鱼类耳石微化学——解码生命历程的“环境硬盘”
在地球表面，71%的面积被海洋覆盖，这片蓝色疆域中生活着超过3万种鱼类。这些水生精灵如何应对环境变迁？它们的生命历程隐藏着怎样的生存密码？科学家们发现，答案就镌刻在鱼类耳石这一神奇的生物矿物中。耳石微化学分析技术，如同一把打开鱼类生命档案的金钥匙，正在为人类揭示水生生态系统的奥秘。这种直径不足1厘米的钙质晶体，竟能完整记录鱼类从出生到死亡的全部生命轨迹，其储存的环境信息之丰富，堪比现代计算机的硬盘存储器。
一、耳石：鱼类自带的生命记录仪
耳石是硬骨鱼类内耳中的碳酸钙晶体，主要由碳酸钙（约96%）、有机质（约3%）及微量元素（约1%）构成，起到听觉和维持身体平衡的作用。耳石主要是鱼类在通过鳃进行呼吸时，会从水中吸收钙离子，这些钙离子在进入耳石囊后会与碳酸根离子结合形成碳酸钙，在耳石囊内沉积形成。鱼类的耳石有微耳石、矢耳石和星耳石三种，每种各1对，分别位于鱼体左右内耳前庭器的椭圆囊、球囊和壶囊内[1]。
图1 耳石在硬骨鱼体内的位置
耳石具有独特的层状生长结构。这种生物矿物在鱼类胚胎发育阶段就开始形成，在显微镜下观察，耳石截面呈现出树木年轮般的同心圆结构，也就是耳石的年轮和日轮。一般而言，生活在温带地区的物种，春夏季节水温上升、饵料生物繁盛，生物体代谢旺盛、摄食强度大、生长迅速且均衡，此时形成的环纹宽且稀疏；到秋冬季节，水温下降、饵料生物贫乏，生物体代谢缓慢、摄食强度小，生长缓慢甚至停止，此时形成的环纹狭且致密。到翌年春季则恢复生长，开始新一轮周期。如此在硬质组织上表现为宽阔环纹（疏带或明带）和狭窄环纹（密带或暗带）交替排列的现象，一年之中形成的明带和暗带合称为年增量，明暗带间明显的分界线称为年轮[2]。
图2 一条18+龄鳟鱼耳石横截面，图中展示了鱼类的年轮[3]
在早期的研究中，因为耳石具有物种的特异性，即不同鱼类耳石的形态差异显著，故而主要用于鱼类的物种分类，尤其可以用于区分一些仅看外观难以辨别的物种。例如，同属于石首鱼科的小黄鱼和棘头梅童鱼，它们的外观十分相似，但耳石形状有很大区别，人们可以通过它们的耳石加以区分[4]。甚至在同一种鱼类中，来自不同地区种群的耳石也可能存在一些差异，例如来自广东硇洲的大黄鱼，与来自福建和广东东部的大黄鱼耳石形态存在显著差异[5]。
图3小黄鱼（上左）及其耳石（a、b）与棘头梅童鱼（上右）及其耳石（c、d）的形态比较[4]
图4 硇洲族、闽-粤东族大黄鱼及其矢耳石[5]
作为环境记录载体，耳石具有无可比拟的优势。鱼类在生长发育过程中，所经历的周边环境变化，都可以通过测定耳石中的元素变化的方式推测出来。目前已在鱼类耳石中检测到的元素有50多种，根据元素的含量多少，可分为大量元素（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]。耳石的元素和化学物质组成稳定，抗降解能力强，即使鱼类死亡后仍能完整保存环境信息，例如水中化学元素浓度、水温和盐度变化。更重要的是，相比其他生物标记（如鱼鳞或骨骼），耳石没有代谢重建过程，能真实反映历史环境状况。这种特性使其成为研究鱼类生态的“黑匣子”。
二、微化学分析的科技密码
激光剥蚀-电感耦合等离子体-质谱（LA-ICP-MS）是耳石分析的核心技术。该技术通过高能激光束逐层剥蚀耳石样品，产生的气溶胶被质谱仪实时检测，可同时分析30余种元素含量。现代仪器的时间分辨率可达微米级，相当于能读取鱼类生命历程中每一天的环境变化。电子探针微区分析（EMPA）方法可以通过聚焦电子束激发耳石表面元素的特征X射线，实现主量元素（如Ca、Sr、Mg）的二维空间分布成像[7]。
元素指纹图谱构建是数据分析的关键环节。锶钙比（Sr/Ca）能精确反映水体盐度变化，钡钙比（Ba/Ca）指示淡水输入强度，它们是最常用于判断鱼类生活史的两种元素比值。耳石中一些重金属元素，例如铅、汞等元素直接与水环境呈正比，人们也可以通过这些元素的浓度，确定鱼类生活环境的重金属污染情况。通过机器学习算法对多元素数据进行模式识别，科学家能重建鱼类迁徙路径[8]。
同位素示踪技术为耳石分析增添了新维度。碳氧稳定同位素（δ13C、δ18O）比值也能追溯鱼类的生活史，一般而言，δ13C同位素主要受到鱼体代谢影响，可以反应鱼类的食物和营养状况，而δ18O可以反应鱼类所经历的温度、环境盐度等环境变化[9]。
三、生态研究的革命性工具
正如前文所述，鱼类的耳石是由其在呼吸过程中摄入的钙离子沉积而成，与此同时，水体中的其他元素也会经由鱼鳃进入鱼体，并最终沉积于耳石之中。这一过程实质上揭示了鱼类生长过程中环境变化的印记。因此，通过对耳石的形态和化学组成进行深入分析，我们能够洞察鱼类的生活史特征，并追溯其栖息环境的变化历程。
2015年底，位于巴西东南部Dose河的Fundão大坝坍塌，造成了世界上最大的尾矿灾难，向周边水域释放了至少5000万立方米的铁矿尾矿。研究人员测定当地鱼类的耳石微化学变化，发现Dose河及周边水域中鱼类耳石中Ba/Ca、Fe/Ca、Mn/Ca含量显著高于其他河流鱼类的耳石，并确定这些比值的变化很可能与Fundão大坝溃坝事件相关，体现了耳石微化学在识别水环境污染中的重要作用[12]。
参考文献 [1]CAMPANA S. Chemistry and composition of fish otoliths:pathways, mechanisms and applications[J]. Marine Ecology Progress Series, 1999, 188: 263-297.
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[9]轩中亚, 杨健. 基于耳石微化学和种群遗传学的长江中下游刀鲚种群生态学研究[D/OL]//南京农业大学. 2021. https://link.cnki.net/doi/10.27244/d.cnki.gnjnu.2021.000090.
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