神奇分子在哪里（GDGTs）：微生物是怎么让我们了解气候变化的

当外面寒风呼啸、冰天雪地，我们会把自己裹得严严实实，抵御寒冷。而面对气候变化，生物界也有各自的看家本领。一些动物比如狗熊、松鼠等通过冬眠来熬过寒冬。然而，这其中却有一些生物在感知到外界环境冷暖变化的时候，也会给自己添减“衣物”，这与人类在应对外界环境变化上的手段非常相似。当生存环境剧烈变化时，微生物会对细胞膜脂化合物进行多种修饰以调整细胞膜的流动性、渗透性和稳定性，例如增加或减少主碳链上的不饱和双键、甲基、五元环、六元环等。

-01 GDGTs的来源-

甘油二烷基甘油四醚（GDGTs）是一类物质的总称，存在于陆地和海洋中，只是它们的来源有所不同。陆地沉积物中的GDGTs主要来自于某些细菌，而海洋沉积物中的GDGTs主要来自于古菌。细菌对大家来说可能不陌生，但关于古菌的了解可能相对较少。古菌是一类非常神奇的生物，种类繁多，代谢类型多样，无论是在极端环境还是正常环境中，它们都能茁壮地生长。尽管地球历史上经历过冰期-间冰期旋回等巨大的气候变迁，古菌仍然能够良好地存活下来。

古菌之所以能够在极端环境中生存，其奥秘在于其细胞膜的构成。相比之下，细菌的细胞膜主要由甘油脂肪酸酯组成，而古菌的细胞膜脂质则是由甘油二醚的磷脂和糖脂的衍生物构成。这种独特的构成包括醚键和分枝脂链等物质，使其形成了一种非常坚固的结构，能够抵抗来自外部环境的压力。正是由于这种特殊的细胞膜构成，古菌能够在各种极端环境下实现"绝地求生"。

细胞膜主要由脂质（主要是磷脂）、蛋白质和糖类等物质组成。其中，磷脂是一种由甘油、脂肪酸和磷酸等组成的分子。磷酸部分是亲水性的（也就是极性头），而脂肪酸部分是疏水性的（也就是非极性尾）。当细胞膜脂质完整无损时，极性头会附着在细胞膜的核心结构上[1-3]。在经历一系列生物地球化学作用后，这些极性头会迅速降解，转化为更稳定的核心脂质，并在各种环境介质（例如海底沉积物）中长期保存。本篇的主角GDGTs就是一种典型的核心脂质，它可以在环境中完好地保存数亿年之久，因此成为有机地球化学中常用的生物标志化合物。

图1 膜脂结构示意图及三大生命域的典型膜脂结构（典型的细胞膜由脂类和蛋白质组成，其中极性脂类主要由三部分组成：极性头、甘油脊及中心脂）

-02 GDGTs的分类-

GDGTs是一类化合物，主要包括古菌类异戊二烯GDGTs（isoprenoid GDGTs，isoGDGTs）和支链GDGTs（branched GDGTs，brGDGTs）。它们的区别在于它们含有不同数量的五元环或六元环（看不懂可略过）。

古菌膜脂类化合物iso-GDGTs由86个碳原子和6个四醚键组成，其中包含4个五元环和六元环。它们的生物来源主要是古菌。根据其中五元环和六元环的个数，可以将它们进一步分为不同的类型，如GDGT-0、GDGT-1、GDGT-2、GDGT-3、GDGT-4等。例如，GDGT-0表示该化合物的碳链上不含有任何五元环或六元环的结构（0就是没有的意思了）。

细菌膜脂类化合物br-GDGTs含有0-2个五元环和2-6个甲基。其中的烷基链由甲基支链构成，甲基的数量通常与温度相关，而环的数量与环境的pH值相关。Br-GDGTs在陆地环境中广泛分布，是黄土、古土壤、湖泊等第四纪气候记录的重要指标，可用于定量重建温度和pH值等环境条件。这就为我们通过GDGTs对地球古环境古气候研究提供了条件。

图2 常见的GDGT结构

图3 古菌和细菌 GDGTs 在环境中的分布以及对环境变化的响应示意图

-03 GDGTs的应用-

通过培养实验我们发现，iso-GDGTs的五元环数量会随着外部温度的升高而增加，进而增加细胞膜的流动性。例如，当外部温度从40℃升高到60℃时，嗜酸热原体（一种古菌）的iso-GDGTs五元环的数量从1.6增加到2.1[4]。

此外，通过对全球不同地区海洋表层沉积物的研究发现，浮游奇古菌的iso-GDGTs中的五元环数量与年平均海水表面温度（SST）之间存在良好的相关性。当温度升高时，具有环结构的GDGTs的数量会增加。基于这一发现，研究者建立了古菌四醚指数C86四醚指数（TEX86，tetraether index of 86 carbon atoms）[5]。TEX86指数被广泛应用于高温海域，并成功用于重建历史时期海水表层温度的变化情况。

TEX86指标最早在我国用于南海表层海水温度的重建[7]。通过结合TEX86指标和支链四醚甲基化指数MBT与支链四醚环化指数CBT的比值(MBT/CBT)，可以同时还原某一区域的海洋和大气温度，有助于理解海洋环流与陆地气候之间的相关性。Ge等人（2014）在对南黄海的研究中发现，当东亚冬季风增强时，TEX86-SST增高，MBT/CBT-MAT降低。这三个指标之间的耦合关系表明东亚冬季风通过影响黄海沿岸流和黄海暖流的强度，在南黄海的水动力环境和物质能量交换中扮演重要角色[8]。这些研究结果提供了关于东亚冬季风对海洋环境的影响以及其与陆地气候之间的相互关系的重要线索。

图4 从TEX86 (A)和MBT/CBT(B)得到的温度记录，以及基于Hu等人的粒度分析(C)的东亚冬季风指数

此外，TEX86指标已被证实可用于重建湖泊表层水温[9,10]。Powers等人在2010年对全球46个湖泊的表层沉积物中的GDGT进行了分析，旨在开发适用于陆地环境的TEX86古温度替代指标。研究结果显示，TEX86值与公布的年平均湖面温度之间存在着强烈的线性关系，尤其在大型湖泊中效果更为显著。这表明TEX86指标在湖泊环境中的应用具有重要意义，为湖泊表层水温的重建提供了一种可靠的工具。

图5 TEX86校准与年平均湖面温度[9]

除了用于指示水体温度变化，GDGTs还可以作为其他要素的替代指标。

在河口海岸带地区，brGDGTs与isoGDGTs的相对比值可以反映陆源有机质的相对输入量，因此建立了BIT指数（Branched and Isoprenoid Tetraether Index）[11]。一般认为在大洋区，BIT值为0，表示海洋源有机质的贡献较高；而土壤的BIT值为1，表示陆源有机质的贡献最高。在河口海岸带地区，BIT值介于0和1之间，BIT值越高，则表示陆源有机质的贡献越大。

通过测量河口海岸带地区的GDGTs含量，并计算BIT指数，可以评估陆源有机质输入的相对强度。这对于研究河流输入对沿岸生态系统的影响以及陆海相互作用的认识具有重要意义。较高的BIT值指示着陆源有机质在河口海岸带的贡献较高，这可能对沿岸生态过程、营养物质循环等产生重要影响。

另一类指标是基于土壤细菌的支链GDGTs分布而构建的环化指数CBT（Cyclisation ratio of Branched Tetraethers）和甲基化指数MBT（Methylation index of Branched Tetraethers）。通过对全球土壤的研究，发现brGDGTs的MBT和CBT指数能有效指示大气年均气温以及土壤pH值的变化[12,13]。研究人员Weijers等（2007）发现，bGDGTs指标与季节温度（夏季或冬季）以及采样时温度之间没有比年均大气温度更好的相关性。随后，他们对中纬度土壤进行了一年持续的观测，发现CL-bGDGTs和代表活性微生物的PL-bGDGTs的含量和分布在季节上没有明显的变化规律。

这些土壤指标提供了对土壤生态系统中温度和pH变化的线索。通过分析土壤中brGDGTs的MBT和CBT指数，可以获取土壤环境中微生物群落的信息，从而了解土壤生态系统的响应和适应能力。这对于研究土壤生物活性、气候变化对土壤质量的影响以及土壤生态功能的评估具有重要意义。尽管土壤中的brGDGTs含量和分布在季节上可能没有明显的变化，但这些指标仍然可以提供有关土壤生态系统长期动态变化的信息。

图图6 利用br-GDGT的MBT/CBT指标重建气温[14]

图7 (A)MBT与年平均气温(MAT)；(B)MBT与年平均降雨量；(C)年MAT与年平均降水量；(D)MBT与土壤pH值[15]

GDGTs及其相关指标在环境科学研究中具有重要角色。通过分析GDGTs的特征和分布，我们可以获得关于温度变化、有机质输入和土壤生态系统动态的关键信息。这些研究有助于深入了解气候变化、海洋生态系统和土壤生态功能，并为环境保护和可持续发展提供支持。

参考文献

[1] Sturt, H.F., Summons, R.E., Smith, K., Elvert, M., Hinrichs, K.U. Intact polar membrane lipids in prokaryotes and sediments deciphered by highperformance liquid chromatography/electrospray ionization multistage mass spectrometry – new biomarkers for biogeochemistry and microbial ecology[J]. Rapid Communications in Mass Spectrometry, 2004, 18: 617–628.

[2] Schouten, S., Hopmans, E.C., Baas, M., Boumann, H., Standfest, S., Könneke, M., Stahl,D.A., Sinninghe Damsté, J.S. Intact membrane lipids of ‘‘Candidatus Nitrosopumilus maritimus’’, a cultivated representative of the cosmopolitan mesophilic Group I Crenarchaeota[J]. Applied and Environmental Microbiology, 2008a, 74: 2433–2440.

[3] Pitcher, A., Rychlik, N., Hopmans, E.C., Spieck, E., Rijpstra, W.I.C., Ossebaar, J.,Schouten, S., Wagner, M., Sinninghe Damsté, J.S. Crenarchaeol and its regioisomer dominate the membrane lipids of ‘‘Candidatus Nitrososphaera gargensis’’, a thermophilic Group I.1b Crenarchaeote[J]. The ISME Journal, 2010, 4: 542–552.

[4] Uda I, Sugai A, Itoh Y H, et al. Variation in molecular species of polar lipids from Thermoplasma acidophilum depends on growth temperature[J]. Lipids, 2001, 36(1):103-5.

[5] Schouten S, Hopmans EC, Schefuß E et al. Distributional variations in marine crenarchaeotal membrane lipids: a new tool for reconstructing ancient sea water temperatures?[J]. Earth and Planetary Science Letters, 2002, 204:265-274.

[6] Jia G, Zhang J, Chen J, et al. Archaeal tetraether lipids record subsurface water temperature in the South China Sea[J]. Organic geochemistry, 2012, 50: 68-77.

[7] Ge H, Zhang C L, Li J, et al. Tetraether lipids from the southern Yellow Sea of China: Implications for the variability of East Asia Winter Monsoon in the Holocene[J]. Organic Geochemistry, 2014, 70: 10-19.

[8] Powers L, Werne J P, Vanderwoude A J et al. Applicability and calibration of the TEX86 paleothermometer in lakes[J]. Organic Geochemistry, 2010, 41:404-413.

[9] Pearson EJ, Juggins S, Talbot HM et al. A lacustrine GDGT-temperature calibration from the Scandinavian Arctic to Antarctic: Renewed potential for the application of GDGT-paleothermometry in lakes[J]. Geochimica et Cosmochimica Acta, 2011, 75:6225-6238.

[10] Hopmans EC, Weijers JWH, Schefuß E, et al. A novel proxy for terrestrial organic matter in sediments based on branched and isoprenoid tetraether lipids. Earth and Planetary Science Letters, 2004, 224(1): 107–116.

[11] Weijers, J.W.H., Schouten, S., van den Donker, J.C., et al., 2007. Environmental Controls on Bacterial Tetraether Membrane Lipid Distribution in Soils. Geochimica et Cosmochimica Acta, 71(3):703-713. https://doi.org/10.1016/j.gca.2006.10.003

[12] 郑峰峰, 陈雨霏, 王永莉, 等, 2018. 季节温度变化及土壤pH差异对土壤bGDGTs 温度指标的影响. 地球科学, 43(1), 71-83.

[13] Hu J, Zhou H, Yang X, et al. Reconstruction of a paleotemperature record from 0.3–3.7 ka for subtropical South China using lacustrine branched GDGTs from Huguangyan Maar[J]. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology, 2015, 435: 167-176.

[14] Weijers, J. W. H., Schouten, S., van den Donker, J. C., Hopmans, E. C., Sinninghe Damsté, J. S. (2007). Environmental controls on bacterial tetraether membrane lipid distribution in soils. Geochimica et Cosmochimica Acta, 71(3), 703–713. doi:10.1016/j.gca.2006.10.003