷(pristane，Pr，C19)和植烷(phytane，Ph，C20)，一般认为是植醇的成岩产物，比值Pr/Ph被用来指示沉积环境的氧化还原状况。Crocetane(2，6，11，15－四甲基十六烷)和PMI(2，6，10，15，19－五甲基二十烷)来自甲烷厌氧氧化古菌(Blumenberg et al．，2004)。

萜烷(terpanes):地质体中最常见的是长链三环萜烷和五环三萜烷。长链三环萜烷的结构特征是环上带有一个异戊二烯的长链［图17－1(a)］，其碳数可高达C45。最常见的是C19—C29系列，其中C22和C27含量较少，以C23为主，C26、C28、C29各带两个光学异构体。此外，在长链三环萜烷C26之前还往往出现一个C24四环萜烷。该类化合物主要与细菌、藻类生物有关。

五环三萜烷可分为藿烷系列(hopanes)和非藿烷系列(non－hopanes)。藿烷系列是一类研究得比较深入的生物标志化合物［图17－1(b)］，已经分离和鉴定的藿烷及其衍生物多达150种以上。藿烷的前身物产出于细菌细胞膜中，由角鲨烯通过环化作用形成。长链藿烷(C31以上)与细菌藿多醇(如细菌藿四醇)有关;低碳数藿烷(C31以下)与里白烯或里白醇(均是C30)有关;而2－甲基藿烷则与蓝细菌有关(Summons et al．，1999);3－甲基藿类主要来自I型甲烷氧化细菌(Cvejic et al．，2000)。

高等植物合成的非藿烷三萜主要有奥利烷(oleanane)、羽扇烷(lupane)、乌散烷(ursane)3个系列，这些三萜类化合物被认为是被子植物的标志物(Moldowan et al．，1994)。而裸子植物主要合成二萜类化合物(Diefendorf et al．，2012)。

甾烷(steranes):甾烷化合物的碳骨架如图17－1(c)所示，它们是由生物体中的甾醇(sterols)转化而来。从目前的资料可知，水生浮游植物(主要是藻类)以C27为主，其次是C29甾醇。陆生植物主要含C29甾醇，其次是C28甾醇。沟鞭藻可以合成4－甲基甾醇。

甘油二烷基甘油四醚(glycerol dialkyl glycerol tetraethers，GDGTs):是近些年来发展迅猛的一类新的分子化石，按照烷基链结构的差异可分为两类:类异戊二烯(isoprenoid GDGTs，i GDGTs)和支链(branched GDGTs，b GDGTs)。b GDGTs的生物源目前还不确定。i GDGTs是古菌细胞膜的重要组成部分，类似于细菌细胞膜中的磷脂脂肪酸，带有特征性六元环的crenarchaeol(泉古菌醇)来自奇古菌，有可能与氨氧化古菌有关。GDGTs类化合物能够很好地指示环境的变化，由此开发出了多种古环境与古气候指标，如TEX86(Schouten et al．，2002)、MBT－CBT(Weijers et al．，2007)、BIT(Hopmans et al．，2004)、Ri/b(Xie et al．，2012)等。GDGTs类化合物已被证实可以稳定存在于早到侏罗纪的地层中(Jenkyns et al．，2012)。

图17－1　一些典型分子化石的结构
(a)长链三环萜烷;(b)藿烷;(c)甾烷

色素类(pigments):光合细菌色素也是重要的分子化石类群。比较常见的是叶绿素，高等植物和藻类都可以合成。叶绿素降解之后可以产生卟啉和植醇。紫硫细菌特征的光合色素okenone(奥氏酮)经成岩作用可以转化为okenane(奥氏烷)，后者可以用作沉积物中紫硫细菌是否存在的标志物(Brocks et al．，2005)。与之类似，绿硫细菌光合色素isorenieratane(异胡萝卜烷)是沉积物中检出的三甲基苯类化合物的前身物(Summons et al．，1986)。绿硫细菌和紫硫细菌生存于富含H2 S的透光层底部，因而它们的分子化石标志物可以用来指示水体富含H2 S事件(黄咸雨等，2007)。

非烃类化合物(non－hydrocarbons):在自然界中，以上的烃类分子化石存在对应的非烃类分子化石，包括酸(acids)、醇(alcohols)、酮(ketones)、醛(aldehydes)等。实际上，地质体中的许多烃类分子化石是由生物体中的非烃类分子化石转化来的。如甾醇转化成甾烷、细菌藿四醇转化成藿烷等。当然，一些烃类分子化石还会受微生物氧化作用进一步又转化成非烃类化合物。非烃类分子化石种类众多，但它们的应用并没用烃类那么广泛，主要应用于像第四纪这样年轻的地质体中。甾醇(sterols)可以算得上是用得最广的非烃类化合物。除此之外，用得比较多的是各类正构脂肪酸、醇、酮。以正构脂肪酸为例，一般来源于高等植物类脂物的一元正脂肪酸碳数分布范围为C22—C32，具偶碳优势，主峰在C24或C26。而来源于低等生物类脂物的一元正脂肪酸碳数分布范围为C12—C20，具偶碳优势，主峰在C16。

长链烯酮(long－chain alkenones):能够合成这些烯酮化合物的藻类属于定鞭金藻纲(Prymnesiophyceae)，在海洋环境中主要是Emiliania huxleyi(赫氏艾石藻)和Gephyrocapsa oceanic(大洋桥石藻)。烯酮化合物碳数分布范围为C37—C39，具有2～4个不饱和键。在海洋中，这些产烯酮的藻类生活在透光层的上部，其烯酮组成可以灵敏地响应海水温度的变化，由此建立了经典的古温度计Uk37(Brassell et al．，1986;Prahl＆Wakeham，1987)。

多环芳烃(polycyclic aromatic hydrocarbons，PAHs):活体生物不会合成多环芳烃，因此它们不是严格意义上的分子化石。多环芳烃由常规分子化石转化而来，与常规分子化石有着相同的作用，可以用来反映原始有机质的来源、成岩和热演化条件以及环境污染等。在一般沉积岩中，以有烷基侧链的芳烃为主，尤以1～3环的苯(benzene)、萘(naphthalene)、菲(phenanthrene)系列最为丰富。其中的烷基菲在判断生油岩的成熟度方面有广泛的应用。苯并呋喃(氧芴)(benzofuran)、苯并噻吩(硫芴)(benzothiophene)是沉积物中常见的含有杂环的芳烃化合物。在某些沉积物或沉积岩中，会出现较高含量且带裂解特征(不带烷基侧链、结构稳定、以3～6环的稠合芳烃为主)的多环芳烃，被认为是燃烧过程(特别是缺氧时燃烧)的产物。

17．1．1．2　古蛋白质和古DNA(ancient protein and ancient DNA)

尽管在地表有机质中，蛋白质占1/3～1/4，但在古老沉积岩中完整的蛋白质却很少。古蛋白质和古DNA远不像类脂物分子化石那样分布广泛。蛋白质的水解产物氨基酸却分布极广。蛋白质一般有亲水等轴球形蛋白质、疏水蛋白质和纤维状蛋白质3种类型。到目前为止，大部分已发表的氨基酸序列都是亲水等轴球形蛋白质的氨基酸序列，因为这些蛋白质比较容易萃取和研究。此外，骨骼和牙齿中的蛋白质C、N等稳定同位素研究也十分普遍，可以用来判断不同地质时期生物食性结构类型。动物骨骼中提取出的胶原蛋白不仅可以用来测试C、N同位素，进行14 C定年，还可以通过多肽分析来确定化石的属种(Buckley et al．，2010)。

载有生物遗传信息的古DNA研究已成为探索历史时期生物系统的演化、分类谱系发生的重要学科前沿。随着现代分子生物学、有机地球化学的理论和实验技术的不断发展，尤其是在1984年从某博物馆的标本中提取出古代生物的DNA(Huguchi et al．，1984)，以及分别在埃及木乃伊中(Pääbo，1989)和在1000多万年前的木兰化石中提取出化石DNA(Golenberg et al．，1990)以来，在全球范围内掀起了研究古DNA的热潮，取得了许多重要的研究成果。

17．1．1．3　碳水化合物和木质素(carbohydates and lignins)

碳水化合物又称糖类，是含多羟基的醛类、酮类以及由它们聚合而成的高分子化合物。在几乎所有的动物、植物和微生物体内都存在，尤以植物中含糖最多，占其干重的80%。研究比较多的化石糖类是单糖和纤维素。单糖几乎在寒武纪以来所有的沉积地层和一些前寒武纪地层中均有发现。纤维素的同位素组成是全球气候变化的良好载体。另外，化石几丁质的研究也早已受到人们的关注。

木质素是植物细胞壁的主要成分，它包围着纤维素并充填其间隙形成支撑组织。木质素可视为高分子量聚酚，其单体基本上是酚－丙烷基结构的化合物，常带有甲氧基的官能团。化石木质素的C/N比值可以指示C3和C4植物的变化(Onstad et al．，2000)、化石木质素的丁香酚(syringyl phenols)和香草酚(vanillyl phenols)的比值则可以指示被子植物的变化(Mitra et al．，2000)。

17.1.2　分子化石的影响因素

地质体中分子化石的分布一方面受生物有机体的影响，不同生物类型会有不同的分子化石分布特征，这在前面已经介绍过;另一方面分子化石的分布还强烈地受到其进入沉积物以后所经历的各种作用的影响，其中比较重要的因素有与成岩或成土作用相伴的有机质熟化作用、微生物降解作用、水洗作用、运移作用等。

在熟化过程中，分子化石会脱官能团、脱水、硫化、加氢、异构化和芳构化等，使非烃类化合物如酸、醇向烃类化合物的生物构型向地质构型、不稳定地质构型向稳定地质构型转化。甾醇向甾烷转化就是一个典型的例子。生物体中的甾烯醇向沉积物中的甾烷醇、甾烷酮、甾烯酮、甾烯、甾二烯，再向沉积岩中的甾烷、重排甾烷、芳甾烷转化。

微生物降解作用是影响分子化石的另一种重要因素。就烃类而言，遭受微生物降解的难易程度一般依次是:低分子量的正构烷烃、高分子量的正构烷烃、支链烷烃、无环类异戊二烯烷烃、环烷烃、芳烃、20R规则甾烷、20S规则甾烷、20S重排甾烷、20R重排甾烷。微生物降解作用与氧化作用、水洗作用常常是同时进行。

17.1.3　分子化石的分析方法

地质样品中分子化石的分析通常可分为两步:首先是将分子化石从载体(沉积物、岩石、生物大化石等)中提取出来，并进一步进行各组分的分离;然后再针对不同的研究目的和不同的分子化石类别，对各种分子化石进行仪器分析。

17．1．3．1　分子化石的富集、分离和纯化

分子化石常呈分散状态存在于各种载体中，需要有机溶剂(常用的是氯仿、二氯甲烷，以及二氯甲烷与甲醇的混合溶剂)来进行抽提富集。目前广泛使用的抽提方法有索氏抽提法、超声抽提法及快速溶剂萃取法(ASE)。索氏抽提法是经典方法，抽提比较完全，但抽提时间过长，溶剂消耗量较大，且低沸点组分容易损失。超声抽提法效率高，时间短，适合于有机质含量比较高的地质样品。快速溶剂萃取法是当前推广比较迅速的方法，它在较高的温度和压力下，加快有机分子的萃取，自动化程度较高，可以快速地处理有机质含量比较低的样品。

抽提出来的分子化石是各种组分的混合物，必须进一步进行组分的分离和纯化。通常采用的方法有柱层析法、薄层色谱法、络合加成法等。柱层析法是各种分离方法的基础。薄层色谱法对于分离量少的多组分混合物较便利。为了进行分子化石的单体同位素分析，采用络合加成法来分离直链和支链化合物，多采用5Å分子筛、尿素、硫脲作为络合剂。5Å分子筛对于C2以上的正构烷烃吸附能力很强，不吸附支链烷烃和环烷烃。其吸附较完全，回收率高，适于定量分析，但操作麻烦，脱附流程太长。尿素分子在正构烷烃及其衍生物存在下头尾相接形成平行管状或螺旋状晶体，横切面为六角形，通道中心直径为5Å，正好适合于直链分子形成笼状加成物或络合物;而支链和环状分子直径太大，无法形成络合物。该方法操作简单、快速，但分离不完全。

17．1．3．2　仪器分析和鉴定

分子化石经过富集、分离和纯化后，有些组分就可以直接进行仪器分析，有些组分则还要进行衍生化，以使仪器分析效果更好。衍生化方法多种多样(如甲酯化、硅烷化、乙酰化等)，视分子化石种类和仪器配置而定。

比较常用的分析仪器有:用于测定官能团的红外光谱仪;用于结构分析的核磁共振波谱仪、电子顺磁共振波谱仪、X光衍射仪、透射电镜。其他如氨基酸分析仪、蛋白质的电泳技术、古DNA的PCR技术等。

目前最为引人瞩目的是在分子化石的成分和定量分析中的仪器，有3个系列:①色谱系列。包括气相色谱仪(GC)、高温气相色谱仪(HT－GC)、裂解气相色谱仪(Py－GC)、高效液相色谱仪(HPLC)等。②色谱－质谱联用系列。包括气相色谱－质谱联用仪(GC－MS)、液相色谱仪－质谱联用仪(LC－MS)、气相色谱－质谱－质谱联用仪(GC－MS－MS)、裂解气相色谱－质谱联用仪(Py－GC－MS)等。③色谱－同位素比值质谱联用系列。气相色谱－燃烧/热转换－同位素比质谱联用仪(GC－C/TC－IRMS，适合于分子化石单体碳、氮、氢、氧同位素分析)。

近些年还出现了一些新的分析技术，如全二维气相色谱－飞行时间质谱技术(GC×GCToFMS)、傅里叶变换离子回旋共振质谱技术(FT－ICRMS)和飞行时间－二次离子质谱(ToF－SIMS)。同传统的一维毛细管色谱技术相比，全二维气相色谱技术具有更高的柱容量和分辨率，结合飞行时间质谱的极快响应与较高的灵敏度，可以更好地分析较为复杂的样品。傅里叶变换离子回旋共振质谱仪(FT－ICRMS)是一种具有超高质量分辨能力的质谱仪，在石油组分相对分子质量范围(200～1000道尔顿)内，其分辨率能够达到几十万甚至上百万，这种分辨能力可以精确地确定由C、H、S、N、O以及它们主要同位素所组成的各种元素组合。利用ToF－SIMS技术，我们可以进行原位的分子化石研究，获取分子化石在样品表面的空间分布模式甚至相对含量，对深入理解环境微生物的地球化学过程、示踪生物标志物的母体和探索早期生命起源均具有重要的应用价值(Thiel et al．，2011)。

17.1.4　　分子化石与其他生物化石的比较

分子化石是生物有机体遗留下来的痕迹。大部分分子化石难以像生物实体化石(大化石和微体化石)一样可以与特定的生物种、亚种联系起来，在定年、地层划分和对比方面远比不上这些实体化石。而且，许多分子化石像油气一样易于运移，还受到成岩作用等的影响。尽管如此，分子化石研究还是有其独特的优势。

分布的广泛性　分子化石比生物实体化石容易保存，特别是其中的类脂物分子化石，几乎在所有的沉积岩中都可以见到，甚至在许多变质岩中还可以存在。这样，在那些缺乏其他生物化石的“哑”地层，或者在那些有生物化石但没有统计意义的地方，分子化石还能够存在，可以开展分子地层学工作。由于分子化石在许多“哑”地层中都能找到，可能成为解决地层学问题的新工具，故分子地层学有很大的发展前途。

定量的准确性　分子化石的定量比较准确，许多有实际地质意义的指标可以定量化，可以计算出诸如C3和C4植物的丰度比值、木本和草本植物的丰度比值、低等菌藻生物和高等植物的丰度比值等。而且，分子化石往往是一系列的同系物，各种指标可以互相验证、互相补充。虽然孢粉分析也可以统计出木本植物和草本植物的相对变化，但它实际上是一种统计意义上的数值。而且，孢粉往往是有许多异地分子的混入(分子化石有时还可以把异地源和原地源区分开来)。低等菌藻生物和高等植物的丰度比值在恢复古气候等与全球变化有关方面具重要意义，但在一般沉积岩中，要利用其他生物化石计算出该比值相当困难，甚至是不可能的，然而分子化石要做到这一点却很容易。

应用的指纹性　生物实体化石属种的确定主要是基于形态学研究，是形态种。分子化石主要基于其化学成分和基因，是化学种(或分子种)。这两种类型的种不完全相同。现代生物学中就有很多形态种不变而化学成分发生变化的例子。当生物生活环境条件发生长期微小的变动时，与环境有关的某些类脂物将会随之发生变化，但不会引起植物群落或生态系统的取代。只有当环境压力超过了生态系统的缓冲能力时，才会出现植被的变更。某些分子种在反映环境条件变化上可能比形态种更加灵敏。而且，如前所述，分子化石具有多个系列的同系物，一些分子化石对环境的微小变化反映灵敏，另外一些则可能主要受控于植被状况(其本身也间接地与比较大的环境条件变化有关)。因此，一方面，那些与环境有关的类脂物分子化石将直接记录环境条件的微小变化;另一方面，某些分子化石和其他生物化石一样，又记录了植被景观(以及相应比较大的环境条件的变化)。这可在下面的泥炭例子中清晰地反映出来。分子化石在记录全球变化(环境、气候、植被)方面可能会有更好的指纹性效果。分子化石作为一种指纹性指标，在油气地球化学的油－源对比研究中得到了最充分的体现。当前趋势是强调单个分子化石(尤其是类脂物分子)的界面过程，特别是其同位素地球化学特征。分子界面过程能有效地研究开放系统间的物质、能量与信息的交换，它实际上是系统间接口的研究，能为地史时期的层圈关系研究提供很好的依据。