Quelle: Labor von Jeff Salacup – University of Massachusetts Amherst
In dieser Serie von Videos wurden natürliche Proben extrahiert und gereinigt auf der Suche nach organischen Verbindungen, genannt Biomarker, die Informationen über die klimatischen Bedingungen und Umgebungen der Vergangenheit beziehen können. Eines der analysierten Proben war Sediment. Sedimente reichern sich im Laufe der geologischen Zeit in Becken, Vertiefungen in der Erde in denen Sediment fließt durch die Einwirkung von Flüssigkeit (Wasser oder Luft), Bewegung und Schwerkraft. Zwei Haupttypen von Becken vorhanden, Marine (Ozeane und Meere) und lacustrine (Seen). Wie man vermuten könnte, Leben sehr unterschiedliche Arten des Lebens in diesen Einstellungen, der Unterschied im Salzgehalt zwischen ihnen größtenteils angetrieben. In den letzten Jahrzehnten entdeckt Bio Geochemiker eine Toolbox von Biomarker-Proxys oder Verbindungen, die zur Beschreibung Klima oder Umwelt, von denen einige in marinen Lebensräume und einige von denen arbeiten in lacustrine arbeiten. Wir richten unsere Aufmerksamkeit hier auf die marine Realm und Alkenone Paleothermometry über die Uk’37 Meer Oberflächentemperatur Proxy.
Die etabliertesten und allgemein angewandten offenen Ozean Biomarker Meer Oberflächentemperatur (SST) Proxy ist Uk’37.
Uk’37 = (C37:2) / (C37:2 + C37:3) (siehe Herbert1 für eine Rezension)
Der Index basiert auf dem Verhältnis von zwei mehrfach ungesättigten langkettigen-Alkyl-Ketonen, genannt Alkenone, produziert durch einige Klassen von Haptophyte Algen2,3. 4,5 und Kern-Top Sediment6 Kalibrierung Kulturwissenschaften führte zur Entwicklung des Uk’37 Index als quantitative SST Proxy. Erstaunlich, die Kultur-basierte Kalibrierung von Prahl Et al. 4:
Uk’37 = 0.034(SST) + 0,039,
Und der Kern-Top-Kalibrierung von Müller Et al. 6,
Uk’37 = 0.033(SST) + 0,044,
statistisch gesehen identisch sind.
Rekonstruiert Uk’37 Temperaturen korreliert am besten mit mittleren jährlichen SST für eine Vielzahl von Klima und Haptophyte Produktion Regimen in der globalen Ozean7. Alkenone werden in marinen Sedimentkernen des frühen Eozän bis Neuzeit8und in exponierten Felsen erhobenen Meeresablagerungen9 vorzuschlagen, sind sie sehr stabil im Laufe der geologischen Zeit, und so nützlich wie ein Paläoklima-Tool erkannt. Uk’37 verwendet wurde, um Paleo Meer Oberflächentemperatur Belegänderungen bei dekadische10 zu orbital11,12 Fristen und sind daher sehr vielseitig.
Im offenen Ozean sind die Coccolithophores Emiliania Huxleyi und Gephyrocapsa Oceanica für die meisten Alkenone Produktion verantwortlich. Es ist noch nicht bekannt, warum diese Kalkalgen Ungesättigtheit Verhältnis von Alkenone basierend auf Wachstum Temperatur verändern. Es war ursprünglich gedacht, dass Alkenone Bestandteile der Zellwände Haptophyte waren und ihre Ungesättigtheit angepasst wurde, um die Membran Flüssigkeit zu halten, ähnlich wie gesättigte Fette bei Raumtemperatur fest sind, während ungesättigte Fettsäuren fließend sind. Jedoch Experimente, die darauf abzielen, diese Frage gefunden, dass anstelle der Zellmembranen zugeordnet, Alkenone Energie-Lagerung-Strukturen innerhalb der Zelle zugeordnet waren. So bleibt ihre Verwendung innerhalb der Zelle eine offene Frage.
Vor kurzem wurden Alkenone in lacustrine Umgebungen gefunden. Ihre Nützlichkeit wurde jedoch bisher beschränkt. Verschiedenen Alkenone Produzenten als jene im marinen Bereich wohnen in Seen und damit die Kalibrierung zwischen Wassertemperatur und Ungesättigtheit (Uk’37) unterscheidet. Darüber hinaus unterscheidet sich diese Kalibrierung zwischen Seen, was die Schaffung einer “globalen” Kalibrierung unwahrscheinlich. Leider, die Schaffung von lokalen Kalibrierungen ist teuer und zeitaufwändig und so die Zukunft für Uk’37 in den Seen ist auch derzeit begrenzt.
Alkenone sind in der Regel aus marinen Sedimenten gewonnen. Sehr oft produzieren die gleichen Organismen, die Alkenone produzieren Fettsäure-Methylester von jenen Alkenone genannt Alkenoates. Diese Verbindungen zusammen eluieren mit Alkenone auf einen Gaschromatographen und erschweren deren Quantifizierung. Diese Extrakte werden daher oft eine Verseifung um Alkenoates zu entfernen durchlaufen. Weil die Verseifung Karboxylhaltige Säuren, die nicht Gaschromatograph zugänglich sind produziert, muss eine Silica-Gel-Spalte nach der Verseifung aus dem Extrakt der Carbonsäuren entfernen durchgeführt werden. Die Alkenone kommen in der mittleren Polarität-Keton-Bruch in Dichlormethan elutes, während die Säuren in der Spalte links. Schließlich kann in extremen Fällen, wie z. B. in Sedimenten von hoch belasteten Bereichen, wie Flussmündungen in der Nähe von industriellen Zentren erworben eine Harnstoff-Adduktion auch verpflichtet werden unbekannte Verbindungen zu entfernen, die mit der Alkenone am Gaschromatographen coelute.
Sobald der gesamten Lipid-Extrakt gereinigt wird, läuft die extrahierte und gereinigte Probe auf einen Gaschromatographen, gekoppelt an eine Flamme ionisierende Strahlung Detektor. Die relative Konzentration der beiden Alkenone wird bestimmt, indem man die Fläche unter der Kurve für jede der Verbindungen auf Computersoftware für genau diesen Zweck (z. B. Agilent Chemstation). Diese Bereiche sind dann legen Sie in die Uk’37 Verhältnis Gleichung oben gezeigt zu einem Uk’37 -Wert, der zwischen 0 und 1 liegt. Diese Uk’37 Werte dann Meer Oberflächentemperatur Wert mithilfe einer Kalibrierung wie beschrieben oben zugeordnet sind.
Paleothermometry ist die Berechnung der letzten Temperaturen durch Analyse von bestimmten Chemikalien in natürlichen Proben, wie jene von prähistorischen Algen hinterlassen.
Algen sind eine heterogene Gruppe von Organismen, die seit Jahrtausenden in Meeren und Seen der Erde reichlich vorhanden gewesen sein. Bestimmte chemischen Verbindungen, die von alten Algen im Sediment abgelagert werden, fungieren als Biomarker – organische Verbindungen, die Forscher wertvolle Einblicke in die Geschichte der Erde bieten kann. In der Tat ermöglicht die Analyse der Algen Biomarker Inhalt im Sediment abschätzen, die Temperatur der Erde Hunderte von Millionen von Jahren.
Eine solche Aufzeichnung stammt aus dem einige Arten von Coccolithophores. Diese Algen produzieren unterschiedliche Mengen an Alkenone, eine Klasse von robusten Biomarker, die Temperatur ihrer Umgebung abhängig. Alkenone Analyse dient in erster Linie zur Berechnung der Oberflächentemperatur der Weltmeere Äonen und Äonen vor.
Dieses Video wird veranschaulichen die Verwendung von Alkenone in Paläoklimatologie und beschreiben den Prozess der Isolierung, Reinigung und Analyse Alkenone, vorbei an Temperatur der Meeresoberfläche zu berechnen.
Wie der Name schon sagt, basiert “Alkenone Paleothermometry” auf die Analyse, wenn Lipide, bekannt als Alkenone Alkenone Paleothermometry basiert auf Alkenone; langkettige, ungesättigte Alkyl-Ketone, die 37 Kohlenstoffatomen und 2 bis 4 Doppelbindungen enthalten. Jede Doppelbindung ist eine Seite von Ungesättigtheit. Bei niedrigen Wassertemperaturen Oberfläche generieren Alkenone Produzenten mehr ungesättigte Alkenone als gesättigt. Das Verhältnis der Sättigung zu Ungesättigtheit bekannt als Alkenone Ungesättigtheit Index.
Die Alkenone meist bewertet sind die C37:2 und C37:3, die 37 Kohlenstoffe und zwei oder drei Doppelbindungen, bzw. haben. Der Ungesättigtheit Index des diese Alkenone bzw. die UK’37, bezieht sich positiv auf die Temperatur der Meeresoberfläche. Die analytische Methode, wie Gaschromatographie in der Regel empfindlich genug, um diese Alkenone voneinander zu trennen. Alkenone erzeugenden Algen erzeugen jedoch oft auch chemisch ähnliche Fettsäure-Methylester oder Alkenoates, die von Alkenone mit dieser Technik nicht zu unterscheiden. Kohlenwasserstoff-Kontamination vor Verschmutzung kann auch weitere chromatographische Analyse schlammig. Um relative Alkenone Konzentration genau zu bestimmen, müssen Alkenoates und unbekannte Kohlenwasserstoffe vor der Analyse durch die Methoden der Verseifung und Harnstoff Adduktion entfernt werden.
Nun, da das Verhältnis von Sediment Alkenone Verhältnis zur Temperatur der Meeresoberfläche überprüft wurde, betrachten wir die Techniken für ihre Reinigung von einem gesamten Lipid-Extrakt und Analyse des Verhältnisses von Ungesättigtheit.
Sobald Meeresablagerungen gesammelt und extrahiert wurde, den gesamten Lipid-Extrakt oder TLE, einen mehrstufigen Reinigungsprozess durchlaufen muss, und analysiert. Zunächst durchläuft das Extrakt Verseifung zur Umwandlung von Alkenoates in Carboxylat Salze und Methanol mit einer starken Basis und Wärme. Anderen Fettsäureester vorhanden in der TLE werden in Salze und Glycerin verseift.
Nach dem Abkühlen der Mischung auf Raumtemperatur wird eine wässrige Salzlösung zur Form Salze und Glycerin hinzugefügt. Die Mischung wird dann angesäuert, Protonate Carboxylat Anionen, Herstellung von Fettsäuren. Zu guter Letzt werden die Alkenone und Fettsäuren aus der Mischung mit Hexan extrahiert.
Silica-Gel Chromatographie erfolgt dann um apolaren Verbindungen und die polar Fettsäuren produziert durch Verseifung zu entfernen. Die getrockneten und verseift TLE wird in Hexan gelöst und dann auf eine Spalte geladen. Kieselsäure behält polare Verbindungen stärker als diejenigen apolaren.
Erstens sind apolaren Verbindungen mit einem apolaren Lösungsmittel wie Hexan entfernt. Als nächstes sind Alkenone durch ein mäßig polaren Lösungsmittel wie Dichlormethan, verlassen die stark polaren Fettsäuren und andere unerwünschten polaren Verbindungen an der Säule eluiert.
Wenn die ursprüngliche Sedimentprobe aus einem stark belasteten Bereich gesammelt wurden, wird Harnstoff Adduktion durchgeführt, um alle verbleibenden hoch verzweigte oder zyklische Kohlenwasserstoffe zu entfernen. Die getrockneten Mid Polarität Bruchteil wird in einem Lösungsmittelgemisch aufgelöst in dem stark polare Harnstoff minimal löslich, wie DCM und Hexan ist. Eine konzentrierte Lösung von Harnstoff in Methanol wird dann die TLE verursacht Harnstoff Kristalle ausgefällt hinzugefügt.
Straight-Kettenmoleküle wie Alkenone passen in die Räume zwischen den Molekülen im Kristallgitter Harnstoff, aber stark verzweigte und zyklische Moleküle nicht und ausgestoßen werden.
Sobald Kristallwachstum beendet hat, sind die Harnstoff-Kristalle getrocknet und dann gewaschen, mit einem apolaren Lösungsmittel, vertriebene Substanzen zu entfernen. Dann werden die Kristalle in einer kleinen Menge Wasser aufgelöst. Das Wasser mit einem apolaren Lösungsmittel für die Analyse sind die Alkenone entzogen.
Während alle vorherigen Reinigungsschritte Alkenone Arten nicht unterschieden, genügen kleine Unterschiede in der Siedepunkt und molekulare Struktur Trennung auf einer Gaschromatographie-Spalte. In Verbindung mit einem Flammenionisationsdetektor werden relativen Konzentrationen von Alkenone, ermittelt.
Moleküle werden durch ihre Verweildauer auf dem Chromatogramm identifiziert, oder die Zeit benötigt für die Verbindung zu beenden der Spalte. Die Retentionszeiten der gewünschten Verbindungen sind mit Alkenone Normen ermittelt.
Die relativen Konzentrationen von der Alkenone werden von der Analyse der Peakflächen von Interesse bestimmt. Die UK’37 Wert errechnet sich dann aus der Konzentrationen von C37:2und C37:3 in der Probe. Mit dem Meer Oberflächentemperatur Proxy-Beziehung und die UK’37 Wert, der Analytiker für die Temperatur der Meeresoberfläche lösen kann, zur Zeit der Ablagerung von Sedimenten.
Viele verschiedene Facetten der Erdgeschichte können durch die Analyse von Sedimenten und Sedimentgesteinen untersucht werden.
Biostratigraphie ist die Studie das Alter der Schichten oder Schichten, der Rock durch Analyse der vorliegenden Fossilien zu bestimmen. Da gibt es viele Quellen von Sedimenten, möglicherweise Sedimentgesteine aus dem gleichen Zeitraum drastisch unterschiedliche Zusammensetzungen auf der ganzen Welt. Bestimmte Gruppen von Arten in der gesamten Erdgeschichte wie die Ammoniten existierten weltweit und erlebte rasante Entwicklung. Wenn optisch unterschiedliche Gesteinsschichten beide die gleichen Arten von Ammoniten enthalten, kann eine zeitliche Korrelation zwischen den Schichten gezogen werden. In Kombination mit Techniken wie Paleothermometry, kann umfangreiche Informationen über die Geschichte der Erde aus fossilen Aufzeichnungen in natürlichen Proben ermittelt werden.
Viele Arten von Foraminiferen oder Forams, sind weltweit in marinen Sedimenten gefunden. Forams kalkhaltigen Schalen haben und ganze Meere der Erde seit Millionen von Jahren existiert haben. Viele Arten leben auf dem Meeresboden und somit informieren Sie Temperatur über tiefere Teile des Ozeans. Die Magnesium-Calcium-Verhältnis von Forams entspricht Temperatur, wie sie mehr Magnesium in ihren Schalen in den wärmeren Klimata zu integrieren. Die Vielzahl der Arten und der Fülle von Forams macht ihre Fossilien nützlich zum Nachverfolgen von Änderungen in Meeresströmungen in der gesamten Erdgeschichte und Biostratigraphie.
Tektonische Platten divergieren, bildet neue Felsen zwischen ihnen. Entsprechend informieren die Eigenschaften des Gesteins umgibt eine divergierende Plattengrenze über Platte Bewegungen im Laufe der Zeit. Zum Beispiel sind Veränderungen im Magnetfeld der Erde in einigen Mineralien in Fossilien, Rock und Sediment erhalten. Die Entdeckung der symmetrischen Änderungen in Magnetismus über Mittelozeanischen Rücken trug maßgeblich zur das gegenwärtige Verständnis von Seafloor verbreiten und Plattentektonik.
Sie habe nur Jupiters Übersicht der Alkenone Paleothermometry beobachtet. Sie sollten jetzt verstehen die Prinzipien der Paleothermometry und das Verhältnis der Alkenone Verhältnisse in marinen Sedimenten, Temperatur der Meeresoberfläche. Die folgenden Videos in dieser Serie gehen mehr ins Detail über dieses komplexen Prozesses.
Danke fürs Zuschauen!
Paleothermometry is the calculation of past temperatures by analysis of specific chemicals in natural samples, like those left behind by prehistoric algae.
Algae are a diverse group of organisms that have been abundant in Earth’s oceans and lakes for millennia. Certain chemical compounds, which are deposited in sediment by ancient algae, act as biomarkers – organic compounds that can provide researchers with valuable insight into Earth’s history. In fact, analysis of algal biomarker content in sediment allows researchers to determine the Earth’s temperature hundreds of millions of years ago.
One such record comes from some species of coccolithophores. These algae produce varying amounts of alkenones, a class of robust biomarkers, based on the temperature of their environment. Alkenone analysis is primarily used to calculate the sea surface temperature of Earth’s oceans eons and eons ago.
This video will illustrate the use of alkenones in paleoclimatology and describe the process of isolating, purifying, and analyzing alkenones to calculate past sea surface temperature.
As its name implies, “Alkenone paleothermometry” is based on the analysis of lipids, known as alkenones. Alkenone paleothermometry is based on alkenones; long-chain, unsaturated alkyl ketones that contain 37 carbon atoms and 2 to 4 double bonds. Each double bond is a site of unsaturation. At low sea surface temperatures, alkenone producers generate more unsaturated alkenones than saturated. The ratio of saturation to unsaturation is known as the Alkenone Unsaturation Index.
The alkenones usually evaluated are C37:2 and C37:3, which have 37 carbons and two or three double bonds, respectively. The Unsaturation Index of these alkenones, or the UK’37, is positively related to sea surface temperature. The analytical method know as gas chromatography is generally sensitive enough to separate these alkenones from one another. However, alkenone-producing algae often also generate chemically-similar fatty acid methyl esters, or alkenoates, which cannot be distinguished from alkenones using this technique. Hydrocarbon contamination from pollution may also further muddy chromatographic analysis. To accurately determine relative alkenone concentration, alkenoates and unknown hydrocarbons must be removed before analysis by the methods of saponification and urea adduction.
Now that the relationship of sediment alkenone ratios to sea surface temperature has been reviewed, let’s look at the techniques for their purification from a total lipid extract and analysis of the unsaturation ratio.
Once marine sediment has been collected and extracted, the total lipid extract, or TLE, must go through a multistep purification process, and analyzed. First, the extract undergoes saponification to convert alkenoates into carboxylate salts and methanol using a strong base and heat. Other fatty acid esters present in the TLE will be saponified into salts and glycerol.
After cooling the mixture to room temperature, an aqueous salt solution is added to form salts and glycerol. The mixture is then acidified to protonate the carboxylate anions, producing fatty acids. Finally, the alkenones and fatty acids are extracted from the mixture with hexane.
Silica gel chromatography is then performed to remove both apolar compounds and the polar fatty acids produced by saponification. The dried and saponified TLE is dissolved in hexane and then loaded onto a column. Silica retains polar compounds more strongly than apolar ones.
First, apolar compounds are removed with an apolar solvent, like hexane. Next, alkenones are eluted by a moderately polar solvent, such as dichloromethane, leaving the highly polar fatty acids and other unwanted polar compounds on the column.
If the original sediment sample was collected from a highly polluted area, urea adduction is performed to remove any remaining highly branched or cyclic hydrocarbons. The dried mid-polarity fraction is dissolved in a solvent mixture in which the strongly polar urea is minimally soluble, such as DCM and hexane. A concentrated solution of urea in methanol is then added to the TLE, causing urea crystals to precipitate.
Straight-chain molecules such as alkenones fit into the spaces between molecules in the urea crystal lattice, but highly branched and cyclic molecules do not, and are expelled.
Once crystal growth has finished, the urea crystals are dried and then washed with an apolar solvent to remove expelled compounds. Then, the crystals are dissolved in a small amount of water. The alkenones are extracted from the water with an apolar solvent for analysis.
While all previous purification steps did not differentiate between alkenone species, small differences in boiling point and molecular structure are sufficient for separation on a gas chromatography column. When paired with a flame-ionization detector, relative concentrations of the alkenones, can be determined.
Molecules are identified on the chromatogram by their retention time, or the time needed for the compound to be exit the column. The retention times of the desired compounds are ascertained with alkenone standards.
The relative concentrations of the alkenones are determined from analysis of the areas under the peaks of interest. The UK’37 value is then calculated from the concentrations of C37:2and C37:3 in the sample. With the sea surface temperature proxy relationship and the UK’37 value, the analyst can solve for sea surface temperature at the time of the sediment deposition.
Many different facets of Earth’s history can be investigated by analysis of sediment and sedimentary rock.
Biostratigraphy is the study of determining the ages of layers, or strata, of rock by analysis of the fossils present. As there are many sources of sediment, sedimentary rocks from the same time period may have dramatically different compositions around the world. Certain sets of species throughout Earth’s history, such as the ammonites, existed worldwide and underwent rapid evolution. If visually dissimilar rock strata both contain the same species of ammonite, then a temporal correlation between the strata can be drawn. When combined with techniques such as paleothermometry, extensive information about Earth’s history can be determined from fossil records in natural samples.
Many species of foraminifera, or forams, are found in marine sediments worldwide. Forams have calcium carbonate shells and have existed throughout Earth’s oceans for millions of years. Many species live on the ocean floor, and thus can provide temperature information about deeper parts of the ocean. The magnesium to calcium ratio of forams corresponds to temperature, as they incorporate more magnesium into their shells in warmer climates. The multitude of species and the abundance of forams makes their fossil record useful for tracking changes in ocean currents throughout Earth’s history and for biostratigraphy.
As tectonic plates diverge, new rock forms between them. Correspondingly, the properties of the rock surrounding a divergent plate boundary provide information about plate movements over time. For instance, changes in Earth’s magnetic field are preserved in some minerals found in fossils, rock, and sediment. The discovery of symmetric changes in magnetism about mid-ocean ridges significantly contributed to the current understanding of seafloor spreading and plate tectonics.
You’ve just watched JoVE’s Overview of Alkenone Paleothermometry. You should now understand the principles of paleothermometry and the relationship of alkenone ratios in marine sediment to sea surface temperature. The following videos in this series will go into more detail about this complex process.
Thanks for watching!
