动物骨骼中支链四醚膜类脂化合物对温度和降水的响应及其在古气候学和环境考古学的应用

This proposed research builds on a recent exciting discovery of Professor Huang’s research group that a key class of climate-sensitive bacterial lipid compounds, namely, branched glycerol dialkyl glycerol tetraethers or b-GDGTs, is abundant and well preserved in ancient bones. Ample research in the past few years has demonstrated that the molecular distribution of these bacteria-derived GDGTs in the environments faithfully record environmental temperature, soil pH and, in certain regions, precipitation. Our discovery opens up an exciting new avenue to extract paleoclimatic and paleoenvironmental information directly from animal or human bone samples, eliminating the major obstacles in environmental archaeology and anthropology. In the proposed workl , we intend to: 1) further demonstrate the efficacy of the new approach by analyzing a critical set of modern/recent bone samples across major climatic and environmental gradients; 2) perform initial laboratory experiments to determine the time required for GDGT signatures to be fully registered upon bone burial at controlled temperatures; 3) analyze bone samples from important archaeological and anthropological time intervals to obtain proof-of-concept data. A successful initial study as we propose here will generate critical data of major interdisciplinary impact allowing rapid publication of innovative and original research technologies, and pave the foundation for large collaborative research proposals.

支链四醚膜类脂化合物(b-GDGTs)是重要的气候敏感类生物标记物，可准确记录温度、土壤pH值或降水变化。申请者团队最近的一项突破性发现证实，文化遗迹中的动物骨骼里完好保存了大量b-GDGTs，该发现使得从人或动物的骨骼中直接提取古气候、古环境信息成为可能。同时，得益于文化遗址和古人类活动的密切关系以及骨骼化石的精确定年，骨骼b-GDGTs的发现也消除了以往环境考古研究中的两大难题：指标记录的年代问题和重建气候的代表性问题。基于以上发现，项目将开展：1)通过不同气候、环境梯度下的现代骨骼样品分析，进一步验证新方法的有效性；2)开始温控培养实验，确定GDGTs信号的时间响应，完善与温度间的定量关系；3）对青藏高原东北部全新世不同时期文化遗址中的骨骼样品进行分析，在定量重建基础上初步分析气候环境变化对史前人类活动的影响。动物骨骼GDGTs研究将会产生重要的跨学科影响.

在风化的动物骨骼中检测到了大量由细菌产生的支链四醚膜类脂化合物（brGDGTs），因此古代遗址中动物骨骼的brGDGTs具有重建古气候和古环境信息的巨大潜力。由于缺少动物骨骼中的brGDGTs与环境变量之间的关系信息，例如温度的转换方程，使得无法利用动物骨骼中的brGDGTs定量重建温度等古气候信息。在此，我们通过对在中国不同气候梯度下（年平均温度: -3.3-25.6 ºC；年降水量: 163-2062 mm）191个现代动物骨骼样品中的brGDGTs研究，第一次建立骨骼中的brGDGTs与温度和降水之间的转换方程。我们发现brGDGTs指标与温度的相关性随6-甲基brGDGT的比例增加而增加，并且具有高6-甲基brGDGT比例的骨骼样品与年平均温度（MAAT）关系最为显著。因此我们利用具有高6-甲基brGDGT比例的样品建立了甲基化指标的温度转换方程，同时也利用多元线性回归的方法建立brGDGT组分与MAAT之间的转换方程。由于骨内细菌生长的环境比土壤环境更加均匀，使得动物骨骼中brGDGT温度转换方程的RMSE要比土壤低~ 0.7 - 1.4 ºC。在干旱半干旱区，疏松的动物骨骼中brGDGTs的PI指标与年降水量存在很好的对应关系。我们建立的动物骨骼brGDGTs温度转换方程的精度要高于土壤中的方程，极大提高了利用古代遗址中动物骨骼重建古温度的可靠性和准确性。此外，我们将新建立的方程应用到古代的动物骨骼样品中，重建了阿拉斯加地区过去30000年的温度和湿度变化历史。