厦大海洋有机地球化学讲义

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1、1第七章 海洋有机地球化学第七章 海洋有机地球化学第第1节 引言节 引言一、海洋有机物的重要性一、海洋有机物的重要性1、生命的起源：、生命的起源：众多学说与争论的主题众多学说与争论的主题1.1 生命出现的年代生命出现的年代? 现在的科学家猜想，距今 42 亿年前，最早的原始大气层和海洋在地球上刚形成时，很可能就出现了生命, 但在距今约39亿年前的时候，地球惨遭陨星撞击，最初的大气、海洋和生物迹象被彻底摧毁，一切从头开始。现在的科学家猜想，距今 42 亿年前，最早的原始大气层和海洋在地球上刚形成时，很可能就出现了生命, 但在距今约39亿年前的时候，地球惨遭陨星撞击，最初的大气、海洋和生物迹象被彻

2、底摧毁，一切从头开始。? 在格陵兰西部发现的含有碳氢化合物的化石表明，在38亿年前生命或许就重新开始了。间隔时间如此之短，实在是一个奇迹。在格陵兰西部发现的含有碳氢化合物的化石表明，在38亿年前生命或许就重新开始了。间隔时间如此之短，实在是一个奇迹。1.2 生命产生的机制生命产生的机制（1）无机合成说:（1）无机合成说:? 19世纪早期，弗里德里希19世纪早期，弗里德里希维勒首次在实验中人工合成了尿素，有机化学就此创立。人们认识到，维勒首次在实验中人工合成了尿素，有机化学就此创立。人们认识到，有机物在没有活体生物介入的情况下也能产生出来有机物在没有活体生物介入的情况下也能产生出来；2? 20世

3、纪20年代，俄罗斯生物化学家亚历山大20世纪20年代，俄罗斯生物化学家亚历山大伊万 诺维奇伊万 诺维奇奥巴林注意到，油分散后形成的小油滴， 表面上与那些简单的球形细胞很相似，他推测，如 果C、H、N、O这4种最基本且最丰富的元素结合到一起，它们就会形成生物的有机奥巴林注意到，油分散后形成的小油滴， 表面上与那些简单的球形细胞很相似，他推测，如 果C、H、N、O这4种最基本且最丰富的元素结合到一起，它们就会形成生物的有机“元素元素”，然后， 像CO，然后， 像CO2 2、NH、NH3 3、CH、CH4 4等小而稳定的分子或许就能够 与水化合形成更复杂且更大的分子，接着，这个假想的等小而稳定的分子

4、或许就能够 与水化合形成更复杂且更大的分子，接着，这个假想的“原始汤原始汤”与其周围的物质进一步聚合，或许就 生成了酶，最终形成复杂的蛋白质。与其周围的物质进一步聚合，或许就 生成了酶，最终形成复杂的蛋白质。? 1953年，芝加哥大学的研究 生斯坦利1953年，芝加哥大学的研究 生斯坦利米勒将甲烷、氨 和氢的混合物注入水中，并 持续放电，几星期后，瓶子 里的水变成了黄绿色，有机 分子合成了，其中包括25个 氨基酸分子，这种物质是构 成蛋白质的基本物质之一。 此后，辐射和紫外线等被引 入试验，合成出更复杂的分 子，其中就有形成核酸的基 本要素米勒将甲烷、氨 和氢的混合物注入水中，并 持续放电，几

5、星期后，瓶子 里的水变成了黄绿色，有机 分子合成了，其中包括25个 氨基酸分子，这种物质是构 成蛋白质的基本物质之一。 此后，辐射和紫外线等被引 入试验，合成出更复杂的分 子，其中就有形成核酸的基 本要素腺嘌呤。腺嘌呤。存在问题：存在问题：这些合成的分子如何最终形成生命？至 今还不清楚，这些合成的分子如何最终形成生命？至 今还不清楚，问题的核心不在于氨基 酸，而在于蛋白质问题的核心不在于氨基 酸，而在于蛋白质。 你把氨基酸串在一起，就得到了蛋白质，但事情 不是如此简单，按照统计概率法则，氨基酸要按照 特定排序形成蛋白质是不可能的。例如，血红蛋白 这一比较。 你把氨基酸串在一起，就得到了蛋白质，

6、但事情 不是如此简单，按照统计概率法则，氨基酸要按照 特定排序形成蛋白质是不可能的。例如，血红蛋白 这一比较“小小”的蛋白质含有146个氨基酸，其排列组 合方式有10的蛋白质含有146个氨基酸，其排列组 合方式有10190190种可能性。剑桥大学的化学家马克斯种可能性。剑桥大学的化学家马克 斯佩鲁茨花了23年时间才明白：想要随随便便制造 哪怕一个蛋白质分子似乎是不可能的，更何况蛋白 质有几十万种。佩鲁茨花了23年时间才明白：想要随随便便制造 哪怕一个蛋白质分子似乎是不可能的，更何况蛋白 质有几十万种。（2）太空说）太空说? 1871年，开尔文勋爵在一次会议上提出：1871年，开尔文勋爵在一次会

7、议上提出：“生命 的种子可能是陨石带到地球上的生命 的种子可能是陨石带到地球上的”。 ? 1969年9月，一个火球在澳大利亚墨奇森上空爆 炸，接着石块像雨点一样纷纷落下，对这些陨石 进行的年代学测定显示，其1969年9月，一个火球在澳大利亚墨奇森上空爆 炸，接着石块像雨点一样纷纷落下，对这些陨石 进行的年代学测定显示，其年代达45亿年之久年代达45亿年之久， 令人惊讶的是，其上布满了， 令人惊讶的是，其上布满了74种之多的氨基酸74种之多的氨基酸， 其中8种跟形成地球上的蛋白质有关；2001年的 分析表明，其还含有一系列复杂的糖。， 其中8种跟形成地球上的蛋白质有关；2001年的 分析表明，其

8、还含有一系列复杂的糖。3? 2000年1月，一块碳质球状陨石降落在加拿大塔 吉什湖附近，它同样存在丰富的有机化合物。2000年1月，一块碳质球状陨石降落在加拿大塔 吉什湖附近，它同样存在丰富的有机化合物。 ? 哈雷彗星大约25%是有机分子，要是它们经常坠 落在地球上，地球就有了生命所需的基本元素。哈雷彗星大约25%是有机分子，要是它们经常坠 落在地球上，地球就有了生命所需的基本元素。 ? 存在问题：存在问题： （1）没有回答生命是如何 产生的问题，只是把 责任推给别的地方； （2）证据仍不足。（1）没有回答生命是如何 产生的问题，只是把 责任推给别的地方； （2）证据仍不足。1.3 生命出现的

9、形式生命出现的形式2001年，科学家们发现，在海洋的热液区，古 生菌可能是数量最丰富的有机体，它们可以承受高 盐度（352001年，科学家们发现，在海洋的热液区，古 生菌可能是数量最丰富的有机体，它们可以承受高 盐度（35）、高温（113）、高温（113C）、高压和强酸性 （pH=1）。因此推测，在地球生物演化的早期阶 段，这些微生物或许曾繁荣昌盛，更好地了解他 们，很可能会为研究生命起源提供一个新的视角。C）、高压和强酸性 （pH=1）。因此推测，在地球生物演化的早期阶 段，这些微生物或许曾繁荣昌盛，更好地了解他 们，很可能会为研究生命起源提供一个新的视角。2、海洋有机物生物地球化学循环的重

10、要性、海洋有机物生物地球化学循环的重要性（1）有机组分在海洋储圈中具有重要地位，因为它们直接影响着各种海洋生命，对于探索地球生命的起源也具有一定的意义。（2）有机组分构成了所有生物的组织，同时也是异氧生物的主要食物来源。（1）有机组分在海洋储圈中具有重要地位，因为它们直接影响着各种海洋生命，对于探索地球生命的起源也具有一定的意义。（2）有机组分构成了所有生物的组织，同时也是异氧生物的主要食物来源。（3）海洋生物除了将有机组分作为生长所需的物质 与能量来源外，还利用其作为相互联系的中介。 有些海洋生物会分泌被称作信息素的有机组分 来吸引异性； 有些生物会分泌有毒的有机组分来抵御其它生 物的进攻；

11、 而有些生物则利用有机组分作为有毒物质的解 毒剂等。 海洋生物体内或释放至环境中的这些有机组分 对于人类来说具有重要的实用价值，可用于药 物、食物填加剂、润滑剂等的提取与合成。（3）海洋生物除了将有机组分作为生长所需的物质 与能量来源外，还利用其作为相互联系的中介。 有些海洋生物会分泌被称作信息素的有机组分 来吸引异性； 有些生物会分泌有毒的有机组分来抵御其它生 物的进攻； 而有些生物则利用有机组分作为有毒物质的解 毒剂等。 海洋生物体内或释放至环境中的这些有机组分 对于人类来说具有重要的实用价值，可用于药 物、食物填加剂、润滑剂等的提取与合成。4（4）在海水体系中，尽管有机物含量占总含盐量的

12、 比例不足0.01%，但有机组分可通过络合和吸 附作用与许多痕量元素结合，从而影响这些元 素的地球化学行为与生物活性。 （5）海水中的颗粒有机物是C、N、P等生源要素从 表层输送至深层，乃至埋藏在沉积物的主要载 体，对海洋生源要素的生物地球化学循环也有 明显影响。（4）在海水体系中，尽管有机物含量占总含盐量的 比例不足0.01%，但有机组分可通过络合和吸 附作用与许多痕量元素结合，从而影响这些元 素的地球化学行为与生物活性。 （5）海水中的颗粒有机物是C、N、P等生源要素从 表层输送至深层，乃至埋藏在沉积物的主要载 体，对海洋生源要素的生物地球化学循环也有 明显影响。（6）海洋沉积物中的有机组

13、分会影响海洋沉积物的 性质，如增加颗粒物之间的黏性，限制其再悬 浮，从而为底栖生物提供充足的食物来源。另 外，它们也提供了化石燃料形成以及古海洋学 事件的诸多信息，为反演海洋演化历史提供了 极佳的指示剂。（6）海洋沉积物中的有机组分会影响海洋沉积物的 性质，如增加颗粒物之间的黏性，限制其再悬 浮，从而为底栖生物提供充足的食物来源。另 外，它们也提供了化石燃料形成以及古海洋学 事件的诸多信息，为反演海洋演化历史提供了 极佳的指示剂。二、海洋有机地球化学研究二、海洋有机地球化学研究? 海洋有机地球化学是化学海洋学的一个分支，它主 要通过研究与还原性碳相关的物质来揭示海洋生态 系的结构、功能与演化。

14、海洋有机地球化学是化学海洋学的一个分支，它主 要通过研究与还原性碳相关的物质来揭示海洋生态 系的结构、功能与演化。 ? 海洋有机地球化学所研究组分均包含元素碳，且每 一个碳都与另外H、O、N、S等共价结合，形成具 有不同粒径、不同极性、不同电荷以及不同环境行 为的各种各样分子。海洋有机地球化学所研究组分均包含元素碳，且每 一个碳都与另外H、O、N、S等共价结合，形成具 有不同粒径、不同极性、不同电荷以及不同环境行 为的各种各样分子。1、研究范畴：1、研究范畴：? 海洋有机地球化学从其渊源来说，与生物化学、土 壤与石油地球化学具有密切联系，也与早期海洋学 对生物刺激物质、毒素、螯合物的研究也紧密

15、相关。海洋有机地球化学从其渊源来说，与生物化学、土 壤与石油地球化学具有密切联系，也与早期海洋学 对生物刺激物质、毒素、螯合物的研究也紧密相关。5如何鉴别、定量出每一种有机组分？如何鉴别、定量出每一种有机组分？ ? 迄今为止，溶解在海水与保存在沉积物中的有机物 至少有一半以上仍未鉴定出来。迄今为止，溶解在海水与保存在沉积物中的有机物 至少有一半以上仍未鉴定出来。 ? 海洋的有机组分通常以痕量、复杂的混合物形式存 在，它是不同来源、不同年龄、不同反应历史的集 成产物，而通常所采用的分子水平的化学分析方法 仅仅是特定地测定其中某一组分，往往不能代表混 合物的整体。海洋的有机组分通常以痕量、复杂的混

16、合物形式存 在，它是不同来源、不同年龄、不同反应历史的集 成产物，而通常所采用的分子水平的化学分析方法 仅仅是特定地测定其中某一组分，往往不能代表混 合物的整体。2、海洋有机地球化学的挑战：2、海洋有机地球化学的挑战：第第2节 海洋有机物的组成节 海洋有机物的组成一、海洋有机组分的分析一、海洋有机组分的分析（1）简单的分子式（1）简单的分子式C C106106(H(H2 2O)O)106106(NH(NH3 3) )1616POPO4 4被用来表征有机物的平均分子组成，但实际上，海洋有机物质是由一系列不同分子组成，从低分子量的烃类（CH被用来表征有机物的平均分子组成，但实际上，海洋有机物质是由一系列不同分子组成，从低分子量的烃类（CH4 4）到高分子量的聚合物（腐殖酸）。）到高分子量的聚合物（腐殖酸）。（2）由于分析技术所限，有机组分的浓度通常是操 作性定义的：（2）由于分析技术所限，有机组分的浓度通常是操 作性定义的：DINDIN溶解无机氮（dissolved inorganic nitrogen）溶解无机氮（dissolved inorganic ni