探险古老沉积物，类“DNA”苯并藿烷大揭秘

出品：科普中国

作者：姜连（中国科学院广州地球化学研究所）

监制：中国科普博览

编者按：为揭开科技工作的神秘面纱，科普中国前沿科技项目推出“我和我的研究”系列文章，邀请科学家亲自执笔，分享科研历程，打造科学世界。让我们跟随站在科技最前沿的探索者们，开启一段充满热情、挑战与惊喜的旅程。

想象一下你在挖泥土，但这可不是普通的泥土，而是大约1亿年前的古老泥土。如果我告诉你这些古老泥土里藏着有趣的小分子故事，和人类一样有着自己独特的“DNA”，你会怎么想？现在，让我们一起来认识一下苯并藿烷——听起来像一种新潮的咖啡，但其实是大自然的小型化学时间胶囊。

什么是苯并藿烷？

苯并藿烷就像是从早白垩纪（恐龙还存在的时候）幸存下来的“化学侦探”，帮助地质科学家揭开古代世界的秘密。从化学结构上看，苯并藿烷是一种多环芳烃，属于类鲨烯醇类物质的一部分，源于细菌细胞膜中的前驱物。

在中国东北的朝阳盆地，中国科学院广州地球化学研究所的研究人员发现了五种系列的苯并藿烷（a, b，c, d和e系列），这些家伙可能正悠闲地享受它们的古老退休生活。但科学家们可不打算让它们闲着，而是通过分析这些分子恢复了那个时代的沉积环境和温度状况。

假设一下，苯并藿烷是来自史前超级烧烤派对的古老剩菜，被埋藏在泥土里面。不过，这场派对里面没有排骨和汉堡，而是细菌们在数百万年前“狂吃”有机物。

随着这些细菌大快朵颐，它们留下了一些油腻的“指纹”——被称为苯并藿烷的复杂分子。快进1亿年，这些油腻的“指纹”还在泥土里完好保存。这些苯并藿烷能告诉我们这场史前烧烤派对的情况，包括烧烤温度有多高，派对是在海边还是公园里举行的！所以，苯并藿烷就像大自然的古老食谱卡片，帮我们弄清楚大约1亿年前的烧烤派对到底是怎么回事。

苯并藿烷的起源与鉴定

自20世纪70年代以来，类鲨烯醇类物质及其化学结构和各种衍生物（包括苯并藿烷）在生物降解沥青、原油、碳酸盐、煤和湖泊沉积物中被逐步鉴定出来。目前已报道的苯并藿烷有三个系列，包括C-20位环化的常规苯并藿烷（a系列）、六环苯并藿烷（b系列）和C-16位环化的苯并藿烷（c系列）。

研究发现苯并藿烷系列a和c广泛存在于沉积岩和原油中，但在蒸发岩和碳酸盐岩环境中尤其丰富，苯并藿烷b系列和c系列似乎只出现在未成熟的沉积物中。

近期，在中国东北地区朝阳盆地早白垩时期湖泊环境未成熟的沉积物中发现了两个新的苯并藿烷系列化合物（d和e系列）。这两个新的苯并藿烷系列与已报道的苯并藿烷a, b和c系列形成机制并不一样，从化学结构式上看d和e系列可能存在一个甲基官能团从C-18到C-19或者C-13的迁移。

古老泥土中五种苯并藿烷（C33a, C33b, C33c, C33d, C33e）形成示意图

（图片来源：作者自制）

苯并藿烷的应用与地质意义

为什么我们要关心这些古代化学遗留物？因为苯并藿烷可能帮我们找到石油和煤炭。石油的生成得益于生油窗，它是指在热催化作用下，有机质能够大量转化为石油和湿气的生油时期，也是有机质大量生成液态石油的温度（或深度）区间。

研究发现，当“烧烤温度”太高了，即地质温度超过了“生油窗”期时，苯并藿烷b—e系列就不会存在于这些泥土里面。因为随着时间的推移，沉积物被地球的压力和热量压缩，细菌的活动强烈程度被改变，一系列的芳构化、脱水、氧化还原等化学反应导致新的物质形成，亦或原来的物质分解成更细小的分子。

因此，通过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积物是否处在生油窗时期，从而帮助石油地质学家们更准确地进行资源勘探。这就像烧烤时寻找最合适的温度，确保烤出来的食物不是烤糊的或者是还没熟透的！

此外，研究还发现在古老沉积物中，a系列通常是主要的苯并藿烷系列，但有时c系列苯并藿烷会占据主导地位。b系列苯并藿烷可能与陆源有机质有关，a和b系列苯并藿烷可能受氧化还原性质的影响，而c系苯并藿烷的形成和富集更可能受古盐度的控制。

基于这些不同细菌改造形成的不同系列的苯并藿烷组合分布，两个新的古环境指标（苯并藿烷指数和C35/C34苯并藿烷比值）被提出且被证明能良好反映出当时沉积物埋藏的时候环境的盐度和氧化还原性质（一般而言，较高的苯并藿烷指数和C35/C34苯并藿烷比值指示缺氧环境）。与此类似，通过品尝烧烤的食物，你就可以分辨烧烤的时候你给食材加了多少盐和辣椒一样。

结语

d和e系列苯并藿烷在中国东北地区朝阳盆地的首次发现与鉴定打破了地质学家对传统苯并藿烷三个系列化合物的认识，让我们认识到苯并藿烷的分子复杂性。未来，我们需要更多的碳同位素组成研究，以及在不同热梯度环境中的古老沉积物的热裂解实验，以进一步探究这些苯并藿烷的生物来源。

总而言之，苯并藿烷能教我们地球过去的故事，让我们了解地球在数百万年里的变化。所以下次有人提到苯并藿烷，一定要记住：它们是古老泥土中的无名英雄，不仅擅长破解古环境的谜团，还能帮我们找到一些埋藏的资源宝藏！

参考文献：

1. Jiang,L. (姜连), Li,Li., Nytoft,H. P., Wang,Y. (王云鹏), George,S.C.,2024. Five series of benzohopanes in early Cretaceous sediments from the Chaoyang Basin, NE China. Organic Geochemistry 195, 104843.