Name: sediment biomarkers for past climate records
Uploaded: 2023-04-30T06:49:01.000Z
Duration: 8 min 28 s
Channel: JoVE

K12 Standards

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NC K-12 Science Standard Course of Study

9-12

Earth and Environmental Science

Earth's Systems

ESS.EES.3.3

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An Overview of bGDGT Biomarker Analysis for Paleoclimatology

<div class="chapter_text" id="script_0">
Organische Verbindungen, sogenannte Biomarker, können in den Geowissenschaften als Paläothermometer verwendet werden, um Informationen über Klima und Umwelt der Vergangenheit in Beziehung zu setzen. 
Lebewesende Organismen produzieren diese Biomarker, die uns Informationen über die Umwelt liefern, in der sie gelebt haben. Sie können als proxy fungieren, um uns Informationen über vergangene Ereignisse zu liefern, wie z.B. die Temperatur der Erde vor Millionen von Jahren. 
Die terrestrische Paläotemperatur kann mit Hilfe von Biomarkern analysiert werden, die in Sedimenten aus Süßwasserbecken gefunden werden. Eine Schlüsselklasse dieser Biomarker sind verzweigtes Glycerin, Dialkylglycerin, Tetraether oder verzweigte GDGTs.
Dieses Video stellt das Forschungsgebiet Paläoklimatologie vor, das vergangene Veränderungen der Süßwasserumwelt über Hunderte von Millionen Jahren untersucht. Dies hilft, aktuelle und zukünftige Klima- und Umweltveränderungen aufzuklären. 
</div>
<div class="chapter_text" id="script_1">
Sedimente sammeln sich im Laufe der geologischen Zeit, aufgrund von Flüssigkeitsbewegungen und Schwerkraft, in Sedimentbecken oder niedrigen Bereichen in der Erdkruste an. Zu den Sedimentbecken gehören Ozeane, in denen sich Meeressedimente sammeln, oder Seen, in denen sich Seesedimente sammeln. In marinen und lakustrinen Becken gibt es unterschiedliche Arten von Organismen, die zum großen Teil auf den unterschiedlichen Salzgehalt zurückzuführen sind. So enthalten marine und lakustrine Becken unterschiedliche Biomarker. 
Es wird angenommen, dass verzweigte GDGTs membranübergreifende Lipide von anaeroben Acidobakterien sind. Untersuchungen deuten darauf hin, dass die produzierenden Organismen ihre Membraneigenschaften als Reaktion auf Temperaturänderungen ändern. 
Diese Änderung wird durch die Umwandlung von methylierten Stellen auf den verzweigten GDGTs in zyklisierte Stellen bei kälteren Temperaturen verursacht, wodurch die Membranfluidität verbessert wird. Diese Strukturänderung kann dann über einen Proxy mit der Temperatur korreliert werden. Proxys sind messbare physikalische Phänomene, die mit unmessbaren Variablen korreliert sind. 
Dieser Proxy setzt die Anzahl der Methylierungen oder MBT und Cyclisierungen (CBT) im Biomarker mit der Temperatur in Beziehung. Eine experimentell abgeleitete Gleichung kann MBT und CBT mit der vergangenen mittleren jährlichen Lufttemperatur in Beziehung setzen. 
</div>
<div class="chapter_text" id="script_2">
Um den Zusammenhang zwischen verzweigten GDGT-Biomarkern und der Bodentemperatur zu untersuchen, muss Seesediment gesammelt, mit einer von drei Techniken extrahiert, gereinigt und analysiert werden. 
Um den Zusammenhang zwischen verzweigten GDGT-Biomarkern und der Bodentemperatur zu untersuchen, werden die Lipidmoleküle zunächst mit einer Vielzahl von Techniken aus Seesedimenten extrahiert. Die Extraktion durch Ultraschall ist die einfachste und kostengünstigste Methode, um den Gesamtlipidextrakt (TLE) aus einer Sedimentprobe zu gewinnen. Dazu wird die Probe in einem Ultraschallbad in einem Fläschchen mit organischem Lösungsmittel gerührt. Ein Gemisch aus Methanol und Dichlormethan wird verwendet, um Biomarker mit einem breiten Spektrum an Polaritäten zu extrahieren. Eine andere Extraktionstechnik nutzt die Soxhlet-Extraktion. Ein Soxhlet-Extraktor ermöglicht den Rückfluss oder den kontinuierlichen Kreislauf von organischem Lösungsmittel aus einem Rundkolbenkolben nach oben in einen Kondensator, der mit kaltem Wasser gekühlt und wieder zurückgeführt wird. Das kondensierte Lösungsmittel fällt in eine Glasfaserkausche, die die Probe enthält. Sobald die Kammer voll ist, saugt sie das organische Lösungsmittel zurück in den Rundkolben und ermöglicht so eine kontinuierliche Extraktion über einen längeren Zeitraum. 
Diese Technik ist hilfreich bei der Extraktion großer Sedimentmassen und der Vorbereitung großer Mengen an Standards für die Instrumentenkalibrierung. Schließlich ist die beschleunigte Lösungsmittelextraktion (ASE) eine markenrechtlich geschützte Extraktionsmethode, bei der hohe Temperaturen und hoher Druck verwendet werden, um die Kinetik des Extraktionsprozesses zu erhöhen. Das ASE-Gerät fasst bis zu 24 einzelne Proben und ermöglicht eine präzise Kontrolle aller Parameter im Extraktionsprozess. Aufgrund seiner Schnelligkeit und Einfachheit in der Anwendung wird ASE häufig als Standardmethode zur Lösungsmittelextraktion verwendet. 
</div>
<div class="chapter_text" id="script_3">
Sobald die Lipidprobe mit einer dieser Techniken extrahiert wurde, wird sie zur Vorbereitung der Analyse gereinigt. Typischerweise wird die Kieselgelsäulenchromatographie verwendet, um die Lipidprobe basierend auf ihrer Polarität zu reinigen. Zu diesem Zweck wird eine kleine Glassäule mit einem feinen Pulver aus Kieselsäure, einem sogenannten Gel, beladen. Die Säule wird dann mit einem apolaren Lösungsmittel, typischerweise Hexan, gesättigt und dann die Probe auf die Oberseite geladen. Die Trennung des Extrakts basiert auf der Affinität der Zielverbindung entweder zur festen Phase oder zur Lösungsmittelphase. 
Polare Verbindungen, in diesem Fall verzweigte GDGTs, werden stärker von der polaren Kieselsäure angezogen als vom apolaren Hexan. Somit bewegen sich die unpolaren Verbindungen, wie Kohlenwasserstoffe, die mittelpolaren Verbindungen, wie Ketone und Alkohole, und die hochpolaren Verbindungen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und als Reaktion auf Lösungsmittel mit zunehmender Polarität durch die Säule. 
Die Eluenten werden dann in getrennten Fraktionen gesammelt. 
Die gereinigten GDGTs werden dann mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie analysiert, die mit einem Massenspektrometer (LC-MS) gekoppelt ist. LC-MS trennt zunächst die Verbindungen und analysiert sie dann anhand ihres Masse-Ladungs-Verhältnisses. 
Dies ermöglicht die Bestimmung der relativen Konzentration jedes GDGT-Typs unter Verwendung der Fläche unter der Kurve für das ausgewählte Massenion. MBT wird berechnet als der Anteil der Moleküle der Gruppe 1 an der Gesamtmenge. 
Die CBT wird dann als negativer Logarithmus unter Verwendung von Molekülen der Gruppen 1 und 2 berechnet. MBT und CBT werden dann in eine experimentell abgeleitete Gleichung eingefügt, um zu einer Paläotemperaturbestimmung zu gelangen. 
</div>
<div class="chapter_text" id="script_4">
Die Bestimmung der Paläotemperatur mit Hilfe von Biomarker-Proxies ist in einer Reihe von Anwendungen in den Geowissenschaften nützlich. 
Erstens ermöglicht die Paläothermometrie die Bestimmung der Erdtemperatur über lange Zeiträume. Mit verschiedenen Techniken wurde die Temperatur der Erde bereits auf 500 Millionen Jahre geschätzt. Dies zeigt uns die Temperaturhülle, innerhalb derer sich verschiedene Lebensformen entwickelt haben, und informiert über die Untersuchungen der Auswirkungen der Temperatur auf die Biosphäre, Hydrosphäre, Lithosphäre und Atmosphäre der Erde in der Vergangenheit und damit auch in der Zukunft. 
Neuere Trends der Erdtemperatur können auch anhand von Aufzeichnungen quantifiziert werden, die mit Hilfe der Paläothermometrie erstellt wurden. Die Oberflächentemperatur der Erde ist von 1850 bis heute um fast 1 Grad gestiegen, wobei sich der Erwärmungstrend in den letzten zwei Jahrzehnten verstärkt hat. Um den anthropogenen Einfluss auf das globale Klima zu verstehen, müssen genaue Paläoklimadaten entwickelt und als Kontext verwendet werden. 
</div>
<div class="chapter_text" id="script_5">
Sie haben gerade JoVEs Übersicht über verzweigtes Glycerin Dialkyl Glycerin Tetraether Paläothermometrie gesehen. Sie sollten nun verstehen, wie die verzweigten GDGT-Biomarker verwendet werden und wie sie insgesamt extrahiert und gereinigt werden. In den folgenden Videos dieser Serie wird dieser komplexe Prozess näher erläutert. 
Danke fürs Zuschauen! 
</div>

ein Überblick über die bgdgt-biomarker-analyse für die paläoklimatologie

&gt;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 zum lacustrine reich und verzweigte Glycerin Dialkylcarbonat Glycerin Tetraethers ()Abbildung 1).
In diesem Abschnitt konzentrieren wir uns auf die Analyse der terrestrischen Paleotemperature mit verzweigten Glycerin Dialkylcarbonat Glycerin Tetrathers (Abbildung 1; BrGDGTs) und der MBT/CBT-Proxy. Diese Vollmacht wurde zunächst von Weijers Et Al. beschrieben. 1 und basiert auf den Vertrieb von Ring und Branch Strukturen im BrGDGTs. Sie fanden heraus, dass die Biosyntheseschritt der verzweigten Tetraethers (CBT) direkt mit der Boden-pH zusammenhing.
CBT = - Log ((Ib + IIb) / (I + II))
Und dass die Methylierung der verzweigten Tetraethers (MBT) bestimmt wurde, durch die mittlere jährliche Lufttemperatur (MAAT) und, in geringerem Maße, des Bodens pH.
MBT = (I + Ib + Ic) / (I + Ib + Ic) + (II + IIb + IIc) + (III + IIIb + IIIc)
So bezieht MBT/CBT gefasst zusammen und kalibriert, die Verteilung der BrGDGTs zu Bodentemperatur und pH-Wert.
MBT = 0,122 + (0.187 X CBT) + (0,020 X MAAT)
Verzweigte GDGTs werden gedacht, um die Membran überspannt, Lipide und ihre Produktion wurde zunächst Acidobacteria Anaerobier Leben im Boden und Torf2-5zugeschrieben, sondern Folgearbeiten schlug vor, dass sie auch in oxischen und anoxischen See und Meerwasser Spalten und Sedimente6-9hergestellt werden konnte. Die Hypothese hält diese Acidobacteria Transformation Websites der Methylierung in Cyclizations als Reaktion auf die Absenktemperatur um Ungesättigtheit zu erhöhen (Biosyntheseschritt entfernt effektiv zwei Wasserstoffatome) und pflegen Membranfluidität (sinngemäss, gesättigtem Fett (Butter) ist eine solide Zimmertemperatur während ungesättigte Fettsäuren (Olivenöl) eine Flüssigkeit ist), aber verzweigten GDGTs konnten bislang nicht als die wichtigsten Membranlipide in Acidobacteria Kulturen identifiziert. Somit ist ihre genaue Herkunft unbekannt.
Kalibrierung des verzweigten GDGTs, Umgebungsvariablen (Temperatur, pH-Wert, Salzgehalt, Niederschlag, etc.) ist ein Thema der Forschung weit verbreitet. Organische Geochemie Labors auf der ganzen Welt engagieren sich in der Aufgabe der Entwicklung globaler1,10 und regionalen11-13 Kalibrierungen zwischen verzweigten GDGTs und (vor allem) Temperatur. Die oben genannten Gleichungen werden daher regelmäßig verfeinert und perfektioniert.
Verzweigte GDGTs sind in der Regel aus lacustrine Ablagerungen gewonnen, obwohl küstennahe marine Sedimenten auch untersucht worden sind. Die Extrakte durchlaufen eine Silica-Gel-Spalte zum Reinigen der GDGTs aus anderen Verbindungen, die nicht LC zugänglich oder das kann zusammen mit GDGTs chromatographisch eluieren. Die GDGTs kommen in der polare Anteil, der elutes in Methanol.
Sobald der gesamten Lipid-Extrakt gereinigt wird, läuft auf eine high-Performance liquid Chromatograph gekoppelt mit einem Massenspektrometer chemische Ionisation die Probe extrahierte und gereinigte. Die relative Konzentration der GDGTs wird bestimmt durch den Erwerb der Fläche unter der Kurve für das ausgewählte Masse Ion (m/Z; Abbildung 1) für jede der Verbindungen auf Computersoftware für genau diesen Zweck (z. B. Agilent Chemstation). Diese Bereiche sind dann in der ausgewählten Kalibrierung Formel eingefügt werden um eine Paleotemperature Bestimmung zu erreichen.
<img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/10256/10256fig1.jpg"> 
Abbildung 1. Strukturen der verzweigten GDGTs verwendet für die Berechnung der Temperatur über MBT/CBT-Proxy (verwendet mit freundlicher Genehmigung von Dr. Isla Castañeda, wer das Bild produziert). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/10256/10256fig1large.jpg" target="_blank">Bitte klicken Sie hier für eine größere Version dieser Figur.</a>
<div class="chapter_text" id="script_0">
Organische Verbindungen, die als Biomarker können in Geowissenschaften als Paleothermometers verwendet werden, Informationen über Klima und Umgebungen der Vergangenheit beziehen.
Lebende Organismen produzieren diese Biomarker, die uns mit Informationen über die Umgebung in der sie lebten. Sie können als Proxy zu erzählen, Informationen über vergangene Ereignisse, wie die Temperatur der Erde Millionen von Jahren auftreten.
Terrestrische Paleotemperature kann mit Biomarkern im Sediment von Süßwasser-Becken gefunden analysiert werden. Eine wichtige Klasse von diese Biomarker sind verzweigte Glycerin Dialkylcarbonat Glycerin Tetraethers oder verzweigte GDGTs.
Dieses Video führt der Bereich der Studie mit dem Titel Paläoklimatologie, die letzten Änderungen im Süßwasser-Umfeld über Hunderte von Millionen von Jahren untersucht. Dadurch werden aktuelle und zukünftige Klima- und Umweltveränderungen zu erhellen.
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<div class="chapter_text" id="script_1">
Sedimente sich im Laufe der geologischen Zeit, dank fließende Bewegung und Schwerkraft, in Sedimentbecken oder niedrigen Bereiche in der Erdkruste. Sedimentbecken sind Ozeane, die Meeresablagerungen sammeln, oder Seen, die lacustrine Sediment zu sammeln. Marine und lacustrine Becken enthalten verschiedene Arten von Organismen, die zum großen Teil durch den Unterschied im Salzgehalt zwischen ihnen getrieben. So enthalten marine und lacustrine Becken unterschiedlicher Biomarker.
Verzweigte GDGTs werden gedacht, um die Membran überspannt werden Lipide der anaeroben Acidobacteria. Untersuchungen zeigen, dass die produzierenden Organismen Membran Eigenschaften in Reaktion auf sich ändernde Temperatur ändern.
Diese Änderung wird durch die Umwandlung der methylierten Websites auf den verzweigten GDGT cyclisiert Websites bei kälteren Temperaturen, wodurch Membranfluidität verursacht. Diese Änderung in der Struktur kann dann auf Temperatur über einen Proxy korreliert werden. Proxies sind messbare physikalische Phänomene, die unermesslich Variablen korreliert sind.
Diese Vollmacht bezieht sich die Zahl von Methylations, MBT, und Cyclizations oder CBT, in der Biomarker auf Temperatur. Eine experimentell abgeleitete Gleichung kann MBT und CBT in der Vergangenheit meine jährliche Lufttemperatur beziehen.
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<div class="chapter_text" id="script_2">
Um die Beziehung zwischen verzweigten GDGT Biomarker und Bodentemperatur zu studieren, muss lacustrine Sediment gesammelt, extrahiert von einer der drei Techniken, gereinigt, und analysiert werden.
Um zu Beginn der Untersuchung der Beziehung zwischen verzweigten GDGT Biomarker und Bodentemperatur sind die Lipidmoleküle lacustrine Ablagerungen, mit einer Vielzahl von Techniken zunächst entzogen. Extraktion durch Anwendung von Ultraschall ist die einfachste und kostengünstigste Methode der Inanspruchnahme der gesamten Lipid-Extrakt oder TLE, eine Sedimentprobe. Hierzu dient ein Ultraschallbad die Probe in ein Fläschchen mit organischen Lösungsmitteln zu agitieren. Ein Gemisch aus Methanol und Dichlormethan wird verwendet, um Biomarker mit einer breiten Palette von Polaritäten zu extrahieren. Ein weiterer Extraktiontechnik nutzt Soxhlet-Extraktion. Ein Soxhlet-Extraktor ermöglicht Rückfluß oder kontinuierliche Radfahren, organische Lösemittel aus einem Rundboden Kolben nach oben in einen Kondensator, die mit kaltem Wasser gekühlt und zurückgegeben. Das kondensierte Lösungsmittel gliedert sich in einen Glas-Faser-Fingerhut mit der Probe. Einmal voll, abschöpft Kammer organische Lösungsmittel zurück in den Kolben Rundboden ermöglicht kontinuierliche Extraktion im Laufe der Zeit.
Diese Technik ist hilfreich bei der Gewinnung von großen Sediment Massen und die Vorbereitung großer Mengen von Standards für die Kalibrierung. Schließlich ist die beschleunigte Lösemittelextraktion oder ASE, eine geschützte Methode der Extraktion, die hohe Temperatur und Druck, die Kinetik der Extraktion zu erhöhen verwendet. Die ASE-Instrument hält bis zu 24 einzelne Samples und ermöglicht eine präzise Kontrolle über alle Parameter in der Extraktion. Aufgrund seiner Geschwindigkeit und Einfachheit der Anwendung wird ASE allgemein als die Standardmethode der solvent-Extraktion verwendet.
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<div class="chapter_text" id="script_3">
Sobald die Lipid-Probe extrahiert wird, verwenden eine dieser Techniken ist es in der Vorbereitung für die Analyse gereinigt. In der Regel wird Kieselgel Säulenchromatographie verwendet, um die Lipid-Probe anhand seiner Polarität zu reinigen. Hierzu wird eine kleine Glassäule mit einem feinen Pulver an Kieselsäure, als eine Gel geladen. Die Spalte wird dann mit einem apolaren Lösungsmittel, in der Regel Hexan, gesättigt und dann die Probe geladen auf der Oberseite. Die Trennung des Extraktes basiert auf die Affinität der Zielsubstanz entweder für die feste Phase oder der Lösungsmittel-Phase.
Polare Verbindungen, in diesem Fall verzweigten GDGT, sind mehr an der polaren Kieselsäure als apolaren Hexan angezogen. So reist der apolaren Mittel wie Kohlenwasserstoffe, die Mitte-polaren Verbindungen wie Ketone, Alkohole und die stark polaren Verbindungen, die Spalte mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und als Reaktion auf Lösungsmittel Polarität zu erhöhen.
Die Eluenten werden dann in getrennten Fraktionen gesammelt.
Die gereinigten GDGT sind dann mit Hochleistungs-Flüssigkeitschromatographie an ein Massenspektrometer gekoppelt analysiert oder LC-MS. und LC-MS zuerst trennt die Verbindungen und analysiert dann anhand ihrer Masse-Ladungs-Verhältnis.
Dies ermöglicht die Bestimmung der relativen Konzentration jeder Art von GDGT mit der Fläche unter der Kurve für das ausgewählte Masse Ion. MBT wird als Bruchteil der Gruppe 1 Moleküle mit dem Gesamtbetrag berechnet.
CBT wird dann als eine negative Log mit Molekülen in den Gruppen 1 und 2 berechnet. MBT und CBT werden dann in eine experimentell abgeleitete Gleichung gesteckt, um eine Paleotemperature Bestimmung zu erreichen.
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<div class="chapter_text" id="script_4">
Die Bestimmung des Paleotemperature mit Biomarker Proxies eignet sich in den unterschiedlichsten Anwendungen in der Geowissenschaft.
Erstens ermöglicht Paleothermometry die Bestimmung der Temperatur der Erde über lange Zeiträume hinweg. Mittels verschiedener Techniken, wurde die Temperatur der Erde bereits 500 Millionen Jahren geschätzt. Dies sagt uns die Hülle der Temperatur innerhalb der verschiedenen Formen des Lebens entwickelt und informiert Untersuchungen über die Auswirkungen der Temperatur auf der Erde Biosphäre, Hydrosphäre, Lithosphäre und Atmosphäre, in der Vergangenheit und durch Verlängerung, die Zukunft.
Neuere Tendenzen in der Erden-Temperatur können auch gegen Datensätze unter Verwendung Paleothermometry quantifiziert werden. Die Oberflächentemperatur der Erden stieg um fast 1 Grad von 1850 bis zur Gegenwart mit einem akzentuierten Erwärmungstrend in den letzten zwei Jahrzehnten. Um den anthropogenen Einfluss auf das globale Klima zu verstehen, müssen genaue Paläoklima Datensätze entwickelt und als Kontext verwendet werden.
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<div class="chapter_text" id="script_5">
Sie habe nur Jupiters Übersicht der verzweigte Glycerin Dialkylcarbonat Glycerin Tetraether Paleothermometry beobachtet. Sie sollten jetzt verstehen, wie die verzweigten GDGT Biomarker verwendet werden, und die allgemeine Technik der Extraktion und Reinigung von ihnen. Die folgenden Videos in dieser Serie gehen mehr ins Detail über dieses komplexen Prozesses.
Danke fürs Zuschauen!
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Ein Überblick über die bGDGT-Biomarker-Analyse für die Paläoklimatologie

Source: Laboratory of Jeff Salacup&#160;- University of Massachusetts Amherst
Throughout this series of videos, natural samples were extracted and ...

Organische Verbindungen, sogenannte Biomarker, können in den Geowissenschaften als Paläothermometer verwendet werden, um Informationen über Klima und Umwelt der Vergangenheit in Beziehung zu setzen. Lebewesende Organismen produzieren diese Biomarker, die uns Informationen über die Umwelt liefern, in der sie gelebt haben. Sie können als "Stellvertreter" fungieren, um uns Informationen über vergangene Ereignisse zu liefern, wie z.B. die Temperatur der Erde vor Millionen von Jahren. Die terrestrische Paläotemperatur kann mit Hilfe von Biomarkern analysiert werden, die in Sedimenten aus Süßwasserbecken gefunden werden. Eine Schlüsselklasse dieser Biomarker sind verzweigtes Glycerin, Dialkylglycerin-Tetraether oder verzweigte GDGTs.Dieses Video stellt das Forschungsgebiet Paläoklimatologie vor, das vergangene Veränderungen in Süßwasserumgebungen über Hunderte von Millionen Jahren untersucht. Dies hilft, aktuelle und zukünftige Klima- und Umweltveränderungen aufzuklären. Sedimente sammeln sich im Laufe der geologischen Zeit, aufgrund von Flüssigkeitsbewegungen und Schwerkraft, in Sedimentbecken oder niedrigen Bereichen in der Erdkruste an. Zu den Sedimentbecken gehören Ozeane, in denen sich Meeressedimente sammeln, oder Seen, in denen sich Seesedimente sammeln. In marinen und lakustrinen Becken gibt es unterschiedliche Arten von Organismen, die zum großen Teil auf den unterschiedlichen Salzgehalt zurückzuführen sind. So enthalten marine und lakustrine Becken unterschiedliche Biomarker. Es wird angenommen, dass verzweigte GDGTs membranübergreifende Lipide von anaeroben Acidobakterien sind. Untersuchungen deuten darauf hin, dass die produzierenden Organismen ihre Membraneigenschaften als Reaktion auf Temperaturänderungen ändern. Diese Änderung wird durch die Umwandlung von methylierten Stellen auf den verzweigten GDGTs in cyclisierte Stellen bei kälteren Temperaturen verursacht, wodurch die Fluidität der Membran verbessert wird. Diese Strukturänderung kann dann über einen Proxy mit der Temperatur korreliert werden. Proxys sind messbare physikalische Phänomene, die mit unmessbaren Variablen korreliert sind. Dieser Proxy setzt die Anzahl der Methylierungen oder MBT und Cyclisierungen (CBT) im Biomarker mit der Temperatur in Beziehung. Eine experimentell abgeleitete Gleichung kann MBT und CBT mit der vergangenen mittleren jährlichen Lufttemperatur in Beziehung setzen. Um den Zusammenhang zwischen verzweigten GDGT-Biomarkern und der Bodentemperatur zu untersuchen, muss Seesediment gesammelt, mit einer von drei Techniken extrahiert, gereinigt und analysiert werden. Um den Zusammenhang zwischen verzweigten GDGT-Biomarkern und der Bodentemperatur zu untersuchen, werden die Lipidmoleküle zunächst mit einer Vielzahl von Techniken aus Seesedimenten extrahiert. Die Extraktion durch Ultraschall ist die einfachste und kostengünstigste Methode, um den Gesamtlipidextrakt (TLE) aus einer Sedimentprobe zu gewinnen. Dazu wird die Probe in einem Ultraschallbad in einem Fläschchen mit organischem Lösungsmittel gerührt. Ein Gemisch aus Methanol und Dichlormethan wird verwendet, um Biomarker mit einem breiten Spektrum an Polaritäten zu extrahieren. Eine andere Extraktionstechnik nutzt die Soxhlet-Extraktion. Ein Soxhlet-Extraktor ermöglicht den Rückfluss oder den kontinuierlichen Kreislauf von organischem Lösungsmittel aus einem Rundkolbenkolben nach oben in einen Kondensator, der mit kaltem Wasser gekühlt und wieder zurückgeführt wird. Das kondensierte Lösungsmittel fällt in eine Glasfaserkausche, die die Probe enthält. Sobald die Kammer voll ist, saugt sie das organische Lösungsmittel zurück in den Rundkolben und ermöglicht so eine kontinuierliche Extraktion über einen längeren Zeitraum. Diese Technik ist hilfreich bei der Extraktion großer Sedimentmassen und der Vorbereitung großer Mengen an Standards für die Instrumentenkalibrierung. Schließlich ist die beschleunigte Lösungsmittelextraktion (ASE) eine markenrechtlich geschützte Extraktionsmethode, bei der hohe Temperaturen und hoher Druck verwendet werden, um die Kinetik des Extraktionsprozesses zu erhöhen. Das ASE-Gerät fasst bis zu 24 einzelne Proben und ermöglicht eine präzise Kontrolle aller Parameter im Extraktionsprozess. Aufgrund seiner Schnelligkeit und Einfachheit in der Anwendung wird ASE häufig als Standardmethode zur Lösungsmittelextraktion verwendet. Sobald die Lipidprobe mit einer dieser Techniken extrahiert wurde, wird sie zur Vorbereitung der Analyse gereinigt. Typischerweise wird die Kieselgelsäulenchromatographie verwendet, um die Lipidprobe basierend auf ihrer Polarität zu reinigen. Zu diesem Zweck wird eine kleine Glassäule mit einem feinen Pulver aus Kieselsäure, einem sogenannten Gel, beladen. Die Säule wird dann mit einem apolaren Lösungsmittel, typischerweise Hexan, gesättigt und dann die Probe auf die Oberseite geladen. Die Trennung des Extrakts basiert auf der Affinität der Zielverbindung entweder zur festen Phase oder zur Lösungsmittelphase. Polare Verbindungen, in diesem Fall verzweigte GDGTs, werden stärker von der polaren Kieselsäure angezogen als vom apolaren Hexan. Somit bewegen sich die unpolaren Verbindungen, wie Kohlenwasserstoffe, die mittelpolaren Verbindungen, wie Ketone und Alkohole, und die hochpolaren Verbindungen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten und als Reaktion auf Lösungsmittel mit zunehmender Polarität durch die Säule. Die Eluenten werden dann in getrennten Fraktionen gesammelt. Die gereinigten GDGTs werden dann mittels Hochleistungsflüssigkeitschromatographie analysiert, die mit einem Massenspektrometer (LC-MS) gekoppelt ist. LC-MS trennt zunächst die Verbindungen und analysiert sie dann anhand ihres Masse-Ladungs-Verhältnisses. Dies ermöglicht die Bestimmung der relativen Konzentration jedes GDGT-Typs unter Verwendung der Fläche unter der Kurve für das ausgewählte Massenion. MBT wird berechnet als der Anteil der Moleküle der Gruppe 1 an der Gesamtmenge. Die CBT wird dann als negativer Logarithmus unter Verwendung von Molekülen der Gruppen 1 und 2 berechnet. MBT und CBT werden dann in eine experimentell abgeleitete Gleichung eingefügt, um zu einer Paläotemperaturbestimmung zu gelangen. Die Bestimmung der Paläotemperatur mit Hilfe von Biomarker-Proxies ist in einer Reihe von Anwendungen in den Geowissenschaften nützlich. Erstens ermöglicht die Paläothermometrie die Bestimmung der Erdtemperatur über lange Zeiträume. Mit verschiedenen Techniken wurde die Temperatur der Erde bereits auf 500 Millionen Jahre geschätzt. Dies zeigt uns die Temperaturhülle, innerhalb derer sich verschiedene Lebensformen entwickelt haben, und informiert über die Untersuchungen der Auswirkungen der Temperatur auf die Biosphäre, Hydrosphäre, Lithosphäre und Atmosphäre der Erde in der Vergangenheit und damit auch in der Zukunft. Neuere Trends der Erdtemperatur können auch anhand von Aufzeichnungen quantifiziert werden, die mit Hilfe der Paläothermometrie erstellt wurden. Die Oberflächentemperatur der Erde ist von 1850 bis heute um fast 1 Grad gestiegen, wobei sich der Erwärmungstrend in den letzten zwei Jahrzehnten verstärkt hat. Um den anthropogenen Einfluss auf das globale Klima zu verstehen, müssen genaue Paläoklimadaten entwickelt und als Kontext verwendet werden. Sie haben gerade JoVEs Übersicht über verzweigtes Glycerin Dialkyl Glycerin Tetraether Paläothermometrie gesehen. Sie sollten nun verstehen, wie die verzweigten GDGT-Biomarker verwendet werden und wie sie insgesamt extrahiert und gereinigt werden. In den folgenden Videos dieser Serie wird dieser komplexe Prozess näher erläutert. Danke fürs Zuschauen!

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Lehre

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Umweltwissenschaften

Earth Science

Geowissenschaften

sediment biomarkers for past climate records

Sediment biomarkers can record past climate conditions, and branched GDGTs are one example used to study temperature in freshwater basins. These organic compounds are extracted from natural samples, purified, and then measured to help reconstruct environments from the past. In paleoclimatology, scientists use these records to better understand climate change over time.

Sediments build up over geologic time in sedimentary basins, which are low areas in the Earth’s crust where material is carried by water, air, movement, and gravity. Two main basin types are marine basins, such as oceans and seas, and lacustrine basins, such as lakes. Because these settings support different organisms and often differ in salinity, they contain different biomarkers.

Branched glycerol dialkyl glycerol tetraethers, or branched GDGTs, are studied in lacustrine sediment as paleothermometers. They are linked to the MBT/CBT proxy, which uses the number of methylation and cyclization features in the molecules. CBT, or cyclization of branched tetraethers, has been related to soil pH, while MBT, or methylation of branched tetraethers, is linked mainly to mean annual air temperature and also to soil pH.

Branched GDGTs are thought to be membrane-spanning lipids made by anaerobic Acidobacteria, which are bacteria found in soils and peat. Some research also suggests these compounds can form in oxic and anoxic lake and marine water columns and sediments. Scientists think colder conditions may shift methylated sites toward cyclized sites to help maintain membrane fluidity, but the exact source of the lipids is still not fully known.

To study these biomarkers, lacustrine sediments are collected, extracted, purified, and analyzed. The total lipid extract can be obtained by sonication, Soxhlet extraction, or accelerated solvent extraction, also called ASE. Sonication is the simplest and least expensive method, Soxhlet uses continuous solvent cycling, and ASE uses high temperature and pressure and is often used as the standard method because it is fast and easy to control.

After extraction, the sample is usually purified with silica gel column chromatography. In this step, the sample moves through silica using solvents of increasing polarity. Polar branched GDGTs are retained differently from apolar, mid-polar, and highly polar compounds, so the eluents are collected in separate fractions. The purified GDGTs are then ready for analysis.

The final measurement uses high performance liquid chromatography coupled to mass spectrometry, or LC-MS. This method separates the compounds and measures them by mass-to-charge ratio, or m/z. The relative abundance of each GDGT is calculated from the area under the curve for the selected ion, and those values are entered into the calibration equation to estimate paleotemperature.

Branched GDGT paleothermometry helps scientists estimate Earth’s temperature over very long time spans. Temperature records have been reconstructed as far back as 500 million years, which helps show the range of conditions in which life evolved. These records also provide context for modern warming, including the rise in Earth’s surface temperature since 1850 and the stronger warming trend seen in recent decades.

Sediment Biomarkers for Past Climate Records

lacustrine-bgdgt-climate-records-analysis

determining spatial orientation of rock layers with the brunton compass

determining-spatial-orientation-rock-layers-with-brunton

Measuring Rock Layer Strike and Dip

The Brunton compass is used to measure the spatial orientation of rock layers and other rock features. Many rock units show planar surfaces or linear features. These include bedding surfaces, fault surfaces, fracture surfaces, joint surfaces, foliation, and mineral alignment. These measurements give geologists the raw data they need to study how rock units formed and how they changed over time. The directions are recorded as strike and dip. Strike is the direction of a flat surface, and dip...

using topographic maps to generate topographic profiles

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Reading Contour Lines on Topographic Maps

Topographic maps show Earth’s surface in a plan view, which means an overhead view. They give a clear look at land shape from above. These maps are a standard way to represent three-dimensional terrain on a flat page. Contour lines are the key feature of a topographic map. Each line connects places with the same elevation, or height above sea level. The spacing between contour lines is called the elevation interval, and it depends on how much detail the map shows and on the land itself. <br...

making a geologic cross section

Reading Geologic Maps in 3D

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physical properties of minerals i: crystals and cleavage

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Mineral Crystal Shapes and Cleavage

Mineral crystal shapes and cleavage reveal how a mineral is built at the atomic level. These physical properties are measurable and visible traits that help identify minerals. They include color, streak, magnetic properties, hardness, crystal growth form, and crystal cleavage. Each of these properties is specific to a mineral. They are tied to the mineral’s chemical make-up and atomic structure. Crystal growth form and crystal cleavage both come mainly from the repeated pattern of basic atomic...

physical properties of minerals ii: polymineralic analysis

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Mineral Clues for Rock Identification

Mineral color, streak, luster, hardness, magnetism, and acid reaction help identify minerals and rocks. These physical properties can be seen or measured in hand samples and in the field. They are tied to a mineral’s chemical makeup and, to a lesser extent, its atomic structure. The video also explains why these clues work for rocks as well as minerals. Rocks are made of mineral grains, and most rocks contain more than one mineral type, which means they are polymineralic. Some rocks are...

igneous volcanic rock

How Volcanic Rock Forms From Lava

Volcanic rock forms when magma reaches Earth’s surface and cools. It is a type of igneous rock, which means it comes from cooling and crystallization of molten material. When magma is on the surface, it is called lava. Magma is molten rock that is usually between about 800 °C and 1,200 °C. It forms inside Earth through three main melting processes. These are the addition of heat, the addition of volatiles, and decompression. Each way of making magma can produce a different kind of magma. That...

igneous intrusive rock

Magma Cooling and Igneous Rock

Igneous rocks form when hot liquid rock, called magma, cools and crystallizes. Magma temperatures typically range from about 800 °C to 1,200 °C. These rocks record the freezing of molten material inside Earth.

an overview of bgdgt biomarker analysis for paleoclimatology

Sediment biomarkers can record past climate conditions, and branched GDGTs are one example used to study temperature in freshwater basins. These organic compounds are extracted from natural samples, purified, and then measured to help reconstruct environments from the past. In paleoclimatology, scientists use these records to better understand climate change over time. Sediments build up over geologic time in sedimentary basins, which are low areas in the Earth’s crust where material is...

an overview of alkenone biomarker analysis for paleothermometry

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Sea Surface Temperature from Alkenone Ratios

Sea surface temperature can be reconstructed from alkenone ratios preserved in marine sediment. Alkenones are long-chain, unsaturated alkyl ketones made by some haptophyte algae, especially coccolithophores such as Emiliania huxleyi and Gephyrocapsa oceanica in the open ocean. The most widely used proxy is the U K'37 index, which compares the C37:2 and C37:3 alkenones. Because the ratio changes with growth temperature, it can be used to estimate past sea surface temperature. The U K'37 proxy...

sonication extraction of lipid biomarkers from sediment

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How Organic Carbon Becomes Biomarkers

Organic material and inorganic material are chemically different. In an ecosystem, living material includes leaves, fungi, bark, and tissue. Non-living material includes rocks, their minerals, oxygen, water, and metals. Organic matter contains carbon linked to other carbon and hydrogen molecules, which sets it apart from inorganic matter. Carbon is especially flexible in the kinds of bonds it can form. Its valence range from -4 to +4 lets it make up to four separate covalent bonds with nearby...

soxhlet extraction of lipid biomarkers from sediment

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Large-Volume Sediment Extraction for Standards

Large-volume sediment extraction is used to isolate compounds for chemical standards. These standards help labs track the performance, accuracy, and precision of instruments over time. That way, a measurement made today can be compared with one made a year later. Because standards must be checked over long periods, labs often need large amounts of material. Many chemical standards can be bought from companies such as Sigma-Aldrich and Fisher. But some natural compounds needed for paleoclimatic...

extraction of biomarkers from sediments - accelerated solvent extraction

extraction-of-biomarkers-from-sediments-accelerated-solvent-extraction

Sediment biomarkers can help scientists reconstruct past air and water temperatures. In this method, a group of organic biomarkers called glycerol-dialkyl glycerol-tetraethers, or GDGTs, is studied in modern sediments and in older sediment layers of known age. GDGTs are produced by a suite of archaea and bacteria. Their distribution changes in a predictable way in response to temperature. That pattern lets researchers use sediment records to track how climate changed over time. These...

conversion of fatty acid methyl esters by saponification for uk'37 paleothermometry

conversion-fatty-acid-methyl-esters-saponification-for-uk-37

Saponification for Cleaner GC-FID Analysis

Saponification helps clean up complex lipid samples before gas chromatography analysis. A total lipid extract, or TLE, from an organic solvent extraction can contain hundreds or even thousands of compounds. Researchers may only need a few target compounds. They may also need to remove unwanted material that gets in the way or co-elutes, meaning it comes off the gas chromatograph at the same time as another compound. This sample cleanup supports measurement on a gas chromatograph coupled to a...

purification of a total lipid extract with column chromatography

purification-of-a-total-lipid-extract-with-column-chromatography

Separating Lipid Classes by Column Chromatography

Column chromatography is used to separate lipid classes in a total lipid extract. A total lipid extract, or TLE, is often a complex mixture made up of hundreds or even thousands of compounds. Researchers may only need a few target compounds, so they remove the compounds they are not studying. Those target compounds can belong to different classes, including alkanes, ketones, alcohols, and acids. In some studies, a sample may contain many compounds, but only a small set matters for analysis.

removal of branched and cyclic compounds by urea adduction for uk'37 paleothermometry

removal-branched-cyclic-compounds-urea-adduction-for-uk-37

Urea Adduction Separates Lipid Shapes

Urea adduction separates straight-chain lipids from branched and cyclic compounds in a total lipid extract. Researchers use this step when they want only a small set of target molecules from a sample that may contain hundreds or even thousands of compounds. For paleothermometry, the target compounds are the alkenones used in U k'37 and the isoprenoidal glycerol dialkyl glycerol tetraethers, or GDGTs, used in MBT/CBT. Together, these organic paleothermometers depend on only six compounds: two...

earth science

Diese Sammlung beinhaltet Thematiken von der Geologie bis zur Geochemie, die mit einer Vielzahl von Demonstrationen veranschaulicht werden, darunter physikalische und chemische Eigenschaften von Mineralien und die Analyse von Felsformationen.

Learn how branched GDGTs in lake sediments are extracted, purified, and measured with LC-MS to reconstruct past temperature and climate records.

Sediment Biomarkers for Past Climate Records | JoVE K12

Pennsylvania State Academic Standards

Earth and Space Science

Human Sustainability

3.3.9-12.M

Louisiana Student Standards for Science

High School

Earth’s Systems

HS-ESS2-4

HS-ESS3-6

ohios-learning-standards-and-model-curriculum

Ohio’s Learning Standards and Model Curriculum

Physical Geology

Minerals

properties-minerals-hardness-luster-cleavage-streak-crystal-shape

Properties of minerals (hardness, luster, cleavage, streak, crystal shape, fluorescence, flammability, density/specific gravity, malleability)

Earth's History

The geologic rock record

Plate Tectonics

Historical review

Glacial Geology

Glaciers and glaciation

Virginia  Standards of Learning

HIgh School

ES.5

ES.5.a

ES.10

ES.10.d

Texas Essential Knowledge and Skills

Earth Systems Science

112.49.c.11

112.49.c.11.E.

Alabama Course of Study Science

9-12.ESS.2.5.d

9-12.ESS.2.6.a

Next Generation Science Standards

Earth’s Place in the Universe

HS-ESS1-6

Florida Department of Education

SC.912.E.7

SC.912.E.7.7

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New York State Science Learning Standards

Physical Science

HS. Structure and Properties of Matter

HS-PS1-10.

HS. Waves and Electromagnetic Radiation

HS-PS4-5.

Life Science

matter-and-energy-in-organisms-and-ecosystems

Matter and Energy in Organisms and Ecosystems

HS-LS1-6.

HS-LS2-4.

Earth and Space Sciences

History of Earth

HS-ESS1-6.

HS-ESS2-6.

HS-ESS2-7.

Jeff Salacup

Overview

Principles of Branched Glycerol Dialkyl Glycerol Tetraether Biomarkers

Branched GDGT Extraction

Biomarker Purification and Analysis

Applications

Summary

Igneous Volcanic Rock

Source: Laboratory of Alan Lester - University of Colorado Boulder
Igneous rocks are the products of cooling and crystallization of magma. Volcanic rocks ...

The Carbon Cycle

Carbon is the basis of all organic matter on Earth, and is recycled through the ecosystem in two primary processes: one in which carbon is exchanged among ...

Igneous Intrusive Rock

Source: Laboratory of Alan Lester - University of Colorado Boulder
Igneous rocks are products of the cooling and crystallization of high temperature ...

Using Topographic Maps to Generate Topographic Profiles

Source: Laboratory of Alan Lester - University of Colorado Boulder
Topographic maps are &#34;plan-view&#34; representations of Earth&#39;s ...

Determining Spatial Orientation of Rock Layers with the Brunton Compass

Source: Laboratory of Alan Lester - University of Colorado Boulder
Most rock units exhibit some form of planar surfaces or linear features. Examples ...

Making a Geologic Cross Section

Source: Laboratory of Alan Lester - University of Colorado Boulder
Geologic maps were first made and utilized in Europe, in the mid-to-late 18th century. ...

Use models to explain how mantle convection powers plate tectonics.

ESS.EES.2.1

Analyze and interpret data to predict locations of volcanoes and earthquakes based on plate boundaries.

ESS.EES.2.2

An Overview of Alkenone Biomarker Analysis for Paleothermometry

Topographic Surveying and Contours

Topographic surveying is critical for documenting the Earth's surface, focusing on capturing elevations, slopes, and natural and man-made features. It is ...

Plotting of Topographic Maps

Topographic maps represent the Earth's surface features using contour lines, which connect points of equal elevation to create a two-dimensional ...

Methods of Obtaining Topography

Topography involves measuring and mapping land elevations, natural features, and artificial structures to create accurate representations of the terrain. ...

Use models to explain how plate tectonics influence topography.

ESS.EES.2.3

The Soil Ecosystem

Plants obtain inorganic minerals and water from the soil, which acts as a natural medium for land plants. The composition and quality of soil depend not ...

Conditions on Early Earth

What are Biogeochemical Cycles?

The most common elements in organic molecules, carbon, hydrogen, oxygen, nitrogen, sulfur, and phosphorus, are only available in the ecosystem in limited ...

The Water Cycle

The Earth&rsquo;s hydrosphere includes all of the areas where the storage and movement of water occurs. Since water is the basis of all living processes, ...

The Nitrogen Cycle

Nitrogen atoms, present in all proteins and DNA, are recycled between abiotic and biotic components of the ecosystem. However, the primary form of ...

The Phosphorus Cycle

Unlike carbon, water, and nitrogen, phosphorus is not present in the atmosphere as a gas. Instead, most phosphorus in the ecosystem exists as compounds, ...

The Sulfur Cycle

Sulfur, an important element in the chemical makeup of proteins, is recycled through the atmosphere and aquatic and terrestrial environments. Found in the ...

Bioremediation

Bioremediation is the use of prokaryotes, fungi, or plants to remove pollutants from the environment. This process has been used to remove harmful toxins ...

Carry out investigations to explain how the rock cycle and rates of weathering, erosion, and soil formation influence Earth's systems.

ESS.EES.2.4

What is Climate?

Climate refers to the prevailing weather conditions in a specific area over an extended period. As the saying goes, &#8220;Climate is what you expect. ...

What is Weather?

Overview

Weather refers to the current state of atmospheric conditions at a specific time and place. Weather is temporary and is influenced by the ...

Variation of Atmospheric Pressure

Change in atmospheric pressure with height is particularly interesting. The decrease in atmospheric pressure with increasing altitude is due to the ...

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Analyze and interpret data to explain how volcanic activity influences changes in Earth's atmosphere, geosphere, biosphere, and hydrosphere.

ESS.EES.2.5

States of Water

Water exists in any one of the three classical states: solid (ice), liquid (water), and gas (steam or water vapor). The state of water depends on i) the ...

Carry out investigations to explain the properties of water.

ESS.EES.3.1

Analyze how the geosphere is shaped by plate tectonics and the rock cycle.

Sediment Biomarkers for Past Climate Records

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