海洋生物化学

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  海洋生物化学汉语拼音:Haiyang Shengwu Huaxue;英语:Marine Biochemistry),研究海洋生物的化学组成、代谢以及生物体与海水环境间发生的生物化学过程。海洋生物学的一部分,是海洋化学的一个重要领域。海洋生物化学的研究有助于阐明生命的起源和进化、海洋生物生产力的化学基础和生物的活动规律,并与海洋生物资源的开发利用等有密切的联系。

简史

  海洋生物化学的研究是从对各种海洋生物的化学元素分析开始的。早在17~18世纪,就对海洋生物体中的碳、硫、磷、氢、氧等元素有所测定。20世纪苏联A.P.维诺格拉多夫发表的《海洋生物体的化学元素组成》,系统地收集了1940年以前的大量化学元素分析资料。20世纪30年代从环节动物沙蚕(Nereis)中分离出沙蚕毒素,50年代又从东方鲀(Fugu)和海人草(Digenea)等中分别分离出河鲀毒素和海人草酸等代谢物,并确定其化学结构及合成;同时,开始研究海藻的碳代谢。60年代以来,对海洋动物脂肪的代谢、结构和功能,以及海藻多糖代谢与结构等方面的研究取得了较大进展;对海洋生物中的化学传讯物质——信息素的分离、结构和功能的研究迅速增多;还广泛地研究了海洋中的有机物及其生化过程。1979年出版的《海洋生物化学》(服部明彦编)和1981年出版的《海洋有机化学》(E.K.德斯马和R.道森主编),都论述了海洋生物化学方面的研究成就。

  中国学者自20世纪60年代以来,在海带碳代谢、海藻多糖化学组分、海藻多糖酶、海藻氨基酸、海藻色素蛋白,以及海洋动物天然产物的分离与鉴定和海洋文昌鱼蛋白等方面的研究都取得了一些成果。

海洋生物与海水环境的生化过程

  海水中除含有足够的氧和二氧化碳外,还含有生物生长必需的氮、磷、硅等营养盐类和各种微量元素,为有机物的发生和海洋生物的生长提供了必需的物质条件。浮游植物是海洋生物生产力的初级生产者,它们接受日光能,利用海洋中的水、二氧化碳和营养盐类合成基本的有机物。

  海洋细菌对海洋中的元素循环起着重要作用。海洋生物经细菌分解,释放出的大部分氮成为铵(NH4+)离子,然后被细菌氧化为亚硝酸盐,继而形成硝酸盐。这过程在表层水中主要依靠光化学氧化进行。而浮游植物消耗硝酸盐和磷酸盐,致使海水中的氮/磷比值大致保持恒定。生物残骸经微生物分解成氨、磷酸等物质,释放到海水中,又为浮游生物所利用。细菌还能使海水和沉积物中的高分子有机物(如纤维素、烃类和生物排泄物)分解成二氧化碳,使硫化氢氧化成硫酸盐;在缺氧条件下,又能使硫酸盐还原为硫化氢。对海底铁锰氧化物凝结体(锰结核)的形成,细菌亦起着积极的生化作用。

海洋生物的代谢

  海洋生物的代谢原理与途径,如光合作用、呼吸作用、能量代谢,以及一级代谢物(蛋白质核酸脂肪等),基本上与陆地生物相似。但各种代谢细节,特别是次级代谢,则有着明显的差异,生成了陆地上所没有的多样化的次级代谢物。

  海洋哺乳动物的海豚和鲸的声呐系统,是现代声学研究的重要课题。海豚头部具有回声定位组织,主要由三酰甘油和蜡酯等化学物质构成。两者都含有大量的异戊酸、较长链(C6~C16)的异构酸等。研究表明,L–亮氨酸经转氨酶、腺苷三磷酸和酰基硫激酶的酶系统而产生异戊酰辅酶A,然后增伸链长,生成长链的异构酸,再渗入到脂肪中。这方面的研究有助于了解海豚的声组织中脂肪类的代谢和传声功能。

  海洋生物因其特殊的生理需要,能从海水中吸收并浓缩无机金属离子和非金属离子,其浓度可比周围海水高出几千倍甚至几万倍。被吸收的离子参与细胞质、色素、酶、血液、蛋白质、多糖、维生素等的合成与代谢,或构成其中的成分。随着工业的发展,有毒重金属离子、放射性元素以及有机农药和化工污染物等随河流、大气进入海洋。在近海,它们大部分被吸附在悬浮的颗粒物上沉于海底,部分则由海洋生物吸收、浓缩,继而经食物链转移到底栖生物和鱼类中。有的金属(如汞)离子,在生化过程中转变成有毒的甲基化形态,直接危害人类的健康和生命。现各国正在加强研究各种污染物在海洋生物中的存在、积累和转移等代谢历程,揭示其代谢规律;并已确认一些底栖动植物,如贻贝(Mytilus)、巨藻(Macrocystis)可作为研究污染物的指标生物。

海洋生物的代谢物

  自20世纪60年代以来研究进展较快。这些代谢物有不少在种内和种间具有传讯作用,还大都具有较高的生物活性和药用价值,并在生物分泌和分解过程中被释放到海水中,构成海水溶解有机物的组分。

激素和信息素

  海洋动物中含有某些糖蛋白、多肽、甾醇、酮基化合物等激素,以协调个体内的各细胞,保持全个体的统一,控制生物体的各种机能。如棘皮动物海星类的卵成熟激素,虾蟹的变色和蜕皮激素等。

  由化合物控制的生物之间的相互作用,称为化学感受。这些化合物质称为化学传讯物质。在生物种内起着控制诱导、告警、集群、辨别家族等作用的传讯物质,称为信息素。依对双方的利害,分别称为利己信息素和利他信息素。化学感受现象在海洋生物中很明显,以弥补它们在混浊、黑暗的环境中视觉等功能的不足。

海洋药物

其他代谢物

  海洋植物的光合作用与陆地植物一样,除主要依靠叶绿素 a外,还有叶绿素 b和 c、色素蛋白(藻胆素)、类胡萝卜素、叶黄素类等辅助色素。海洋动物则含有类胡萝卜素和醌类、吲哚、吡咯类色素。不少海洋动物和细菌能发光,这是一种酶的反应,由发光蛋白质被氧化而发生的。在两极低温海区生存的鱼体内的某种糖蛋白,是有效的抗冻组分。

  物种系统发育的差别能反映到生物体内的各种代谢物上,如色素、多糖和各种次级代谢物结构的差异上,这些差异为海洋生物的分类(如科、属、种的划分)提供了化学依据。这种分类被称为“化学分类”。

研究意义

  1. 为海洋生命起源、海洋生物生产力和海洋生态学的研究,提供海洋环境化学因素与生物体活动之间相互关系的资料;
  2. 为开发海洋生物药物资源和化学分类学提供化学依据;
  3. 海洋有机化学相配合,阐明生物体分泌、分解和合成有机物的历程,以及这些有机物的地球化学过程;
  4. 为研究海洋生物的生理行为阐明生化基础,发展仿生学
  5. 研究污染物入海后被生物吸收,在食物链中的积累、转移及其归宿的生化过程,为解决环境污染提供材料等。