古气候学中支链甘油二烷基甘油二醇（bGDGT）生物标志物分析概述

一类称为生物标志物的有机化合物可在地球科学中用作古温度计，以揭示过去气候与环境的相关信息。

这些生物标志物由生物体产生，能够提供其生存环境的信息。它们可作为 代用指标 ，告诉我们诸如数百万年前地球温度等历史事件的信息。

陆地古温度可通过淡水盆地沉积物中发现的生物标志物进行分析。其中一类关键的生物标志物是支链甘油二烷基甘油四醚，即支链GDGTs。

本视频将介绍古气候学这一研究领域，该领域探究数亿年来淡水环境的过去变化，有助于阐明当前及未来的气候与环境变化。

在地质时间尺度上，由于流体运动和重力作用，沉积物会逐渐在沉积盆地（即地壳中的低洼区域）中堆积。沉积盆地包括海洋，其沉积物为海洋沉积物，以及湖泊，其沉积物为湖泊沉积物。海洋和湖泊盆地含有不同类型的生物体，这在很大程度上由两者之间盐度的差异所驱动。因此，海洋和湖泊盆地含有不同的生物标志物。

支链型GDGTs被认为是由厌氧酸杆菌产生的跨膜脂质。研究表明，产生这些脂质的生物体会根据温度变化调整其细胞膜的性质。

这种变化是由于在较低温度下，支链GDGTs上的甲基化位点转变为环化位点，从而增强细胞膜的流动性。这种结构上的变化可通过代用指标与温度相关联。代用指标是指可测量的物理现象，其与无法直接测量的变量存在相关性。

该代用指标将生物标志物中的甲基化数量（即MBT）和环化程度（即CBT）与温度关联起来。通过实验推导出的方程可将MBT和CBT与过去的年均气温相关联。

为了研究支链GDGT生物标志物与土壤温度之间的关系，必须采集湖泊沉积物，通过三种技术之一进行提取、纯化并分析。

在开始研究支链GDGT生物标志物与土壤温度之间的关系时，首先需从湖泊沉积物中提取脂类分子，可采用多种技术。超声提取法是从沉积物样品中获取总脂质提取物（TLE）最简单且成本最低的方法。该方法使用超声水浴，在含有有机溶剂的小瓶中震荡样品。采用甲醇与二氯甲烷的混合液可提取具有广泛极性的生物标志物。另一种提取技术是索氏提取法。索氏提取器能够使有机溶剂从圆底烧瓶中加热后上升至冷凝管，在冷凝管中经冷水冷却后回流。冷凝后的溶剂滴入装有样品的玻璃纤维套管中。当溶剂充满提取室后，通过虹吸作用将有机溶剂回流至圆底烧瓶，从而实现长时间连续提取。

该方法适用于大量沉积物的提取，以及用于仪器校准的大体积标准品的制备。最后，加速溶剂萃取（ASE）是一种商标化的提取方法，利用高温和高压提高提取过程的动力学效率。ASE仪器最多可容纳24个独立样品，并允许对提取过程中的所有参数进行精确控制。由于其操作快速且简便，ASE通常被用作溶剂提取的标准方法。

采用上述任一方法提取脂质样品后，需对其进行纯化，以备后续分析。通常使用硅胶柱色谱法根据样品的极性对其进行纯化。具体操作中，将少量细粉状硅胶（称为凝胶）装入小型玻璃柱中，随后用非极性溶剂（通常为正己烷）饱和该柱，再将样品加至柱顶。组分的分离基于目标化合物对固相或溶剂相的亲和力差异。

极性化合物（本例中为支链型甘油二烷基甘油四醚，GDGTs）对极性硅胶的亲和力强于对非极性正己烷的亲和力。因此，非极性化合物（如烃类）、中等极性化合物（如酮类和醇类）以及高极性化合物将在柱中以不同速率迁移，并随洗脱溶剂极性的逐步增加而依次被洗脱。

随后，将洗脱液按不同组分分别收集。

纯化后的GDGTs采用高效液相色谱-质谱联用技术（LC-MS）进行分析。LC-MS首先对化合物进行分离，再根据其质荷比进行检测分析。

通过测定目标质荷比离子峰曲线下的面积，可确定每种GDGT的相对浓度。MBT（甲基支链四醚指数）计算为第1组分子占总分子数的比例。

CBT（环化程度指数）则利用第1组和第2组分子，通过负对数形式计算得出。将MBT与CBT代入经实验标定的经验公式，即可推算出古温度值。

利用生物标志物代用指标测定古温度在地球科学的多种应用中具有重要意义。

首先，古温度测定技术能够确定地球在长时间尺度上的温度变化。通过多种方法，科学家已将地球温度的估算追溯至5亿年前。这些数据揭示了不同生命形式演化所处的温度范围，并为研究过去温度对地球生物圈、水圈、岩石圈和大气圈的影响提供了依据，同时也为预测未来变化提供了参考。

近期地球温度的变化趋势也可通过古温度测定构建的记录进行量化。自1850年以来，地球表面温度已上升近1°C，且在过去二十年中变暖趋势尤为显著。为了理解人类活动对全球气候的影响，必须建立并利用准确的古气候记录作为背景依据。

您刚刚观看了 JoVE 关于支链甘油二烷基甘油四醚古温度测定法的概述视频。您现在应该了解支链 GDGT 生物标志物的应用方法，以及提取和纯化这些化合物的整体技术。本系列的后续视频将更详细地介绍这一复杂过程。

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