第八章 有机地球化学

子和微生物中。
树脂（resin）
一切植物成分中抵抗化学和生物化学作用最强的一种萜类混合物，其主要成 分是倍半萜、二萜和三萜类的衍生物。大部分树脂是由不饱和的多环烯酸组成， 是植物的重要组分之一。
（3）色素（pigments）
具有异戊间二烯结构。 叶绿素是生物体中最为重要且最为普遍的的一类有机色素，其基本结构式是由 四个吡咯环的α－碳原子通过四个次甲基（＝CH－）交替连接而成的卟吩核，
中，在水和微生物的作用下，木质素分解，与其它化合物形成腐殖质。
二
1 沉积有机质的来源
地质体中的有机质
沉积圈的有机质占地球总有机质的85%以上，分布高度分散、不均衡
各种生物的遗体和代谢产物，经掩埋演化生成的新的有机物及其衍生物。不
包括贝壳、骨骼、牙齿等无机部分。
2 地质体中有机质的类型
残存的稳定性较高的有机物：氨基酸、脂肪酸、卟啉、色素等 新产生的有机物：烃类、腐殖酸和干酪根 由于复杂的反应，新产生的有机质失去了有序的骨架结构。 干酪根：水、酸、碱和有机溶剂都无法抽提的那部分有机质的综合。它 是沉积岩中分布最普遍，数量最多的有机质，约占地质体中有机质总量的95%。
生物圈的地球化学组成分为：①生物本身，包括植物、动物及微生物等
②生物环境，包括土壤、水、空气等 ③生物源的岩石、矿物等，即腐殖质、煤、石油和天然气等 碳、氢和氧是生物体中最丰富的三种元素； 碳、氮、氢和氧在生物圈中集中的现象并不是偶然的，这些元素是元素周期表中原子序数
较小，挥发性较大的元素，很容易形成许多有机和无机化合物，因此，它们便于用来进行
应用领域：早期有机地球化学的形成和发展得益于石油地球化学的
进步，并在很大程度上受石油地球化学的影响；目前广泛应用于能
源、矿产种生物生存和分布的地球外圈，称为生物圈（Biosphere） 生物圈-维尔纳茨基 跨越接近地表的大气圈、水圈和岩石圈，是地球上 最大的生物群落环境，其中包含着生物与生物之间，以及生物与环境之 间的相互关系。 与生命有关联的元素目前已知（或推测）的有30多种
3 沉积有机质的产生与保存
三个因素影响沉积有机质的产生 原始有机质产率 相对平静的水体沉积环境 厌氧环境
的重要贡献者。最早出现在志留纪沉积物中，泥盆纪较普遍，石炭纪以石松类和
楔叶类为主。古生代末期，蕨类植物灭绝，之后以裸子植物为主。早白垩纪时期， 被子植物为主。
第二节 地质体中的有机质
地质体中的有机质是有机地球化学研究的对象，主要来源于生物及其新陈 代谢的产物，经历沉积、成岩和变质等一系列化学过程，以不同形态保留在各 地质体中。 为了追索地质体中有机质的来源，揭示有机质变化的地球化学过程和结果，
氨基酸分解形成C1~C7的烃类。生物体死亡后，氨基酸保存在遗骸和贝壳中，
故在笔石、藻类、腕足类化石中均含有氨基酸。在不同沉积环境中，氨基酸的 种类和含量不同。海相沉积物中氨基酸含量高于湖相沉积物，碳酸盐沉积物中 高于泥质沉积物。
（5）木质素（lignin）
植物细胞壁的主要成分，它包围着纤维素并充填其间隙形成了支撑组织。 木质素可视为高分子量聚酚，其单体基本上是酚－丙烷基结构的化合物，常带 有甲氧基等官能团。 木质素性质十分稳定，不易水解，但可被氧化成芳香酸和脂肪酸。在缺氧水体
有益元素：B、F、Si、Se、Sr、V、Cr、Ni、Sn、Br、W
沾染元素：浓度可变，生理作用未完全确定； 有害元素
界线不固定，依生物体对元素需求和元素的浓度和存在形式而定
在生物演化过程中，生物对元素的选择主要遵循如下规则：
丰度规则：有若干种选择时，生物体选择自然界丰度最高的元素；
藻酸
几丁质
(2) 脂类（Lipids）
脂类不溶于水，易溶于氯仿、苯、乙醚、已烷和丙酮等非极性有机溶剂。脂 类能被生物利用，作为构造、修补组织或供给能量之用。常见的脂类化合物包括 脂肪、腊、类固醇和磷脂。
脂肪和脂肪酸（fats and fatty acids）：脂肪是动植物中最重要的脂类。它是
由脂肪酸和甘油（丙三醇）结合而形成的。脂肪的化学性质极不稳定，极易发生 水解形成脂肪酸。脂肪酸的化学性质较为稳定，在低温缺氧的环境中易于保存。 蜡（waxes）：是高级脂肪酸与高级一元醇或甾醇形成的酯。含有少量游离高级 脂肪酸、高级醇和长链烃。蜡广泛分布于生物界，有蜂蜡、虫蜡、植物蜡、羊毛 蜡等，尤以各种植物蜡丰富。蜡在皮肤、羽毛、树叶、果实表皮以及昆虫外骨骼 上起保护作用，防止水份过度蒸发。它是石油中高碳数正构烷烃的主要来源之一。
β-D型葡萄糖
纤维素是构成植物细胞壁和支撑组织的重要成分，占自然界碳的含量的50%。由 300个-2500个葡萄糖残基组成，水解得到葡萄糖。 几丁质是氨基糖的聚合物，可视为乙酰胺基CH3CONH取代了纤维素的两个羟基。 它比纤维素更能抵抗分解，是构成节肢动物和昆虫硬壳的主体，又称为甲壳素。
纤维素
果胶
团聚体和类蛋白球等多分子体系，进入前细胞构造阶段
左右，细胞出现
生物进化： 前显生宙微观进化过程 从太古宙初到元古宙末，历时30亿a，原核生物是主体，生物进化主要表 现为细胞内部结构的复杂化和代谢方式的改变，即从异养生物到自养生物、从无 氧呼吸到有氧呼吸、从原核生物到真核生物的进化。原始异养生物逐渐为自养的、 行光合作用的生物所代替。 显生宙宏观进化过程 生物组织器官的进化、物种分异和生物多样性的变化。重要事件主要是： 动植物的分化、生物从水生到陆生，以及人类的起源。
再加上各种碳取代基构成的。
叶绿素本身很不稳定，在地质体中很少见到。其经过降解释放出其中的镁，之 后可能与其他金属重新络合生成卟啉，即镁被其他金属置换。
类胡罗卜素是另一种重要的有机色素，它能使植物呈淡黄色到深红色。
（4）蛋白质和氨基酸
蛋白质是由多种氨基酸组成的高度有序的聚合物。它们构成了生物有机体中 大部分含氮化合物。蛋白质与其它分子结合形成生命过程中大部分重要的化合 物，如细胞色素、酶、细菌的毒素和抗体、肌肉纤维、蚕丝和海绵等多种不同 物质。在有水存在时，不溶性蛋白质由于酶的作用可以水解成水溶性的单体－ 氨基酸。大部分蛋白质是由二十几种氨基酸组成。
途径。其它生物和微生物都依赖降解生物体提供的有机质而生活。 自然界中有两类光合作用：
绿色植物的光合作用
6CO2 + 6H2O 光 叶绿素 还原 氧化 C6H12O6 + 6O2
细菌的光合作用
6CO2 + 12H2S 光 细菌叶绿素 还原
氧化 C6H12O6 +6 H2O + 12S
地球上的碳循环是根据光合作用的速率大于呼吸速率的正平衡进行的
需要研究生物有机质的产生和聚集、生物圈的特征及其演化。
一、生物的化学组成及其特征
生物有机质主要由碳水化合物（糖类）、蛋白质、脂类和木质素组成。此 外，还有数量不大，但对生命活动十分重要的有机物质，如核酸、纤维素、丹
宁、树脂等。
在不同生物体中，有机组分的含量和类型存在显著差异。如藻类富含蛋白 质和脂类；高等植物富含纤维素和木质素。同种组分在不同生物体内也存在不 同特征。如高等植物内的脂类不同于低等植物的脂类。
光合作用：蓝绿藻， 20亿a，氧化环境
三 生物圈的演化
生物圈的演化特征
生物经过了由低级到高级，简单到复杂，单一到多样的进化历程。 生物的进化分为：前生命的化学进化和生物进化，前者短暂，后者漫长。 前生命的化学进化：由无机物质到有机生命； 异养假说和类蛋白微球学说：水、还原性大气和充足的能源（放电、宇宙射线、 热能和太阳能）环境中，无机小分子 机大分子 氨基酸等有机小分子 蛋白质和核酸等有 37~38亿a
（1）碳水化合物（糖类）
自然界分布最广的有机物质，是生物体的重要能量来源，而且为生命合成提
供碳原子和碳链骨架。许多糖类物质，如纤维素和几丁质，构成某些动植物的支
撑组织。
糖类的元素组成为碳、氢和氧，其分子通式为Cn(H2O)n，为多羟基的醛酮类。
基本组成单元为β-D型葡萄糖。碳水化合物按其水解产物可以分为单糖（仅含一个 醛/酮基团）、低聚糖（2~10个醛/酮基团）和多糖（>10个醛/酮基团）。此外， 糖也可以与非糖物质结合形成结合糖，如与蛋白质结合的葡萄糖胺。
第八章 有机地球化学
有机地球化学：地球和天体中有机物质的组成、结构和性质，
以及它们的发生、发展和演化规律。
有机化合物大多来自于生命体，它们结合到沉积岩中，并被保留在 各个地史时期。由于自然过程和人为活动的影响，它们循环到地球 表层，并再次参与生命合成反应。 地学、有机化学和生物学交叉渗透的边缘学科；
萜类和甾类化合物（terperoids and steroids）
自然界生物合成的一个重要方式就是异戊二烯单元（isoprene）的聚合反应。
凡有成倍的C5单元的天然生物产物，通常就是整个异戊二烯单元的连接。萜类和
甾类化合物都符合“异戊二烯法则” 。
胆甾醇 异戊二烯 环状单萜
萜类化合物的稳定性和抵抗细菌降解的能力强于正烷烃，因而在地质体中具
有生物标志化合物的重要特征，可反映原来生物物质成分。
甾类化合物又称类固醇，可视为部分或完全氢化的菲与环戊烷稠合的产物。 甾族化合物在动植物中均很丰富，而萜类化合物在高等植物中很普遍。
磷脂（phospholipid）
甘油的三个羟基中有两个与高级脂肪酸成酯，另一个和磷酸成酯。磷脂是细
胞膜的重要成分，广泛存在于动物的脑、肝、肾、蛋黄，植物的种子、果实、孢
光合作用是唯一能分离氧的，广泛存在于地表的
化学反应，大气圈的游离氧全部都来自生命光合 作用。
地球形成之初，原始大气主要为氢和氦，由于
太阳风的作用逐渐逃逸； 太古宙早期的大气主要是水、CO2、N2、CO、 SO2、HCl、CH4和NH3，还原性，来自于火 山活动释放的气体。 37亿a前，原始海洋中出现生命——异养体， 依赖非生物作用产生的有机分子存活。