化學化石

在大多數情況下，古生物的遺體都因遭到破壞而沒有保存下來。但是在某種特定的條件下，組成生物的有機成分分解後形成的胺基酸、脂肪酸等有機物卻可以仍然保留在岩層里。這些物質看不見、摸不著，但是卻具有一定的有機化學分子結構，足以證明過去生物的存在。因此，科學家就把這類有機物稱為化學化石。

基本介紹

• 中文名：化學化石
• 外文名：chemical fossil
• 特性：有一定的有機化學分子結構
• 作用：證明過去生物的存在
• 檢測儀器：氣相色譜-質譜聯用儀
• 套用：原油勘探、環境方面等

簡介

科學家曾經對3億年前的魚類和雙殼類化石以及1億多年前的恐龍化石進行過化學分析，分析出了7種胺基酸，甚至還在5億年前的古老地層中分析出了胺基酸和蛋白質等有機物。

在氣相色譜-質譜聯用儀和氣相色譜-熱轉換-同尾數比質儀等高新設備上才能確切觀察和研究的地質體中那些來自生命活動的有機體，他們雖然經歷了一定的後期變化（成岩作用、成土作用等），但基本保持了原始生物生化組分的基本碳骨架，具有明確的生物意義，這些有機分子稱為分子化石（molecular fossil）或稱為化學化石（chemical fossil）。

研究意義

化學化石的研究對探明地球上生命的起源和闡明生物進化的歷史具有重要的意義；由於不同地質時期各類生物有機成分多有差異，對化學化石的進一步深入研究對解決生物分類和劃分對比地層都將起到一定的作用。對化學化石的研究目前仍處於探索階段，但是已經顯露出了巨大的發展前景，因此而產生的一門新興學科——古生物化學在不久的將來必將會得到迅速的發展並對整個古生物學科帶來巨大的推動作用。

發展歷程

植物化石，是人類認識植物發展的寶貴資料。也是認識地層、尋找礦產資源的重要手段。因此，尋求歷史長河中的種種信息，是科學工作者最關心的問題。近年來，由於科學技術的進步。在植物化石的家族中，又增加了一名新的成員— — 化學化石。

人類發現植物化石，已有二百多年歷史了。最早的記載是1760年， 自然科學家埃德沃德·廬赫懷德發現了印痕化石。它是大化石中的第一個成員，以後又相繼發現了模型化石、壓型化石和“過礦化”化石等。由於大化石不僅保存了植物的形態，而且有的還具有有機殘骸，保存了植物的結構，因此它在人類認識歷史上是位赫赫有名的功臣。有了它，才建立了古植物學，才能再現植物進化的各種圖象和各時代生機勃勃的植物景觀。但是它們也有辛酸之處，由於這種化石不易完整地保存，變化又慢，因此在生物地層學上，始終是個配角。

為了彌補大化石的缺陷，本世紀初又出現了微體化石。這是植物化石家族中的第二代。微體化石個體小，分布廣，因此對生物地層的研究特別有用，也為人類尋找石油等礦產解決了一系列問題，因此微體化石成了人類的寵兒。

近年來，隨著人們對能源研究的深入和生物化學技術的曰益成熟，第三代化石— — 化學化石又應運而生了。最早研究化學化石的是德國化學家特賴布斯。他在1935年從石油、煤和油母頁岩中。獲得一些卟啉類的有機化合物。這種化合物在自然界僅僅在生物體內才能合成，因此它們實際上是人類發現的第一批化學化石，不過當時還沒認識到這一點。到了20世紀60年代末70年代初， 由於發展生產的需要和人們認識的深入。才把保存在地層里的一些植物形態和生理活動有關的各種化學物質當做化石，這就是化學化石。

主要特徵

化學化石是化石家族中的小字輩，不像它的前輩都是有形態，有解剖結構，用物理方法就可以觀察到的個體，而是由一群高分子的有機化合物，或特殊的無機物組成的化石，因而只能通過化學的方法把它們分離出來，並認識它們。化學化石的外形，也不像大化石或微體化石那樣有個尺度範圍，它大時可以成為一個巨大的礦體，如煤、石油等；小時則只有極靈敏的化學儀器才能檢驗出來。因此，它不需要像大化石和微體化石那樣，保持一定的外形和尺寸，而只需要很少的樣品就能進行鑑別。大化石和微體化石通常用生物學的名稱來命名，如準銀杏、似蘇鐵、裸蕨等等，而化學化石則主要是用生物化學的名稱來稱呼，如木質素、色素、角質、栓質、蛋白質、脂類等等。

化學化石作為一種新型化石，不僅單獨存在，有時也存在於大化石和微體化石之中，因此化學化石的分布非常廣。據估計。大自然中人生重要的不是所站的位置， 是所朝的方向。約有9乾4百億噸有機碳，而其中的三分之二存在於地殼之中，所以由它們和某些無機物組成的化學化石在數量上是十分可觀的，比大化石和微體化石要多乾百萬倍。

化學化石雖然問世不久，但由於它具備許多鮮明的優點，所以它在化石家族中已表現為“青出於藍而勝於藍”了。碳的同位素是化學化石中最簡單、最常見的一種。人們不僅用它來確定地層的年齡．而且根據C12與C13的比來確定沉積環境是海相還是陸相。最近美國科學家就根據這一點，科學地解釋了陸相煤核成因的原理。

存在於大化石或微體化石之中的化學化石，又是幫助人們確定許多古植物之間親緣關係的重要手段，通過生物化學分析所得的結果，有時比通過形態和解剖所得的結果更為可靠。

大自然把千千萬萬的生物體變成了化學化石。其中有的已成為人類必不可少的能源，而更多的包括存留在地球表面的三分之一的有機碳，人類還無法把它們變成高效的能源或用於別的途徑。所以化學化石的形成過程，也是值得人們探討的。現在有些科學家正在探索直接用植物製造石油，可能就是從這裡得到啟示的吧。

由於化學化石的用途如此重要而廣泛，所以科學家為了研究它們而專門開創了兩門的新學科，即古生物化學和古化學分類學。

套用

化學化石現在的地位可以與普通化石研究的早期的位置相比，那時，描述和提供證據是生物差別和演化的統一理論以及董要方法如生物地層學的基本原始工作。現在， 在有機地球化學中，可以對相當一部分分子化石記錄提供證據和開發利用。任何評價分子化石的生物來源和它們所經歷的成岩作用和後生作用的先決條件，是仔細研究化學化石的結構， 這個方法與已建立的天然產物有機化學的領城有很多是共同的，並且在地球化學上也有一些套用。現在有機碳含量只有小部分與精確的分子描述相符。相反， 總有機碳含量的物理性質可以得到一個平均的或統計的結果， 兩個方法可以相互補充。

化學化石斑料和沉積物沉積環境方面的對比

地質脂保存有沉積環境的信息， 並且反映體系中生物的發育程度和影響這些脂保存的作用。地質脂中，有幾百種經常可以碰到的化合物， 它們在地質脂中的存在、不存在以及相對豐度，是一種鑑定環境特證、沉積過程以及沉積物沉積作用的方法。地質脂資料評價古環境的基礎是靠生物脂和地質脂之間的結構關係，在成岩作用早期階段，這些關係可能明顯，但隨成岩作用的發展，這些關係變得不明顯。理論上, 如果某一古代沉積物中的組分能夠和它們的前身物準確地聯繫起來，就可以發現可與近代沉積物中得到的脂對比的“ 脂圖” 。儘管區別現在脂相之間的能力有所增加， 要達到這個目標還很遙遠。海洋的有機地球化學記錄往往保存很好，特別是在低地溫梯度地區保存得很好。例如在日本海槽中新世沉積物中年齡約億年， 仍然保留許多原始的標誌物。

為了要把古代沉積物中的脂和現代的前身物聯繫起來，假定沉積物中生物的主要生物合成途徑可以和現代生物群相比較。在白堅系黑色頁岩中鑑別出雙鞭毛藻街碎，它肯定至少已合成了九千萬年，並且它可能表明該沉積物的物質來源有雙樁毛藻。肯定有許多其他的脂組分只能由某些特殊生物合成， 它們可用來鑑定特殊生物的貢獻，如甲烷菌等。古生物學研究有時不能得到參與沉積的生物的證明，而脂卻可以得到，例如沉積於碳酸鹽補償深度以下的沉積物，不含順石藻骨架碎屑，但從顆石藻產生的脂可以說明沉積物中有順石藻的參與，化學化石還可以提供微生物活動的證據，因為雖然細菌不能留下形態，但它們可以以特殊分子形式留下信息。

總之，使用通常可以識別的標誌物，能夠評價和區分進入沉積物中的藻、細菌和高等陸生植物等的脂。此外，特殊的成分可作特殊類型生物的指示物。這些指示物超出了田醇範圍，例如某些環狀二菇系和特殊的C₄₀無環類異戊二烯烴分別被認為是陸生樹酷植物和古細菌的標誌物。

用化學化石評價水柱和沉積物的氧化和還原條件有較多的問題，沉積物中有甲烷細菌和硫酸鹽還原細菌的標誌物，使沉積物處於氧化環境，但這可能反映這些細菌是活動在水柱下的沉積物中，而不是在沉積物和水的介面上， 與此相似，從海綿產生的幽醇的存在可能指示水底的氧化性。能肯定指示水柱城化或還原條件的化學化石，現在尚不知道，但總的來說，不穩定的脂在還原環境裡顯著地保存較好。

其他適用於有機地球化學研究的是記錄有重要地質事件的地層，如在有重要演化進展的邊界上（例如白里系與三迭系的交界面），可以預料，如在生物發育關鍵間歇期的沉積物中， 脂的組成可以反映出動物和植物聚集中發生的災變。有機地球化學在這方面套用的可能性還必須加以探索。

原油勘探

沉積岩和石油中化學化石的分布可以反映沉積環境和由熱力引起的晚期成岩作用和後生作用的性質與程度， 因此它們在地球化學對比研究中有明顯的價值。對於原油，還必須了解它們在儲集岩中的生物降解和運移的影響。化學化石的最初套用是用簡單對比圖形相似性來對比原油和生油岩。

如果兩個原油和構想的生油岩樣品有不同沉積環境和不同成熟度， 就不能期望原油中的化合物分布與構想的生油岩的化合物分布能對比得上。石油地質家對於對比不好的原因顯然是十分感興趣的。

了解晚期成岩作用和後生作用期菌體化合物的命運的近期進展，已提出用側量一些選擇的產物和前身物的比值作評價熱成熟度的方法。此方法已用於幾種化合物。

把化學化石套用於石油地球化學，還應把生油岩中成熟作用的結果與儲集岩成熟作用的結果區分開,然後來評價這些作用的相對程度，這就要尋找一些反應，即尋找能夠在油離開生油岩進入儲集岩成為流體時有效停止的反應甚至當生油岩和儲集岩有相同溫度時， 和在生油岩和儲集岩兩者中可能以不同速率進行的反應。對於原油和可能生油岩、原油和原油以及由沉積環境差異造成的沉積物之聞的對比，要識別它們的不足之處是較困難的。許多原始的分子隨著熱成熟作用而消失。

在進行沉積環境的這方面評價時， 須當心，特別是因為使用的物質小於生油岩中總有機碳的5%， 而且生油岩與石油中生物標誌物含里常常很少， 然而正是這些結構上特別的化合物表明，由它們可以得到一種不受成熟度影響的原始生物愉入的分子記錄。

運移可能對石油中化學化石分布有形響，對這個問題搞不清楚的主要原因是缺乏對運移的機理和途徑的了解。運移中的色層作用被認為是引起街烷立體異構體比值和其他烷烴相對豐度小量變化的原因。在某些運移歷史比較了解的原油中廣從分子形狀、大小和極性不同的化合物如單、三芳香幽烴，或者烷烴和芳香烴比值中可推洲運移程度引起的化合物變化，然而在運移情況下，烷烴立體異構體比值不受影響。從阿拉斯加北玻原油中，一些認為是隨運移程度而變化的洲，也隨成熟度而變化。現在還未證明用化學化石相對豐度評價運移程度的量度不受成熟度和沉積環境的影響。影響原油組成的另一因素是儲集岩中的生物降解作用。

環境

用化學化石的分布鑑定原油污染源的情況逐漸增多，因為它們使原油有一個“指紋”。原油自從滋出後,其組成受到三個主要作用影響，即光學氧化作用、揮發物的蒸發和細茵降解夕與其他許多烷烴相比，甾烷不易揮發，並且不能很快受生物降解，因此它們比較有抗拒這些風化作用的能力。由色譜-質譜得到的這些化合物的分布確實為對比風化油苗和其可能的油源提供了一個最有效的方法，這止如色一質得到的化含物分布被廣泛地用於對比儲集岩中生物降解的石油和其未經降解的原油一樣。例如，在採用此方法指示現代沉積物污染源時，必須小心區別由成熟的富含有機質的貝岩產生的化合物, 因為它們對現代污染的程度會給出假象。與此相似，共有大量外來有機質和運入烴的沉積岩，成熟度可能表現異常的高， 這種影響有時可以從沉積物中共同存在不同成熱度化合物的情況識別出來。