מקור: המעבדה של ג’ף סלקופ – אוניברסיטת מסצ’וסטס אמהרסט
במהלך סדרה זו של קטעי וידאו, דגימות טבעיות חולצו וטהרו בחיפוש אחר תרכובות אורגניות, הנקראות סמנים ביולוגיים, שיכולים לקשר מידע על אקלים וסביבות של העבר. אחת הדגימות שניתחו הייתה משקעים. משקעים מצטברים על פני זמן גיאולוגי באגנים, שקעים בכדור הארץ שאליהם זורמים משקעים דרך פעולת נוזלים (מים או אוויר), תנועה וכוח משיכה. קיימים שני סוגים עיקריים של אגנים, ימיים (אוקיינוסים וימים) ולקאסטרין (אגמים). כפי שניתן לנחש, סוגים שונים מאוד של חיים חיים בהגדרות אלה, מונע במידה רבה על ידי ההבדל במליחות ביניהם. במהלך העשורים האחרונים, גיאוכימאים אורגניים גילו ארגז כלים של שלוחי סמנים ביולוגיים, או תרכובות שניתן להשתמש בהן לתיאור האקלים או הסביבה, שחלקן עובדות בסביבות ימיות וחלקן פועלות בלקוסטרין. אנו מפנים את תשומת לבנו כאן לממלכה הימית ולפלאות’רמומטריה של אלקונון באמצעות פרוקסי טמפרטורת פני היםשלUk’ 37.
פרוקסי ים הים (SST) המבוסס והיושם ביותר באוקיינוס הפתוח הוא Uk’37.
Uk’37 = (C37:2) / (C37:2 + C37:3) (ראה הרברט1 לסקירה)
המדד מבוסס על היחס בין שני קטונים אלקיל ארוכי שרשרת רב בלתי רוויים, הנקראים אלקנונים, המיוצרים על ידי סוגים מסוימים של אצות הפטופיט2,3. תרבות4,5 ומחקרי כיול משקעים6 מ-Core-top הובילו לפיתוח מדד Uk’37 כפרוקסי SST כמותי. למרבה הפלא, הכיול המבוסס על תרבות של פראהל ואח ‘. 4:
Uk’37 = 0.034(SST) + 0.039,
וכיול הליבה העליון של מולר ואח ‘. 6,
Uk’37 = 0.033(SST) + 0.044,
זהים מבחינה סטטיסטית.
טמפרטורות משוחזרות Uk ‘37 לתאם הטוב ביותר עם SST שנתי ממוצע עבור מגוון רחב של אקלים ומשטרי ייצור haptophyte באוקיינוס העולמי7. Alkenones מזוהים בליבות משקעים ימיים של Eocene מוקדם לעידן המודרני8, ובפרצופים חשופים של משקעים ימיים מורמים9 המצביעים על יציבות רבה לאורך זמן גיאולוגי, ובכך שימושי ככלי פליאוקלימט. Uk’37 שימש לתיעוד שינויים בטמפרטורת פני הים פליאו בדקדל10 ל-11,12 צירי זמן מסלוליים ולכן הם רב-תכליתיים מאוד.
באוקיינוס הפתוח, הקוקוליטהוהורס אמיליאניה האקסליי וגפירופסה אוקיניקה אחראים לרוב ייצור האלקנון. עדיין לא ידוע מדוע הפטופיטים האלה משנים את יחס הבלתי רוויה של אלקנונים בהתבסס על טמפרטורת הצמיחה. בתחילה סברו כי אלקנונים הם מרכיבים של קירות תא הפטופיטים וכי חוסר הרוויה שלהם הותאם על מנת לשמור על נוזל הממברנה, בדומה שומנים רוויים מוצקים בטמפרטורת החדר, בעוד שומנים בלתי רוויים הם נוזלים. עם זאת, ניסויים המכוונים לשאלה זו מצאו כי במקום להיות קשורים עם קרום התא, alkenones היו קשורים עם מבני אחסון אנרגיה בתוך התא. לכן, השימוש שלהם בתוך התא נשאר שאלה פתוחה.
לאחרונה, אלקנונים נמצאו בסביבות לקוסטרין. עם זאת, השירות שלהם הוגבל עד כה. יצרני אלקנון שונים מאלה שבתחום הימי שוכנים באגמים ולכן הכיול בין טמפרטורת המים לא רוויה (Uk’37) שונה. יתר על כן, כיול זה שונה בין אגמים, מה שהופך את יצירת כיול ‘גלובלי’ לא סביר. למרבה הצער, יצירת כיולים מקומיים היא יקרה וגוזלת זמן ולכן העתיד עבור Uk ‘37 באגמים מוגבל גם כרגע.
אלקנונים מופקים בדרך כלל ממשככים ימיים. לעתים קרובות אותם אורגניזמים המייצרים אלקנונים מייצרים אסטרים מתיל חומצת שומן של אלה אלקנונים הנקראים אלקנואטים. תרכובות אלה משתלבות עם האלקנונים על כרומטוגרפיה של גז ומסבך את הכימות שלהם. לכן, תמציות אלה יעברו לעתים קרובות saponification כדי להסיר alkenoates. מכיוון שהספוניפיקציה מייצרת חומצות קרבוקסיליות שאינן כרומטוגרפיות גז מקובלות, עמוד ג’ל סיליקה חייב להתבצע לאחר הספוניפיקציה כדי להסיר את החומצות קרבוקסיליות מהתמצית. האלקנונים יוצאים בשבר הקטון הקוטבי האמצעי שמתחמק דיכלורומתאן בזמן שהאוצידות נשארות על העמוד. לבסוף, במקרים קיצוניים, כגון משקעים שנרכשו מאזורים מזוהמים מאוד, כמו שפכים ליד מרכזי תעשייה, תוספת אוריאה עשויה להידרש גם להסיר תרכובות לא ידועות המשתלבות עם האלקנונים על כרומטוגרפיה הגז.
לאחר תמצית השומנים הכוללת מטוהרת, המדגם המופק והמטוהר מופעל על כרומטוגרפיה גז בשילוב גלאי מייננת להבה. הריכוז היחסי של שני האלקנונים נקבע על ידי קבלת השטח מתחת לעקומה עבור כל אחת מהתרכובות בתוכנת מחשב המיועדת למטרה זו בלבד (כגון Agilent Chemstation). אזורים אלה מועברים לאחר מכן למשוואת יחס Uk’37 המוצגת לעיל כדי לקבל ערך Uk’37 הנע בין 0 ל- 1. ערכי Uk’37 אלה ממופים לאחר מכן לערך טמפרטורת פני הים באמצעות כיול כגון אלה שתוארו לעיל.
פליאות’רמומטריה היא חישוב של טמפרטורות העבר על ידי ניתוח של כימיקלים ספציפיים בדגימות טבעיות, כמו אלה שהושארו מאחור על ידי אצות פרהיסטוריות.
אצות הן קבוצה מגוונת של אורגניזמים שהיו בשפע באוקיינוסים ובאגמים של כדור הארץ במשך אלפי שנים. תרכובות כימיות מסוימות, המופקדות משקעים על ידי אצות עתיקות, משמשות כסמנים ביולוגיים – תרכובות אורגניות שיכולות לספק לחוקרים תובנה חשובה על ההיסטוריה של כדור הארץ. למעשה, ניתוח של תוכן סמנים ביולוגיים אצות משקעים מאפשר לחוקרים לקבוע את טמפרטורת כדור הארץ לפני מאות מיליוני שנים.
שיא אחד כזה מגיע מכמה מינים של קוקוליטהופים. אצות אלה מייצרות כמויות שונות של אלקנון, סוג של סמנים ביולוגיים חזקים, בהתבסס על הטמפרטורה של הסביבה שלהם. ניתוח אלקנון משמש בעיקר לחישוב טמפרטורת פני הים של האוקיינוסים של כדור הארץ לפני עידנים.
סרטון זה ימחיש את השימוש באלקנונים בפלאוקלימטולוגיה ויתאר את תהליך הבידוד, הטיהור והניתוח של אלקנון לחישוב טמפרטורת פני הים בעבר.
כפי ששמו מרמז, “אלקנון פליאותרמיה” מבוסס על הניתוח אם שומנים, המכונה אלקנון פליאותרמיה מבוסס על אלקנונים; קטונים אלקיל ארוכי שרשרת ובלתי רוויים המכילים 37 אטומי פחמן ו-2 עד 4 איגרות חוב כפולות. כל קשר כפול הוא אתר של אי רוויה. בטמפרטורות נמוכות על פני הים, יצרני אלקנון מייצרים יותר אלקנון בלתי רווי מאשר רווי. היחס בין רוויה ללא רוויה ידוע כמדד אי רוויית אלקנון.
האלקנונים שבדרך כלל מוערכים הם C37:2 ו- C37:3, אשר יש 37 פחמנים ושניים או שלושה אג”ח כפולות, בהתאמה. מדד הבלתי רוויה של אלקנונים אלה, אובריטניה’37, קשור באופן חיובי לטמפרטורת פני הים. השיטה האנליטית הידועה כרומטוגרפיה גז היא בדרך כלל רגישה מספיק כדי להפריד אלקנון אלה אחד מהשני. עם זאת, אצות המייצרות אלקנון לעתים קרובות גם ליצור חומצת שומן דומה מבחינה כימית אסטרים מתיל, או אלקנואטים, אשר לא ניתן להבחין בין אלקנונים באמצעות טכניקה זו. זיהום פחמימנים מזיהום עלול גם ניתוח כרומטוגרפי בוצי נוסף. כדי לקבוע במדויק ריכוז אלקנון יחסי, יש להסיר אלקנואטים ופחמימנים לא ידועים לפני ניתוח על ידי שיטות של saponification ותוספת אוריאה.
כעת, לאחר שנבדק הקשר בין יחסי אלקנון משקעים לטמפרטורת פני הים, בואו נבחן את הטכניקות לטיהורם מתמצית שומנים מוחלטת וניתוח יחס הבלתי רוויה.
לאחר מטען ימי נאסף וחולץ, תמצית השומנים הכוללת, או TLE, חייבת לעבור תהליך טיהור רב-שלבי, ונותחה. ראשית, התמצית עוברת סאפוניפיקציה כדי להמיר אלקנואטים למלחי קרבוקסילט ומתנול באמצעות בסיס וחום חזקים. אסטרים אחרים של חומצות שומן הנמצאים ב- TLE יהפכו למלחים ולגליצרל.
לאחר קירור התערובת לטמפרטורת החדר, מתווסף תמיסת מלח מימית ליצירת מלחים גליצריל. התערובת היא חומצית לאחר מכן פרוטוניאט אניונים carboxylate, לייצר חומצות שומן. לבסוף, האלקנונים וחומצות השומן מופקים מהתערובת עם הקסאן.
כרומטוגרפיה של ג’ל סיליקה מבוצעת לאחר מכן כדי להסיר הן תרכובות קוטביות והן את חומצות השומן הקוטביות המיוצרות על ידי סאפוניפיקציה. TLE מיובש ו saponified מומס הקסאן ולאחר מכן טעון על עמוד. סיליקה שומרת על תרכובות קוטביות חזקות יותר מאשר תרכובות קוטביות.
ראשית, תרכובות קוטביות מוסרות עם ממס קוטבי, כמו הקסאן. לאחר מכן, אלקנונים הם eluted על ידי ממס קוטבי בינוני, כגון dichloromethane, עוזב את חומצות שומן קוטביות מאוד ותרכובות קוטב לא רצויות אחרות על העמוד.
אם דגימת המ משקעים המקורית נאספה מאזור מזוהם מאוד, תוספת אוריאה מבוצעת כדי להסיר את כל הפחמימנים הסתעף מאוד או מחזורי שנותרו. שבר אמצע הקוטביות היבש מומס בתערובת ממס שבה אוריאה קוטבית חזקה מסיסה מינימלית, כגון DCM והקסאן. פתרון מרוכז של אוריאה במתנול מתווסף לאחר מכן ל- TLE, מה שגורם גבישי אוריאה לזרז.
מולקולות ישרות שרשרת כגון אלקנונים מתאימות למרווחים שבין מולקולות בסריג גביש אוריאה, אך מולקולות מסועפות ומחזוריות מאוד אינן, והן מגורקות.
לאחר צמיחת הגבישים הסתיימה, גבישי אוריאה מיובשים ולאחר מכן שטף עם ממס קוטבי כדי להסיר תרכובות מגורש. לאחר מכן, הגבישים מומסים בכמות קטנה של מים. האלקנונים מופקים מהמים עם ממס קוטבי לניתוח.
בעוד שכל שלבי הטיהור הקודמים לא הבחינו בין מינים אלקנון, הבדלים קטנים בנקודת רתיחה ובמבנה מולקולרי מספיקים להפרדה על עמוד כרומטוגרפיה גז. כאשר בשילוב עם גלאי יינון להבה, ריכוזים יחסיים של alkenones, ניתן לקבוע.
מולקולות מזוהות על הכרומטוגרמה על ידי זמן השמירה שלהם, או הזמן הדרוש לתרכובת לצאת מהעמודה. זמני השמירה של התרכובות הרצויות מוודאים עם תקני אלקנון.
הריכוזים היחסיים של האלקנון נקבעים מניתוח האזורים תחת פסגות העניין. ערך UK’37 מחושב לאחר מכן מהריכוזים של C37:2ו- C37:3 במדגם. עם יחסי פרוקסי טמפרטורת פני הים וערךבריטניה 37, האנליסט יכול לפתור את טמפרטורת פני הים בזמן התצהיר של משקעים.
היבטים רבים ושונים של ההיסטוריה של כדור הארץ יכולים להיחקר על ידי ניתוח של משקעים וסלע מ משקעים.
Biostratigraphy הוא המחקר של קביעת הגילאים של שכבות, או שכבות, של סלע על ידי ניתוח של המאובנים הנוכחיים. מכיוון שיש מקורות רבים למצורך, סלעי מים מאותה תקופה עשויים להיות קומפוזיציות שונות באופן דרמטי ברחבי העולם. קבוצות מסוימות של מינים לאורך ההיסטוריה של כדור הארץ, כגון האמוניטים, היו קיימות ברחבי העולם ועברו אבולוציה מהירה. אם שכבות סלע שונות מבחינה חזותית מכילות את אותו מין של אמוניט, אזי ניתן לצייר מתאם זמני בין השכבות. בשילוב עם טכניקות כגון פליאותרמיה, מידע נרחב על ההיסטוריה של כדור הארץ ניתן לקבוע מתוך רשומות מאובנים בדגימות טבעיות.
מינים רבים של פורמיניפרה, או פורמים, מצויים במים ימיים ברחבי העולם. ל-Forams יש קליפות סידן פחמתי והם קיימים בכל האוקיינוסים של כדור הארץ במשך מיליוני שנים. מינים רבים חיים על קרקעית האוקיינוס, ולכן יכולים לספק מידע טמפרטורה על חלקים עמוקים יותר של האוקיינוס. יחס המגנזיום לסידן של פורמים מתאים לטמפרטורה, שכן הם משלבים יותר מגנזיום בקליפות שלהם באקלים חם יותר. ריבוי המינים ושפע הניבים הופכים את תיעוד המאובנים שלהם לשימושי למעקב אחר שינויים בזרמי האוקיינוס לאורך ההיסטוריה של כדור הארץ ובביוסטרטיגרפיה.
כאשר לוחות טקטוניים מתפצלים, סלע חדש נוצר ביניהם. בהתאמה, המאפיינים של הסלע המקיף גבול צלחת מפוצלים לספק מידע על תנועות צלחת לאורך זמן. לדוגמה, שינויים בשדה המגנטי של כדור הארץ נשמרים בחלק מהמינרלים המצויים במאובנים, סלעים ומים. גילוי שינויים סימטריים במגנטיות על רכסי אמצע האוקיינוס תרם באופן משמעותי להבנה הנוכחית של התפשטות קרקעית הים וטקטוניקת הלוחות.
הרגע צפית בסקירה הכללית של ג’וב על הפליאות’רמומטריה של אלקנון. עכשיו אתה צריך להבין את העקרונות של פליאותרמיה ואת היחסים של יחסי אלקנון משקעים ימיים לטמפרטורת פני הים. הסרטונים הבאים בסדרה זו ייכנסו לפרטים נוספים על תהליך מורכב זה.
תודה שצפיתם!
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!
