Name: sea surface temperature from alkenone ratios
Uploaded: 2023-04-30T06:47:01.000Z
Duration: 10 min 10 s
Channel: JoVE

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North Carolina K-12 Science Standard Course of Study

9-12

Earth and Environmental Science

Earth's Systems

ESS.EES.2.3

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An Overview of Alkenone Biomarker Analysis for Paleothermometry

<div class="chapter_text" id="script_0">
La paleotermometria è il calcolo delle temperature passate mediante l'analisi di sostanze chimiche specifiche in campioni naturali, come quelli lasciati dalle alghe preistoriche.
Le alghe sono un gruppo eterogeneo di organismi che sono stati abbondanti negli oceani e nei laghi della Terra per millenni. Alcuni composti chimici, che vengono depositati nei sedimenti da antiche alghe, agiscono come biomarcatori - composti organici che possono fornire ai ricercatori preziose informazioni sulla storia della Terra. In effetti, l'analisi del contenuto di biomarcatori algali nei sedimenti consente ai ricercatori di determinare la temperatura della Terra centinaia di milioni di anni fa.
Uno di questi record proviene da alcune specie di coccolitofori. Queste alghe producono quantità variabili di alchenoni, una classe di biomarcatori robusti, in base alla temperatura del loro ambiente. L'analisi dell'alchenone viene utilizzata principalmente per calcolare la temperatura della superficie del mare degli oceani della Terra eoni ed eoni fa.
Questo video illustrerà l'uso degli alchenoni in paleoclimatologia e descriverà il processo di isolamento, purificazione e analisi degli alchenoni per calcolare la temperatura superficiale del mare.
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<div class="chapter_text" id="script_1">
Come suggerisce il nome, la "paleotermometria alchenone" si basa sull'analisi dei lipidi, noti come alchenoni. La paleotermometria alchenone si basa sugli alchenoni; chetoni alchilici insaturi a catena lunga che contengono 37 atomi di carbonio e da 2 a 4 doppi legami. Ogni doppio legame è un sito di insaturazione. A basse temperature superficiali del mare, i produttori di alcheni generano più alchenoni insaturi che saturi. Il rapporto tra saturazione e insaturazione è noto come indice di insaturazione dell'alkenone.
Gli alchenoni solitamente valutati sono C37:2 e C37:3, che hanno rispettivamente 37 atomi di carbonio e due o tre doppi legami. L'indice di insaturazione di questi alchenoni, o UK'37, è positivamente correlato alla temperatura superficiale del mare. Il metodo analitico conosciuto come gascromatografia è generalmente abbastanza sensibile da separare questi alchenoni l'uno dall'altro. Tuttavia, le alghe produttrici di alchenone spesso generano anche esteri metilici di acidi grassi chimicamente simili, o alchenoati, che non possono essere distinti dagli alchenoni usando questa tecnica. La contaminazione da idrocarburi da inquinamento può anche ulteriori analisi cromatografiche fangose. Per determinare con precisione la concentrazione relativa di alchenone, gli alchenoati e gli idrocarburi sconosciuti devono essere rimossi prima dell'analisi con i metodi di saponificazione e adduzione dell'urea.
Ora che è stata esaminata la relazione tra i rapporti alcheni dei sedimenti e la temperatura superficiale del mare, diamo un'occhiata alle tecniche per la loro purificazione da un estratto lipidico totale e all'analisi del rapporto di insaturazione.
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<div class="chapter_text" id="script_2">
Una volta che i sedimenti marini sono stati raccolti ed estratti, l'estratto lipidico totale, o TLE, deve passare attraverso un processo di purificazione in più fasi e analizzato. In primo luogo, l'estratto subisce saponificazione per convertire gli alchenoati in sali di carbossilato e metanolo utilizzando una base forte e calore. Altri esteri degli acidi grassi presenti nel TLE saranno saponificati in sali e glicerolo.
Dopo aver raffreddato la miscela a temperatura ambiente, viene aggiunta una soluzione salina acquosa per formare sali e glicerolo. La miscela viene quindi acidificata per protonare gli anioni carbossilati, producendo acidi grassi. Infine, gli alchenoni e gli acidi grassi vengono estratti dalla miscela con esano.
La cromatografia su gel di silice viene quindi eseguita per rimuovere sia i composti apolari che gli acidi grassi polari prodotti dalla saponificazione. Il TLE essiccato e saponificato viene sciolto in esano e quindi caricato su una colonna. La silice trattiene i composti polari più fortemente di quelli apolari.
In primo luogo, i composti apolari vengono rimossi con un solvente apolare, come l'esano. Successivamente, gli alchenoni vengono eluiti da un solvente moderatamente polare, come il diclorometano, lasciando gli acidi grassi altamente polari e altri composti polari indesiderati sulla colonna.
Se il campione di sedimento originale è stato raccolto da un'area altamente inquinata, l'adduzione dell'urea viene eseguita per rimuovere eventuali idrocarburi altamente ramificati o ciclici rimanenti. La frazione di media polarità essiccata viene disciolta in una miscela di solventi in cui l'urea fortemente polare è minimamente solubile, come DCM ed esano. Una soluzione concentrata di urea nel metanolo viene quindi aggiunta al TLE, causando la precipitazione dei cristalli di urea.
Le molecole a catena diritta come gli alchenoni si inseriscono negli spazi tra le molecole nel reticolo cristallino dell'urea, ma le molecole altamente ramificate e cicliche non lo fanno e vengono espulse.
Una volta terminata la crescita dei cristalli, i cristalli di urea vengono asciugati e quindi lavati con un solvente apolare per rimuovere i composti espulsi. Quindi, i cristalli vengono sciolti in una piccola quantità di acqua. Gli alchenoni vengono estratti dall'acqua con un solvente apolare per l'analisi.
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<div class="chapter_text" id="script_3">
Mentre tutte le precedenti fasi di purificazione non distinguevano tra le specie di alchenoni, piccole differenze nel punto di ebollizione e nella struttura molecolare sono sufficienti per la separazione su una colonna di gascromatografia. Se abbinato a un rivelatore a ionizzazione di fiamma, è possibile determinare le concentrazioni relative degli alchenoni.
Le molecole sono identificate sul cromatogramma dal loro tempo di ritenzione, o il tempo necessario affinché il composto esca dalla colonna. I tempi di ritenzione dei composti desiderati sono accertati con standard alchenici.
Le concentrazioni relative degli alchenoni sono determinate dall'analisi delle aree sotto i picchi di interesse. Il valore UK'37 viene quindi calcolato dalle concentrazioni di C37:2e C37:3 nel campione. Con la relazione proxy della temperatura superficiale del mare e il valore UK'37, l'analista può risolvere la temperatura della superficie del mare al momento della deposizione dei sedimenti.
</div>
<div class="chapter_text" id="script_4">
Molti aspetti diversi della storia della Terra possono essere studiati dall'analisi dei sedimenti e delle rocce sedimentarie.
La biostratigrafia è lo studio di determinare l'età degli strati, o strati, della roccia mediante l'analisi dei fossili presenti. Poiché ci sono molte fonti di sedimenti, le rocce sedimentarie dello stesso periodo di tempo possono avere composizioni drammaticamente diverse in tutto il mondo. Alcuni insiemi di specie nel corso della storia della Terra, come le ammoniti, esistevano in tutto il mondo e subirono una rapida evoluzione. Se strati rocciosi visivamente dissimili contengono entrambi la stessa specie di ammonite, allora si può tracciare una correlazione temporale tra gli strati. Se combinato con tecniche come la paleotermometria, ampie informazioni sulla storia della Terra possono essere determinate da reperti fossili in campioni naturali.
Molte specie di foraminiferi, o forami, si trovano nei sedimenti marini di tutto il mondo. I forami hanno gusci di carbonato di calcio e sono esistiti in tutti gli oceani della Terra per milioni di anni. Molte specie vivono sul fondo dell'oceano e quindi possono fornire informazioni sulla temperatura delle parti più profonde dell'oceano. Il rapporto magnesio/calcio dei forami corrisponde alla temperatura, poiché incorporano più magnesio nei loro gusci nei climi più caldi. La moltitudine di specie e l'abbondanza di forami rende la loro documentazione fossile utile per tracciare i cambiamenti nelle correnti oceaniche nel corso della storia della Terra e per la biostratigrafia.
Man mano che le placche tettoniche divergono, si formano nuove rocce tra di loro. Di conseguenza, le proprietà della roccia che circonda un confine di placca divergente forniscono informazioni sui movimenti della placca nel tempo. Ad esempio, i cambiamenti nel campo magnetico terrestre sono conservati in alcuni minerali trovati in fossili, rocce e sedimenti. La scoperta di cambiamenti simmetrici nel magnetismo sulle dorsali medio-oceaniche ha contribuito in modo significativo all'attuale comprensione della diffusione del fondo marino e della tettonica a placche.
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<div class="chapter_text" id="script_5">
Hai appena visto la panoramica di JoVE sulla paleotermometria alkenone. Ora dovresti capire i principi della paleotermometria e la relazione tra i rapporti alcheni nei sedimenti marini e la temperatura superficiale del mare. I seguenti video di questa serie entreranno più in dettaglio su questo complesso processo.
Grazie per l'attenzione!
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una panoramica sull'analisi dei biomarcatori dell'alchenone per la paleotermometria

Fonte: Laboratorio di Jeff Salacup - Università del Massachusetts Amherst
Attraverso questa serie di video, campioni naturali sono stati estratti e purificati alla ricerca di composti organici, chiamati biomarcatori, che possono mettere in relazione informazioni su climi e ambienti del passato. Uno dei campioni analizzati era sedimento. I sedimenti si accumulano nel corso del tempo geologico in bacini, depressioni nella Terra in cui i sedimenti fluiscono attraverso l'azione del fluido (acqua o aria), movimento e gravità. Esistono due tipi principali di bacini, marini (oceani e mari) e lacustri (laghi). Come si può immaginare, in questi contesti vivono tipi di vita molto diversi, guidati in gran parte dalla differenza di salinità tra di loro. Negli ultimi decenni, i geochimici organici hanno scoperto una cassetta degli attrezzi di proxy di biomarcatori, o composti che possono essere utilizzati per descrivere il clima o l'ambiente, alcuni dei quali funzionano in ambienti marini e alcuni dei quali funzionano in lacustri. Rivolgiamo qui la nostra attenzione al regno marino e alla paleotermometria alchenenica utilizzando il proxy della temperatura superficiale del mare Uk'37.
Il proxy di temperatura superficiale del mare (SST) biomarcatore dell'oceano aperto più consolidato e ampiamente applicato è Uk'37.
Uk'37 = (C37:2) / (C37:2 + C37:3) (vedi Herbert1 per una revisione)
L'indice si basa sul rapporto di due alchetoni alchilici polinsaturi a catena lunga, chiamati alchenoni, prodotti da alcune classi di alghe aptofite2,3. Gli studi di calibrazione dellacoltura 4,5 e del sedimento6 hanno portato allo sviluppo dell'indice Uk'37 come proxy SST quantitativo. Sorprendentemente, la calibrazione basata sulla cultura di Prahl et al. 4:
Uk'37 = 0,034(SST) + 0,039,
E la calibrazione core-top di Müller et al. 6,
Uk'37 = 0,033(SST) + 0,044,
sono statisticamente identici.
Le temperature ricostruite di Uk'37 si correlano meglio con l'SST medio annuale per una varietà di regimi di produzione di clima e aptofite nell'oceano globale7. Gli alchenoni sono rilevati in carote di sedimenti marini dall'Eocene inferiore all'età modernadi 8anni e in affioramenti esposti di sedimenti marini sollevati9 suggerendo che sono molto stabili nel tempo geologico, e quindi utili come strumento paleoclimatico. Uk'37 è stato utilizzato per documentare le variazioni paleo della temperatura superficiale del mare a scale temporali decadiche da10 aorbitali 11,12 e sono quindi molto versatili.
In mare aperto, i coccolithophores Emiliania huxleyi e Gephyrocapsa oceanica sono responsabili della maggior parte della produzione di alchenoni. Non è ancora noto perché queste aptofite alterino il rapporto di insaturazione degli alchenoni in base alla temperatura di crescita. Inizialmente si pensava che gli alchenoni fossero componenti delle pareti cellulari aptofite e che la loro insaturazione fosse regolata per mantenere fluida la membrana, proprio come i grassi saturi sono solidi a temperatura ambiente, mentre i grassi insaturi sono fluidi. Tuttavia, gli esperimenti mirati a questa domanda hanno scoperto che invece di essere associati alle membrane cellulari, gli alchenoni erano associati a strutture di accumulo di energia all'interno della cellula. Pertanto, il loro uso all'interno della cellula rimane una questione aperta.
Recentemente, gli alchenoni sono stati trovati in ambienti lacustri. Tuttavia, la loro utilità è stata finora limitata. Diversi produttori di alchenone rispetto a quelli del regno marino abitano nei laghi e quindi la calibrazione tra temperatura dell'acqua e insaturazione (Uk'37) è diversa. Inoltre, questa calibrazione è diversa tra i laghi, rendendo improbabile la creazione di una calibrazione "globale". Sfortunatamente, la creazione di calibrazioni locali è costosa e richiede tempo e quindi anche il futuro per Uk'37 nei laghi è attualmente limitato.
Gli alchenoni vengono solitamente estratti dai sedimenti marini. Molto spesso gli stessi organismi che producono alchenoni producono esteri metilici degli acidi grassi di quegli alchenoni chiamati alchenoati. Questi composti co-eluiscono con gli alchenoni su un gascromatografo e complicano la loro quantificazione. Pertanto, questi estratti saranno spesso sottoposti a una saponificazione per rimuovere gli alchenoati. Poiché la saponificazione produce acidi carbossilici che non sono suscettibili di gascromatografo, dopo la saponificazione deve essere eseguita una colonna di gel di silice per rimuovere gli acidi carbossilici dall'estratto. Gli alchenoni escono nella frazione chetonica di polarità media che eluisce in diclorometano mentre gli acidi vengono lasciati sulla colonna. Infine, in casi estremi, come nei sedimenti acquisiti da aree altamente inquinate, come gli estuari vicino ai centri industriali, può anche essere necessaria un'adduzione dell'urea per rimuovere composti sconosciuti che coeluiscono con gli alchenoni sul gascromatografo.
Una volta purificato l'estratto lipidico totale, il campione estratto e purificato viene eseguito su un gascromatografo accoppiato a un rivelatore ionizzante di fiamma. La concentrazione relativa dei due alchenoni è determinata ottenendo l'area sotto la curva per ciascuno dei composti su un software per computer progettato proprio per questo scopo (come Agilent Chemstation). Queste aree vengono quindi inserite nell'equazione del rapporto Uk'37 mostrata sopra per ottenere un valore Uk'37 che varia tra 0 e 1. Questi valori Uk'37 vengono quindi mappati al valore della temperatura superficiale del mare utilizzando una calibrazione come quelle sopra descritte.
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La paleotermometria è il calcolo delle temperature passate mediante l'analisi di sostanze chimiche specifiche in campioni naturali, come quelli lasciati dalle alghe preistoriche.
Le alghe sono un gruppo eterogeneo di organismi che sono stati abbondanti negli oceani e nei laghi della Terra per millenni. Alcuni composti chimici, che vengono depositati nei sedimenti da antiche alghe, agiscono come biomarcatori - composti organici che possono fornire ai ricercatori preziose informazioni sulla storia della Terra. In effetti, l'analisi del contenuto di biomarcatori algali nei sedimenti consente ai ricercatori di determinare la temperatura della Terra centinaia di milioni di anni fa.
Uno di questi record proviene da alcune specie di coccolitofori. Queste alghe producono quantità variabili di alchenoni, una classe di biomarcatori robusti, in base alla temperatura del loro ambiente. L'analisi dell'alchenone viene utilizzata principalmente per calcolare la temperatura della superficie del mare degli oceani della Terra eoni ed eoni fa.
Questo video illustrerà l'uso degli alchenoni in paleoclimatologia e descriverà il processo di isolamento, purificazione e analisi degli alchenoni per calcolare la temperatura superficiale del mare.
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Come suggerisce il nome, "Paleotermometria alkenone" si basa sull'analisi se i lipidi, noti come alchenoni La paleotermometria alkenone si basa sugli alchenoni; chetoni alchilici insaturi a catena lunga che contengono 37 atomi di carbonio e da 2 a 4 doppi legami. Ogni doppio legame è un sito di insaturazione. A basse temperature superficiali del mare, i produttori di alcheni generano più alchenoni insaturi che saturi. Il rapporto tra saturazione e insaturazione è noto come indice di insaturazione dell'alkenone.
Gli alchenoni solitamente valutati sono C37:2 e C37:3, che hanno rispettivamente 37 atomi di carbonio e due o tre doppi legami. L'indice di insaturazione di questi alchenoni, o UK'37, è positivamente correlato alla temperatura superficiale del mare. Il metodo analitico conosciuto come gascromatografia è generalmente abbastanza sensibile da separare questi alchenoni l'uno dall'altro. Tuttavia, le alghe produttrici di alchenone spesso generano anche esteri metilici di acidi grassi chimicamente simili, o alchenoati, che non possono essere distinti dagli alchenoni usando questa tecnica. La contaminazione da idrocarburi da inquinamento può anche ulteriori analisi cromatografiche fangose. Per determinare con precisione la concentrazione relativa di alchenone, gli alchenoati e gli idrocarburi sconosciuti devono essere rimossi prima dell'analisi con i metodi di saponificazione e adduzione dell'urea.
Ora che è stata esaminata la relazione tra i rapporti alcheni dei sedimenti e la temperatura superficiale del mare, diamo un'occhiata alle tecniche per la loro purificazione da un estratto lipidico totale e all'analisi del rapporto di insaturazione.
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<div class="chapter_text" id="script_2">
Una volta che i sedimenti marini sono stati raccolti ed estratti, l'estratto lipidico totale, o TLE, deve passare attraverso un processo di purificazione in più fasi e analizzato. In primo luogo, l'estratto subisce saponificazione per convertire gli alchenoati in sali di carbossilato e metanolo utilizzando una base forte e calore. Altri esteri degli acidi grassi presenti nel TLE saranno saponificati in sali e glicerolo.
Dopo aver raffreddato la miscela a temperatura ambiente, viene aggiunta una soluzione salina acquosa per formare sali e glicerolo. La miscela viene quindi acidificata per protonare gli anioni carbossilati, producendo acidi grassi. Infine, gli alchenoni e gli acidi grassi vengono estratti dalla miscela con esano.
La cromatografia su gel di silice viene quindi eseguita per rimuovere sia i composti apolari che gli acidi grassi polari prodotti dalla saponificazione. Il TLE essiccato e saponificato viene sciolto in esano e quindi caricato su una colonna. La silice trattiene i composti polari più fortemente di quelli apolari.
In primo luogo, i composti apolari vengono rimossi con un solvente apolare, come l'esano. Successivamente, gli alchenoni vengono eluiti da un solvente moderatamente polare, come il diclorometano, lasciando gli acidi grassi altamente polari e altri composti polari indesiderati sulla colonna.
Se il campione di sedimento originale è stato raccolto da un'area altamente inquinata, l'adduzione dell'urea viene eseguita per rimuovere eventuali idrocarburi altamente ramificati o ciclici rimanenti. La frazione di media polarità essiccata viene disciolta in una miscela di solventi in cui l'urea fortemente polare è minimamente solubile, come DCM ed esano. Una soluzione concentrata di urea nel metanolo viene quindi aggiunta al TLE, causando la precipitazione dei cristalli di urea.
Le molecole a catena diritta come gli alchenoni si inseriscono negli spazi tra le molecole nel reticolo cristallino dell'urea, ma le molecole altamente ramificate e cicliche non lo fanno e vengono espulse.
Una volta terminata la crescita dei cristalli, i cristalli di urea vengono asciugati e quindi lavati con un solvente apolare per rimuovere i composti espulsi. Quindi, i cristalli vengono sciolti in una piccola quantità di acqua. Gli alchenoni vengono estratti dall'acqua con un solvente apolare per l'analisi.
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Mentre tutte le precedenti fasi di purificazione non distinguevano tra le specie di alchenoni, piccole differenze nel punto di ebollizione e nella struttura molecolare sono sufficienti per la separazione su una colonna di gascromatografia. Se abbinato a un rivelatore a ionizzazione di fiamma, è possibile determinare le concentrazioni relative degli alchenoni.
Le molecole sono identificate sul cromatogramma dal loro tempo di ritenzione, o il tempo necessario affinché il composto esca dalla colonna. I tempi di ritenzione dei composti desiderati sono accertati con standard alchenici.
Le concentrazioni relative degli alchenoni sono determinate dall'analisi delle aree sotto i picchi di interesse. Il valore UK'37 viene quindi calcolato dalle concentrazioni di C37:2e C37:3 nel campione. Con la relazione proxy della temperatura superficiale del mare e il valore UK'37, l'analista può risolvere la temperatura della superficie del mare al momento della deposizione dei sedimenti.
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Molti aspetti diversi della storia della Terra possono essere studiati dall'analisi dei sedimenti e delle rocce sedimentarie.
La biostratigrafia è lo studio di determinare l'età degli strati, o strati, della roccia mediante l'analisi dei fossili presenti. Poiché ci sono molte fonti di sedimenti, le rocce sedimentarie dello stesso periodo di tempo possono avere composizioni drammaticamente diverse in tutto il mondo. Alcuni insiemi di specie nel corso della storia della Terra, come le ammoniti, esistevano in tutto il mondo e subirono una rapida evoluzione. Se strati rocciosi visivamente dissimili contengono entrambi la stessa specie di ammonite, allora si può tracciare una correlazione temporale tra gli strati. Se combinato con tecniche come la paleotermometria, ampie informazioni sulla storia della Terra possono essere determinate da reperti fossili in campioni naturali.
Molte specie di foraminiferi, o forami, si trovano nei sedimenti marini di tutto il mondo. I forami hanno gusci di carbonato di calcio e sono esistiti in tutti gli oceani della Terra per milioni di anni. Molte specie vivono sul fondo dell'oceano e quindi possono fornire informazioni sulla temperatura delle parti più profonde dell'oceano. Il rapporto magnesio/calcio dei forami corrisponde alla temperatura, poiché incorporano più magnesio nei loro gusci nei climi più caldi. La moltitudine di specie e l'abbondanza di forami rende la loro documentazione fossile utile per tracciare i cambiamenti nelle correnti oceaniche nel corso della storia della Terra e per la biostratigrafia.
Man mano che le placche tettoniche divergono, si formano nuove rocce tra di loro. Di conseguenza, le proprietà della roccia che circonda un confine di placca divergente forniscono informazioni sui movimenti della placca nel tempo. Ad esempio, i cambiamenti nel campo magnetico terrestre sono conservati in alcuni minerali trovati in fossili, rocce e sedimenti. La scoperta di cambiamenti simmetrici nel magnetismo sulle dorsali medio-oceaniche ha contribuito in modo significativo all'attuale comprensione della diffusione del fondo marino e della tettonica a placche.
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<div class="chapter_text" id="script_5">
Hai appena visto la panoramica di JoVE sulla paleotermometria alkenone. Ora dovresti capire i principi della paleotermometria e la relazione tra i rapporti alcheni nei sedimenti marini e la temperatura superficiale del mare. I seguenti video di questa serie entreranno più in dettaglio su questo complesso processo.
Grazie per l'attenzione!
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Una panoramica sull'analisi dei biomarcatori dell'alchenone per la paleotermometria

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

La paleotermometria è il calcolo delle temperature del passato mediante l'analisi di sostanze chimiche specifiche in campioni naturali, come quelle lasciate dalle alghe preistoriche. Le alghe sono un gruppo eterogeneo di organismi che sono stati abbondanti negli oceani e nei laghi della Terra per millenni. Alcuni composti chimici, che vengono depositati nei sedimenti dalle alghe antiche, agiscono come biomarcatori ? composti organici che possono fornire ai ricercatori preziose informazioni sulla storia della Terra. Infatti, l'analisi del contenuto di biomarcatori algali nei sedimenti consente ai ricercatori di determinare la temperatura della Terra centinaia di milioni di anni fa. Una di queste testimonianze proviene da alcune specie di coccolitofori. Queste alghe producono quantità variabili di alcheni, una classe di biomarcatori robusti, in base alla temperatura del loro ambiente. L'analisi degli alchenoni viene utilizzata principalmente per calcolare la temperatura della superficie del mare degli oceani terrestri eoni ed eoni fa. Questo video illustrerà l'uso degli alchenoni in paleoclimatologia e descriverà il processo di isolamento, purificazione e analisi degli alchenoni per calcolare la temperatura superficiale del mare. Come suggerisce il nome, ? Paleotermometria dell'alcheno? si basa sull'analisi dei lipidi, noti come "alcheni". La paleotermometria degli alchenoni si basa sugli alcheni; Alchilchetoni insaturi a catena lunga che contengono 37 atomi di carbonio e da 2 a 4 doppi legami. Ogni doppio legame è un sito di insaturazione. A basse temperature della superficie del mare, i produttori di alchenoni generano più alchenoni insaturi che saturi. Il rapporto tra saturazione e insaturazione è noto come indice di insaturazione dell'alcheno. Gli alchenoni solitamente valutati sono C37:2 e C37:3, che hanno rispettivamente 37 atomi di carbonio e due o tre doppi legami. L'indice di insaturazione di questi alcheni, o UK'37, è positivamente correlato alla temperatura della superficie del mare. Il metodo analitico, noto come gascromatografia, è generalmente abbastanza sensibile da separare questi alchenoni l'uno dall'altro. Tuttavia, le alghe produttrici di alchenoni spesso generano anche esteri metilici di acidi grassi chimicamente simili, o alchenoati, che non possono essere distinti dagli alchenoni utilizzando questa tecnica. La contaminazione da idrocarburi dovuta all'inquinamento può anche favorire l'analisi cromatografica confusa. Per determinare con precisione la concentrazione relativa di alcheni, gli alchenoati e gli idrocarburi sconosciuti devono essere rimossi prima dell'analisi con i metodi di saponificazione e adduzione dell'urea. Ora che è stata esaminata la relazione tra i rapporti degli alchenoni dei sedimenti e la temperatura della superficie del mare, diamo un'occhiata alle tecniche per la loro purificazione da un estratto lipidico totale e all'analisi del rapporto di insaturazione. Una volta che i sedimenti marini sono stati raccolti ed estratti, l'estratto lipidico totale, o TLE, deve passare attraverso un processo di purificazione in più fasi e analizzato. In primo luogo, l'estratto subisce una saponificazione per convertire gli alchenoati in sali carbossilati e metanolo utilizzando una base forte e calore. Altri esteri di acidi grassi presenti nel TLE saranno saponificati in sali e glicerolo. Dopo aver raffreddato la miscela a temperatura ambiente, viene aggiunta una soluzione acquosa di sale per formare sali e glicerolo. La miscela viene quindi acidificata per protonare gli anioni carbossilati, producendo acidi grassi. Infine, gli alchenoni e gli acidi grassi vengono estratti dalla miscela con l'esano. La cromatografia su gel di silice viene quindi eseguita per rimuovere sia i composti apolari che gli acidi grassi polari prodotti dalla saponificazione. Il TLE essiccato e saponificato viene sciolto in esano e quindi caricato su una colonna. La silice trattiene i composti polari più fortemente di quelli apolari. In primo luogo, i composti apolari vengono rimossi con un solvente apolare, come l'esano. Successivamente, gli alchenoni vengono eluiti da un solvente moderatamente polare, come il diclorometano, lasciando gli acidi grassi altamente polari e altri composti polari indesiderati sulla colonna. Se il campione di sedimento originale è stato raccolto da un'area altamente inquinata, viene eseguita l'adduzione dell'urea per rimuovere eventuali idrocarburi altamente ramificati o ciclici rimanenti. La frazione essiccata a polarità media viene disciolta in una miscela di solventi in cui l'urea fortemente polare è minimamente solubile, come il DCM e l'esano. Una soluzione concentrata di urea in metanolo viene quindi aggiunta al TLE, provocando la precipitazione dei cristalli di urea. Le molecole a catena lineare come gli alchenoni si inseriscono negli spazi tra le molecole nel reticolo cristallino dell'urea, ma le molecole altamente ramificate e cicliche non lo fanno e vengono espulse. Una volta terminata la crescita dei cristalli, i cristalli di urea vengono essiccati e quindi lavati con un solvente apolare per rimuovere i composti espulsi. Quindi, i cristalli vengono sciolti in una piccola quantità di acqua. Gli alchenoni vengono estratti dall'acqua con un solvente apolare per l'analisi. Sebbene tutte le precedenti fasi di purificazione non abbiano distinto tra le specie di alcheni, piccole differenze nel punto di ebollizione e nella struttura molecolare sono sufficienti per la separazione su una colonna gascromatografica. Se abbinato a un rivelatore a ionizzazione di fiamma, è possibile determinare le concentrazioni relative degli alcheni. Le molecole sono identificate sul cromatogramma in base al loro tempo di ritenzione, ovvero il tempo necessario al composto per uscire dalla colonna. I tempi di ritenzione dei composti desiderati sono accertati con standard di alcheni. Le concentrazioni relative degli alchenoni sono determinate dall'analisi delle aree sotto i picchi di interesse. Il valore UK'37 viene quindi calcolato in base alle concentrazioni di C37:2 e C37:3 nel campione. Con la relazione proxy della temperatura della superficie del mare e il valore UK'37, l'analista può risolvere la temperatura della superficie del mare al momento della deposizione dei sedimenti. Molti aspetti diversi della storia della Terra possono essere studiati dall'analisi dei sedimenti e delle rocce sedimentarie. La biostratigrafia è lo studio della determinazione dell'età degli strati, o strati, di roccia mediante l'analisi dei fossili presenti. Poiché ci sono molte fonti di sedimenti, le rocce sedimentarie dello stesso periodo di tempo possono avere composizioni notevolmente diverse in tutto il mondo. Alcuni gruppi di specie nel corso della storia della Terra, come le ammoniti, sono esistiti in tutto il mondo e hanno subito una rapida evoluzione. Se gli strati rocciosi visivamente dissimili contengono entrambi le stesse specie di ammonite, allora si può tracciare una correlazione temporale tra gli strati. Se combinate con tecniche come la paleotermometria, è possibile determinare ampie informazioni sulla storia della Terra dai reperti fossili in campioni naturali. Molte specie di foraminiferi, o foraminiferi, si trovano nei sedimenti marini di tutto il mondo. I foraminiferi hanno gusci di carbonato di calcio ed esistono in tutti gli oceani della Terra da milioni di anni. Molte specie vivono sul fondo dell'oceano e quindi possono fornire informazioni sulla temperatura delle parti più profonde dell'oceano. Il rapporto magnesio/calcio dei foraminiferi corrisponde alla temperatura, poiché incorporano più magnesio nei loro gusci nei climi più caldi. La moltitudine di specie e l'abbondanza di foraminiferi rende la loro documentazione fossile utile per tracciare i cambiamenti nelle correnti oceaniche nel corso della storia della Terra e per la biostratigrafia. Man mano che le placche tettoniche divergono, si formano nuove rocce tra di loro. Di conseguenza, le proprietà della roccia che circonda il confine di una placca divergente forniscono informazioni sui movimenti della placca nel tempo. Ad esempio, i cambiamenti nel campo magnetico terrestre sono conservati in alcuni minerali trovati nei fossili, nelle rocce e nei sedimenti. La scoperta di cambiamenti simmetrici nel magnetismo intorno alle dorsali medio-oceaniche ha contribuito in modo significativo all'attuale comprensione dell'espansione dei fondali marini e della tettonica a placche. Hai appena visto la panoramica di JoVE sulla paleotermometria degli alcheni. A questo punto dovresti comprendere i principi della paleotermometria e la relazione tra i rapporti degli alchenoni nei sedimenti marini e la temperatura della superficie del mare. I seguenti video di questa serie entreranno più in dettaglio su questo complesso processo. Grazie per l'attenzione!

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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 was developed from both culture studies and core-top sediment calibration work. The culture-based relationship reported by Prahl and colleagues and the core-top relationship reported by Müller and colleagues are statistically very similar. Reconstructed U K'37 temperatures tend to match mean annual sea surface temperature across many ocean settings. Alkenones are also stable enough to be found in marine sediment cores from the early Eocene to modern deposits and in exposed outcrops of uplifted marine sediment. That long record makes them useful for studying climate change across both short and long time scales.

Scientists first thought alkenones were part of algal cell walls and helped control membrane fluidity, similar to how unsaturated fats stay fluid. Later work showed that alkenones are associated with energy storage structures inside the cell instead. Their exact role in the cell is still not fully known. Alkenones have also been found in lakes, but lacustrine use is more limited because the producers are different and the calibration between temperature and unsaturation changes from one lake to another. A single global lake calibration is unlikely, and making local calibrations takes time and money.

Marine sediment samples usually need several cleanup steps before analysis. Alkenone-producing algae often make alkenoates, which are fatty acid methyl esters that can co-elute with alkenones on a gas chromatograph and make quantification harder. To remove them, the total lipid extract is saponified, which converts the alkenoates into carboxylic acids and salts. The mixture is then acidified, and the resulting fatty acids are separated from the alkenones by silica gel chromatography. In polluted samples, such as sediment from estuaries near industrial centers, urea adduction may also be needed to remove unknown compounds that co-elute with the target molecules.

After purification, the sample is analyzed by gas chromatography with a flame ionization detector. The alkenones are identified by retention time using standards, and the areas under the peaks are used to determine the relative amounts of C37:2 and C37:3. Those values are inserted into the U K'37 equation to obtain a number between 0 and 1. A temperature calibration then converts that value into sea surface temperature at the time the sediment was deposited. This approach helps researchers study past ocean climates using biomarkers preserved in natural samples.

Alkenone paleothermometry is one part of a larger field of paleothermometry, which uses chemicals in sediments and rocks to estimate past temperatures. Algal biomarkers can preserve climate information from hundreds of millions of years ago. Sediment records can also be compared with other tools from Earth science, including biostratigraphy, which uses fossils to match rock layers by age. For example, ammonites can link separate strata, and foraminifera can provide temperature clues because their magnesium-to-calcium ratio changes with warmer water. Together with evidence from magnetism in rocks and sediment, these methods help scientists rebuild Earth’s history and track processes such as seafloor spreading and plate tectonics.

Sea Surface Temperature from Alkenone Ratios

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determining spatial orientation of rock layers with the brunton compass

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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

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

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

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...

an overview of alkenone biomarker analysis for paleothermometry

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

Questa collezione presenta argomenti che vanno dalla geologia alla geochimica, con una varietà di dimostrazioni che includono le proprietà fisiche e chimiche dei minerali e l'analisi delle formazioni rocciose.

Learn how alkenone biomarkers in marine sediment are purified and measured with gas chromatography to estimate past sea surface temperature using the U K'37 proxy.

Sea Surface Temperature from Alkenone Ratios | JoVE K12

Pennsylvania State Academic Standards

Earth and Space Science

3.3.9-12.I

History of Earth

3.3.9-12.F

3.3.9-12.G

3.3.9-12.J

Weather and Climate

3.3.9-12.E

Louisiana Student Standards for Science

High School

Earth’s Systems

HS-ESS2-1

HS-ESS2-3

HS-ESS2-4

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

Internal Earth

Historical review

Virginia  Standards of Learning

HIgh School

ES.5

ES.5.a

ES.9

ES.9.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

Florida Department of Education

SC.912.E.6

SC.912.E.6.3

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SC.912.E.7.7

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Matter and Energy in Organisms and Ecosystems

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Earth and Space Sciences

HS-ESS2-2.

HS-ESS2-6.

HS-ESS2-7.

Jeff Salacup

Overview

Principles of Alkenone Paleothermometry

Alkenone Purification

Analysis of Relative Alkenone Concentrations

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

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.

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 ...

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

ESS.EES.2.5

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

Sea Surface Temperature from Alkenone Ratios

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