魚類耳石微化學——解碼生命歷程的“環境硬盤”

在地球表面，71%的面積被海洋覆蓋，這片藍色疆域中生活著超過3萬種魚類。這些水生精靈如何應對環境變遷？它們的生命歷程隱藏著怎樣的生存密碼？科學家們發現，答案就鐫刻在魚類耳石這一神奇的生物礦物中。耳石微化學分析技術，如同一把打開魚類生命檔案的金鑰匙，正在為人類揭示水生生態系統的奧秘。這種直徑不足1厘米的鈣質晶體，竟能完整記錄魚類從出生到死亡的全部生命軌跡，其儲存的環境信息之豐富，堪比現代計算機的硬盤存儲器。

一、耳石：魚類自帶的生命記錄儀

耳石是硬骨魚類內耳中的碳酸鈣晶體，主要由碳酸鈣（約96%）、有機質（約3%）及微量元素（約1%）構成，起到聽覺和維持身體平衡的作用。耳石主要是魚類在通過鰓進行呼吸時，會從水中吸收鈣離子，這些鈣離子在進入耳石囊后會與碳酸根離子結合形成碳酸鈣，在耳石囊內沉積形成。魚類的耳石有微耳石、矢耳石和星耳石三種，每種各1對，分別位于魚體左右內耳前庭器的橢圓囊、球囊和壺囊內[1]。

圖1 耳石在硬骨魚體內的位置

耳石具有獨特的層狀生長結構。這種生物礦物在魚類胚胎發育階段就開始形成，在顯微鏡下觀察，耳石截面呈現出樹木年輪般的同心圓結構，也就是耳石的年輪和日輪。一般而言，生活在溫帶地區的物種，春夏季節水溫上升、餌料生物繁盛，生物體代謝旺盛、攝食強度大、生長迅速且均衡，此時形成的環紋寬且稀疏；到秋冬季節，水溫下降、餌料生物貧乏，生物體代謝緩慢、攝食強度小，生長緩慢甚至停止，此時形成的環紋狹且致密。到翌年春季則恢復生長，開始新一輪周期。如此在硬質組織上表現為寬闊環紋（疏帶或明帶）和狹窄環紋（密帶或暗帶）交替排列的現象，一年之中形成的明帶和暗帶合稱為年增量，明暗帶間明顯的分界線稱為年輪[2]。

圖2 一條18+齡鱒魚耳石橫截面，圖中展示了魚類的年輪[3]

在早期的研究中，因為耳石具有物種的特異性，即不同魚類耳石的形態差異顯著，故而主要用于魚類的物種分類，尤其可以用于區分一些僅看外觀難以辨別的物種。例如，同屬于石首魚科的小黃魚和棘頭梅童魚，它們的外觀十分相似，但耳石形狀有很大區別，人們可以通過它們的耳石加以區分[4]。甚至在同一種魚類中，來自不同地區種群的耳石也可能存在一些差異，例如來自廣東硇洲的大黃魚，與來自福建和廣東東部的大黃魚耳石形態存在顯著差異[5]。

圖3小黃魚（上左）及其耳石（a、b）與棘頭梅童魚（上右）及其耳石（c、d）的形態比較[4]

圖4 硇洲族、閩-粵東族大黃魚及其矢耳石[5]

作為環境記錄載體，耳石具有無可比擬的優勢。魚類在生長發育過程中，所經歷的周邊環境變化，都可以通過測定耳石中的元素變化的方式推測出來。目前已在魚類耳石中檢測到的元素有50多種，根據元素的含量多少，可分為大量元素（Ca、C、O、N）、常量元素（Cl、S、Mg、Na、P、Sr、K）及微量元素（Ba、Mn、Pb、Zn等）[6]。耳石的元素和化學物質組成穩定，抗降解能力強，即使魚類死亡后仍能完整保存環境信息，例如水中化學元素濃度、水溫和鹽度變化。更重要的是，相比其他生物標記（如魚鱗或骨骼），耳石沒有代謝重建過程，能真實反映歷史環境狀況。這種特性使其成為研究魚類生態的“黑匣子”。

二、微化學分析的科技密碼

激光剝蝕-電感耦合等離子體-質譜（LA-ICP-MS）是耳石分析的核心技術。該技術通過高能激光束逐層剝蝕耳石樣品，產生的氣溶膠被質譜儀實時檢測，可同時分析30余種元素含量。現代儀器的時間分辨率可達微米級，相當于能讀取魚類生命歷程中每一天的環境變化。電子探針微區分析（EMPA）方法可以通過聚焦電子束激發耳石表面元素的特征X射線，實現主量元素（如Ca、Sr、Mg）的二維空間分布成像[7]。

元素指紋圖譜構建是數據分析的關鍵環節。鍶鈣比（Sr/Ca）能精確反映水體鹽度變化，鋇鈣比（Ba/Ca）指示淡水輸入強度，它們是最常用于判斷魚類生活史的兩種元素比值。耳石中一些重金屬元素，例如鉛、汞等元素直接與水環境呈正比，人們也可以通過這些元素的濃度，確定魚類生活環境的重金屬污染情況。通過機器學習算法對多元素數據進行模式識別，科學家能重建魚類遷徙路徑[8]。

同位素示蹤技術為耳石分析增添了新維度。碳氧穩定同位素（δ13C、δ18O）比值也能追溯魚類的生活史，一般而言，δ13C同位素主要受到魚體代謝影響，可以反應魚類的食物和營養狀況，而δ18O可以反應魚類所經歷的溫度、環境鹽度等環境變化[9]。

三、生態研究的革命性工具

正如前文所述，魚類的耳石是由其在呼吸過程中攝入的鈣離子沉積而成，與此同時，水體中的其他元素也會經由魚鰓進入魚體，并最終沉積于耳石之中。這一過程實質上揭示了魚類生長過程中環境變化的印記。因此，通過對耳石的形態和化學組成進行深入分析，我們能夠洞察魚類的生活史特征，并追溯其棲息環境的變化歷程。

2015年底，位于巴西東南部Dose河的Fund?o大壩坍塌，造成了世界上最大的尾礦災難，向周邊水域釋放了至少5000萬立方米的鐵礦尾礦。研究人員測定當地魚類的耳石微化學變化，發現Dose河及周邊水域中魚類耳石中Ba/Ca、Fe/Ca、Mn/Ca含量顯著高于其他河流魚類的耳石，并確定這些比值的變化很可能與Fund?o大壩潰壩事件相關，體現了耳石微化學在識別水環境污染中的重要作用[12]。

參考文獻
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來源: 海南大學科普團隊

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