南极磷虾复眼中含稀土元素颗粒及其形成因素的初步研究

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南极磷虾作为南极生态环境的关键环节,无论从哪个角度来衡量,都可以称作是地球上繁衍最成功的物种。南极磷虾之所以可以在恶劣的南极环境下成功的生存,是因为自身对环境的适应以及逐步的进化。其中复眼是南极磷虾重要的光感受器,有着独特的结构特点和复杂的生理功能,对南极磷虾的生存起着极其重要的作用。本文主要是对南极磷虾复眼中观察到的特殊颗粒进行初步研究。对南极磷虾复眼、肌肉组织、发光器色素细胞以及甲壳下色素细胞进行扫描电镜观察,发现在南极磷虾复眼的色素细胞外围存在大量的颗粒,在肌肉组织、发光体和甲壳下的色素细胞中并没有发现颗粒的存在,南极磷虾复眼中颗粒的存在是区别于肌肉组织以及另外两种色素细胞的显著特点。对不同生长阶段、不同性别的南极磷虾的复眼进行了扫描电镜观察和能谱检测,发现从1期至4期复眼中的颗粒直径逐渐增大且密集程度也逐渐增大,其中1期的南极磷虾复眼中的最大颗粒直径为4-5μm,2期的最大颗粒直径为9-10μm,3期和4期的南极磷虾复眼中的最大颗粒直径为25-30μm,在3期或4期时,复眼中的颗粒直径达到最大且颗粒分布也达到最密集,在南极磷虾5期时,复眼中的颗粒直径整体减小且密度变的稀疏,最大的颗粒直径为8-11μm。南极磷虾复眼中颗粒的大小和密度变化趋势与其生长发育变化趋势相一致,推测复眼中的颗粒对自身的生长发育起着重要的作用。通过能谱检测,发现南极磷虾复眼颗粒中含有大量元素包括17种稀土元素,南极磷虾肌肉组织中元素成分单一且不存在稀土元素,因此含有大量的稀土元素是南极磷虾复眼中颗粒的显著特征。统计分析表明,在不同性别、不同生长阶段的南极磷虾复眼的颗粒中含有大量同种元素,这是南极磷虾复眼中颗粒间的共同特征,其中在南极磷8个生长阶段中碳(C)、氮(N)、氧(O)、钇(Y)元素的总平均含量为80.98±4.28%,含量较高;在稀土元素检测中钇(Y)、铥(Tm)、镱(Yb)和钬(Ho)的含量较高,总平均含量占80.91±10.26%。对南极磷虾复眼的色素细胞进行元素检测,发现色素细胞中的元素含量与相对应颗粒中的元素含量相似。经过能谱检测推测南极磷虾复眼中颗粒形成的主要因素有:第一,与复眼中色素细胞的生长代谢以及内环境调控相关;第二,稀土元素之间具有相似的物理化学性质,常出现共存现象,大量稀土元素的聚集可能会导致颗粒的形成;第三,稀土元素具有活跃的化学性质,可与蛋白质或者核酸产生较强的相互作用力,这种相互作用力的存在具有使稀土元素聚集成团的趋势;第四,Y作为能谱检测过程中含量较多的稀土元素,最容易与O.2-结合形成Y2O3,而Y2O3具有较低的溶解性,在溶液中有较强的聚集或沉淀形成颗粒的趋势。Y等稀土元素都具有抗氧化功能,在减弱碱基氧化损伤、DNA链断裂、细胞膜流动性下降等方面起着重要作用,推测南极磷虾复眼中存在的颗粒同样是具有抗氧化功能的。对南极磷虾复眼、复眼石蜡切片、Y标准品、Y2O3标准品进行磁性检测,证明了南极磷虾复眼、复眼石蜡切片以及Y和Y2O3都具有顺磁性,进一步佐证了南极磷虾复眼颗粒中稀土元素的存在,并推测Y等其他稀土元素都具有顺磁性的相同特性也是颗粒形成的因素之一。对南极磷虾复眼以及其他组织(除了复眼外的南极磷虾整体)进行油脂提取,磷脂酰胆碱(PC)、虾青素及其酯的高效薄层层析,从有机成分方面分析,发现南极磷虾复眼中含有丰富的PC、虾青素、虾青素一酯和虾青素二酯,分别比其他组织中多出348 mg/g,2488.5μg/g,7217.2μg/g,6318.4μg/g,推测复眼中颗粒的形成可能与复眼中含有丰富的PC、虾青素、虾青素一酯、虾青素二酯等脂类物质相关。根据PC、虾青素及其酯的抗氧化性,推测南极磷虾复眼中的颗粒可能是具有抗氧化性的,这对南极磷虾在南极的生存起着重要的作用。本文对南极磷虾复眼中颗粒的研究做了比较初步的探索,推测出了复眼中颗粒形成的几种因素以及对机体可能产生的作用。未来的研究应从光学与视觉方面着手,可以通过研究复眼中颗粒的光学效应与机体的视觉发育相结合,进一步探索颗粒的功能特点。此外,南极磷虾复眼中颗粒对稀土元素特殊的富集机制以及这些颗粒中核酸和蛋白质的存在特点也将是未来研究的方向。
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