Przegląd analizy biomarkerów bGDGT dla paleoklimatologii

Związki organiczne zwane biomarkerami mogą być wykorzystywane w naukach o Ziemi jako paleotermometry do łączenia informacji o klimacie i środowisku w przeszłości.

Organizmy żywe wytwarzają te biomarkery, które dostarczają nam informacji o środowisku, w którym żyły. Mogą działać jako prox, aby przekazać nam informacje o przeszłych wydarzeniach, takich jak temperatura Ziemi miliony lat temu.

Paleotemperaturę lądową można analizować za pomocą biomarkerów znajdujących się w osadach z basenów słodkowodnych. Jedną z kluczowych klas tych biomarkerów są rozgałęzione tetraetery glicerolu dialkiloglicerolu lub rozgałęzione GDGT.

Ten film przedstawi obszar badań, zwany paleoklimatologią, który bada zmiany w środowisku słodkowodnym w przeszłości na przestrzeni setek milionów lat. Pomaga to wyjaśnić obecne i przyszłe zmiany klimatyczne i środowiskowe.

Osady gromadzą się w czasie geologicznym w wyniku ruchu płynów i grawitacji w basenach sedymentacyjnych lub niskich obszarach skorupy ziemskiej. Baseny sedymentacyjne obejmują oceany, które gromadzą osady morskie, lub jeziora, które gromadzą osady jeziorne. Baseny morskie i jeziorne zawierają różne rodzaje organizmów, co w dużej mierze wynika z różnicy w zasoleniu między nimi. W związku z tym baseny morskie i jeziorne zawierają różne biomarkery.

Uważa się, że rozgałęzione GDGT są lipidami obejmującymi błonę beztlenowych acidobakterii. Badania sugerują, że organizmy wytwarzające zmieniają właściwości błony w odpowiedzi na zmieniającą się temperaturę.

Zmiana ta jest spowodowana transformacją metylowanych miejsc na rozgałęzionych GDGT w miejsca cykliczne w niższych temperaturach, zwiększając w ten sposób płynność błony. Ta zmiana struktury może być następnie skorelowana z temperaturą za pomocą serwera proxy. Wskaźniki zastępcze to mierzalne zjawiska fizyczne, które są skorelowane z niemierzalną zmienną.

Ten wskaźnik zastępczy wiąże liczbę metylacji lub MBT i cyklizacji lub CBT w biomarkerze z temperaturą. Eksperymentalnie wyprowadzone równanie może powiązać MBT i CBT z przeszłą średnią roczną temperaturą powietrza.

Aby zbadać związek między rozgałęzionymi biomarkerami GDGT a temperaturą gleby, osad jeziorny musi zostać zebrany, wyekstrahowany jedną z trzech technik, oczyszczony i przeanalizowany.

Aby rozpocząć badania nad związkiem między rozgałęzionymi biomarkerami GDGT a temperaturą gleby, cząsteczki lipidów są najpierw ekstrahowane z osadów jeziornych przy użyciu różnych technik. Ekstrakcja za pomocą sonikacji jest najprostszą i najtańszą metodą uzyskiwania całkowitego ekstraktu lipidowego (TLE) z próbki osadu. W tym celu stosuje się kąpiel ultradźwiękową do mieszania próbki w fiolce zawierającej rozpuszczalnik organiczny. Mieszanina metanolu i dichlorometanu służy do ekstrakcji biomarkerów o szerokim zakresie polarności. Inną techniką ekstrakcji jest ekstrakcja Soxhleta. Ekstraktor Soxhleta umożliwia refluks lub ciągły cykl rozpuszczalnika organicznego z kolby okrągłodennej w górę do skraplacza, który jest schładzany zimną wodą i zawracany. Skondensowany rozpuszczalnik wpada do gilzy z włókna szklanego zawierającej próbkę. Po napełnieniu komora zasysa rozpuszczalnik organiczny z powrotem do kolby okrągłodennej, umożliwiając ciągłą ekstrakcję w czasie.

Technika ta jest pomocna w ekstrakcji dużych mas osadów i przygotowywaniu dużych objętości wzorców do kalibracji przyrządów. Wreszcie, przyspieszona ekstrakcja rozpuszczalnikowa lub ASE jest zastrzeżoną znakiem towarowym metodą ekstrakcji, która wykorzystuje wysoką temperaturę i ciśnienie w celu zwiększenia kinetyki procesu ekstrakcji. Przyrząd ASE mieści do 24 pojedynczych próbek i pozwala na precyzyjną kontrolę wszystkich parametrów w procesie ekstrakcji. Ze względu na swoją szybkość i prostotę użycia, ASE jest powszechnie stosowana jako standardowa metoda ekstrakcji rozpuszczalnikowej.

Po wyekstrahowaniu próbki lipidów przy użyciu jednej z tych technik jest ona oczyszczana w celu przygotowania do analizy. Zazwyczaj chromatografia kolumnowa z żelem krzemionkowym jest stosowana do oczyszczania próbki lipidów na podstawie jej polarności. W tym celu mała szklana kolumna jest ładowana drobnym proszkiem krzemionki, zwanym żelem. Kolumna jest następnie nasycana rozpuszczalnikiem niepolarnym, zwykle heksanem, a następnie próbka jest ładowana na wierzch. Oddzielenie ekstraktu opiera się na powinowactwie związku docelowego do fazy stałej lub fazy rozpuszczalnikowej.

Związki polarne, w tym przypadku rozgałęzione GDGT, są bardziej przyciągane przez krzemionkę polarną niż heksan apolarny. Tak więc związki niepolarne, takie jak węglowodory, związki środkowopolarne, takie jak ketony i alkohole, oraz związki wysoce polarne, będą przemieszczać się po kolumnie z różną szybkością i w odpowiedzi na rozpuszczalniki o rosnącej polarności.

Eluenty są następnie zbierane w oddzielnych frakcjach.

Oczyszczone GDGT są następnie analizowane za pomocą wysokosprawnej chromatografii cieczowej sprzężonej ze spektrometrem mas lub LC-MS. LC-MS najpierw rozdziela związki, a następnie analizuje je na podstawie ich stosunku masy do ładunku.

Umożliwia to określenie względnego stężenia każdego rodzaju GDGT przy użyciu pola pod krzywą dla wybranego jonu masowego. MBT oblicza się jako ułamek cząsteczek grupy 1 do całości.

CBT jest następnie obliczana jako logarytm ujemny przy użyciu cząsteczek z grup 1 i 2. MBT i CBT są następnie łączone w eksperymentalnie wyprowadzonym równaniu, aby uzyskać określenie paleotemperatury.

Oznaczanie paleotemperatury za pomocą proxy biomarkerów jest przydatne w wielu zastosowaniach w naukach o Ziemi.

Po pierwsze, paleotermometria umożliwia określenie temperatury Ziemi w długich okresach czasu. Za pomocą różnych technik temperaturę Ziemi oszacowano nawet na 500 milionów lat. Mówi nam to o otoczce temperatury, w której ewoluowały różne formy życia i dostarcza informacji na temat wpływu temperatury na ziemską biosferę, hydrosferę, litosferę i atmosferę w przeszłości, a co za tym idzie, w przyszłości.

Nowsze trendy w temperaturze Ziemi można również określić ilościowo w odniesieniu do zapisów skonstruowanych za pomocą paleotermometrii. Temperatura powierzchni Ziemi wzrosła o prawie 1 stopień od 1850 roku do chwili obecnej, z uwydatnionym trendem ocieplenia w ciągu ostatnich dwóch dekad. Aby zrozumieć antropogeniczny wpływ na globalny klimat, należy opracować dokładne zapisy paleoklimatyczne i wykorzystać je jako kontekst.

Właśnie obejrzałeś JoVE's Przegląd rozgałęzionego paleotermometrii tetraeteru glicerolu dialkiloglicerolu. Powinieneś teraz zrozumieć, w jaki sposób wykorzystywane są rozgałęzione biomarkery GDGT oraz ogólną technikę ich ekstrakcji i oczyszczania. Poniższe filmy z tej serii omówią bardziej szczegółowo ten złożony proces.

Dzięki za oglądanie!