降解-矿化平衡研究中的地球早期环境模拟设备及其方法

摘要

降解-矿化平衡研究中的地球早期环境模拟设备及其方法，主体环境模拟区由刚性不透水材料构成，分为三部分：中间为缓冲区域，两侧是两个有效环境模拟区域；缓冲区域与有效区域通过双层隔板分开；上设有连通孔；连通孔上设有阀门及阀门的控制机构；从缓冲区域通过连通孔向两侧的有效环境区域同时提供同一的物质环境；或分别提供不同的物质环境；两个有效环境区域各自外侧的上、中、下位置配有出水口；有效环境区域的底部开设有一系列沉积孔，每个沉积孔密封连接样品收集管。本发明提供了用于模拟地球古环境的仪器载体；通过模拟试验获取具有实验数据，为推测地球古环境和化石形成过程提供更可靠的实验数据基础；用于地球早期各种环境模拟实验。

说明书

技术领域

本发明属于一种模拟地球早期环境的设备，涉及地质学、沉积学、古生物学等领域；通过改进微生物反应器、气候模拟器等现有科学仪器研制的生物降解-矿化平衡设备及其实验方法，实现生物降解和矿化实验的模拟，从而获取生物在化石化过程中形态和结构变化等相关信息，为了解地球历史中的古生物、古环境的发展过程提供重要依据。 

背景技术

   化石在生命起源、演化及地球环境演变研究中有着十分重要的地位，而保存为化石的远古生命在其降解、埋藏和化石化过程中形态和结构也会发生变化，这些改变影响对化石信息的解读而影响我们对地球早期生命演化过程的认识。传统古生物学研究，大多是根据地层记录的化石信息去推测时间发生的原因与过程。由于地层记录的不完整性，以及传统古生物学理论方法缺乏有效实验验证，常常导致对于同一地层记录的解释存在一些不确定性及争议。实际上，研究者们已经关注到上述问题对古生物学研究的制约，为取得对研究对象的合理认识，采用各类现代科学仪器控制及模拟各种极端甚至现代不存在的环境条件，并观察研究对象在该环境中的各种反应，以推测古环境中的生物地质信息。这种实验模拟的方法即是一种可以实证地质历史的重要手段，成为近年来国际研究的热点。 

生物降解和矿化实验模拟是探讨生物在其相应的化石形成及保存过程中最直接有效的方法，尽管起步艰难，但正在国际尖端研究中得到重视。早在20世纪90年代起，就有国外研究者开始采用现代生物为载体，如鸟类、典型节肢动物、蛙类、鱼类及现代生物胚胎等，模拟其降解埋藏或矿化保存的过程，以了解化石的形成与保存等特征条件。在国内，包括申请人领导小组在内的一些研究者也开展了一系列降解-矿化研究的实验模拟，但由于缺乏必要的控制设备和条件，许多可能接近地球早期环境的特殊条件难以被模拟实现，研制可以有效模拟可能地史环境的降解-矿化设备已经成为地质古生物的国际前沿研究领域。 

发明内容

本发明的目的是提供一种降解-矿化平衡研究中的地球早期环境模拟设备及其方法。是为了模拟研究生物在地球早期的地表水体环境的特殊控制条件下转变为化石的过程、生物资源转换成石油或煤炭等矿产的过程和机理、及其动力学平衡过程。在实施例中，该设备命名为Paleopond，取意“远古水池”。本发明的目的在于提供用于模拟地球古环境（包括生物基本生存环境与沉积环境）的仪器载体；另一目的在于通过在该仪器内的模拟试验获取具有更大可信度和实际意义的实验数据，为推测地球古环境和化石形成过程提供更可靠的实验数据基础；以及提供所述仪器用于地球早期各种可能的环境模拟实验等方面的应用。 

完成上述发明任务的技术方案是，一种降解-矿化平衡研究中的地球早期环境模拟设备，主体环境模拟区由刚性不透水材料构成，其特征在于，该主体环境模拟区分为三部分：中间部分为缓冲区域，该缓冲区域的两侧，是两个有效环境区域；所述缓冲区域与两侧的有效区域通过双层隔板分开；该双层隔板上设有连通孔；所述连通孔上设有阀门及阀门的控制机构；从缓冲区域可以通过控制连通孔的开通、闭合状态实现向两侧的有效环境区域同时提供同一的物质环境；或者向两侧的有效环境区域分别提供不同的物质环境；两个有效环境区域各自的外侧（不邻接缓冲区域的一侧）的上、中、下位置配有出水口；在两个有效环境区域的底部开设有一系列沉积孔，每个沉积孔都可密封连接一个样品收集管。 

优化方案中，在所述样品收集管外部配置有水浴槽，令样品收集管浸在水浴槽内，通过控制水浴槽内水的温度来控制管内样品的沉积与矿化温度。 

在两个有效环境区域中还设有电控及辅助设备（例如，电加热棒、制冷器、曝气充氧装置等）。 

所述的刚性不透水材料可以是有机玻璃、钢化玻璃或不锈钢等。 

所述的样品收集管的优化设计，是带盖的、可自由开闭的样品收集管。 

在两个有效环境区域的壁上还可以设置有样品收集孔，其中，设置在外侧的小孔用于收集主体环境内的水体用于分析检测及数据的控制反馈。设置在上部小孔用于收集主体环境内产生的气体，以及该气体的理化状态分析检测和数据反馈控制。 

所述的电控及辅助设备主要包括：主体环境温控设备、外部沉积环境温控设备、主体环境内部动力设备和物质输入输出及理化状态控制设备等。 

主体环境温控设备在主体环境模拟区内，采用电热或制冷控温；外部沉积环境温控设备为外部水浴槽提供目的温度，采用电加热或制冷等控制水位与水流温度的方式；内部动力设备包括内循环泵和隔流板等水流运动控制设备，以实现主体环境的物质、温度等分布均匀或特定的温度梯度控制；其它控制设备如输入输出设备的包括为主体环境提供氧气的曝气泵、提供水动力的小型蠕动泵、温控仪表、温控桌面、可移动盖板和其它实验所需的扩展设备如红外紫外及可见光等等。 

有效区域底部所开通的孔洞的大小形状无固定尺寸，可根据需求相对自由调整。 

所述的样品沉积收集区中，每个水浴槽内样品管的位置与数量可自由组合。 

所述的主体环境模拟区和所述的样品沉积收集区相对独立，采用两套独立的控温系统。 

完成本申请第二个发明任务的技术方案是，上述降解-矿化平衡研究中的地球早期环境模拟设备的实验方法，其特征在于，步骤如下： 

⑴      .在主体环境模拟区的两个有效环境区域内设置“目的模拟环境”（如不同于现代海洋的各种远古海水环境）；

⑵.在“目的模拟环境”内设置生物实验对象；

⑶.在缓冲区域进行后续物质的输入；

⑷.通过控制连通孔的闭合状态实现由缓冲区向两侧的有效环境区域同时提供同一的物质环境；或者向两侧的有效环境区域分别提供不同的物质环境；

在实验过程中，有时需要通过添增一些物质来改变主体环境的组成，直接添加物质会造成主体环境参数的骤变，对实验结果可能产生不可控制的消极影响；在仪器Paleopond中，可以先将物质加入缓冲区域，通过连通孔循序渐进的改变有效区域的环境条件，从而有效避免这种骤变带来的影响，也更有利于物质的均匀分配。

⑸.有效区域内产生的沉积物，沉积到通过底部的一系列沉积孔洞，向下沉积到样品收集管内； 

⑹.定期收集样品收集管内的沉积物、水体和气体，作为检测样品；

⑺.通过对检测样品的检测，采集数据；对数据进行分析，得到实验结果。

优化方案中，增加有以下步骤： 

⑻.样品收集管外部配置水浴槽，令样品收集管浸在水浴槽内；

⑼.通过控制水浴槽内水的温度来控制管内样品的沉积与矿化温度。

⑽.实验过程中，可根据需要选定温度梯度和每个梯度下的样品管数量，再进一步设定相应水浴槽的参数。 

所述的两个有效环境区域，二者可以作为平行参照，也可以分别单独运作。 

步骤⑶、⑷中，可以通过密封橡皮塞或阀门控制缓冲区域与两侧的有效环境区域之间连接孔的开启或闭合状态。 

本发明的工作原理是： 

古生物学的研究领域之一，是生物如何成为化石的过程研究，即采用化学平衡及化学动力学的原理研究生物的降解和矿化过程，因此，在实践上可以利用现有的理化和生物学研究设备，特别是参考相对完善的化学平衡设备和现代微生物反应器，进行适当地改造改进，提高实验模拟的控制精度、范围和可信度。根据化石的形成过程：生物埋藏—降解—矿化，本发明的Paleopond模拟设备共分为三大部分：主体环境模拟区、样品模拟产物如沉积物水体和产生气体等的收集检测区和电控及辅助设备。

本发明的降解-矿化平衡研究中的地球早期环境模拟设备，主体环境模拟区分为三部分（参照图1）；左右两部分1，2为有效环境区域（300mm×300mm×300mm），为实验研究提供目的模拟环境（如人工海水环境），生物实验对象主要在该区域生存发展，1、2二者可以作为平行参照，也可以分别单独运作，有效区域的一侧的上、中、下位置配有出水口（图1中的4）；中间部分（3）为缓冲区域，其作用是为有效区域提供后续物质输入，与两侧的有效区域通过双层隔板分开并通过小孔上下分别连通（5），可以通过控制连通孔的闭合状态实现向两侧同时提供同一或分别提供不同的物质环境。在两个有效环境区域的底部开设有一系列沉积孔洞，提供向下的沉积通道，这些孔基本均匀分布，每个孔都可密封连接一个可自由开闭的带盖样品收集管（7），这些样品管一方面起到收集样品以便进一步埋藏矿化的作用，另一方面也可提供一个相对独立的小型沉积矿化空间与环境。生物被埋藏后所处环境的物化性质对化石的形成至关重要，这也是也是众多地质古生物学者的研究重点。本发明的仪器（实施例中命名为Paleopond）在样品收集管外部配置水浴槽（8），令样品收集管浸在水浴槽内，通过控制水浴槽内水的温度来控制管内样品的沉积与矿化温度。这种将样品收集管和外部沉积温度控制部分具有很好的扩展性和自由度，实验过程中，可根据需要选定温度梯度和每个梯度下的样品管数量，再进一步设定相应水浴槽的参数。 

本发明的Paleopond仪器的电控及辅助设备有主体环境温控设备、外部沉积环境温控设备、主体环境内部动力设备和其它条件控制设备等。主体环境温控设备主要为主体环境提供目的温度，通常采用电热棒加热或冷却水管降温等控制温度方式；外部沉积环境温控设备为外部水浴槽提供目的温度，可以采用电加热或控制水位与水流温度的方式；内部动力设备主要是为了保证主体环境的物质、温度等分布均匀，可通过内循环泵或电动搅拌棒等动力学设备实现；其它控制设备包括为主体环境提供氧气的曝气泵、提供水动力的小型蠕动泵、温控仪表、温控桌面、可移动盖板和其它实验所需的扩展设备（如红外紫外和/或可见光光照设备等）。 

本发明的Paleopond仪器具有以下创新特点： 

⒈在Paleopond中可以实现不同的物理、化学条件以达到控制不同的生态环境和矿化环境，环境中的研究对象也将产生不一样的结果及物质组成，通过对这种环境的模拟实验来“观察”推测地球早期环境中可能产生的现象。

⒉ 以地质古生物学为目的，模拟与生物、物理、化学相关的动力学过程与热力学过程。 

⒊  Paleopond仪器将主体环境的模拟和沉积环境的模拟区别开，主体环境模拟区提供大的统一的环境，并采用通过缓冲区改变主环境物质组成的方法。 

⒋ 在沉积环境模拟区设计了多点采集式的样品收集器，通过外部水浴槽控制样品收集器的环境温度，并可自行设计温度梯度和自由组合样品管。 

⒌ 开放式设计更方便人为控制条件参数，有利于灵活实现不同环境的模拟，提高适用范围，在Paleopond中可以模拟一些更接近地球早期生态环境和古海洋特殊的物理化学条件的特殊环境，包括化学极端环境，如早期酸性海水、强还原性海水等。 

⒍ 具有良好的扩展性，为日后完善物质输入系统和自动化控制系统提供了空间与平台。 

附图说明

图1为本发明Paleopond仪器整体结构图。 

图2为实施案例的实验设计图。 

图3为实施案例中样品收集管内沉积物质量趋势图。 

图4为实施案例中个温度下的样品离心上清液的红外光谱图。其中1号线为4℃下光谱图，2号线为室温下光谱图，3号线为25℃下光谱图，4号线为30℃下光谱图。 

具体实施方式

   实施例1，Paleopond仪器，取意“远古水池”，根据化石的形成原理，通过下述具体实施案例来进一步阐述Paleopond仪器在远古环境模拟和生物体降解-矿化平衡实验中的作用特点及技术效果，但是本发明并不因此而受到任何限制。该实施案例的基本思路为：以生长周期较短的丰年虾为载体，模拟其在海水中生长、死亡、沉积埋藏及在不同温度下的保存与矿化效果。 

图1中，A为两个有效环境区域分别为1、2；B为样品沉积收集区；另外设有缓冲区域3；出水出气口4；连通孔5；沉积孔6；样品收集管7；水浴槽8。 

图2中，搅拌循环器9，电加热棒10，人工海水11，丰年虾卵12，海口淤泥13，鸡蛋黄14，曝气充氧15，连续光照16，沉积物17。 

图4中，Ⅰ——4℃；Ⅱ——室温；Ⅲ——25℃；Ⅳ——30℃。 

在Paleopond仪器一侧的主环境模拟区加入配制好的人工海水20L，杭州湾出海口淤泥500g（湿重），干燥丰年虾卵10g，生鸡蛋黄一个；主境模拟区内分布两个电加热棒，控制水体温度在30±0.5℃，曝气充氧，自然光照。其人工海水的配方为：NaCl 24g/L， Na₂SO₄·10H₂O 9·1 g/L，MgCl₂·6H₂O 10.8 g/L，CaC1₂·2H₂0 1.5 g/L，KCl 0.7 g/L，NaHCO₃ 0.2 g/L，KBr 0.1 g/L，H₃BO₃ 30m g/L。 

样品沉积收集区共计有42个样品收集管均匀分布在仪器底部，分别在4个不同温度的水浴槽内，其中4℃下12个收集管，25℃下12个收集管，30℃下12个收集管，室温（5~15℃）下6收集管；每个水浴槽采用电加热方式，并通过控制水位和循环水流速来控制温度变化幅度为±0.5℃。 

丰年虾死亡后会随着淤泥沉积物一同沉淀在Paleopond和样品收集管内，实验30d后终止，取出样品收集管，观察分析各温度下管内收集物的情况。 

取各个温度下的样品收集管离心（4000r/min，5min）、除去上清液、真空室温干燥、去皮称重，得到各样品管内沉积物的质量，见表1。 

表1 样品收集管内沉积物的质量 

 a-1b-1a-2b-2总重量平均值4℃——0.1880.4531.1741.8150.39133室温0.20.7420.360.8582.160.5425℃0.360.2580.3010.3671.2860.321530℃0.144——0.196——0.340.17

注：上表中“——”表示无数据，a-1、b-1、a-2及b-2分别为样品管编号。

表1与图3显示，在4℃和室温（5~15℃）两个较低温度环境下，沉积物的质量明显较高，其后随着温度的升高，沉积物的质量下降。 

对样品管内的上清液进行红外显微检测，分析4种温度下样品上清液中基本的有机物和无机物类型，所用红外显微光谱仪为美国Thermo Fisher科技公司的Nicolet iN10^MX。 

红外分析显示4种温度下的上清液中都含有一定的无机盐类（可能为碳酸盐、硫酸盐），30℃下的对应IR图谱比较简单，主要以水峰（约3200cm^-1）和无机物峰为主；25℃及室温下的IR图谱中，以水峰和无机物峰为主，并出现强度较低的有机物峰；4℃下的IR图谱除了3000cm^-1处的水峰和1000 cm^-1多处无机物特征峰外，还检测出含有甲基和亚甲基、不易保存的酯类及蛋白质类（或肽键）等，有机物含量与种类较之其它3个温度下的样品都更为丰富。 

结合表1与图2的沉积物质量结果不难判断，低温度（尤其是4℃）更有利于有机物的的存储与维持，一些易被降解的物质（如蛋白质、脂肪）可以在低温下更好地保存，而当温度较高时，这类生命物质易被水体内的微生物降解掉，这也是沉积物质量随着温度升高而降低的主要原因。蛋白质和脂肪等都是构成生物组织的基本物质，这些物质得以保存意味着低温下生物残骸被保存的可能性大大提高，从而为化石的形成提供了先决条件。