Przegląd analizy biomarkerów alkenonu w paleotermometrii

Paleotermometria to obliczanie przeszłych temperatur poprzez analizę określonych substancji chemicznych w naturalnych próbkach, takich jak te pozostawione przez prehistoryczne glony.

Glony to zróżnicowana grupa organizmów, które od tysiącleci występują obficie w oceanach i jeziorach Ziemi. Niektóre związki chemiczne, które są osadzane w osadach przez starożytne glony, działają jako biomarkery – związki organiczne, które mogą dostarczyć naukowcom cennych informacji na temat historii Ziemi. W rzeczywistości analiza zawartości biomarkerów glonów w osadach pozwala naukowcom określić temperaturę Ziemi setki milionów lat temu.

Jeden z takich rekordów pochodzi z niektórych gatunków kokolitoforów. Glony te wytwarzają różne ilości alkenonów, klasy solidnych biomarkerów, w zależności od temperatury środowiska, w którym się znajdują. Analiza alkenonów jest używana przede wszystkim do obliczania temperatury powierzchni morza oceanów Ziemi eony i eony temu.

Ten film zilustruje zastosowanie alkenonów w paleoklimatologii i opisze proces izolacji, oczyszczania i analizowania alkenonów w celu obliczenia temperatury powierzchni morza w przeszłości.

Jak sama nazwa wskazuje, "paleotermometria alkenonów" opiera się na analizie lipidów, znanych jako alkenony. Paleotermometria alkenonu opiera się na alkenonach; Długołańcuchowe, nienasycone ketony alkilowe, które zawierają 37 atomów węgla i od 2 do 4 wiązań podwójnych. Każde wiązanie podwójne jest miejscem nienasycenia. Przy niskich temperaturach powierzchni morza producenci alkenonów wytwarzają więcej alkenonów nienasyconych niż nasyconych. Stosunek nasycenia do nienasycenia jest znany jako wskaźnik nienasycenia alkenonu.

Zwykle oceniane alkenony to C_37:2 i C₃, które mają odpowiednio 37 atomów węgla i dwa lub trzy wiązania podwójne. Wskaźnik nienasycenia tych alkenonów, czyli U^K'₃₇, jest dodatnio związany z temperaturą powierzchni morza. Metoda analityczna znana jako chromatografia gazowa jest na ogół wystarczająco czuła, aby oddzielić te alkenony od siebie. Jednak glony wytwarzające alkenony często wytwarzają również chemicznie podobne estry metylowe kwasów tłuszczowych lub alkenoateny, których nie można odróżnić od alkenonów przy użyciu tej techniki. Zanieczyszczenie węglowodorami spowodowane zanieczyszczeniem może również dodatkowo zagmatwać analizę chromatograficzną. Aby dokładnie określić względne stężenie alkenonu, alkenoiany i nieznane węglowodory muszą zostać usunięte przed analizą metodami zmydlania i addukcji mocznika.

Teraz, gdy dokonano przeglądu związku proporcji alkenonów w osadach z temperaturą powierzchni morza, przyjrzyjmy się technikom ich oczyszczania z całkowitego ekstraktu lipidowego i analizie współczynnika nienasycenia.

Po zebraniu i wyekstrahowaniu osadu morskiego całkowity ekstrakt lipidowy (TLE) musi przejść wieloetapowy proces oczyszczania i analizy. Najpierw ekstrakt poddawany jest zmydlaniu w celu przekształcenia alkenoianów w sole karboksylowe i metanol przy użyciu mocnej zasady i ciepła. Inne estry kwasów tłuszczowych obecne w TLE zostaną zmydlone do soli i glicerolu.

Po schłodzeniu mieszaniny do temperatury pokojowej dodaje się wodny roztwór soli w celu utworzenia soli i glicerolu. Mieszanina jest następnie zakwaszana w celu protonowania anionów karboksylowych, wytwarzając kwasy tłuszczowe. Na koniec alkenony i kwasy tłuszczowe są ekstrahowane z mieszaniny z heksanem.

Następnie przeprowadza się chromatografię w żelu krzemionkowym w celu usunięcia zarówno związków niepolarnych, jak i polarnych kwasów tłuszczowych wytwarzanych przez zmydlanie. Wysuszony i zmydlony TLE rozpuszcza się w heksanie, a następnie ładuje do kolumny. Krzemionka zatrzymuje związki polarne silniej niż niepolarne.

Najpierw związki niepolarne są usuwane za pomocą rozpuszczalnika apolarnego, takiego jak heksan. Następnie alkenony są eluowane przez umiarkowanie polarny rozpuszczalnik, taki jak dichlorometan, pozostawiając wysoce polarne kwasy tłuszczowe i inne niepożądane związki polarne na kolumnie.

Jeśli pierwotna próbka osadu została pobrana z silnie zanieczyszczonego obszaru, przeprowadza się addukcję mocznika w celu usunięcia wszelkich pozostałych silnie rozgałęzionych lub cyklicznych węglowodorów. Wysuszoną frakcję o średniej polarności rozpuszcza się w mieszaninie rozpuszczalników, w której silnie polarny mocznik jest minimalnie rozpuszczalny, taki jak DCM i heksan. Stężony roztwór mocznika w metanolu jest następnie dodawany do TLE, powodując wytrącanie się kryształów mocznika.

Cząsteczki o prostym łańcuchu, takie jak alkenony, mieszczą się w przestrzeniach między cząsteczkami w sieci krystalicznej mocznika, ale silnie rozgałęzione i cykliczne cząsteczki nie mieszczą się w nich i są wydalane.

Po zakończeniu wzrostu kryształów kryształy mocznika są suszone, a następnie przemywane rozpuszczalnikiem niepolarnym w celu usunięcia wydalonych związków. Następnie kryształy rozpuszcza się w niewielkiej ilości wody. Alkenony ekstrahuje się z wody za pomocą niepolarnego rozpuszczalnika do analizy.

Podczas gdy wszystkie poprzednie etapy oczyszczania nie rozróżniały gatunków alkenonów, niewielkie różnice w temperaturze wrzenia i strukturze molekularnej są wystarczające do rozdzielenia na kolumnie chromatografii gazowej. W połączeniu z detektorem płomieniowo-jonizacyjnym można określić względne stężenia alkenonów.

Cząsteczki są identyfikowane na chromatogramie na podstawie czasu ich retencji, czyli czasu potrzebnego do opuszczenia kolumny przez związek. Czasy retencji pożądanych związków są ustalane za pomocą wzorców alkenonu.

Względne stężenia alkenonów określa się na podstawie analizy obszarów pod szczytami zainteresowania. Wartość U^K'₃₇ oblicza się następnie ze stężeń C_37:2 i C₃ w próbce. Dzięki zależności proxy temperatury powierzchni morza i wartości U^K'₃₇ analityk może ustalić temperaturę powierzchni morza w momencie osadzania się osadów.

Analizując osady i skały osadowe, można zbadać wiele różnych aspektów historii Ziemi.

Biostratygrafia to nauka zajmująca się określaniem wieku warstw lub warstw skalnych poprzez analizę obecnych skamieniałości. Ponieważ istnieje wiele źródeł osadów, skały osadowe z tego samego okresu mogą mieć dramatycznie różny skład na całym świecie. Pewne grupy gatunków w całej historii Ziemi, takie jak amonity, istniały na całym świecie i przeszły szybką ewolucję. Jeśli wizualnie odmienne warstwy skalne zawierają ten sam gatunek amonitu, można narysować korelację czasową między warstwami. W połączeniu z technikami takimi jak paleotermometria, można uzyskać obszerne informacje na temat historii Ziemi na podstawie zapisów kopalnych w próbkach naturalnych.

Wiele gatunków otwornic lub otwornic znajduje się w osadach morskich na całym świecie. Otwornice mają muszle z węglanu wapnia i istnieją w oceanach Ziemi od milionów lat. Wiele gatunków żyje na dnie oceanu, a tym samym może dostarczać informacji o temperaturze w głębszych częściach oceanu. Stosunek magnezu do wapnia otworów odpowiada temperaturze, ponieważ w cieplejszym klimacie zawierają one więcej magnezu w swoich muszlach. Mnogość gatunków i obfitość otworów sprawia, że ich zapis kopalny jest przydatny do śledzenia zmian prądów oceanicznych w całej historii Ziemi oraz do biostratygrafii.

W miarę rozchodzenia się płyt tektonicznych tworzą się między nimi nowe skały. W związku z tym właściwości skały otaczającej rozbieżną granicę płyt dostarczają informacji o ruchach płyt w czasie. Na przykład zmiany w polu magnetycznym Ziemi są zachowane w niektórych minerałach znajdujących się w skamieniałościach, skałach i osadach. Odkrycie symetrycznych zmian magnetyzmu wokół grzbietów śródoceanicznych znacząco przyczyniło się do obecnego zrozumienia rozprzestrzeniania się dna morskiego i tektoniki płyt.

Właśnie obejrzałeś JoVE's Przegląd paleotermometrii alkenonowej. Powinieneś teraz zrozumieć zasady paleotermometrii i związek proporcji alkenonu w osadach morskich do temperatury powierzchni morza. Poniższe filmy z tej serii omówią bardziej szczegółowo ten złożony proces.

Dzięki za oglądanie!