Ein Überblick über die Alkenon-Biomarker-Analyse für die Paläothermometrie

Paläothermometrie ist die Berechnung vergangener Temperaturen durch die Analyse bestimmter Chemikalien in natürlichen Proben, wie sie von prähistorischen Algen hinterlassen werden.

Algen sind eine vielfältige Gruppe von Organismen, die seit Jahrtausenden in den Ozeanen und Seen der Erde reichlich vorhanden sind. Als Biomarker fungieren bestimmte chemische Verbindungen, die von uralten Algen im Sediment abgelagert werden – organische Verbindungen, die Forschern wertvolle Einblicke in die Erdgeschichte geben können. Die Analyse des Biomarkergehalts von Algen im Sediment ermöglicht es den Forschern, die Temperatur der Erde vor Hunderten von Millionen Jahren zu bestimmen.

Ein solcher Nachweis stammt von einigen Arten von Coccolithophoren. Diese Algen produzieren unterschiedliche Mengen an Alkenonen, einer Klasse robuster Biomarker, die auf der Temperatur ihrer Umgebung basieren. Die Alkenon-Analyse wird hauptsächlich verwendet, um die Meeresoberflächentemperatur der Ozeane der Erde vor Äonen und Äonen zu berechnen.

Dieses Video veranschaulicht die Verwendung von Alkenonen in der Paläoklimatologie und beschreibt den Prozess der Isolierung, Reinigung und Analyse von Alkenonen, um die vergangene Meeresoberflächentemperatur zu berechnen.

Wie der Name schon sagt, basiert die "Alkenon-Paläothermometrie" auf der Analyse von Lipiden, die als Alkenone bekannt sind. Die Alkenon-Paläothermometrie basiert auf Alkenonen; langkettige, ungesättigte Alkylketone, die 37 Kohlenstoffatome und 2 bis 4 Doppelbindungen enthalten. Jede Doppelbindung ist ein Ort der Ungesättigtheit. Bei niedrigen Meeresoberflächentemperaturen erzeugen Alkenonproduzenten mehr ungesättigte Alkenone als gesättigte. Das Verhältnis von Sättigung zu Unsättigung ist als Alkenon-Unsättigungsindex bekannt.

Die üblicherweise bewerteten Alkenone sind C_37:2 und C_37:3, die 37 Kohlenstoffe bzw. zwei bzw. drei Doppelbindungen haben. Der Unsättigungsindex dieser Alkenone, oder U^K'₃₇, steht in einem positiven Zusammenhang mit der Meeresoberflächentemperatur. Die als Gaschromatographie bekannte Analysemethode ist in der Regel empfindlich genug, um diese Alkenone voneinander zu trennen. Alkenon-produzierende Algen erzeugen jedoch oft auch chemisch ähnliche Fettsäuremethylester oder Alkenoate, die mit dieser Technik nicht von Alkenonen unterschieden werden können. Auch die Kohlenwasserstoffkontamination durch Verschmutzung kann die chromatographische Analyse weiter verunsichern. Um die relative Alkenonkonzentration genau bestimmen zu können, müssen Alkenoate und unbekannte Kohlenwasserstoffe vor der Analyse mit den Methoden der Verseifung und Harnstoffadduktion entfernt werden.

Nachdem nun die Beziehung zwischen den Alkenonverhältnissen der Sedimente und der Meeresoberflächentemperatur überprüft wurde, schauen wir uns die Techniken zu ihrer Reinigung aus einem Gesamtlipidextrakt und die Analyse des Unsättigungsverhältnisses an.

Sobald das Meeressediment gesammelt und extrahiert wurde, muss der Gesamtlipidextrakt (TLE) einen mehrstufigen Reinigungsprozess durchlaufen und analysiert werden. Zunächst wird der Extrakt verseift, um Alkenoate mit einer starken Base und Hitze in Carboxylatsalze und Methanol umzuwandeln. Andere im TLE enthaltene Fettsäureester werden zu Salzen und Glycerin verseift.

Nach dem Abkühlen des Gemisches auf Raumtemperatur wird eine wässrige Salzlösung zugegeben, um Salze und Glycerin zu bilden. Das Gemisch wird dann angesäuert, um die Carboxylat-Anionen zu protonieren, wodurch Fettsäuren entstehen. Schließlich werden die Alkenone und Fettsäuren aus dem Gemisch mit Hexan extrahiert.

Anschließend wird eine Kieselgel-Chromatographie durchgeführt, um sowohl unpolare Verbindungen als auch die durch Verseifung entstehenden polaren Fettsäuren zu entfernen. Das getrocknete und verseifte TLE wird in Hexan aufgelöst und anschließend auf eine Säule geladen. Kieselsäure hält polare Verbindungen stärker zurück als unpolare.

Zuerst werden unpolare Verbindungen mit einem unpolaren Lösungsmittel, wie z.B. Hexan, entfernt. Als nächstes werden Alkenone durch ein mäßig polares Lösungsmittel, wie z. B. Dichlormethan, eluiert, wobei die hochpolaren Fettsäuren und andere unerwünschte polare Verbindungen auf der Säule verbleiben.

Wenn die ursprüngliche Sedimentprobe aus einem stark verschmutzten Gebiet entnommen wurde, wird eine Harnstoffadduktion durchgeführt, um verbleibende stark verzweigte oder zyklische Kohlenwasserstoffe zu entfernen. Die getrocknete Mittelpolaritätsfraktion wird in einem Lösungsmittelgemisch gelöst, in dem der stark polare Harnstoff wie DCM und Hexan minimal löslich ist. Eine konzentrierte Lösung von Harnstoff in Methanol wird dann dem TLE zugesetzt, wodurch Harnstoffkristalle ausfallen.

Geradkettige Moleküle wie Alkenone passen in die Zwischenräume zwischen den Molekülen im Harnstoffkristallgitter, stark verzweigte und zyklische Moleküle jedoch nicht und werden ausgestoßen.

Sobald das Kristallwachstum abgeschlossen ist, werden die Harnstoffkristalle getrocknet und dann mit einem apolaren Lösungsmittel gewaschen, um ausgestoßene Verbindungen zu entfernen. Dann werden die Kristalle in einer kleinen Menge Wasser aufgelöst. Die Alkenone werden zur Analyse mit einem unpolaren Lösungsmittel aus dem Wasser extrahiert.

Während bei allen vorangegangenen Reinigungsschritten nicht zwischen Alkenonspezies unterschieden wurde, reichen kleine Unterschiede im Siedepunkt und in der Molekülstruktur für die Trennung auf einer Gaschromatographiesäule aus. In Kombination mit einem Flammenionisationsdetektor können relative Konzentrationen der Alkenone bestimmt werden.

Moleküle werden auf dem Chromatogramm durch ihre Retentionszeit identifiziert, d. h. durch die Zeit, die benötigt wird, bis die Verbindung die Säule verlässt. Die Retentionszeiten der gewünschten Verbindungen werden mit Alkenonstandards ermittelt.

Die relativen Konzentrationen der Alkenone werden aus der Analyse der Gebiete unter den interessierenden Peaks bestimmt. Der Wert U^K'₃₇ wird dann aus den Konzentrationen von C_37:2 und C_37:3 in der Probe berechnet. Mit der Proxy-Beziehung der Meeresoberflächentemperatur und dem U^K'₃₇-Wert kann der Analyst die Meeresoberflächentemperatur zum Zeitpunkt der Sedimentablagerung berechnen.

Viele verschiedene Facetten der Erdgeschichte können durch die Analyse von Sedimenten und Sedimentgesteinen untersucht werden.

Biostratigraphie ist die Lehre von der Bestimmung des Alters von Gesteinsschichten oder -schichten durch Analyse der vorhandenen Fossilien. Da es viele Sedimentquellen gibt, können Sedimentgesteine aus der gleichen Zeit auf der ganzen Welt dramatisch unterschiedliche Zusammensetzungen aufweisen. Bestimmte Gruppen von Arten existierten im Laufe der Erdgeschichte, wie z. B. die Ammoniten, weltweit und durchliefen eine rasante Evolution. Wenn visuell unähnliche Gesteinsschichten beide die gleiche Ammonitenart enthalten, dann kann eine zeitliche Korrelation zwischen den Schichten gezogen werden. In Kombination mit Techniken wie der Paläothermometrie lassen sich aus Fossilienbeständen in natürlichen Proben umfangreiche Informationen über die Erdgeschichte ermitteln.

Viele Arten von Foraminiferen oder Foramen sind in Meeressedimenten weltweit zu finden. Foramen haben Kalziumkarbonatschalen und existieren seit Millionen von Jahren in den Ozeanen der Erde. Viele Arten leben auf dem Meeresboden und können so Temperaturinformationen über tiefere Teile des Ozeans liefern. Das Magnesium-Kalzium-Verhältnis der Foramen entspricht der Temperatur, da sie in wärmeren Klimazonen mehr Magnesium in ihre Schalen einbauen. Die Vielzahl der Arten und der Reichtum an Foramen machen ihren Fossilienbestand nützlich, um Veränderungen der Meeresströmungen im Laufe der Erdgeschichte zu verfolgen und für die Biostratigraphie.

Wenn tektonische Platten auseinanderdriften, bildet sich zwischen ihnen neues Gestein. Entsprechend geben die Eigenschaften des Gesteins, das eine divergente Plattengrenze umgibt, Aufschluss über die Plattenbewegungen im Zeitverlauf. Zum Beispiel sind Änderungen des Erdmagnetfeldes in einigen Mineralien erhalten, die in Fossilien, Gestein und Sedimenten vorkommen. Die Entdeckung symmetrischer Änderungen des Magnetismus um mittelozeanische Rücken trug wesentlich zum aktuellen Verständnis der Ausbreitung des Meeresbodens und der Plattentektonik bei.

Sie haben gerade den Überblick über die Alkenon-Paläothermometrie von JoVE gesehen. Sie sollten nun die Prinzipien der Paläothermometrie und die Beziehung der Alkenonverhältnisse im Meeressediment zur Meeresoberflächentemperatur verstehen. In den folgenden Videos dieser Serie wird dieser komplexe Prozess näher erläutert.

Danke fürs Zuschauen!