Fonte: Laboratório de Jeff Salacup – Universidade de Massachusetts Amherst
Ao longo desta série de vídeos, amostras naturais foram extraídas e purificadas em busca de compostos orgânicos, chamados de biomarcadores, que podem relacionar informações sobre climas e ambientes do passado. Uma das amostras analisadas foi sedimento. Sedimentos se acumulam ao longo do tempo geológico em bacias, depressões na Terra nas quais os sedimentos fluem através da ação de fluido (água ou ar), movimento e gravidade. Existem dois tipos principais de bacias, marinha (oceanos e mares) e lacustrina (lagos). Como se pode imaginar, tipos muito diferentes de vida vivem nessas configurações, impulsionados em grande parte pela diferença de salinidade entre eles. Ao longo das últimas décadas, geoquímicos orgânicos descobriram uma caixa de ferramentas de proxies biomarcadores, ou compostos que podem ser usados para descrever o clima ou o meio ambiente, alguns dos quais trabalham em ambientes marinhos e alguns dos quais trabalham em lacustrina. Voltamos nossa atenção aqui para o reino marinho e a paleotermmetria alkenone usando o proxy de temperatura da superfície do mar Uk’37.
O proxy mais bem estabelecido e amplamente aplicado da temperatura da superfície do mar (SST) é Uk’37.
Uk’37 = (C37:2) / (C37:2 + C37:3) (ver Herbert1 para uma revisão)
O índice baseia-se na razão de duas cetonas de alquila de cadeia longa poli-insaturadas, chamadas alkenonas, produzidas por algumas classes de algas haptofitas2,3. Cultura4,5 e estudos de calibração de sedimentos de topo de núcleo6 levaram ao desenvolvimento do Uk’37 Index como um proxy SST quantitativo. Surpreendentemente, a calibração baseada na cultura de Prahl et al. 4:
Uk’37 = 0,034 (SST) + 0,039,
E a calibração do núcleo de Müller et al. 6,
Uk’37 = 0,033 (SST) + 0,044,
são estatisticamente idênticas.
As temperaturas reconstruídas Uk’37 se correlacionam melhor com a média anual do SST para uma variedade de regimes climáticos e de produção de haptofitos no oceano global7. Alkenonas são detectadas em núcleos de sedimentos marinhos do início do Eoceno até a idade moderna8, e em afloramentos expostos de sedimentos marinhos9, sugerindo que eles são muito estáveis ao longo do tempo geológico, e, portanto, úteis como uma ferramenta paleoclima. Uk’37 tem sido usado para documentar mudanças na temperatura da superfície do mar paleo em decadal10 para orbital11,12 escalas de tempo e, portanto, são muito versáteis.
No oceano aberto, as coccolithophores Emiliania huxleyi e Gephyrocapsa oceanica são responsáveis pela maior parte da produção alkenone. Ainda não se sabe por que esses haptofititas alteram a razão de insaturação de alkenonas com base na temperatura de crescimento. Inicialmente se pensava que as alkenonas eram componentes das paredes celulares haptofitos e que sua insaturação foi ajustada a fim de manter o fluido da membrana, assim como as gorduras saturadas são sólidas à temperatura ambiente, enquanto as gorduras insaturadas são fluidas. No entanto, experimentos direcionados a essa questão descobriram que, em vez de estarem associadas às membranas celulares, as alkenonas estavam associadas a estruturas de armazenamento de energia dentro da célula. Assim, seu uso dentro da célula permanece uma questão em aberto.
Recentemente, alkenones foram encontrados em ambientes lacodrinas. No entanto, sua utilidade até agora foi limitada. Diferentes produtores de alkenona do que os do reino marinho habitam em lagos e, portanto, a calibração entre a temperatura da água e a insaturação (Uk’37) é diferente. Além disso, essa calibração é diferente entre os lagos, tornando improvável a criação de uma calibração “global”. Infelizmente, a criação de calibrações locais é cara e demorada e, portanto, o futuro para Uk’37 em lagos também é atualmente limitado.
Alkenonas são geralmente extraídas de sedimentos marinhos. Muitas vezes os mesmos organismos que produzem alkenonas produzem ésteres de metila ácidos graxos desses alkenonas chamados alquenatos. Estes compostos co-elute com as alkenonas em um cromatógrafo gasoso e complicam sua quantificação. Portanto, esses extratos muitas vezes sofrerão uma saponificação para remover alquenatos. Como a saponificação produz ácidos carboxílicos que não são amenáveis de cromatógrafo a gás, uma coluna de gel de sílica deve ser realizada após a saponificação para remover os ácidos carboxílicos do extratograma. As alkenonas saem na fração de cetona de polaridade média que elutes em diclorometano enquanto os ácidos são deixados na coluna. Por fim, em casos extremos, como em sedimentos adquiridos de áreas altamente poluídas, como estuários perto de centros industriais, também pode ser necessária uma adução de ureia para remover compostos desconhecidos que coelute com as alkenonas no cromatógrafo gasoso.
Uma vez purificado o extrato lipíduo total, a amostra extraída e purificada é executada em um cromatógrafo a gás acoplado a um detector de ionizamento de chamas. A concentração relativa das duas alkenonas é determinada pela obtenção da área sob a curva para cada um dos compostos em software de computador projetado para este fim (como Agilent Chemstation). Essas áreas são então colocadas na equação de proporção Uk’37 mostrada acima para obter um valor Uk’37 que varia entre 0 e 1. Esses valores Uk’37 são então mapeados para o valor da temperatura da superfície do mar usando uma calibração como os descritos acima.
Paleotermometria é o cálculo de temperaturas passadas por análise de produtos químicos específicos em amostras naturais, como aquelas deixadas para trás por algas pré-históricas.
As algas são um grupo diversificado de organismos que têm sido abundantes nos oceanos e lagos da Terra por milênios. Certos compostos químicos, que são depositados em sedimentos por algas antigas, atuam como biomarcadores – compostos orgânicos que podem fornecer aos pesquisadores uma valiosa visão da história da Terra. De fato, a análise do conteúdo de biomarcadores de algas em sedimentos permite que os pesquisadores determinem a temperatura da Terra centenas de milhões de anos atrás.
Um desses registros vem de algumas espécies de coccolithophores. Essas algas produzem quantidades variadas de alkenones, uma classe de biomarcadores robustos, com base na temperatura de seu ambiente. A análise de Alkenone é usada principalmente para calcular a temperatura da superfície do mar dos oceanos da Terra e eras atrás.
Este vídeo ilustrará o uso de alkenonas na paleoclimatologia e descreverá o processo de isolar, purificar e analisar alkenones para calcular a temperatura da superfície do mar.
Como o próprio nome indica, “Alkenone paleothermometria” baseia-se na análise se lipídios, conhecidos como alkenones Alkenone paleotermometria é baseada em alkenonas; cetonas alquilas insaturadas de cadeia longa que contêm 37 átomos de carbono e 2 a 4 ligações duplas. Cada ligação dupla é um local de insaturação. Em baixas temperaturas da superfície do mar, os produtores de alkenona geram alkenones mais insaturados do que saturados. A razão entre saturação e insaturação é conhecida como Índice de Insaturação alkenone.
As alkenonas geralmente avaliadas são C37:2 e C37:3, que têm 37 carbonos e duas ou três ligações duplas, respectivamente. O Índice de Insaturação dessas alkenonas, ou UK’37,está positivamente relacionado com a temperatura da superfície do mar. O método analítico conhecido como cromatografia gasosa é geralmente sensível o suficiente para separar essas alquenas umas das outras. No entanto, algas produtoras de alkenona muitas vezes também geram ésteres de metila quimicamente semelhantes, ou alquenatos, que não podem ser distinguidos das alquenas que usam essa técnica. A contaminação por hidrocarbonetos por poluição também pode aprofundar a análise cromatográfica lamacenta. Para determinar com precisão a concentração relativa de alkenona, alquenatos e hidrocarbonetos desconhecidos devem ser removidos antes da análise pelos métodos de saponificação e adução da ureia.
Agora que a relação das relações de alkenona de sedimentos com a temperatura da superfície do mar foi revisada, vamos olhar para as técnicas para sua purificação a partir de um extrato lipídado total e análise da razão de insaturação.
Uma vez coletado e extraído o sedimento marinho, o extrato lipíduo total, ou TLE, deve passar por um processo de purificação de várias etapas e analisado. Primeiro, o extrato sofre uma saponificação para converter alquenatos em sais carboxilatos e metanol usando uma base forte e calor. Outros ésteres de ácido graxo presentes na TLE serão saponificados em sais e glicerol.
Depois de resfriar a mistura à temperatura ambiente, uma solução de sal aquoso é adicionada para formar sais e glicerol. A mistura é então acidificada para protonatoar os ânions de carboxilato, produzindo ácidos graxos. Finalmente, as alkenonas e os ácidos graxos são extraídos da mistura com hexano.
A cromatografia de gel de sílica é então realizada para remover tanto compostos apolares quanto os ácidos graxos polares produzidos pela saponificação. O TLE seco e saponificado é dissolvido em hexano e depois carregado em uma coluna. A sílica retém compostos polares mais fortemente do que os apolares.
Primeiro, compostos apolares são removidos com um solvente apolar, como hexano. Em seguida, as alkenonas são elucidadas por um solvente moderadamente polar, como o diclorometano, deixando os ácidos graxos altamente polares e outros compostos polares indesejados na coluna.
Se a amostra original de sedimentos foi coletada de uma área altamente poluída, a adução da ureia é realizada para remover quaisquer hidrocarbonetos altamente ramificados ou cíclicos restantes. A fração de polaridade média seca é dissolvida em uma mistura de solventes em que a ureia fortemente polar é minimamente solúvel, como DCM e hexano. Uma solução concentrada de ureia no metanol é então adicionada ao TLE, fazendo com que os cristais de ureia precipitam.
Moléculas de cadeia reta, como alkenonas, se encaixam nos espaços entre moléculas na rede de cristal da ureia, mas moléculas altamente ramificadas e cíclicas não se encaixam, e são expelidas.
Uma vez terminado o crescimento do cristal, os cristais de ureia são secos e depois lavados com um solvente apolar para remover compostos expelidos. Então, os cristais são dissolvidos em uma pequena quantidade de água. As alkenonas são extraídas da água com um solvente apolar para análise.
Embora todas as etapas anteriores de purificação não diferenciem entre espécies de alquena, pequenas diferenças no ponto de ebulição e na estrutura molecular são suficientes para a separação em uma coluna de cromatografia gasosa. Quando emparelhado com um detector de ionização de chamas, concentrações relativas das alkenonas, podem ser determinadas.
As moléculas são identificadas no cromatograma pelo tempo de retenção, ou pelo tempo necessário para que o composto saia da coluna. Os tempos de retenção dos compostos desejados são verificados com padrões alkenone.
As concentrações relativas das alkenonas são determinadas a partir da análise das áreas sob os picos de interesse. O valor de UK’37 é então calculado a partir das concentrações de C37:2e C37:3 na amostra. Com a relação proxy da temperatura da superfície do mar e o valor de UK’37, o analista pode resolver a temperatura da superfície do mar no momento da deposição de sedimentos.
Muitas facetas diferentes da história da Terra podem ser investigadas pela análise de sedimentos e rochas sedimentares.
Bioestratigrafia é o estudo da determinação das idades das camadas, ou estratos, da rocha pela análise dos fósseis presentes. Como há muitas fontes de sedimentos, rochas sedimentares do mesmo período de tempo podem ter composições dramaticamente diferentes ao redor do mundo. Certos conjuntos de espécies ao longo da história da Terra, como os amonitas, existiram em todo o mundo e passaram por uma rápida evolução. Se estratos rochosos visualmente diferentes contêm a mesma espécie de amonita, então uma correlação temporal entre os estratos pode ser desenhada. Quando combinadas com técnicas como a paleotermometria, informações extensas sobre a história da Terra podem ser determinadas a partir de registros fósseis em amostras naturais.
Muitas espécies de foraminifera, ou forams, são encontradas em sedimentos marinhos em todo o mundo. Forams tem conchas de carbonato de cálcio e existem nos oceanos da Terra por milhões de anos. Muitas espécies vivem no fundo do oceano, e assim podem fornecer informações sobre a temperatura sobre partes mais profundas do oceano. A razão magnésio/cálcio de forams corresponde à temperatura, pois eles incorporam mais magnésio em suas conchas em climas mais quentes. A multiplicidade de espécies e a abundância de forams torna seu registro fóssil útil para rastrear mudanças nas correntes oceânicas ao longo da história da Terra e para a bioestratigrafia.
À medida que as placas tectônicas divergem, novas formas de rocha entre elas. Correspondentemente, as propriedades da rocha em torno de um limite de placa divergente fornecem informações sobre os movimentos das placas ao longo do tempo. Por exemplo, mudanças no campo magnético da Terra são preservadas em alguns minerais encontrados em fósseis, rochas e sedimentos. A descoberta de mudanças simétricas no magnetismo sobre cumes do meio do oceano contribuiu significativamente para a compreensão atual da propagação do fundo do mar e da tectônica das placas.
Você acabou de ver a visão geral de Jove sobre a paleotermometria de Alkenone. Agora você deve entender os princípios da paleotermometria e a relação da relação alkenone em sedimentos marinhos à temperatura da superfície do mar. Os vídeos a seguir desta série entrarão em mais detalhes sobre este processo complexo.
Obrigado por assistir!
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!
