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环境与生命矿物学的科学内涵与研究方法(3)
时间：2016-03-17 13:51 文章来源：http://www.lunwenbuluo.com 作者：李胜荣，许虹，申俊峰 点击次数：
3生命矿物对环境变化的特殊敏感性
3.1地域变迁的生命矿物响应
生物体中的矿物对生物所处地域有特殊的敏感性。人们最熟知的一个例子是地方病。生活在高氟地区的人群，普遍患有氟斑牙（可能形成氟羟磷灰石、氟磷灰石或萤石纳米颗粒)。牙齿主要是由磷酸盐类矿物羟磷灰石构成的，牙齿中的羟磷灰石对地域的响应是通过水土中氟的作用实现的。不过，我们这里所指的生命矿物的地域性，其成因常常是隐性的，不像地方病那样容易从外界环境得到阐释，而可能主要地与生物基因或生物的种群有关。例如，生活在欧洲、美洲等地方的人群，较之于生活在亚洲的人群，其骨骼(也主要是由羟磷灰石和碳酸磷灰石构成时4)普遍发育比较粗大。我们对中国长江水系(无锡太湖和新安六步岗）中的鲤鱼矢耳石质量与鲤鱼鱼体质量的关系和澳大利亚墨累河的鲤鱼矢耳石质量与其鲤鱼鱼体质量的关系进行了比较，发现两者各自具有良好的线性相关性，同时在矢耳石质量-鱼体质量相关关系图中可以看出，对于同样质量的鲤鱼，其矢耳石在墨累河鲤鱼中较长江水系鲤鱼中重得多。我们的研究还表明，鲤鱼及其耳石的质量与其大小具正比关系。因此，同样大小的鲤鱼,其矢耳石在墨累河中较长江水系中生长速度要快得多。矢耳石质量95%左右都是由文石组成的，显然，鲤鱼耳石中文石矿物的生长与其地域有密切的关系。为了避免因不同研究者使用不同仪器测量造成的系统误差，我们同时对北京密云水库、河北白洋淀以及黑龙江等地的鲤鱼及其耳石的有关参数进行了研究，也得出相同的结论。
生命矿物对地域变迁的响应不仅表现在矿物集合体(或矿物的载体）生长速度方面，也表现在矿物集合体或其载体生长的不同阶段具有不同的化学和同位素组成等特征。例如，洄游性鱼类的耳石中就保存有其在海洋生活阶段和大陆河湖生活阶段的详细记录。对于后者的研究，已积累有相当多的资料，但在研究的深度和广度方面还很欠缺。对于前者，虽然看似简单，但却还没有得到有关研究者的重视，而其更广泛、更缜密的研究，必然能使之成为一种简单实用的识别种群与地域方法，从而进行合理的渔业管理的生命矿物标型，是值得有关研究者注意的。
3.2气候变迁的生命矿物响应
生命矿物对气候的变化也很敏感，气候变化的一项主要指标是温度。气温能直接影响植物的生长，影响水土中的营养元素进入植物，因而能影响植物中矿物的形成和生长；同时，对于以植物为主要摄食对象的动物，其体内的矿物生长也会因气温变化及其所导致的植物生长变化而发生变化。例如，水稻中存在有纳米Sio2,它主要是从土壤和水中吸收进入水稻体内并形成纳米Sio2矿物的;气温下降势必使硅元素在土壤-水-植物之间的迁移速率下降，从而降低纳米Sio2矿物的形成速率。鱼耳石中生长轮的宽窄在冬季和夏季也有明显的差异，反映了不同气候条件下鱼的摄食量对耳石中矿物生长的影响。
生命矿物对其生长介质条件的反映也常常需要借助于一些隐含的信息来加以揭示。例如，鱼耳石对水温的反映就需要借助于耳石中碳酸钙类矿物(文石或球文石）的氧同位素来加以揭示。现存生物体中的生命矿物能以年甚至季、月为尺度精细地刻画气候的变化。从地质历史时期中遗存下来的生命矿物(可称为“古生命矿物”）中寻找气候信息，对大尺度气候变化的研究则十分重要。由于保存在地层中的生物有机体极易在氧化条件下被无机物质所交代成化石，而生命矿物往往是在有氧条件下形成的，在地表的低温氧化条件下一般不发生变化，因而能够保存其形成时的化学成分、同位素及结构信息。研究古生命矿物的化学成分、同位素和晶体结构，便能揭示地质历史时期中的环境特征，包括其气候的变迁。对古生命矿物的研究，古生物学家在形态学方面建树甚多，但较少从其隐含的环境信息出发进行研究。成因矿物学家应当在古生命矿物的环境信息研究中有所作为。
3.3生态系统重金属污染的生命矿物响应
生态系统中的重金属污染对生物体的影响是众所周知的。在系统中的重金属尚不足以造成生物本身可直接感知的影响，如肌肉腐烂、骨骼变形等等时，某些生命矿物却能灵敏地反映重金属潜在的危险。这是因为生物将进入其体内的污染物运输到生命矿物中而固定下来，以减小污染物对生物体的毒害。这种作用，被称为“生物隔离（compartmenta-tion)或屏蔽（sequestration)作用”。实验表明，软体动物的贝壳、甲壳类和棘皮动物的外骨骼以及鱼的表皮均能吸附相当数量的重金属、有机污染物以及人工放射性核素。例如，双壳类浅海底栖动物牡蛎的贝壳积累了很高的重金属，在一定程度上缓解了重金属对牡蛎软体的毒害。在水体中的重金属能通过鱼类的代谢过程进入鱼体首先在其血液中循环，当重金属的量明显高于正常含量时，这些金属便大量进入鱼的耳石中以避免对鱼的生命过程造成不利的影响。由于生物屏蔽作用的存在，鱼耳石中的重金属含量通常比鱼体中的有机组分和血液中要高得多，比其生活的水体中也要高得多。
3.4生态系统有机污染的生命矿物响应
生命活动过程中可以形成多种有机矿。有机矿物对生态系统中的有机污染无疑有最直接的响应关系，可以给出有机污染的信息。不过，从在自然界的分布来看,有机矿物的分布远没有生物体中无机矿物的分布广泛。因此，探讨生物体中无机矿物对环境中有机污染的响应是很有意义的。
有机污染有多种类型，其中，引发赤潮的菌藻类生物大量繁育是水域有机污染的主要类型之一；而菌藻类大量繁育是与水体中溶解的磷及氮、钾、硫、碳等元素密切相关的。除磷早已是我国许多水域有机污染治理的主要措施。我们利用LA-ICP-MS方法对北京密云水库和河北白洋淀的鲤鱼耳石的磷(31P)含量进行了测定，发现白洋淀的鲤鱼耳石中的磷含量（（9001~1529.81)X10-6，共27个数据，其中17个数据大于213X10-6，22个数据大于150X1(T6)明显高于密云水库的鲤鱼耳石中的磷含量((88.44~269.37)X10-6，共28个数据，其中21个数据小于150X10-6〇。而多年来，白洋淀周边的大量工业和生活垃圾进入淀区，不仅造成淀水的重金属污染，还导致淀水中菌藻繁育，构成严重的有机污染。白洋淀鲤鱼耳石中磷含量显著高于密云水库鲤鱼耳石磷含量，正是白洋淀区有机污染的结果。无疑，生命矿物对有机污染相当敏感进一步研究有机污染的生命矿物响应很有必要。
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