萬煌旭, 劉吉強, 韓喜球, 梁金龍, 周亞東, 范維佳, 王葉劍, 邱中炎, 孟凡巍

1. 自然資源部第二海洋研究所自然資源部海底科學(xué)重點實驗室, 浙江 杭州 310012

2. 成都理工大學(xué)地球科學(xué)學(xué)院, 四川 成都 610059

3. 中國礦業(yè)大學(xué)資源與地球科學(xué)學(xué)院, 江蘇 徐州 221116

引 言

深海熱液區(qū)自1977年在東太平洋戈拉帕格斯島洋底被發(fā)現(xiàn)以來, 目前已在各大洋發(fā)現(xiàn)有上百處[1], 是熱液區(qū)生物賴以生存的地方, 深海生命綠洲之一。 這些熱液區(qū)噴口附近因適宜的溫度(2～15 ℃)[2]等條件而發(fā)育不少數(shù)量的貽貝。 由于雙殼類生物可以記錄其生長環(huán)境頗多信息[3], 眾多學(xué)者已經(jīng)對生長在淡水[4-5]及淺海[6-9]的貝殼開展了大量的工作。 因樣品獲取難度高, 關(guān)于深海熱液區(qū)貝殼[10-13]的研究工作還處于探索階段, 主要集中在貝殼地球化學(xué)特征方面[12-13], 而對深海熱液區(qū)偏頂蛤的殼體內(nèi)部結(jié)構(gòu)、 礦物組成及成因機制的研究鮮有報道。

長期以來, 對貽貝殼體研究通常利用顯微鑒別、 理化鑒別、 掃描電鏡等鑒別方法。 最近, 崔楠楠[14]等利用共聚焦顯微激光拉曼原位分析技術(shù)對不同生長環(huán)境下的貽貝殼體礦物組成進行研究, 認(rèn)為拉曼技術(shù)可以區(qū)分深海冷泉以及熱液區(qū)不同理化環(huán)境下的貽貝。 張剛生[7]等利用不同殼層文石FTIR光譜位移特征, 表征了生物對不同殼層文石的選擇性生物礦化控制作用。 這兩種分析手段, 相比傳統(tǒng)的顯微鑒別、 理化鑒別、 掃描電鏡等鑒別方法, 具有獨特的優(yōu)勢。 傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜分析是一種快速、 準(zhǔn)確、 用樣少的方法[4]。 共聚焦顯微拉曼光譜是一種具有非侵入性與非破壞性原位光學(xué)分析技術(shù)[6], 適用于實驗室礦物原位無損鑒定[15], 并能夠鑒別礦物相(例如, 具CaCO3成分的方解石或文石)[6], 可以快速、 高效地用于研究不同環(huán)境下生存的貽貝殼體礦物組成。

采用共聚焦顯微激光拉曼原位分析技術(shù)和傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜分析技術(shù), 結(jié)合掃描電子顯微鏡觀察, 以來自西北印度洋臥蠶-1熱液噴口的深海偏頂蛤生物樣品(Bathymodiolusmarisindicus)為研究對象, 對其殼體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)與礦物組成開展了分析, 并對這些礦物的成因及其指示意義進行討論, 以期為揭示海底熱液區(qū)軟體動物殼體形成機制與生物誘導(dǎo)成礦過程提供參考依據(jù)。

1 實驗部分

1.1 樣品制備

樣品采集于西北印度洋臥蠶1號熱液區(qū)。 該熱液區(qū)以彌散流為特征, 熱液生物類群復(fù)雜多樣。 本工作的深海偏頂蛤樣品為蛟龍?zhí)栞d人深潛器第129次下潛獲得, 編號為38I-DV129, 水深約3 000 m, 編碼為貝(10), 采集出水后, 觀察拍照, 用酒精固定以備研究。

游標(biāo)卡尺測得該深海偏頂蛤的殼長: 80.280 mm; 殼寬: 33.281 mm; 殼高: 37.059 mm。 此外, 深海偏頂蛤殼體內(nèi)外層(珍珠層與棱柱層)厚度分別為0.1～0.3與0.2～0.4 mm[圖1(a)]。

圖1 臥蠶-1熱液噴口深海偏頂蛤(Bathymodiolus marisindicus)殼體樣品照片

實驗過程中, 先取出內(nèi)組織、 清洗風(fēng)干、 清理后的貝殼樣品放置在立方體碟子中, 置于真空玻璃皿中, 用環(huán)氧樹脂固定24 h。 使用STX-603型金剛石線切割機沿貽貝的最大生長軸進行切割(切片的厚度為2～3 mm)[圖1(b)]、 然后進行打磨拋光。 測試前, 用超純水沖洗樣品, 然后使用無水乙醇溶劑進行超聲清洗, 最后用超純水進行沖洗, 晾干。 在體視顯微鏡下觀察貝殼樣品切面并拍照。

1.2 方法

1.2.1 掃描電子顯微鏡(SEM)

深海偏頂蛤的天然斷面形貌觀察在復(fù)納科學(xué)儀器(上海)有限公司完成。 測試儀器為荷蘭Phenom生產(chǎn)的Phenom Pharos G2 SEM, 其腔室內(nèi)部采用背散射電子、 二次電子、 能譜三合一設(shè)計結(jié)構(gòu)。 電子源為肖特基場發(fā)射, 分辨率優(yōu)于2.2 nm。 探測元素范圍: B(5)—Am(95)號元素。 SEM觀測前先將樣品置于型號為Q150VES Plus(Quorum)噴金儀器中鍍鉑金膜2 min。

1.2.2 共聚焦激光拉曼光譜(CLRS)

深海偏頂蛤的殼層礦物成分分析使用自然資源部第二海洋研究所英國Renishaw公司的InVia型激光拉曼光譜儀完成。 系統(tǒng)在使用前利用單晶硅進行儀器校正。 激光波長514 nm, 分辨率1～2 cm-1, 測量范圍100～1 500 cm-1, 積分時間10～30 s, 積分次數(shù)3次, 激發(fā)能量10 mW。

1.2.3 傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜(FTIR)

在自然資源部第二海洋研究所完成, 所用測試儀器為德國Bruker公司生產(chǎn)的配有HYPERION2000型光學(xué)顯微鏡的Vertex80真空型紅外光譜儀, KBr分束器, 檢測器設(shè)置為LN-MCT。 光譜基線校正和峰位標(biāo)識通過OPUS軟件自動處理。 測試條件為室溫, 采用反射模式測定, 掃描范圍500～4 500 cm-1, 掃描次數(shù)128次, 分辨率4 cm-1, 掃描束斑大小為50 μm×50 μm～100 μm×100 μm。

2 結(jié)果與討論

2.1 深海偏頂蛤殼體結(jié)構(gòu)光學(xué)及SEM分析

雙殼類貝殼分左右殼, 每個單殼包括殼頂、 鉸合端及腹緣等[圖2(a)], 其縱向和橫向的生長方式分別為: 從外層到內(nèi)層[16]; 從殼頂?shù)礁咕塠圖2(a)]。

圖2 臥蠶-1熱液噴口深海偏頂蛤殼體結(jié)構(gòu)分層

本樣品B.marisindicus殼體的縱向生長按照其生長方式和內(nèi)部組成主要可分為五層, 從外到內(nèi)依次為角質(zhì)層(有機質(zhì)層)、 棱柱層、 過渡層、 文石板片層(珍珠層)[圖2(b), (c)]及肌棱柱層(見圖3)。 圖2(c)中黑色虛線區(qū)域為從外層向內(nèi)層的過渡區(qū)域, 即為過渡層。 棱柱層由很多呈纖維棱柱狀的棱柱晶體構(gòu)成, 其排列方式一致朝向角質(zhì)層, 磚塊狀的文石板片層由平直的板片構(gòu)成, 層疊生長[圖2(b), (c)], 而陳道海和霍穎嫻[5]觀察研究13種雙殼類貝殼微觀結(jié)構(gòu)特征發(fā)現(xiàn)貝殼棱柱層的晶體形狀包括棱柱狀、 短柱狀、 片狀和不規(guī)則形狀, 珍珠層的晶體形狀包括顆粒狀、 磚塊狀、 圓形、 塊狀和不規(guī)則的多邊形, 因此臥蠶-1熱液噴口深海偏頂蛤B.marisindicus的珍珠層晶體形態(tài)與前人研究結(jié)果一致, 棱柱層晶體形狀存在一定的差別。

圖3 臥蠶-1熱液噴口深海偏頂蛤殼體天然斷面超微結(jié)構(gòu)

據(jù)B.marisindicus殼體天然斷面的掃描電子顯微鏡觀察結(jié)果顯示, 天然斷面棱柱層棱柱晶體整體排列不規(guī)則[圖3(b), (c)和(d)], 棱柱間排列緊密, 擠壓嚴(yán)重, 導(dǎo)致菱柱體的c軸截面出現(xiàn)不規(guī)則狀[圖3(c), (d)]。 方解石棱柱垂直a軸截面的寬度不均, 約為818～960 nm[圖3(b)], 并與文石層呈近45°斜交[圖3(a)]。 這種結(jié)構(gòu)與淡水三角帆蚌[17]和淡水粉紅貝貝殼[18]的微結(jié)構(gòu)存在顯著差異, 后者文石棱柱層近垂直于文石片層。 此外, 邵浩彬等[17]指出棱柱層中小棱柱狀晶體間存在少量有機質(zhì), 起到黏結(jié)作用, 使小棱柱狀晶體緊密結(jié)合在一起, 引起整體協(xié)同效應(yīng), 在貝殼受到外力攻擊時可以有效地緩解沖擊, 從而達到保護內(nèi)部軟體組織的目的。 因此, 小棱柱狀晶體整體協(xié)同效應(yīng)結(jié)合方解石棱柱層斜交于文石板片層可更好地緩沖外界掠食者對貝殼的攻擊。

另外, 臥蠶-1熱液噴口深海偏頂蛤殼體棱柱層出現(xiàn)交錯現(xiàn)象[圖3(e)], 圖左側(cè)方解石棱柱體c軸向外部(角質(zhì)層)生長, 圖右側(cè)棱柱體c軸向內(nèi)部(珍珠層)生長。 歐曉婭等[19]研究發(fā)現(xiàn)淺海硨磲的文石棱柱體存在近120°相交的“編織狀”交錯結(jié)構(gòu), 但并未指明導(dǎo)致此現(xiàn)象的原因, 而是指出此現(xiàn)象可導(dǎo)致硨磲不同殼層的透明度不同, 并對硨磲殼層的成色產(chǎn)生一定影響。 在自然界中, 生物往往會進化出獨特的生物結(jié)構(gòu)或特殊的生物功能以便生存和適應(yīng)周圍的環(huán)境[20]。 軟體動物的殼體通常具有單一或幾種微觀結(jié)構(gòu), 這些結(jié)構(gòu)相互配合, 提供一系列復(fù)雜的多功能特性[21], 進而適應(yīng)周圍的水環(huán)境并存活。 然而, Génio等[22]卻指出, 與噴口和滲漏處的腹足類動物一樣[23], 化學(xué)共生貽貝殼體結(jié)構(gòu)反映了它們所屬的系統(tǒng)發(fā)育類群的結(jié)構(gòu), 也許不能代表它們對所棲息的極端環(huán)境或一般深海環(huán)境的適應(yīng), 且Bathymodiolus物種的殼體超微結(jié)構(gòu)中纖維狀棱柱體整體顯示由水平到強烈傾斜的特征。 此外, Machado等[10]研究發(fā)現(xiàn)一定靜水壓力下的淺淡水貽貝殼體棱柱層和珍珠層的晶體和排列方式均發(fā)生相應(yīng)的變化, 珍珠層變化較為強烈, 與深海熱液噴口貽貝殼體結(jié)構(gòu)存在相似之處, 從而得知貽貝殼體結(jié)構(gòu)受深海靜水壓力的影響。 Ca2+可用性也可影響深海熱液噴口貽貝殼層微觀結(jié)構(gòu)特征[17]。 控制殼體微觀結(jié)構(gòu)沉積和演化特征的機制還遠(yuǎn)未被完全了解[34], 在物種進化的不同時期, 不同的選擇壓力可能在不同的調(diào)控水平上起作用[22]。 因此, 我們認(rèn)為本研究的棱柱層與珍珠層近斜交及棱柱層交錯現(xiàn)象主要受貝殼遺傳因素的影響。 具體原因有待進一步研究證實。

臥蠶-1熱液噴口深海偏頂蛤殼體的過渡層形狀極不規(guī)則, 它延續(xù)了棱柱層的生長取向, 既具有棱柱狀形態(tài)也具有不規(guī)則的片狀特征, 整體顯示從棱柱狀到文石板片狀過渡的趨勢, 無法估計其晶體厚度[圖3(f)]。 印度洋深海偏頂蛤B.marisindicus的殼內(nèi)層包括珍珠層和肌棱柱層。 從圖3(g)和(h)中可觀察到文石層具有片狀結(jié)構(gòu), 即磚墻結(jié)構(gòu)。 貝殼珍珠層中有機基質(zhì)與文石板片組成了貝殼的“磚-泥”結(jié)構(gòu)模式, 其中碳酸鈣板片作為磚, 而在板片之間起粘結(jié)作用的有機質(zhì)為泥[25]。 此外, 本研究B.marisindicus的殼體珍珠層微觀結(jié)構(gòu)與大西洋中脊(MAR)深海熱液噴口收集的貽貝B.azoricus[26]殼珍珠層微觀結(jié)構(gòu)相似。 然而, 梁艷等[27]研究發(fā)現(xiàn)腹足綱香螺貝殼的文石層由多級結(jié)構(gòu)構(gòu)成, 不同于雙殼貝類和鮑魚文石層的“磚墻式”結(jié)構(gòu)。 因此, 不同種屬貝殼之間的文石層結(jié)構(gòu)存在較大差異。 深海偏頂蛤B.marisindicus的文石形態(tài)較為規(guī)則、 平直, 為成熟的文石板片。 文石板片呈堆疊生長, 厚度不均[圖3(h)], 極薄片層約為205 nm, 極厚片層約1 260 nm, 同一區(qū)域的文石板片厚度相似, 不同區(qū)域的厚度相差較大。 前人也曾在淡水貝殼珍珠層中發(fā)現(xiàn)片狀文石晶體厚度不均的現(xiàn)象[17, 19], 此現(xiàn)象可能受貝殼自身的生理因素控制, 其文石板片厚度根據(jù)生長環(huán)境的變化而有所改變。 從圖3(i)和(j)中可觀察到肌棱柱層具有簡單的棱柱狀微觀結(jié)構(gòu), 棱柱層和珍珠層均覆蓋在其之上。 在深海熱液噴口貽貝[22]中均可發(fā)現(xiàn)文石型晶體構(gòu)型的肌棱柱層。

綜上所述, 不同種屬的貝殼以及生長于不同環(huán)境的貽貝, 其殼體棱柱層和珍珠層的微觀結(jié)構(gòu)特征均存在顯著差異。

2.2 深海偏頂蛤殼層礦物組成分析

2.2.1 激光拉曼光譜分析

拉曼光譜分析顯示, 深海偏頂蛤殼體外層拉曼譜線的特征譜峰為282、 713和1 086 cm-1(圖4), 深海偏頂蛤殼體內(nèi)層拉曼譜線的特征譜峰為155、 207、 704和1 086 cm-1(圖4)。 方解石和文石晶體結(jié)構(gòu)的拉曼特征峰處于～1 086 cm-1為碳酸鹽(CO3)對稱拉伸(ν1振動), 300 cm-1以下的波段為晶格模式, 700 cm-1附近的波段為CO3的面內(nèi)彎曲(ν4振動)[28]。 數(shù)據(jù)與前人研究結(jié)果一致(表1),B.marisindicus的殼體成分為碳酸鈣(CaCO3), 殼體珍珠層和棱柱層分別為文石和方解石。 此外, 貝殼的礦物成分可完全為文石質(zhì)或方解石質(zhì), 也可在單獨的單礦物層中同時含有文石和方解石[29]。 李青梅等[30]指出淺海翡翠貽貝貝殼棱柱層、 珍珠層及其過渡區(qū)域均由文石組成。 淡水三角帆蚌的棱柱層和珍珠層均為文石型碳酸鈣[18]。 淺海扇貝和珍珠母貝的碳酸鈣成分分別為方解石及方解石和文石[31]。 因此, 不同種屬的貝殼殼體包含不同的礦物成分。

表1 本研究樣品與碳酸鹽礦物標(biāo)準(zhǔn)拉曼光譜

圖4 臥蠶-1熱液噴口深海偏頂蛤殼內(nèi)外層激光拉曼光譜圖

激光拉曼光譜技術(shù)在室內(nèi)和戶外(遠(yuǎn)洋深海、 野外露頭)均可開展原位測試。 Xi[32]等在對南海冷泉碳酸鹽巖的激光拉曼光譜原位探測時發(fā)現(xiàn), 冷泉生物群落密集分布區(qū)和無生物覆蓋區(qū)內(nèi)都普遍存在文石(207、 703和1 086 cm-1)和方解石(281、 713和1 086 cm-1), 方解石隨著冷泉系統(tǒng)的變化較穩(wěn)定, 文石晶體結(jié)構(gòu)卻遭受明顯破壞, 由此認(rèn)為自生碳酸鹽巖的原位拉曼光譜數(shù)據(jù)可以反映冷泉系統(tǒng)的演化過程。 此外, 在同一激發(fā)能量和曝光時間下, 從拉曼譜峰的強度和半高寬可觀察到, 臥蠶-1熱液噴口深海偏頂蛤殼體文石的結(jié)晶度略高于方解石。 對這一現(xiàn)象解釋有兩種, 其一, 由于深海偏頂蛤的縱向生長方式是從外層向內(nèi)層, 故內(nèi)層文石層受保護度遠(yuǎn)高于外層方解石層; 其二, 在動力學(xué)方面, 文石的力學(xué)性能優(yōu)于方解石[14], 因此文石層受周圍海水環(huán)境的影響相對較小。

2.2.2 傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜(FTIR)分析

圖5 臥蠶-1熱液噴口深海偏頂蛤殼內(nèi)外層傅里葉紅外光譜圖#有機質(zhì)引起的衍射峰

本文深海偏頂蛤殼外層方解石的相對強度之比(Iν2/Iν4b)為6.7(表2), 且殼外層方解石的各項參數(shù)與無機方解石所知參數(shù)相差甚遠(yuǎn)。 無機成因方解石的Iν2/Iν4b為3.0左右[34]。 因此, 本研究深海偏頂蛤殼體方解石的Iν2/Iν4b遠(yuǎn)大于無機成因方解石的Iν2/Iν4b, 由此可知西北印度洋臥蠶-1熱液區(qū)深海偏頂蛤殼外層方解石為生物成因(有機成因), 外層形成受嚴(yán)格的生物控制作用, 且生物礦化控制程度極高。 然而, 本研究深海偏頂蛤珍珠層文石ν2帶振動頻率值為854.3 cm-1, 且ν1、ν3及ν4帶的頻率值(1 081.8、 1 440.5、 698.1及711.6 cm-1)與無機文石的頻率值(表2)非常接近。 張剛生和李浩璇[35]對16種貝殼生物成因文石的FTIR光譜進行測量發(fā)現(xiàn)文石的ν2帶可作為指紋帶鑒別生物和無機成因文石, 其中生物和無機成因文石ν2帶頻率平均值分別為863.4和855.5 cm-1。 因此, 本研究的印度洋深海偏頂蛤的珍珠層文石為無機成因。 此外, 深海偏頂蛤B.marisindicus的殼體珍珠層存在有機質(zhì)。 貝殼珍珠層中含有約95%的文石碳酸鈣和約5%的蛋白質(zhì)、 多糖等大分子物質(zhì)[36]。 因此, 深海雙殼類貝殼殼體是一種潛在的研究生物礦化過程中有機質(zhì)與無機質(zhì)材料復(fù)合機制的優(yōu)良載體。

表2 深海偏頂蛤殼內(nèi)外層與無機碳酸鹽礦物碳酸根的振動紅外吸收頻率(cm-1)

3 結(jié) 論

通過SEM、 激光拉曼和傅里葉轉(zhuǎn)換紅外光譜分析了西北印度洋臥蠶-1熱液噴口深海偏頂蛤(Bathymodiolusmarisindicus)殼體天然斷面的形貌與礦物組成, 結(jié)果表明:

(1)印度洋深海偏頂蛤(B.marisindicus)殼體的縱向生長從外到內(nèi)依次為角質(zhì)層(有機質(zhì)層)、 方解石棱柱層、 過渡層、 文石板片層(珍珠層)及肌棱柱層。

(2)深海偏頂蛤殼體棱柱層棱柱晶體呈纖維狀, 排列緊密, 擠壓嚴(yán)重, 導(dǎo)致棱柱體的c軸截面出現(xiàn)不規(guī)則狀, 方解石棱柱垂直a軸截面的寬度約為818～960 nm, 并與文石層呈近45°斜交。 同時, 臥蠶-1熱液噴口深海偏頂蛤殼體棱柱層出現(xiàn)交錯現(xiàn)象。 殼體的過渡層形狀極不規(guī)則, 延續(xù)了棱柱層的生長取向, 整體顯示從棱柱狀到文石板片狀過渡的趨勢。 文石層具有片狀結(jié)構(gòu), 即磚墻結(jié)構(gòu); 文石形態(tài)較為規(guī)則、 平直, 厚度約為205～1 260 nm。 肌棱柱層具有簡單的棱柱狀超微結(jié)構(gòu)特征。

(3)深海偏頂蛤殼體珍珠層和棱柱層礦物分別為文石和方解石, 其中方解石和文石分別為生物成因和無機成因, 文石的結(jié)晶度略高于方解石。 貝殼殼體可能是一種潛在的研究深海生物礦化過程中有機質(zhì)與無機質(zhì)復(fù)合機制的優(yōu)良載體。