探險(xiǎn)古老沉積物，類“DNA”苯并藿烷大揭秘
想象一下你在挖泥土，但這可不是普通的泥土，而是大約1億年前的古老泥土。如果我告訴你這些古老泥土里藏著有趣的小分子故事，和人類一樣有著自己獨(dú)特的“DNA”，你會(huì)怎么想？現(xiàn)在，讓我們一起來認(rèn)識(shí)一下苯并藿烷——聽起來像一種新潮的咖啡，但其實(shí)是大自然的小型化學(xué)時(shí)間膠囊。
什么是苯并藿烷？
苯并藿烷就像是從早白堊紀(jì)（恐龍還存在的時(shí)候）幸存下來的“化學(xué)偵探”，幫助地質(zhì)科學(xué)家揭開古代世界的秘密。從化學(xué)結(jié)構(gòu)上看，苯并藿烷是一種多環(huán)芳烴，屬于類鯊烯醇類物質(zhì)的一部分，源于細(xì)菌細(xì)胞膜中的前驅(qū)物。
在中國東北的朝陽盆地，中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)了五種系列的苯并藿烷（a, b，c, d和e系列），這些家伙可能正悠閑地享受它們的古老退休生活。但科學(xué)家們可不打算讓它們閑著，而是通過分析這些分子恢復(fù)了那個(gè)時(shí)代的沉積環(huán)境和溫度狀況。
假設(shè)一下，苯并藿烷是來自史前超級(jí)燒烤派對(duì)的古老剩菜，被埋藏在泥土里面。不過，這場派對(duì)里面沒有排骨和漢堡，而是細(xì)菌們?cè)跀?shù)百萬年前“狂吃”有機(jī)物。
隨著這些細(xì)菌大快朵頤，它們留下了一些油膩的“指紋”——被稱為苯并藿烷的復(fù)雜分子。快進(jìn)1億年，這些油膩的“指紋”還在泥土里完好保存。這些苯并藿烷能告訴我們這場史前燒烤派對(duì)的情況，包括燒烤溫度有多高，派對(duì)是在海邊還是公園里舉行的！所以，苯并藿烷就像大自然的古老食譜卡片，幫我們弄清楚大約1億年前的燒烤派對(duì)到底是怎么回事。
苯并藿烷的起源與鑒定
自20世紀(jì)70年代以來，類鯊烯醇類物質(zhì)及其化學(xué)結(jié)構(gòu)和各種衍生物（包括苯并藿烷）在生物降解瀝青、原油、碳酸鹽、煤和湖泊沉積物中被逐步鑒定出來。目前已報(bào)道的苯并藿烷有三個(gè)系列，包括C-20位環(huán)化的常規(guī)苯并藿烷（a系列）、六環(huán)苯并藿烷（b系列）和C-16位環(huán)化的苯并藿烷（c系列）。
研究發(fā)現(xiàn)苯并藿烷系列a和c廣泛存在于沉積巖和原油中，但在蒸發(fā)巖和碳酸鹽巖環(huán)境中尤其豐富，苯并藿烷b系列和c系列似乎只出現(xiàn)在未成熟的沉積物中。
近期，在中國東北地區(qū)朝陽盆地早白堊時(shí)期湖泊環(huán)境未成熟的沉積物中發(fā)現(xiàn)了兩個(gè)新的苯并藿烷系列化合物（d和e系列）。這兩個(gè)新的苯并藿烷系列與已報(bào)道的苯并藿烷a, b和c系列形成機(jī)制并不一樣，從化學(xué)結(jié)構(gòu)式上看d和e系列可能存在一個(gè)甲基官能團(tuán)從C-18到C-19或者C-13的遷移。
古老泥土中五種苯并藿烷（C33a, C33b, C33c, C33d, C33e）形成示意圖
（圖片來源：作者自制）
苯并藿烷的應(yīng)用與地質(zhì)意義
為什么我們要關(guān)心這些古代化學(xué)遺留物？因?yàn)楸讲⑥酵榭赡軒臀覀冋业绞秃兔禾?。石油的生成得益于生油窗，它是指在熱催化作用下，有機(jī)質(zhì)能夠大量轉(zhuǎn)化為石油和濕氣的生油時(shí)期，也是有機(jī)質(zhì)大量生成液態(tài)石油的溫度（或深度）區(qū)間。
研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)“燒烤溫度”太高了，即地質(zhì)溫度超過了“生油窗”期時(shí)，苯并藿烷b—e系列就不會(huì)存在于這些泥土里面。因?yàn)殡S著時(shí)間的推移，沉積物被地球的壓力和熱量壓縮，細(xì)菌的活動(dòng)強(qiáng)烈程度被改變，一系列的芳構(gòu)化、脫水、氧化還原等化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致新的物質(zhì)形成，亦或原來的物質(zhì)分解成更細(xì)小的分子。
因此，通過分析不同苯并藿烷系列的存在以及含量分布特征就可以反映出沉積物是否處在生油窗時(shí)期，從而幫助石油地質(zhì)學(xué)家們更準(zhǔn)確地進(jìn)行資源勘探。這就像燒烤時(shí)尋找最合適的溫度，確?？境鰜淼氖澄锊皇强竞幕蛘呤沁€沒熟透的！
此外，研究還發(fā)現(xiàn)在古老沉積物中，a系列通常是主要的苯并藿烷系列，但有時(shí)c系列苯并藿烷會(huì)占據(jù)主導(dǎo)地位。b系列苯并藿烷可能與陸源有機(jī)質(zhì)有關(guān)，a和b系列苯并藿烷可能受氧化還原性質(zhì)的影響，而c系苯并藿烷的形成和富集更可能受古鹽度的控制。
基于這些不同細(xì)菌改造形成的不同系列的苯并藿烷組合分布，兩個(gè)新的古環(huán)境指標(biāo)（苯并藿烷指數(shù)和C35/C34苯并藿烷比值）被提出且被證明能良好反映出當(dāng)時(shí)沉積物埋藏的時(shí)候環(huán)境的鹽度和氧化還原性質(zhì)（一般而言，較高的苯并藿烷指數(shù)和C35/C34苯并藿烷比值指示缺氧環(huán)境）。與此類似，通過品嘗燒烤的食物，你就可以分辨燒烤的時(shí)候你給食材加了多少鹽和辣椒一樣。
結(jié)?語
d和e系列苯并藿烷在中國東北地區(qū)朝陽盆地的首次發(fā)現(xiàn)與鑒定打破了地質(zhì)學(xué)家對(duì)傳統(tǒng)苯并藿烷三個(gè)系列化合物的認(rèn)識(shí)，讓我們認(rèn)識(shí)到苯并藿烷的分子復(fù)雜性。未來，我們需要更多的碳同位素組成研究，以及在不同熱梯度環(huán)境中的古老沉積物的熱裂解實(shí)驗(yàn)，以進(jìn)一步探究這些苯并藿烷的生物來源。
總而言之，苯并藿烷能教我們地球過去的故事，讓我們了解地球在數(shù)百萬年里的變化。所以下次有人提到苯并藿烷，一定要記住：它們是古老泥土中的無名英雄，不僅擅長破解古環(huán)境的謎團(tuán)，還能幫我們找到一些埋藏的資源寶藏！
參考文獻(xiàn)：
1. Jiang,L. (姜連), Li,Li., Nytoft,H. P., Wang,Y. (王云鵬), George,S.C.,2024. Five series of benzohopanes in early Cretaceous sediments from the Chaoyang Basin, NE China. Organic Geochemistry 195, 104843.
出品：科普中國
作者：姜連（中國科學(xué)院廣州地球化學(xué)研究所）
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