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

K12 Standards

north-carolina-k-12-science-standard-course-of-study

NC K-12 Science Standard Course of Study

9-12

Earth and Environmental Science

Earth's Systems

ESS.EES.3.3

an-overview-of-bgdgt-biomarker-analysis-for-paleoclimatology

An Overview of bGDGT Biomarker Analysis for Paleoclimatology

<div class="chapter_text" id="script_0">
תרכובות אורגניות הנקראות סמנים ביולוגיים יכולות לשמש במדעי כדור הארץ כפלאות'רמומטרים כדי לקשר מידע על אקלים וסביבות של העבר.
אורגניזמים חיים מייצרים סמנים ביולוגיים אלה, המספקים לנו מידע על הסביבה שבה הם חיו. הם יכולים לשמש כבא כוח לספר לנו מידע על אירועי עבר, כמו טמפרטורת כדור הארץ לפני מיליוני שנים.
פליאוטמפרטורה יבשתית ניתן לנתח באמצעות סמנים ביולוגיים שנמצאו משקעים מאגני מים מתוקים. מחלקה מרכזית אחת של סמנים ביולוגיים אלה הם גליצרל דיאלק גליצרול tetraethers מסועף, או GDGTs מסועף.
וידאו זה יציג את תחום המחקר, הנקרא פליאוקלימטולוגיה, אשר חוקר שינויים בעבר בסביבות מים מתוקים במשך מאות מיליוני שנים. זה עוזר לברוח האקלים הנוכחי והעתידי ושינויים סביבתיים.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_1">
משקעים מצטברים לאורך זמן גיאולוגי, עקב תנועת נוזלים וכוח המשיכה, באגנים מ משקעים, או באזורים נמוכים בקרום כדור הארץ. אגני משקעים כוללים אוקיינוסים, האוספים משקעים ימיים, או אגמים, האוספים משקעי לקסטרין. אגני ים ולקאסטרין מכילים סוגים שונים של אורגניזמים, המונעים במידה רבה על ידי ההבדל במליחות ביניהם. לכן, אגני ים ולקאסטרין מכילים סמנים ביולוגיים שונים.
GDGTs מסועף נחשבים שומנים המשתרעים על פני הממברנה של חומצה אנאירובית. מחקרים מראים כי האורגניזמים המייצרים משנים את תכונות הממברנה בתגובה לשינוי הטמפרטורה.
שינוי זה נגרם על ידי טרנספורמציה של אתרים מתילאט על GDGT הסתעף לאתרים מחזוריים בטמפרטורות קרות יותר, ובכך לשפר את נזילות הממברנה. שינוי זה במבנה יכול להיות מתואם לטמפרטורה באמצעות פרוקסי. פרוקסי הם תופעות פיזיות הניתנות למדידה התואמות למשתנה לא ינות.
פרוקסי זה מתייחס למספר המתילציות או MBT, וציקליזציה, או CBT, בסמן הביולוגי לטמפרטורה. משוואה שמקורה באופן ניסיוני יכולה לקשר את MBT ו- CBT לטמפרטורת האוויר השנתית הממוצעת בעבר.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_2">
כדי לחקור את הקשר בין סמנים ביולוגיים מסועפים GDGT וטמפרטורת הקרקע, משקעים לקוסטרין חייב להיות נאסף, מופק על ידי אחת משלוש טכניקות, מטוהר, וניתח.
כדי להתחיל לחקור את הקשר בין סמנים ביולוגיים מסועפים GDGT וטמפרטורת הקרקע, מולקולות השומנים מופקות תחילה משקעים לקוסטרינים, באמצעות מגוון טכניקות. מיצוי באמצעות sonication היא השיטה הפשוטה והפחות יקרה של קבלת תמצית השומנים הכוללת, או TLE, מדגם מ משקעים. בשביל זה, אמבטיה קולית משמשת כדי להתסיס את המדגם בחקירה המכילה ממס אורגני. תערובת של מתנול ודיכלורומתאן משמשת לחילוץ סמנים ביולוגיים עם מגוון רחב של קוטביות. טכניקת מיצוי נוספת משתמשת מיצוי Soxhlet. מחלץ Soxhlet מאפשר ריפלוקס, או רכיבה מתמדת, של ממס אורגני מבקבוקון עגול התחתון כלפי מעלה לתוך מדחוס, אשר מקורר על ידי מים קרים ומוחזר. הממס המרוכז נופל לתוך אצבעון סיבי זכוכית המכיל את המדגם. לאחר התמלאות, התא שואב את הממס האורגני בחזרה לבקבוקון העגול התחתון, ומאפשר מיצוי רציף לאורך זמן.
טכניקה זו מסייעת בהפקת מסות משקעים גדולות, ובהכנת כמויות גדולות של סטנדרטים לכיול מכשירים. לבסוף, מיצוי ממס מואץ, או ASE, היא שיטת מיצוי סימן מסחרי המשתמש בטמפרטורה גבוהה ולחץ כדי להגדיל את הקינטיקה של תהליך החילוץ. מכשיר ASE מכיל עד 24 דגימות בודדות, ומאפשר שליטה מדויקת בכל הפרמטרים בתהליך החילוץ. בשל המהירות שלה ואת הפשטות של השימוש, ASE משמש בדרך כלל כשיטה סטנדרטית של מיצוי ממס.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_3">
לאחר מדגם השומנים מופק באמצעות אחת הטכניקות האלה, הוא מטוהר כהכנה לניתוח. בדרך כלל, כרומטוגרפיה של עמוד ג'ל סיליקה משמשת לטיהור דגימת השומנים בהתבסס על הקוטביות שלה. בשביל זה, עמוד זכוכית קטן טעון עם אבקה דקה של סיליקה, הנקרא ג'ל. לאחר מכן העמודה רוויה בממס קוטבי, בדרך כלל הקסאן, ולאחר מכן המדגם נטען בחלק העליון. ההפרדה של התמצית מבוססת על הזיקה של תרכובת היעד עבור השלב המוצק או שלב הממס.
תרכובות קוטביות, במקרה זה של GDGT מסועף, נמשכות יותר לסיליקה הקוטבית מאשר להקסאן הקוטבי. לפיכך, התרכובות הקוטביות, כגון פחמימנים, תרכובות אמצע הקוטב, כגון קטונים ואלכוהול, ותרכובות הקוטביות ביותר, יטיילו בעמודה בקצבים שונים ובתגובה לממסים של קוטביות גוברת.
לאחר מכן נאספים האלונים בשברים נפרדים.
GDGT המטוהר מנותח לאחר מכן באמצעות כרומטוגרפיה נוזלית בעלת ביצועים גבוהים בשילוב ספקטרומטר מסה, או LC-MS. LC-MS מפריד תחילה בין התרכובות, ולאחר מכן מנתח אותן בהתבסס על יחס המסה לטעינה שלהן.
זה מאפשר לקבוע את הריכוז היחסי של כל סוג של GDGT באמצעות האזור מתחת לעקומה עבור יון המסה שנבחר. MBT מחושב כשבר של הקבוצה 1 מולקולות לסכום הכולל.
CBT מחושב לאחר מכן כיומן שלילי באמצעות מולקולות בקבוצות 1 ו -2. MBT ו- CBT מחוברים למשוואה שמקורה באופן ניסיוני, על מנת להגיע לנחישות פליאוטמטורה.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_4">
הקביעה של פליאוטמפרטורה באמצעות שלוסי סמנים ביולוגיים שימושית במגוון יישומים במדעי כדור הארץ.
ראשית, פליאותרמיה מאפשרת לקבוע את טמפרטורת כדור הארץ על פני פרקי זמן ארוכים. בטכניקות שונות, טמפרטורת כדור הארץ הוערכה כבר 500 מיליון שנה. זה אומר לנו את מעטפת הטמפרטורה שבה התפתחו צורות חיים שונות ומודיע על השפעות הטמפרטורה על הביוספירה, ההידרוספירה, הליטוספירה והאטמוספירה של כדור הארץ בעבר, ובהרחבה, על העתיד.
מגמות עדכניות יותר בטמפרטורת כדורי הארץ ניתן לכמת גם נגד רשומות שנבנו באמצעות פליאותרמיה. טמפרטורת פני השטח של כדור הארץ עלתה בכמעט 1 מעלות משנת 1850 ועד היום עם מגמת התחממות מודגשת בשני העשורים האחרונים. כדי להבין את ההשפעה האנתרופוגנית על האקלים העולמי, יש לפתח רשומות פליאוקלימט מדויקות ולהשתמש בהן כהקשר.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_5">
הרגע צפית בסקירה הכללית של JoVE על גליצרול דיאלקיל גליצריל טטרהר פליאות'רמומטר. עכשיו אתה צריך להבין איך סמנים ביולוגיים GDGT המסתעף משמשים, ואת הטכניקה הכוללת של חילוץ וטיהור אותם. הסרטונים הבאים בסדרה זו ייכנסו לפרטים נוספים על תהליך מורכב זה.
תודה שצפיתם!
</div>

סקירה כללית של ניתוח סמנים ביולוגיים bgdgt עבור פליאוקלימטולוגיה

מקור: המעבדה של ג'ף סלקופ - אוניברסיטת מסצ'וסטס אמהרסט
במהלך סדרה זו של קטעי וידאו, דגימות טבעיות חולצו וטהרו בחיפוש אחר תרכובות אורגניות, הנקראות סמנים ביולוגיים, שיכולים לקשר מידע על אקלים וסביבות של העבר. אחת הדגימות שניתחו הייתה משקעים. משקעים מצטברים על פני זמן גיאולוגי באגנים, שקעים בכדור הארץ שאליהם זורמים משקעים דרך פעולת נוזלים (מים או אוויר), תנועה וכוח משיכה. קיימים שני סוגים עיקריים של אגנים, ימיים (אוקיינוסים וימים) ולקאסטרין (אגמים). כפי שניתן לנחש, סוגים שונים מאוד של חיים חיים בהגדרות אלה, מונע במידה רבה על ידי ההבדל במליחות ביניהם. במהלך העשורים האחרונים, גיאוכימאים אורגניים גילו ארגז כלים של שלוחי סמנים ביולוגיים, או תרכובות שניתן להשתמש בהן לתיאור האקלים או הסביבה, שחלקן עובדות בסביבות ימיות וחלקן פועלות בלקוסטרין. אנו מסבים את תשומת לבנו כאן לתחום הלקוסטרין ולגליצרי גליצרול טליצריל מסועפים (איור1).
בסעיף זה אנו מתמקדים בניתוח של פליאוטמפרטורה יבשתית באמצעות קשרי גליצרול גליצריל מסועפים(איור 1; brGDGTs) ואת פרוקסי MBT / CBT. פרוקסי זה תואר בתחילה על ידי Weijers ואח '. 1 ומבוסס על התפלגות מבני טבעת וענף ב brGDGTs. הם מצאו כי cyclization של tetraethers מסועפים (CBT) היה קשור ישירות pH הקרקע.
CBT = -log ((Ib + IIb) / (I + II))
וכי מתילציה של טטראת'רס מסועפים (MBT) נקבעה על ידי טמפרטורת אוויר שנתית ממוצעת (MAAT) ובמידה פחותה, pH קרקע.
MBT = (I + Ib + Ic) / (I + Ib + Ic) + (II + IIb + IIc) + (III + IIIb + IIIc)
לכן, נלקח יחד מכויל, MBT / CBT מתייחס התפלגות brGDGTs הן טמפרטורת הקרקע ו- pH.
MBT = 0.122 + (0.187 x CBT) + (0.020 x MAAT)
GDGTs מסועפים נחשבים ממברנה משתרעת שומנים ואת הייצור שלהם יוחס בתחילה חיידקי חומצה אנאירובית החיים בקרקעות וכבול2-5, אבל העבודה שלאחר מכן הציעה שהם יכולים להיות מיוצרים גם אגם אוקסי ואנוקסי ועמודי מים ימיים משקעים6-9. ההשערה גורסת כי Acidobacteria להפוך אתרים של מתילציה לתוך ציקלציות בתגובה להורדת הטמפרטורה על מנת להגביר את הבלתי רוויה (cyclization ביעילות מסיר שני אטומי מימן) ולשמור על נזילות הממברנה (על ידי אנלוגיה, שומן רווי (חמאה) הוא מוצק טמפרטורת חדר בעוד שומן בלתי רווי (שמן זית) הוא נוזל), אבל GDGTs מסועף עדיין לא זוהו כמו שומנים הממברנה העיקרית בתרביות Acidobacteria. לפיכך מוצאם המדויק אינו ידוע.
כיול של GDGTs מסועפים למשתנים סביבתיים (טמפרטורה, pH, מליחות, משקעים וכו ') הוא נושא למחקר נרחב. מעבדות גיאוכימיה אורגניות בכל רחבי העולם מעורבות במשימה לפתח כיול גלובלי של1,10 ו-11-13 אזורי בין GDGTs מסועף לבין טמפרטורה (בעיקר). לפיכך, המשוואות שניתנו לעיל משוכללות ומשוכללות באופן קבוע.
GDGTs מסועף מופקים בדרך כלל משקעים לקוסטרין, אם כי משקעים ימיים החוף נחקרו גם. התמציות עוברות עמוד ג'ל סיליקה כדי לטהר את GDGTs מתרכובות אחרות אשר לא יכול להיות LC מקובל או שעשוי לחמוק יחד עם GDGTs כרומטוגרפית. GDGTs לצאת בשבר הקוטב כי חמק במתנול.
לאחר תמצית השומנים הכוללת מטוהרת, המדגם המופק והמטוהר מופעל על כרומטוגרפיה נוזלית ביצועים גבוהים בשילוב ספקטרומטר מסה יינון כימי. הריכוז היחסי של GDGTs נקבע על ידי קבלת השטח מתחת לעקומה עבור יון המסה שנבחר (m/z; איור 1) עבור כל אחת מהתרכובות על תוכנת מחשב המיועדת למטרה זו בלבד (כגון Agilent Chemstation). אזורים אלה מוכנסים למשוואת הכיול שנבחרה כדי להגיע לקביעה פליאוטמפרקטורית.
<img alt="Figure 1" src="/files/ftp_upload/10256/10256fig1.jpg"> איור 1. מבנים של GDGTs המסתעפים המשמשים לחישוב הטמפרטורה באמצעות פרוקסי MBT / CBT (בשימוש באישורו של ד"ר איסלה Castañeda, שהפיק את התמונה). <a href="https://www.jove.com/files/ftp_upload/10256/10256fig1large.jpg" target="_blank">אנא לחץ כאן כדי להציג גירסה גדולה יותר של איור זה.</a>
<div class="chapter_text" id="script_0">
תרכובות אורגניות הנקראות סמנים ביולוגיים יכולות לשמש במדעי כדור הארץ כפלאות'רמומטרים כדי לקשר מידע על אקלים וסביבות של העבר.
אורגניזמים חיים מייצרים סמנים ביולוגיים אלה, המספקים לנו מידע על הסביבה שבה הם חיו. הם יכולים לשמש כבא כוח לספר לנו מידע על אירועי עבר, כמו טמפרטורת כדור הארץ לפני מיליוני שנים.
פליאוטמפרטורה יבשתית ניתן לנתח באמצעות סמנים ביולוגיים שנמצאו משקעים מאגני מים מתוקים. מחלקה מרכזית אחת של סמנים ביולוגיים אלה הם גליצרל דיאלק גליצרול tetraethers מסועף, או GDGTs מסועף.
וידאו זה יציג את תחום המחקר, הנקרא פליאוקלימטולוגיה, אשר חוקר שינויים בעבר בסביבות מים מתוקים במשך מאות מיליוני שנים. זה עוזר לברוח האקלים הנוכחי והעתידי ושינויים סביבתיים.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_1">
משקעים מצטברים לאורך זמן גיאולוגי, עקב תנועת נוזלים וכוח המשיכה, באגנים מ משקעים, או באזורים נמוכים בקרום כדור הארץ. אגני משקעים כוללים אוקיינוסים, האוספים משקעים ימיים, או אגמים, האוספים משקעי לקסטרין. אגני ים ולקאסטרין מכילים סוגים שונים של אורגניזמים, המונעים במידה רבה על ידי ההבדל במליחות ביניהם. לכן, אגני ים ולקאסטרין מכילים סמנים ביולוגיים שונים.
GDGTs מסועף נחשבים שומנים המשתרעים על פני הממברנה של חומצה אנאירובית. מחקרים מראים כי האורגניזמים המייצרים משנים את תכונות הממברנה בתגובה לשינוי הטמפרטורה.
שינוי זה נגרם על ידי טרנספורמציה של אתרים מתילאט על GDGT הסתעף לאתרים מחזוריים בטמפרטורות קרות יותר, ובכך לשפר את נזילות הממברנה. שינוי זה במבנה יכול להיות מתואם לטמפרטורה באמצעות פרוקסי. פרוקסי הם תופעות פיזיות הניתנות למדידה התואמות למשתנה לא ינות.
פרוקסי זה מתייחס למספר המתילציות או MBT, וציקליזציה, או CBT, בסמן הביולוגי לטמפרטורה. משוואה שמקורה באופן ניסיוני יכולה לקשר את MBT ו- CBT לטמפרטורת האוויר השנתית הממוצעת בעבר.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_2">
כדי לחקור את הקשר בין סמנים ביולוגיים מסועפים GDGT וטמפרטורת הקרקע, משקעים לקוסטרין חייב להיות נאסף, מופק על ידי אחת משלוש טכניקות, מטוהר, וניתח.
כדי להתחיל לחקור את הקשר בין סמנים ביולוגיים מסועפים GDGT וטמפרטורת הקרקע, מולקולות השומנים מופקות תחילה משקעים לקוסטרינים, באמצעות מגוון טכניקות. מיצוי באמצעות sonication היא השיטה הפשוטה והפחות יקרה של קבלת תמצית השומנים הכוללת, או TLE, מדגם מ משקעים. בשביל זה, אמבטיה קולית משמשת כדי להתסיס את המדגם בחקירה המכילה ממס אורגני. תערובת של מתנול ודיכלורומתאן משמשת לחילוץ סמנים ביולוגיים עם מגוון רחב של קוטביות. טכניקת מיצוי נוספת משתמשת מיצוי Soxhlet. מחלץ Soxhlet מאפשר ריפלוקס, או רכיבה מתמדת, של ממס אורגני מבקבוקון עגול התחתון כלפי מעלה לתוך מדחוס, אשר מקורר על ידי מים קרים ומוחזר. הממס המרוכז נופל לתוך אצבעון סיבי זכוכית המכיל את המדגם. לאחר התמלאות, התא שואב את הממס האורגני בחזרה לבקבוקון העגול התחתון, ומאפשר מיצוי רציף לאורך זמן.
טכניקה זו מסייעת בהפקת מסות משקעים גדולות, ובהכנת כמויות גדולות של סטנדרטים לכיול מכשירים. לבסוף, מיצוי ממס מואץ, או ASE, היא שיטת מיצוי סימן מסחרי המשתמש בטמפרטורה גבוהה ולחץ כדי להגדיל את הקינטיקה של תהליך החילוץ. מכשיר ASE מכיל עד 24 דגימות בודדות, ומאפשר שליטה מדויקת בכל הפרמטרים בתהליך החילוץ. בשל המהירות שלה ואת הפשטות של השימוש, ASE משמש בדרך כלל כשיטה סטנדרטית של מיצוי ממס.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_3">
לאחר מדגם השומנים מופק באמצעות אחת הטכניקות האלה, הוא מטוהר כהכנה לניתוח. בדרך כלל, כרומטוגרפיה של עמוד ג'ל סיליקה משמשת לטיהור דגימת השומנים בהתבסס על הקוטביות שלה. בשביל זה, עמוד זכוכית קטן טעון עם אבקה דקה של סיליקה, הנקרא ג'ל. לאחר מכן העמודה רוויה בממס קוטבי, בדרך כלל הקסאן, ולאחר מכן המדגם נטען בחלק העליון. ההפרדה של התמצית מבוססת על הזיקה של תרכובת היעד עבור השלב המוצק או שלב הממס.
תרכובות קוטביות, במקרה זה של GDGT מסועף, נמשכות יותר לסיליקה הקוטבית מאשר להקסאן הקוטבי. לפיכך, התרכובות הקוטביות, כגון פחמימנים, תרכובות אמצע הקוטב, כגון קטונים ואלכוהול, ותרכובות הקוטביות ביותר, יטיילו בעמודה בקצבים שונים ובתגובה לממסים של קוטביות גוברת.
לאחר מכן נאספים האלונים בשברים נפרדים.
GDGT המטוהר מנותח לאחר מכן באמצעות כרומטוגרפיה נוזלית בעלת ביצועים גבוהים בשילוב ספקטרומטר מסה, או LC-MS. LC-MS מפריד תחילה בין התרכובות, ולאחר מכן מנתח אותן בהתבסס על יחס המסה לטעינה שלהן.
זה מאפשר לקבוע את הריכוז היחסי של כל סוג של GDGT באמצעות האזור מתחת לעקומה עבור יון המסה שנבחר. MBT מחושב כשבר של הקבוצה 1 מולקולות לסכום הכולל.
CBT מחושב לאחר מכן כיומן שלילי באמצעות מולקולות בקבוצות 1 ו -2. MBT ו- CBT מחוברים למשוואה שמקורה באופן ניסיוני, על מנת להגיע לנחישות פליאוטמטורה.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_4">
הקביעה של פליאוטמפרטורה באמצעות שלוסי סמנים ביולוגיים שימושית במגוון יישומים במדעי כדור הארץ.
ראשית, פליאותרמיה מאפשרת לקבוע את טמפרטורת כדור הארץ על פני פרקי זמן ארוכים. בטכניקות שונות, טמפרטורת כדור הארץ הוערכה כבר 500 מיליון שנה. זה אומר לנו את מעטפת הטמפרטורה שבה התפתחו צורות חיים שונות ומודיע על השפעות הטמפרטורה על הביוספירה, ההידרוספירה, הליטוספירה והאטמוספירה של כדור הארץ בעבר, ובהרחבה, על העתיד.
מגמות עדכניות יותר בטמפרטורת כדורי הארץ ניתן לכמת גם נגד רשומות שנבנו באמצעות פליאותרמיה. טמפרטורת פני השטח של כדור הארץ עלתה בכמעט 1 מעלות משנת 1850 ועד היום עם מגמת התחממות מודגשת בשני העשורים האחרונים. כדי להבין את ההשפעה האנתרופוגנית על האקלים העולמי, יש לפתח רשומות פליאוקלימט מדויקות ולהשתמש בהן כהקשר.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_5">
הרגע צפית בסקירה הכללית של JoVE על גליצרול דיאלקיל גליצריל טטרהר פליאות'רמומטר. עכשיו אתה צריך להבין איך סמנים ביולוגיים GDGT המסתעף משמשים, ואת הטכניקה הכוללת של חילוץ וטיהור אותם. הסרטונים הבאים בסדרה זו ייכנסו לפרטים נוספים על תהליך מורכב זה.
תודה שצפיתם!
</div>

סקירה כללית של ניתוח סמנים ביולוגיים bGDGT עבור פליאוקלימטולוגיה

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

תרכובות אורגניות שנקראות סמנים ביולוגיים יכולות לשמש במדעי כדור הארץ כפליאותרמומטרים כדי לקשר מידע על אקלים וסביבות בעבר. אורגניזמים חיים מייצרים את הסמנים הביולוגיים האלה, שמספקים לנו מידע על הסביבה שבה הם חיו. הם יכולים לשמש כפרוקסי כדי לספר לנו מידע על אירועי עבר, כמו טמפרטורת כדור הארץ לפני מיליוני שנים. ניתן לנתח את הטמפרטורה הפליאולוגית היבשתית באמצעות סמנים ביולוגיים הנמצאים במשקעים מאגני מים מתוקים. סוג מפתח אחד של סמנים ביולוגיים אלה הם גליצרול מסועף דיאלקיל גליצרול טטראתרים, או GDGTs מסועפים.סרטון זה יציג את תחום המחקר, הנקרא פליאוקלימטולוגיה, החוקר שינויים בעבר בסביבות מים מתוקים לאורך מאות מיליוני שנים. זה עוזר להבהיר את שינויי האקלים והסביבה הנוכחיים והעתידיים. משקעים מצטברים לאורך זמן גיאולוגי, עקב תנועת נוזלים וכוח הכבידה, באגני משקע, או באזורים נמוכים בקרום כדור הארץ. אגני משקע כוללים אוקיינוסים, שאוספים משקעים ימיים, או אגמים, שאוספים משקעי לקוסטרין. אגנים ימיים ואגנים לקוסטרינים מכילים סוגים שונים של אורגניזמים, המונעים במידה רבה על ידי ההבדל במליחות ביניהם. לפיכך, אגנים ימיים ולקוסטרין מכילים סמנים ביולוגיים שונים. GDGTs מסועפים נחשבים לליפידים המשתרעים על פני הממברנה של חומצות אנאירוביות. מחקרים מצביעים על כך שהאורגניזמים המייצרים משנים את תכונות הממברנה בתגובה לשינוי הטמפרטורה. שינוי זה נגרם על ידי הפיכת אתרים שעברו מתילציה על ה-GDGT?s המסועפים לאתרים מחזוריים בטמפרטורות קרות יותר, ובכך משפרים את נזילות הממברנה. לאחר מכן ניתן לתאם את השינוי הזה במבנה לטמפרטורה באמצעות פרוקסי. פרוקסי הם תופעות פיזיקליות הניתנות למדידה הנמצאות בקורלציה למשתנה בלתי ניתן למדידה. פרוקסי זה מקשר את מספר המתילציות או MBT, ומחזוריות, או CBT, בסמן הביולוגי לטמפרטורה. משוואה הנגזרת מניסוי יכולה לקשר MBT ו-CBT לטמפרטורת האוויר השנתית הממוצעת בעבר. כדי לחקור את הקשר בין סמנים ביולוגיים מסועפים של GDGT לטמפרטורת הקרקע, יש לאסוף משקעי לקוסטרין, לחלץ אותם באחת משלוש טכניקות, לטהר ולנתח. כדי להתחיל לחקור את הקשר בין סמנים ביולוגיים מסועפים של GDGT לטמפרטורת הקרקע, מולקולות השומנים מופקות תחילה ממשקעי לקוסטרין, תוך שימוש במגוון טכניקות. מיצוי באמצעות סוניקציה היא השיטה הפשוטה והזולה ביותר להשגת תמצית השומנים הכוללת, או TLE, מדגימת משקעים. לשם כך משתמשים באמבט קולי כדי לערבב את הדגימה בבקבוקון המכיל ממס אורגני. תערובת של מתנול ודיכלורומתאן משמשת לחילוץ סמנים ביולוגיים עם מגוון רחב של קוטביות. טכניקת מיצוי נוספת משתמשת במיצוי סוקסלט. מחלץ סוקסלט מאפשר ריפלוקס, או מחזור מתמשך, של ממס אורגני מבקבוק תחתון עגול כלפי מעלה למעבה, אשר מקורר על ידי מים קרים ומוחזר. הממס המעובה נופל לתוך אצבעון סיבי זכוכית המכיל את הדגימה. לאחר מילויו, התא שואב את הממס האורגני בחזרה לבקבוק התחתון העגול, ומאפשר מיצוי רציף לאורך זמן. טכניקה זו מועילה במיצוי מסות משקעים גדולות, ובהכנת כמויות גדולות של תקנים לכיול מכשירים. לבסוף, מיצוי ממס מואץ, או ASE, היא שיטת מיצוי רשומה המשתמשת בטמפרטורה ולחץ גבוהים כדי להגביר את הקינטיקה של תהליך המיצוי. מכשיר ה-ASE מכיל עד 24 דגימות בודדות, ומאפשר בקרה מדויקת על כל הפרמטרים בתהליך החילוץ. בשל מהירות ופשטות השימוש בו, ASE משמש בדרך כלל כשיטה הסטנדרטית למיצוי ממסים. לאחר מיצוי דגימת השומנים באחת מהטכניקות הללו, היא מטוהרת כהכנה לניתוח. בדרך כלל, כרומטוגרפיה של עמודת סיליקה ג'ל משמשת לטיהור דגימת השומנים על סמך הקוטביות שלה. לשם כך, עמוד זכוכית קטן עמוס באבקה דקה של סיליקה, הנקראת ג'ל. לאחר מכן העמודה רוויה בממס אפולרי, בדרך כלל הקסאן, ולאחר מכן הדגימה נטענת על החלק העליון. הפרדת התמצית מבוססת על הזיקה של תרכובת המטרה לשלב המוצק או לשלב הממס. תרכובות קוטביות, במקרה זה GDGT מסועפות, נמשכות יותר לסיליקה הקוטבית מאשר להקסאן האפולרי. לפיכך, התרכובות האפולריות, כגון פחמימנים, התרכובות הקוטביות האמצעיות, כגון קטונים ואלכוהולים, והתרכובות הקוטביות ביותר, ינועו בעמודה בקצבים שונים ובתגובה לממיסים בעלי קוטביות הולכת וגוברת. לאחר מכן נאספים חומרי הניקוי בשברים נפרדים. לאחר מכן מנתחים את ה-GDGT המטוהר באמצעות כרומטוגרפיה נוזלית בעלת ביצועים גבוהים בשילוב עם ספקטרומטר מסה, או LC-MS. LC-MS מפריד תחילה את התרכובות, ולאחר מכן מנתח אותן על סמך יחס המסה למטען שלהן. זה מאפשר לקבוע את הריכוז היחסי של כל סוג של GDGT באמצעות השטח שמתחת לעקומה עבור יון המסה שנבחר. MBT מחושב כחלק של מולקולות קבוצה 1 לסך הכל. CBT מחושב לאחר מכן כיומן שלילי באמצעות מולקולות בקבוצות 1 ו-2. MBT ו-CBT מחוברים לאחר מכן למשוואה הנגזרת מניסוי, על מנת להגיע לקביעת טמפרטורה פליאו. קביעת הטמפרטורה הפליאולוגית באמצעות פרוקסי סמנים ביולוגיים שימושית במגוון יישומים במדעי כדור הארץ. ראשית, פליאותרמומטריה מאפשרת לקבוע את טמפרטורת כדור הארץ לאורך תקופות זמן ארוכות. באמצעות טכניקות שונות, הטמפרטורה של כדור הארץ הוערכה כבר לפני 500 מיליון שנה. זה אומר לנו את מעטפת הטמפרטורה שבתוכה התפתחו צורות חיים שונות ומודיע על חקירות של השפעות הטמפרטורה על הביוספרה, ההידרוספירה, הליתוספירה והאטמוספירה של כדור הארץ בעבר, ובהרחבה, בעתיד. ניתן לכמת מגמות עדכניות יותר בטמפרטורת כדור הארץ גם מול רשומות שנבנו באמצעות פליאותרמומטריה. טמפרטורת פני השטח של כדור הארץ עלתה בכמעט מעלה אחת משנת 1850 ועד היום עם מגמת התחממות מוגברת בשני העשורים האחרונים. כדי להבין את ההשפעה האנתרופוגנית על האקלים העולמי, יש לפתח רשומות פליאו-אקלים מדויקות ולהשתמש בהן כהקשר. זה עתה צפיתם בסקירה הכללית של JoVE על גליצרול מסועף, דיאלקיל גליצרול, טטראתר, פליאותרמומטריה. כעת עליכם להבין כיצד משתמשים בסמנים הביולוגיים המסועפים של GDGT, ואת הטכניקה הכוללת של חילוץ וטיהור שלהם. הסרטונים הבאים בסדרה זו יפרטו יותר על תהליך מורכב זה. תודה שצפית!

Education

JoVE Science Education

Environmental Sciences

מדעי הסביבה

Earth Science

מדעי כדור הארץ

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

using-topographic-maps-to-generate-topographic-profiles

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

Geologic maps show rock units at Earth’s surface and help geologists infer what lies below it. They began in Europe in the mid-to-late 18th century and have since become a key tool for studying rock distribution, subsurface structure, and changes through time. A modern geologic map is a data-rich, two-dimensional plan view built on a topographic map. On these maps, color variations mark specific rock units. The lines where one unit meets another are called contacts. Geologic maps also use...

physical properties of minerals i: crystals and cleavage

physical-properties-of-minerals-i-crystals-and-cleavage

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

physical-properties-of-minerals-ii-polymineralic-analysis

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

an-overview-of-alkenone-biomarker-analysis-for-paleothermometry

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

sonication-extraction-of-lipid-biomarkers-from-sediment

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

soxhlet-extraction-of-lipid-biomarkers-from-sediment

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

This collection features topics ranging from geology to geochemistry; with a variety of demonstrations including physical and chemical properties of minerals and the analysis of rock formations. 

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

new-york-state-science-learning-standards

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 ...

/files/media/science-education/science-education-thumbs/14711.jpg

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 ...

The potential of hydrogen (pH) is a measure of the acidity or basicity of a water-based solution determined by the concentration of hydronium ions (H3O+). ...

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

Description

Transcript

Tags

More videos by Standards