Fonte: Laboratorio di Jeff Salacup – Università del Massachusetts Amherst
Attraverso questa serie di video, campioni naturali sono stati estratti e purificati alla ricerca di composti organici, chiamati biomarcatori, che possono mettere in relazione informazioni su climi e ambienti del passato. Uno dei campioni analizzati era sedimento. I sedimenti si accumulano nel corso del tempo geologico in bacini, depressioni nella Terra in cui i sedimenti fluiscono attraverso l’azione del fluido (acqua o aria), movimento e gravità. Esistono due tipi principali di bacini, marini (oceani e mari) e lacustri (laghi). Come si può immaginare, in questi contesti vivono tipi di vita molto diversi, guidati in gran parte dalla differenza di salinità tra di loro. Negli ultimi decenni, i geochimici organici hanno scoperto una cassetta degli attrezzi di proxy di biomarcatori, o composti che possono essere utilizzati per descrivere il clima o l’ambiente, alcuni dei quali funzionano in ambienti marini e alcuni dei quali funzionano in lacustri. Rivolgiamo qui la nostra attenzione al regno marino e alla paleotermometria alchenenica utilizzando il proxy della temperatura superficiale del mare Uk’37.
Il proxy di temperatura superficiale del mare (SST) biomarcatore dell’oceano aperto più consolidato e ampiamente applicato è Uk’37.
Uk’37 = (C37:2) / (C37:2 + C37:3) (vedi Herbert1 per una revisione)
L’indice si basa sul rapporto di due alchetoni alchilici polinsaturi a catena lunga, chiamati alchenoni, prodotti da alcune classi di alghe aptofite2,3. Gli studi di calibrazione dellacoltura 4,5 e del sedimento6 hanno portato allo sviluppo dell’indice Uk’37 come proxy SST quantitativo. Sorprendentemente, la calibrazione basata sulla cultura di Prahl et al. 4:
Uk’37 = 0,034(SST) + 0,039,
E la calibrazione core-top di Müller et al. 6,
Uk’37 = 0,033(SST) + 0,044,
sono statisticamente identici.
Le temperature ricostruite di Uk’37 si correlano meglio con l’SST medio annuale per una varietà di regimi di produzione di clima e aptofite nell’oceano globale7. Gli alchenoni sono rilevati in carote di sedimenti marini dall’Eocene inferiore all’età modernadi 8anni e in affioramenti esposti di sedimenti marini sollevati9 suggerendo che sono molto stabili nel tempo geologico, e quindi utili come strumento paleoclimatico. Uk’37 è stato utilizzato per documentare le variazioni paleo della temperatura superficiale del mare a scale temporali decadiche da10 aorbitali 11,12 e sono quindi molto versatili.
In mare aperto, i coccolithophores Emiliania huxleyi e Gephyrocapsa oceanica sono responsabili della maggior parte della produzione di alchenoni. Non è ancora noto perché queste aptofite alterino il rapporto di insaturazione degli alchenoni in base alla temperatura di crescita. Inizialmente si pensava che gli alchenoni fossero componenti delle pareti cellulari aptofite e che la loro insaturazione fosse regolata per mantenere fluida la membrana, proprio come i grassi saturi sono solidi a temperatura ambiente, mentre i grassi insaturi sono fluidi. Tuttavia, gli esperimenti mirati a questa domanda hanno scoperto che invece di essere associati alle membrane cellulari, gli alchenoni erano associati a strutture di accumulo di energia all’interno della cellula. Pertanto, il loro uso all’interno della cellula rimane una questione aperta.
Recentemente, gli alchenoni sono stati trovati in ambienti lacustri. Tuttavia, la loro utilità è stata finora limitata. Diversi produttori di alchenone rispetto a quelli del regno marino abitano nei laghi e quindi la calibrazione tra temperatura dell’acqua e insaturazione (Uk’37) è diversa. Inoltre, questa calibrazione è diversa tra i laghi, rendendo improbabile la creazione di una calibrazione “globale”. Sfortunatamente, la creazione di calibrazioni locali è costosa e richiede tempo e quindi anche il futuro per Uk’37 nei laghi è attualmente limitato.
Gli alchenoni vengono solitamente estratti dai sedimenti marini. Molto spesso gli stessi organismi che producono alchenoni producono esteri metilici degli acidi grassi di quegli alchenoni chiamati alchenoati. Questi composti co-eluiscono con gli alchenoni su un gascromatografo e complicano la loro quantificazione. Pertanto, questi estratti saranno spesso sottoposti a una saponificazione per rimuovere gli alchenoati. Poiché la saponificazione produce acidi carbossilici che non sono suscettibili di gascromatografo, dopo la saponificazione deve essere eseguita una colonna di gel di silice per rimuovere gli acidi carbossilici dall’estratto. Gli alchenoni escono nella frazione chetonica di polarità media che eluisce in diclorometano mentre gli acidi vengono lasciati sulla colonna. Infine, in casi estremi, come nei sedimenti acquisiti da aree altamente inquinate, come gli estuari vicino ai centri industriali, può anche essere necessaria un’adduzione dell’urea per rimuovere composti sconosciuti che coeluiscono con gli alchenoni sul gascromatografo.
Una volta purificato l’estratto lipidico totale, il campione estratto e purificato viene eseguito su un gascromatografo accoppiato a un rivelatore ionizzante di fiamma. La concentrazione relativa dei due alchenoni è determinata ottenendo l’area sotto la curva per ciascuno dei composti su un software per computer progettato proprio per questo scopo (come Agilent Chemstation). Queste aree vengono quindi inserite nell’equazione del rapporto Uk’37 mostrata sopra per ottenere un valore Uk’37 che varia tra 0 e 1. Questi valori Uk’37 vengono quindi mappati al valore della temperatura superficiale del mare utilizzando una calibrazione come quelle sopra descritte.
La paleotermometria è il calcolo delle temperature passate mediante l’analisi di sostanze chimiche specifiche in campioni naturali, come quelli lasciati dalle alghe preistoriche.
Le alghe sono un gruppo eterogeneo di organismi che sono stati abbondanti negli oceani e nei laghi della Terra per millenni. Alcuni composti chimici, che vengono depositati nei sedimenti da antiche alghe, agiscono come biomarcatori – composti organici che possono fornire ai ricercatori preziose informazioni sulla storia della Terra. In effetti, l’analisi del contenuto di biomarcatori algali nei sedimenti consente ai ricercatori di determinare la temperatura della Terra centinaia di milioni di anni fa.
Uno di questi record proviene da alcune specie di coccolitofori. Queste alghe producono quantità variabili di alchenoni, una classe di biomarcatori robusti, in base alla temperatura del loro ambiente. L’analisi dell’alchenone viene utilizzata principalmente per calcolare la temperatura della superficie del mare degli oceani della Terra eoni ed eoni fa.
Questo video illustrerà l’uso degli alchenoni in paleoclimatologia e descriverà il processo di isolamento, purificazione e analisi degli alchenoni per calcolare la temperatura superficiale del mare.
Come suggerisce il nome, “Paleotermometria alkenone” si basa sull’analisi se i lipidi, noti come alchenoni La paleotermometria alkenone si basa sugli alchenoni; chetoni alchilici insaturi a catena lunga che contengono 37 atomi di carbonio e da 2 a 4 doppi legami. Ogni doppio legame è un sito di insaturazione. A basse temperature superficiali del mare, i produttori di alcheni generano più alchenoni insaturi che saturi. Il rapporto tra saturazione e insaturazione è noto come indice di insaturazione dell’alkenone.
Gli alchenoni solitamente valutati sono C37:2 e C37:3, che hanno rispettivamente 37 atomi di carbonio e due o tre doppi legami. L’indice di insaturazione di questi alchenoni, o UK’37, è positivamente correlato alla temperatura superficiale del mare. Il metodo analitico conosciuto come gascromatografia è generalmente abbastanza sensibile da separare questi alchenoni l’uno dall’altro. Tuttavia, le alghe produttrici di alchenone spesso generano anche esteri metilici di acidi grassi chimicamente simili, o alchenoati, che non possono essere distinti dagli alchenoni usando questa tecnica. La contaminazione da idrocarburi da inquinamento può anche ulteriori analisi cromatografiche fangose. Per determinare con precisione la concentrazione relativa di alchenone, gli alchenoati e gli idrocarburi sconosciuti devono essere rimossi prima dell’analisi con i metodi di saponificazione e adduzione dell’urea.
Ora che è stata esaminata la relazione tra i rapporti alcheni dei sedimenti e la temperatura superficiale del mare, diamo un’occhiata alle tecniche per la loro purificazione da un estratto lipidico totale e all’analisi del rapporto di insaturazione.
Una volta che i sedimenti marini sono stati raccolti ed estratti, l’estratto lipidico totale, o TLE, deve passare attraverso un processo di purificazione in più fasi e analizzato. In primo luogo, l’estratto subisce saponificazione per convertire gli alchenoati in sali di carbossilato e metanolo utilizzando una base forte e calore. Altri esteri degli acidi grassi presenti nel TLE saranno saponificati in sali e glicerolo.
Dopo aver raffreddato la miscela a temperatura ambiente, viene aggiunta una soluzione salina acquosa per formare sali e glicerolo. La miscela viene quindi acidificata per protonare gli anioni carbossilati, producendo acidi grassi. Infine, gli alchenoni e gli acidi grassi vengono estratti dalla miscela con esano.
La cromatografia su gel di silice viene quindi eseguita per rimuovere sia i composti apolari che gli acidi grassi polari prodotti dalla saponificazione. Il TLE essiccato e saponificato viene sciolto in esano e quindi caricato su una colonna. La silice trattiene i composti polari più fortemente di quelli apolari.
In primo luogo, i composti apolari vengono rimossi con un solvente apolare, come l’esano. Successivamente, gli alchenoni vengono eluiti da un solvente moderatamente polare, come il diclorometano, lasciando gli acidi grassi altamente polari e altri composti polari indesiderati sulla colonna.
Se il campione di sedimento originale è stato raccolto da un’area altamente inquinata, l’adduzione dell’urea viene eseguita per rimuovere eventuali idrocarburi altamente ramificati o ciclici rimanenti. La frazione di media polarità essiccata viene disciolta in una miscela di solventi in cui l’urea fortemente polare è minimamente solubile, come DCM ed esano. Una soluzione concentrata di urea nel metanolo viene quindi aggiunta al TLE, causando la precipitazione dei cristalli di urea.
Le molecole a catena diritta come gli alchenoni si inseriscono negli spazi tra le molecole nel reticolo cristallino dell’urea, ma le molecole altamente ramificate e cicliche non lo fanno e vengono espulse.
Una volta terminata la crescita dei cristalli, i cristalli di urea vengono asciugati e quindi lavati con un solvente apolare per rimuovere i composti espulsi. Quindi, i cristalli vengono sciolti in una piccola quantità di acqua. Gli alchenoni vengono estratti dall’acqua con un solvente apolare per l’analisi.
Mentre tutte le precedenti fasi di purificazione non distinguevano tra le specie di alchenoni, piccole differenze nel punto di ebollizione e nella struttura molecolare sono sufficienti per la separazione su una colonna di gascromatografia. Se abbinato a un rivelatore a ionizzazione di fiamma, è possibile determinare le concentrazioni relative degli alchenoni.
Le molecole sono identificate sul cromatogramma dal loro tempo di ritenzione, o il tempo necessario affinché il composto esca dalla colonna. I tempi di ritenzione dei composti desiderati sono accertati con standard alchenici.
Le concentrazioni relative degli alchenoni sono determinate dall’analisi delle aree sotto i picchi di interesse. Il valore UK’37 viene quindi calcolato dalle concentrazioni di C37:2e C37:3 nel campione. Con la relazione proxy della temperatura superficiale del mare e il valore UK’37, l’analista può risolvere la temperatura della superficie del mare al momento della deposizione dei sedimenti.
Molti aspetti diversi della storia della Terra possono essere studiati dall’analisi dei sedimenti e delle rocce sedimentarie.
La biostratigrafia è lo studio di determinare l’età degli strati, o strati, della roccia mediante l’analisi dei fossili presenti. Poiché ci sono molte fonti di sedimenti, le rocce sedimentarie dello stesso periodo di tempo possono avere composizioni drammaticamente diverse in tutto il mondo. Alcuni insiemi di specie nel corso della storia della Terra, come le ammoniti, esistevano in tutto il mondo e subirono una rapida evoluzione. Se strati rocciosi visivamente dissimili contengono entrambi la stessa specie di ammonite, allora si può tracciare una correlazione temporale tra gli strati. Se combinato con tecniche come la paleotermometria, ampie informazioni sulla storia della Terra possono essere determinate da reperti fossili in campioni naturali.
Molte specie di foraminiferi, o forami, si trovano nei sedimenti marini di tutto il mondo. I forami hanno gusci di carbonato di calcio e sono esistiti in tutti gli oceani della Terra per milioni di anni. Molte specie vivono sul fondo dell’oceano e quindi possono fornire informazioni sulla temperatura delle parti più profonde dell’oceano. Il rapporto magnesio/calcio dei forami corrisponde alla temperatura, poiché incorporano più magnesio nei loro gusci nei climi più caldi. La moltitudine di specie e l’abbondanza di forami rende la loro documentazione fossile utile per tracciare i cambiamenti nelle correnti oceaniche nel corso della storia della Terra e per la biostratigrafia.
Man mano che le placche tettoniche divergono, si formano nuove rocce tra di loro. Di conseguenza, le proprietà della roccia che circonda un confine di placca divergente forniscono informazioni sui movimenti della placca nel tempo. Ad esempio, i cambiamenti nel campo magnetico terrestre sono conservati in alcuni minerali trovati in fossili, rocce e sedimenti. La scoperta di cambiamenti simmetrici nel magnetismo sulle dorsali medio-oceaniche ha contribuito in modo significativo all’attuale comprensione della diffusione del fondo marino e della tettonica a placche.
Hai appena visto la panoramica di JoVE sulla paleotermometria alkenone. Ora dovresti capire i principi della paleotermometria e la relazione tra i rapporti alcheni nei sedimenti marini e la temperatura superficiale del mare. I seguenti video di questa serie entreranno più in dettaglio su questo complesso processo.
Grazie per l’attenzione!
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!
