近日，上海交通大学海洋学院长聘教轨副教授陈桑以第一和通讯作者身份在地球科学领域顶级刊物Geochimica et Cosmochimica Acta发表题为“Coherent Tracer Correlations in Deep-sea Corals and Implications for Biomineralization Mechanisms underlying Vital Effects”的研究论文，揭示了深海珊瑚骨骼中碳氧同位素与微量元素的变异性与相关性，及其背后的生物矿化过程与机理。上海交通大学为该成果的第一和通讯单位，研究合作方包括美国加州理工学院、Scripps海洋研究所和英国圣安德鲁斯大学。

图1. 对深海珊瑚骨骼的全样、微钻取样、二次离子质谱和纳米二次离子质谱观测

深海珊瑚多生长于不见天日的冰冷海水中，由于低温和高压的影响，深海海水往往处于文石的低饱和或不饱和状态。因此，深海珊瑚文石骨骼除了作为记录深海环境变化的重要古气候档案外，关于其适应深海恶劣生存环境的生物矿化过程的研究也在近二十年被学界越来越多地关注。目前，在实验室培养深海珊瑚仍然存在诸多技术难点。然而，深海相对稳定的环境条件为深海珊瑚提供了天然的培养箱，使得野生的深海珊瑚标本成为研究其生物矿化机制的理想材料。本研究采用了对深海珊瑚Desmophyllum dianthus骨骼中碳氧同位素和微量元素的多尺度观测（图1），通过地球化学示踪的研究方法，系统探讨了深海珊瑚骨骼化学组成的空间分布特征及其背后的生物矿化机制。

图2. 二次离子质谱观测的深海珊瑚骨骼中微量元素的变异性与相关性

图3. 纳米二次离子质谱观测的深海珊瑚骨骼中的高分辨率微量元素分布

观测表明，深海珊瑚虽然生长于相对恒定的海水环境中，其碳氧同位素和微量元素组成存在独立于环境条件的巨大变异性，其变化程度不亚于在真光层与虫黄藻共生的浅海珊瑚。与此同时，碳同位素、氧同位素以及锂、硼、镁、锶等微量元素均存在随深海珊瑚骨骼生长条带特征的系统性变化（图2），这样的变化甚至到达了几微米的空间尺度（图3），表明不同地球化学示踪剂在深海珊瑚生长过程中受到生物矿化作用的精细调控。

图4. 深海珊瑚生物矿化及同位素和微量元素“生命效应”的理论和数值模型

 除多尺度地球化学观测外，本研究还基于实验观测的生物矿化过程、海水碳酸盐化学、碳氧同位素分馏和微量元素分异的基本原理，构建了珊瑚生物矿化的数值模型（图4），对深海珊瑚骨骼中各地球化学指标的变异性和相关性给出了理论解释。模型指出，深海珊瑚骨骼中碳氧同位素和微量元素的变化在很大程度上可以由珊瑚生长过程中的内生pH调节引起。由于其生长环境中的诸多不利因素，强力的内生pH调节很可能是深海珊瑚对抗外界海水低饱和状态的主要生物机制之一，而这一过程也使得深海珊瑚中诸多传统的地球化学古气候指标存在较强的“生命效应”，主要体现为独立于环境条件的巨大变异性。然而，观测与模型共同表明，这种“生命效应”的强弱很可能与深海珊瑚的生长深度及海水的文石饱和度存在密切关联（图5）。

图5. 深海珊瑚内生pH调节强度与外界环境条件的关联性

因此，利用多重地球化学指标和生物矿化理论模型，我们可以厘清“生命效应”与环境影响之间的关系，在研究深海珊瑚生物矿化过程的同时建立更完善的多维度深海古环境指标。这一研究思路也对各类海洋生物成因碳酸盐中新型地球化学古气候指标的构建具有重要参考价值。

论文链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S0016703722006536

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