古生物化学中的凝聚态化学反应

黄大一

doi:10.7536/PC220348

化学进展 ›› 2022, Vol. 34 ›› Issue (7) :1626-1641 DOI: 10.7536/PC220348

综述

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古生物化学中的凝聚态化学反应

黄大一 ^*

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Condensed Matter Chemical Reactions in PaleoChemistry

Timothy D. Huang ^*

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摘要

研究古生物学,必须从古生物变“化”之学的方向着手,深入化石骨头和细胞里面,探讨在漫长时间内、该古生物的化学组成、细微构造等起了什么变化?化成了什么?如今保留的是什么?保存这些有机残留物的化学机制 (Mechanism) 是什么?凝聚态化学在此又扮演了什么关键角色?在此我以个人所知一点点从凝聚态化学的角度,来探讨古生物领域诸多古化学相关的最基本底层奥秘,本文举三个实例说明可能的凝聚态化学反应,肯定在古生物化学中扮演了关键的基本机制,等着我们去揭发;如:一般认为化石就是古代生物变化成为石头,从有机体变成无机的矿物质,有机体不可能保存成千万上亿年;然而,我们团队却在 1.95 亿年前的禄丰龙胚胎骨头内,发现了被保存下来的原生 I 型胶原蛋白 (Native Collagen I);又在 22 亿年前化石内发现多种氨基酸,和证明为最早多细胞真核生物的甾烷;这是地球生命演化重大的发现;从这些古生物化石的实例来说,可以看出凝聚态化学绝非仅是个理论化学的旁观者,而是关键角色,它的重要性,非常值得我们投入去深入探讨,揭开从古代生物到你我手中化石无数化学反应最底层化学的奥秘。

Abstract

For the study of paleontology, we must start from the direction of paleontological "changes," go deep inside the fossil bones and cells, and explore what changes had taken place in terms of chemical composition, the structural and morphological changes of the ancient organisms over a very long time ago. What does it change into? What remains and preserved as fossils do we have in our hands today? Then the most important question: what is the chemical mechanism for preserving these organic residues? What is the critical role of condensed matter chemistry in these complex geological events? From the perspective of condensed matter chemistry in this paper, the author tries his best to explore the most fundamental mysteries related to PaleoChemistry in paleontology. Three examples are given to illustrate possible condensed matter chemical reactions, which must have played a critical primary mechanism in PaleoChemistry, waiting for us to uncover. For example, fossils are generally believed to be ancient organisms that changed into stone/rock, from once-living organisms to lifeless inorganic minerals. It is commonly believed that organic matters cannot be preserved for millions or billions of years. However, our team found preserved native collagen Type I in the 195 million years ago Lufengosaurus embryonic bones. Many amino acids were found in the 2.2 billion-year-old fossils. The evidence of steranes proved these organisms were the oldest multicellular eukaryotes. This is one of the most significant discoveries in the life evolution of the Earth. From the examples of these paleontological fossils, it can be seen that condensed matter chemistry is not only a bystander of theoretical chemistry but a key role. Its importance is worthy of our investment in the in-depth study to uncover the mysteries of the fundamental chemistry of countless chemical reactions from ancient organisms to fossils in our hands.

Graphical abstract

关键词

古生物化学 / 古生物学 / 化石 / 第一型胶原蛋白 / 恐龙 / 胚胎 / 多细胞真核生物 / 碳酸盐胶合

Key words

paleochemistry / paleontology / fossil / collagen type I / dinosaur / embryo / multicellular eukaryote / carbonate cementing

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黄大一. 古生物化学中的凝聚态化学反应[J]. 化学进展, 2022, 34(7): 1626-1641 DOI:10.7536/PC220348

Timothy D. Huang. Condensed Matter Chemical Reactions in PaleoChemistry[J]. Progress in Chemistry, 2022, 34(7): 1626-1641 DOI:10.7536/PC220348

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1 引言

古化学或古生物化学 (PaleoChemistry) 是结合化学与古物学 (Paleology) 的一个交叉学科领域,探讨对象包括古生物学 (Paleontology)、考古学 (Archeology)、古人类学(Palaeoanthropo-logy)…等古物 (Ancient Object) 与其属下诸分科的研究;本文谨以“古生物+化学 (Paleontology + Chemistry)”为主,专注于探讨古生物当时情况、形成化石过程中和之后、实体与其紧接近临区域围岩的化学与变化;基于“看进骨头和细胞 Look into the Bone and Cell”思维,探讨化石内外成份与变化,试图了解古生物活着时候、和死亡当时与尔后漫长岁月所发生的事,进而了解地球上生命生物演化;它从另一个角度深入古生物化石,提供更完整的内容,详见《古生物化学入门An Introduction to PaleoChemistry》^[1]。

化学,探讨宇宙间物质与其变“化”之学;大家所熟悉的化学反应式,就是指从“反应物 (Reactants)”、在某“条件 (Condition)”下、变“化”成为“产物 (Products)”的过程,化学反应式表达物质变“化”。

Reactants

Products

有趣的是,Fossil 这个词的中文翻译为“化石”两字,不只用到“化”这个字,实质上就是探讨古生物石化 (Petrification) 后的产物结果,试图了解古生物时代该古生物与其环境可能的情况、生命演化等。然而,目前的古生物科研方法,通常只着重、并且限于从外表易见型态系统描述分类学等特征着手,而少从其内的变化切入;古生物学者们手中有的,只是化学反应式最后不完全的“产物”——化石,而原本生物的诸多本质和特性,即反应物这头,通常或说几乎没有完整保存下来。中间的“反应条件”,资料也很少或根本没有,顶多只能从残缺的“产物”反推论猜测,而无法清楚了解、不能有任何控制,毕竟,化石的诸多形成条件,动辄几百万年甚至好多亿年的地质变化,无法在实验室复制,只能靠推论猜测无法完全确定,绝大部分 (99%) 曾在地球生活的生物,都已经灭绝了,非常幸运者才有化石被保存下来,以个体数来说,估计为千分之一到万分之一的机率。有好些物种,如诸多微生物和软体动物,形成化石的机会很小,所以它们原本如何,只能靠想像和推测,可靠性有多少无法预计。

研究古生物学,必须从古生物变“化”之学的方向着手,深入化石骨头和细胞里面,探讨在漫长时间内、该古生物的化学组成、细微构造等起了什么变“化”?“化”成了什么?如今保留的是什么?如,实体化石内保存有机残留物是个普遍现象,那么保存这些有机残留物的化学机制 (Mechanism) 是什么?凝聚态化学又扮演了什么角色?简言之,古生物化学,即研究古生物生前死后到如今变“化”之学也。

因为这是一门前所未有的新学科,在此试图做系统性的整合。在化学方面,本文尝试从凝聚态化学的角度,来探讨古生物领域诸多古化学相关的最基本底层奥秘。如:一般认为化石就是古代生物变化成石头,从有机体变成无机的矿物质,有机体不可能保存成千万上亿年。然而,我们团队却在二亿年前的禄丰龙(Lufengosaurus)胚胎骨头内,发现了被保存下来的原生 I 型胶原蛋白 (Native Collagen I)^[2,3]。本文举三个实例说明;凝聚态化学反应,肯定在古生物化学中扮演了关键的基本机制,等待我们揭示。

2 化石的形成

图1显示某生物从“活着 (Life)”到变成“被发现 (Discovery)”化石可能的路途^[4],这其中所有的变化因素,也就是“反应条件”,任何一项都可能影响到最终所找到化石的状况,特别是从古生物化学的角度来说,几乎每个变化因素,都可能会造成检验化石相关的化学差异,也就是各種百千万亿年间不停的化学变化条件参数;详见参考文献[1]第三章第一节。

在这漫长的反应“条件”路途中,从出发点就是含有很多非常复杂生物化学成份的生物体开始,加上图内诸多的因素,都会影响到化石和紧邻围岩的化学变化和化学物质的成分;在漫长时间中,曾有多少次沧海桑田地质变化?不同压力温度水质?都不停地与化石和邻近围岩起化学作用;亦即,从生到死到化石,实际上是个很复杂、而且往往很难确定的“条件”变化系统,很难确定前面所说的反应“条件”是什么;再者,不是所有的化石,都同样地被保存好好的,若要保存蛋白质或其他软组织,就必须避免外界的太大影响,水流极小,得到某种免于微生物攻击的保护;通常死后在沉积表面躺多久,也会影响保存的品质;在快速掩埋骨头中的软组织、会比长期暴露的保存得较好,然而,对于大型动物来说,如蜥脚类大恐龙,快速掩埋可能有所困难,小动物则可能快速整体掩埋;此外,还有骨头的种类也会影响有机残留物的保存,大型动物紧密的骨皮层比起通常脆弱头骨构件,或小动物娇弱骨头更容易被保存。

3 检测方法

**3.1 原位同点多重检测 in situ in loco Multiple Examination**

在做样本各种探讨实验过程之前,要先作样本的处理;在样本备制过程中,每一道样本处理过程中,必须考虑几个严肃的问题:在处理的过程中所用的物理方法或化学药剂,会不会破坏化石或引起了化学变化?有没有发生没注意到的化学变化以至于后续的分析得到错误的结果?

样本制备,如用现在很热门的聚焦离子束 (Focus Ion Beam, FIB) 可以很精确很薄层地切割,但是也要考虑在高能量的离子束烧烤之下,有机物老早就被烧掉不知道有多少?请见图2,这是一个古元古代 (Paleoproterozoic) 化石样本,为了进行三维拉曼扫描,操作者先用聚焦离子束把表面“轻轻地”磨平,通过三维拉曼扫描影像,可以看到聚焦离子束烧掉了很多有机残留物。

古生物化学分析应该先使用各种可能的非破坏性分析,最后不得已才用破坏性检测;图3,在同一个样本同样位置,取得4种不同照射源影像重叠在一起的结果,从上到下为:红外线 (FTIR)、多频显微 (Multiple Harmonic Genera-tion Microscopy, MHGM)、普通光学、中子扫描 (Neutron Tomography);这表示可以在同一个样本的相同位置,使用多种不同的检测方式,取得同一个位置的多种信息,以供研究分析;在此提出“原位同位多重检测 (in situ in loco multiple examinations)”,对于古生物化学,意义重大;它不只是非破坏性,而且在同样同位的检体,取得多重数据,还可以将多种非破坏性的检测影像叠加;可以综合同一块化石同一个检测点的多重资料,取得更完整的信息,此法是非常有意义的研究方法。

3.2 化学形态学 Chemical Morphology

在生物学和古生物学的惯例,某生物的形态描述是鉴定生物化石很关键的一部份^[5],然而,在石化过程中^[6],原本生物的形态有不同程度的变形和化学组成变化;古生物化学透过提供化石本身与围岩的三维化学形态^[7]、打开“看进骨头和细胞内”的新路径,用以更充分地探讨某生物生前死后的全面资讯;化学分析有很多是非常破坏性的,样本必须研磨成薄片、或溶解于化学试剂,才能进行化学分析^[8];在此提出的在原位同位多重检测和三维化学形态学,如图4禄丰龙胚胎股骨所示,图5为云南大箐出土的 22 亿年前小虾米亮山体(小虾米亮山体,真核域,黄新属,新种,Liangshania shrimpy Huang gen. et sp. nov. 2021)的截图,显示这两种不同实体化石内的化学成分三维分布。最理想的情况是,先尽其所能的事项所有非破坏性检测,取得内部组织学和化学形态信息,然后才进行不得已的破坏性分析。

图4是一张禄丰龙胚胎骨头拉曼断层扫描 (Raman-CT) 做出来的骨头化石内化学成份的三维排列分布影像,此中蓝色的是化石骨头内以磷酸根波峰代表的磷灰石群,绿色是以碳酸根波峰代表的碳酸盐,红色是以酰胺Ⅲ波峰代表的Ⅰ型胶原蛋白;从图中可以清楚地看到:碳酸盐,并未深入太深,大约从表面深入不到一半的深度,这和第二个实例所说的“碳酸盐胶合 (Carbonate Cementing)”吻合;碳酸盐形成了一个胶合层,并没有非常深入化石的内部,此为碳酸盐胶合现象。

图5为最古老多细胞真核生物小虾米亮山体拉曼断层扫描;从质谱分析得知该化石保存了18种基本氨基酸,同时透过非破坏性的 X射线荧光 (XRF) 分析,得知铁钛锰钡金属离子富集于化石体内,这应该是和那些氨基酸形成了某种结合。该结果显示,有机物和无机物紧密混合夹在一起,而非各自独立存在。

4 个案实例

本文以描述3个探讨化石内保存有机残留物实例为主,并试图探讨凝聚态化学在化石所扮演的角色:(1)约 2 亿年前恐龙与恐龙胚胎骨头内保存 I 型胶原蛋白;(2)实体化石内保存有机残留物的普遍性,探讨碳酸盐胶合 (Carbonate Cementing) 保存;(3)金属离子与蛋白质/胜肽/氨基酸化合。以这三个实例作为引介,期望能更近一步了解这些粗看之下违反“常理”但又有趣的事实背后的凝聚态化学奥秘。

4.1 约二亿年前恐龙与恐龙胚胎骨头内保存I型胶原蛋白

“恐龙胚胎学 (Dinosaur Embryology)”是 2003 年发现的世界最古老恐龙胚胎化石,因而建立起来的恐龙学范畴中的一个新领域;透过“看进骨头内”的研究方针,使用各种先进的科研仪器设备和方法(图6~8),深入了解为什么恐龙胚胎发育过程会如此快速,恐龙为什么会长那么大?透过这些 1.95 亿年前的小骨头,来建立恐龙胚胎学。

图6是在中国台湾同步辐射研究中心 (NSRRC) 的研究成果,利用同步辐射福立业快速转换红外光谱显微 (Synchrotron Radiation FTIR Microscopy),扫描这些快两亿年前的恐龙胚胎股骨切片,在骨质和诸多“原始管状空间 (Primary Tubular Cavity)”交界处,发现了有机残留物的峰,此光谱是最早期的成果纪录,后续分析(图8),终于可证明这些有机残留物是第一种胶原蛋白与其分解物,后续一些相关的论文也已发表^[3,9,10];这些成果,除了提出这是化石内保存有机物的最古老证据之外,更彻底推翻了这个“化石里面不可能保存着有机物”的错误认知,影响重大。

图7为禄丰龙胚胎上颌骨的同步辐射显微 X 射线荧光 (sr-Micro XRF),图片蓝绿合并的背景为磷和钙,代表磷灰石群矿物,红色的是有机硫,显示有机硫在此上颌骨内的二维分布;有机硫的来源,应该是来自蛋白质降解后含硫氨基酸,如半胱胺酸、胱胺酸、甲硫胺酸等;这是另一个化石内保存有机残留物的证据。

讨论禄丰龙和胚胎化石可能的有机残留物保存机制 (Preservation Mechanism),从图4和图6~8,总的来说,三维化学形态配合两种光谱学以及元素分布等,可以非常明显地看出在此化石样本内有机残留物与无机矿物的关系,而且可以确认赤铁矿而非前人所说的针铁矿在保存胶原蛋白扮演非常关键的角色。然而,铁如何和有机物质形成结合,导致容易降解的胶原蛋白可以保存这么久?更底层的凝聚态化学机制是什么?还有待更进一步探讨。

此外,在探讨恐龙胚胎学过程中,也发现有关骨头化石内稀土元素的有趣现象。

在禄丰大洼恐龙山发掘出土的禄丰龙和在易门发现的易门龙成龙骨头化石内,14 个天然镧系稀土元素的总浓度,超过2万ppm,大约是胚胎骨头镧系稀土元素的 11 倍;而锕系稀土元素中的铀浓度,也是 5 倍之多。该现象在云南两种恐龙和其胚胎中都存在同样的情况^[11,12](图9)。恐龙是晚成性动物,幼仔需要喂养一段时间;那么,稀土元素与磷灰石群矿物结合和恐龙骨头化石内保存有机残留物,是否与此有关是值得探讨的问题。

4.2 实体化石内保存有机残留物的普遍性,并探讨碳酸盐胶合(Carbonate Cementing) 保存

“化石”的字面意思为“变化成为石头”,古代生物的有机部分死亡后腐烂,转换成没有生命的无机物——石头.然而,经过使用傅里叶转换红外光谱 (Fourier Transform Infrared Spectroscopy, FTIR),包括同步辐射光源,检测了 63 个不同地质时期、地点和埋藏环境,加上 15 个现生和 9 个围岩样本,每个样本都多次扫描,从 525 次扫描中总共选择了 107 个光谱。结果显示:在实体化石内保存有机残留物是个普遍现象,而非特例^[14];几乎所有的有机物内都有烷基 (—CH₃, —CH₂) 会在 2800 ~ 3000 cm^-1 之间显示两个或多个明确的波峰,如图10;若某光谱有这些波峰,就说该样本含有烷基功能基,也就是有机物,烷基可以用来当为确认筛选的指标;从所检测的烷基,可以说在实体化石内保存有机残留物是个普遍现象,而非特例。

我们取得数据之后,提出两种假设的有机物保存/不被保存的机制:“保鲜膜 Saran Wrap”和“碳酸盐胶合 Carbonate Cementing”机制;(1)有可能在石化过程中,在最外层的蛋白质或其降解物,透过某些金属触媒发生了再聚合作用 (Repolymerizarion),形成一层保护性的“保鲜膜”,保护了里面的有机物质;(2)另一个可能就是“碳酸盐胶合”,碳酸盐把有机物包裹起来,保存了里面的有机物^[13]。

有一大类化石,有别于以磷灰石群矿物为主的骨头,是以碳酸盐基质背景的化石,如贝壳、海胆等;在这类化石内,也有保存着有机残留物,图11显示3种方解石(碳酸钙)的红外光谱;上为实验室合成纯碳酸钙,特征峰在 900 cm^-1 和 1440 cm^-1;中为采自美国蒙大拿州的天然产方解石结晶,除了出现纯方解石特征的两个峰外,另有明显峰出现于 1800 cm^-1 和 2500 cm^-1,在烷基特征处更出现典型明确地烷基峰,表示大自然出产的方解石,晶体内还是保存了有机残留物(以烷基表示);下为珠母贝内方解石,贝壳内的烷基,在加热6 h之后随着加热温度而减少,到了 600 ℃烷基峰几乎完全消失,在较低波长部分 (1900~600 cm^-1) 也有明显变化,表示部分的有机物质被烧掉了^[14]。

图12 a~j 是多种不同地点、不同埋藏环境、不同地质时期,从约 5.65 亿年前伊迪卡拉纪实体化石,经古生代中生代和新生代,到约三万年前从澎湖海沟捞出哺乳类化石^[15]的红外光谱比较;除了图12j 之外,都可在烷基波长内,看到明确的烷基峰;比较大约相同三万年前在中国台湾台南关庙出土的哺乳类化石图12i和泡在海水中不知道多久的澎湖海沟哺乳类化石图12j,两者的烷基峰有非常明显的差异,前者化石产生于陆相,一直保存在陆相,因此,其内保存以烷基代表的有机残留物就很明显,相对地,原本活在陆相陆桥的动物,后来随着冰期结束海平面的上升而泡在海水中,里面的有机残留物被清洗得几乎不存在了。

碳酸盐胶合最明显的例子,如图13。这是肉食恐龙牙齿小锯齿的二维红外光谱分布图,上面三排显示三种肉食恐龙之二氧化碳物理吸附 (Physisorptions, 2345 cm^-1) 和化学吸附 (Chemisorption,1640 cm^-1) 分布;第二排分别显示物理吸附 (2345 cm^-1),和碳酸磷灰石 A (Carbonatoapatite-A, 879 cm^-1) 与碳酸磷灰石 B (Carbonatoapatite-B, 867 cm^-1);最下一排左边为第四排三张分布图的重叠影像,右边则为烷基的分布图;比较二氧化碳和两种碳酸磷灰石分布重叠影像与烷基分布,明显可以得出碳酸盐形成的胶合层保护了牙本质 (Dentine) 里面的有机残留物。最下排右边为烷基(红色)的分布图,图内的白线划分出了有机残留物和无机物的粗略界线。

这种碳酸盐胶合现象,在以磷灰石群矿物为基质的恐龙牙齿中表现得最明显^[9],在骨头化石中也看到类似的情况^[16]。以碳酸盐为基质的化石尚未深入探讨,因此,碳酸盐胶合现象,是否与有机残留物的保存有密切关系,有待进一部探讨。

4.3 金属离子与蛋白质/胜肽/氨基酸化合与细胞、细胞器

近年来通过研究古元古代 22 亿年前实体化石^{[17⇓⇓⇓⇓~22]},利用古化学手段证明这些远古生物为地球生命演化史中最早的“多细胞 (Multicellular)+真核生物 (Eukaryote)”:这些被命名为小虾米亮山体和花生米亮山体 (花生米亮山体,真核域,黄新属,新种,(Liangshania peanuti) Huang gen. et sp. nov. 2021 )的实体化石内(图14),经由质谱分析,明确显示真核生物细胞之细胞膜石化降解物甾烷 (Steranes);细菌和古菌等没有细胞核之原核生物 (Prokaryote) 细胞膜降解物为藿烷 (Hopanes)^[23],没有甾烷;质谱分析显示高比例的甾烷(图15上),证明这些小虾米亮山体为真核生物^[24];在石油业中,利用甾烷和藿烷的碳数判断形成石油的原本生物种类^[25];这些较晚期生物的甾烷碳数都在 C₂₈ 以上,几乎没有少于 C₂₈ 的甾烷^[26⇓~28]。但是,小虾米体内甾烷碳数有其特点(图15下):在其体内短链 C₂₀ 为最大比例 (61%),再加上C₂₂ 和 C₂₄占比 70%。

两篇论文^[29,30]中提出真核生物的甾烷侧链(在 C₁₇ 位置)的烷基化 (Methylation) 和去烷基化 (Demethylation),想到是否有另一种可能,小虾米的 C₂₈ 和 C₃₀ 是从短链的 C_20~24 的侧链经甲烷化而来,或者反过来,C_20~24 是从 C₂₈ 和 C₃₀ 去除侧链烷。从图15下来看,C_20~24 只在小虾米身体内,邻近围岩 M1 仅有少量 C₂₀,完全没有 C₂₂ 和 C₂₄;然而 M1/M2/M3 却有高浓度的 C₂₈ 和 C₃₀,而且都比小虾米体内含高出很多,^M1C₂₈/^BodyC₂₈ 与 ^M1C₃₀/^BodyC₃₀:分别为 2.64 和 4.03;再者,M2 和 M3中的C₂₈ 和C₃₀浓度也都相对较高,^M2C₂₈/^M3C₂₈ 与 ^M2C₃₀/^M3C₃₀ 为:1.56 和 0.021。这是否说明短链和长链之间,有烷基化从短链到长链,或去烷基化从长链到短链?

透过多频显微技术^[31,32],确认为多细胞生物,小虾米细胞平均大小为 12.6×2.9 μm 和花生米 20.5×5.2 μm(图16);用 30 nm 解析度同步辐射穿透式 X射线显微 (Synchrotron Radiation Transmission X-Ray Microscopy, sr-TXM)可清楚地观测小虾米细胞内的诸多细胞器(图17)。如:细胞核 (Nucleus),核膜 (Nuclear Envelope),核仁 (Nucleolus),核纤层蛋白 (Nuclear Lamin),高尔基氏体 (Golgi Apparatus),异染色质 (Heterochromatin)和内质网 (Endoplasmic Reticulum)等。该技术能看到化石里面的细胞和诸多细胞器,有别于其他报道中观测到化石里的细胞,通常仅为或方或圆的影像^[33]。

另外,在这些小虾米身体内,发现了 18 种氨基酸(图18):Gly, Ala, Ser, Pro, Val, Thr, Cys, Ile, Asn, Asp, Gln, Glu, Met, His, Phe, Arg, Ty, Trp 和 Cys-Cys,其中 Ser 和 Asp 浓度最高。如果从化石本体内保存有机残留物的角度来说,排除生物标志(Biomarker)的化合物之外,这是最古老实体化石里面保存有机残留物的纪录。氨基酸基本上都是水溶性的^[34],这些生物死亡后一直在海水中存在约几亿年,即便后来地层隆起到陆地,也有很多渗入岩层的水冲洗,如何保存这些氨基酸。也有怀疑这些化石有可能是细菌的菌落遗迹,然而,不同的蛋白质源,有不同的氨基酸组成^[35],透过组成蛋白质之氨基酸的组成 (Composition)可以推论出两者的源头蛋白质不同;已知真核生物最常见的氨基酸(>5%)为:Gly, Ser, Thr, Pro 和 Gln 等5种,在小虾米内这5种真核生物氨基酸都大于围岩内者,原核生物最常见的氨基酸组成为:Arg, Ile, Ala, Glu, Lys, Asp, Leu 和 Val 等8种^[36],在围岩内这8种原核生物的组成氨基酸都相对高于化石体内;这就排除细菌侵入成菌落,反而成为小虾米为真核生物的另一个证据。

从小虾米和花生米的拉曼光谱(图19)来说,两者几乎完全一样,只是强度有些差别,因此可说化学成分应该是相同的,花生米是否是小虾米的幼体。在生物界称之为蜕变 (Metamorphosis)。如何解释两者的拉曼光谱如此相同?

通过XRF 检测,看到这些生物体内有4种金属:铁钛锰钡的富集现象(图20),因此认为小虾米体内是金属氨基酸结合,成为非水溶性的结合物;食品界已使用的过渡金属与氨基酸的螯合物 (Chelate)^[37,38],在高于pH值为7以上为非水溶性,而海水的酸碱值,通常在 pH=7.2 或更高^[39];这可用来解释为何这些氨基酸没有被水洗干净。

拉曼光谱得到不错的结果,看到无机金属和有机的波峰,在花生米的拉曼光谱中也看到 Ser-Ba²⁺ (1574 cm^-1) 的鉴定波峰^[40]。

用拉曼光谱干酪根 (Kerogen) 区段的 D 和 G 带,可推算出该地层的变质温度^[41],该地层的变质温度大约为 221 ℃,属于很低度变质作用;这可用来作为化石保存的一个条件,如果挤压变质的温度很高,地层内的有机物质被烧光,就看不到实体化石保存下来。

拉曼光谱还可用来进行三维扫描,制作出化石里面不同化学成分的三维分布,此称为化学形态学(Chemical Morphology),图21右为 22 亿年前小虾米的化学形态学,影像的长宽各为 60 μm,图中冷色为无机金属矿物的位置,暖色为有机物,包括干酪根 1300~1650cm^-1烷基。可以看出有机物质和无机物质紧密相互包裹,表示这些金属和氨基酸紧密的结合, 图21是从小虾米和花生米三维拉曼视频中截取的影像,黄色虚线标示出细胞的轮廓,从尺寸来说,来自拉曼光谱三维扫描小虾米和花生米的细胞大小,与从多频显微与同步辐射 TXM 所得到的一致,都在合理范围之内;这是证明这两种远古生物细胞的第三重坚固证据。

在此探讨过程中发现一个有趣的现象:在两个实验室以不同入射激光波长、在同点原位取得的拉曼光谱,D 和 G 带的位置和波峰强度,有相当大的变化,如图22,可能的原因是:因为这些化石里的化学成分,显示出凝聚态物理学 (Condensed Matter Physics) 中的“电子声子耦合 (Electron-Phonon Coupling)”影响,所以才会造成如此的现象。另外也有报道^[42]指出拉曼信号与激发雷射波长的关系,无法以非共振式拉曼散射 (Non-Resonance Raman Scattering) 原理来解释。拉曼信号随着振动频率的增加而降低,这些化合物的共振拉曼散射,样本中的电子被激发到激发态,接着这些被激发的电子,在激发态中透过一些电子声子耦合作用,经由几个弛豫阶段 (Relaxation Phase) 回到基态 (Ground State),图23。在此激发态的弛豫阶段所得到的光谱结果,可能会和非共振拉曼散射不同。

因此,认为大箐生物体内含有凝聚态化学的产物,是合理的推论。大自然在20多亿年前,就用了凝聚态化学反应,要不然怎么会有凝聚态物理现象?也就是说,花生米化石内,已有凝聚态化学产物!证明大自然界在 22 亿年前,就有了凝聚态化学反应。

5 讨论与总结

5.1 讨论

氧气对于真核生物的影响。大气层中氧气增加,大大地改变了地表化学环境,导致地球某些生物出现与生存^[43,44];在太古代 (Archean) 之后的元古代大氧化事件 (Great Oxygenation Event, GOE)(图24中蓝色框)大约 22.2—20.5 亿年期间,大气层中氧气浓度 (2%~3%) 比太古代 (0.2%~0.3%) 增加了大约十倍,而且维持了一段好长的时间;在此之前的 2 亿年间,氧气浓度有所起伏,特别是 23-23.5 亿年期间,依据碳-13 漂移 (δ¹³C Excursion) 证据显示,新太古代曾经有两次高氧峰期,图24左边两小蓝色背景部分;诸多无机地球化学证据显示,在大氧化事件之前的 10 亿年间,也有生物性产氧,早期的氧气累积可能很动态波动;氧气的化学光合作用 (Chemical Photosynthesis) 产生大量氧气,地球诸多生物,特别是多细胞真核生物,需要有足够多氧气才会出现,而且这些多细胞真核生物的生存需要依赖稳定高浓度氧气之存在;因此,在 22.2 亿年之后,理论上来说应该可能还有其他多细胞真核生物出现与存在。目前仅做了 22 亿年的两种大箐生物群的多细胞真核生物。滇中化石材料有发现新太古代的化石,不能排除找到多细胞真核生物生物的可能性。世界其他各地不像云南中部,从新太古代到新元古代 (Neoproterozoic) ~28—5.4 亿年,整整超过 22 亿年漫长期间,出现了一系列的远古生物化石。

反应溶剂的考虑。这些有机物保存的化学反应,不一定是在充分的液态水环境中,陆相动物被快速掩埋,有可能是山崩泥石流。海相生物死后被覆盖掩埋才开始石化,所以也不是完全浸泡在无限量的水中。在这两种情况下,石化作用中的元素离子置换等化学反应,来自相对比较有限量的邻近地层中水。此外,当化石被压在厚厚的沉积中,地层本身或上面海水的压力很大,深层埋藏时温度也和地表温度也会有差异;加上在掩埋的环境中,通常为无氧状态,或低氧环境,还存在微生物,因此石化过程的化学反应环境在如此少水高压升温缺氧的化学反应是否是凝聚态。一旦该化石地层被抬升,或表层被风化到大约 10 m,就会受到大气层氧气和天候的影响,化石所进行的化学反应条件又会发生改变,有氧参与之后化学反应条件又有什么变化值得探究。

硅化木(俗称木化石)的形成,是一个令人困惑的研究。一般认为,木化石的形成,通常是在火山爆发或地壳变动时带来大量的尘土与泥沙,或沼泽地突然下陷,将生存中的植物迅速掩埋,硅酸盐类矿物质取代有机物,产生目前所发现的木化石;另外一说是古代的植物经由砂岩长时间的堆积覆盖,细胞组织由硅酸盐类的硅化作用而形成坚硬的木化石。

上述的这两种木化石形成的机制,都提到木头里面的有机组织,在掩埋过程中被“高浓度”的硅酸盐取代置换,因此保存了原本的木质结构。然而问题是:硅酸盐的水溶解度很低,即便是硅酸在水中的溶解度于 25 ℃ 约为 0.002mol/L,那么,要有多少含硅酸盐的水、渗透进入木头,才能一个细胞一个细胞地取代完成呢?要多久的时间,从最核心到树皮都被二氧化硅取代置换,需要多少量的高浓度含硅酸盐地下水渗入,形成木化石的化学机制是什么,与凝聚态化学的关系如何?这些问题都值得深入研究。

琥珀是另外一类重要的化石,里面常常包裹着古代的动植物,很多是已经灭绝的物种,提供了很多古生态和生物演化的宝贵信息。琥珀内所保存的古生物,从形态颜色等角度来说,应该是所有化石中变化较小的。但从化学成份角度来说,这些化学反应发生在黏稠的有机物里面,几乎是没有或很少很少水份的环境,会是什么化学反应机制,这其中的化学变化机制又是什么,凝聚态化学在此扮演什么角色仍未可知。

5.2 总结

总的一句来说,虽然现在我们对于凝聚态化学在古生物化学中扮演的角色和机制,还有太多不了解,然而从这些古生物化石的实例来说,可以看出凝聚态化学绝非仅是理论化学的旁观者,而是关键角色,它的重要性值得我们投入去深入探讨,揭开从古代生物到你我手中化石无数化学反应最底层化学的奥秘。

Declaration of Interest: The authors declare no competing interests.

参考文献

原文顺序 | 出版日期 | 本文引用

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