Uma Visão Geral da Análise de Biomarcadores de Alquenonas para Paleotermometria
Fonte: Laboratório de Jeff Salacup - Universidade de Massachusetts Amherst
Ao longo desta série de vídeos, amostras naturais foram extraídas e purific…
Paleotermometria é o cálculo de temperaturas passadas por análise de produtos químicos específicos em amostras naturais, como aquelas deixadas para trás por algas pré-históricas.
As algas são um grupo diversificado de organismos que têm sido abundantes nos oceanos e lagos da Terra por milênios. Certos compostos químicos, que são depositados em sedimentos por algas antigas, atuam como biomarcadores – compostos orgânicos que podem fornecer aos pesquisadores uma valiosa visão da história da Terra. De fato, a análise do conteúdo de biomarcadores de algas em sedimentos permite que os pesquisadores determinem a temperatura da Terra centenas de milhões de anos atrás.
Um desses registros vem de algumas espécies de coccolithophores. Essas algas produzem quantidades variadas de alkenones, uma classe de biomarcadores robustos, com base na temperatura de seu ambiente. A análise de Alkenone é usada principalmente para calcular a temperatura da superfície do mar dos oceanos da Terra e eras atrás.
Este vídeo ilustrará o uso de alkenonas na paleoclimatologia e descreverá o processo de isolar, purificar e analisar alkenones para calcular a temperatura da superfície do mar.
Como o nome indica, "Alkenone paleothermometria" é baseada na análise de lipídios, conhecidos como alkenones. A paleotermometria alkenone é baseada em alkenonas; cetonas alquilas insaturadas de cadeia longa que contêm 37 átomos de carbono e 2 a 4 ligações duplas. Cada ligação dupla é um local de insaturação. Em baixas temperaturas da superfície do mar, os produtores de alkenona geram alkenones mais insaturados do que saturados. A razão entre saturação e insaturação é conhecida como Índice de Insaturação alkenone.
As alkenonas geralmente avaliadas são C37:2 e C37:3, que têm 37 carbonos e duas ou três ligações duplas, respectivamente. O Índice de Insaturação dessas alkenonas, ou UK'37,está positivamente relacionado com a temperatura da superfície do mar. O método analítico conhecido como cromatografia gasosa é geralmente sensível o suficiente para separar essas alquenas umas das outras. No entanto, algas produtoras de alkenona muitas vezes também geram ésteres de metila quimicamente semelhantes, ou alquenatos, que não podem ser distinguidos das alquenas que usam essa técnica. A contaminação por hidrocarbonetos por poluição também pode aprofundar a análise cromatográfica lamacenta. Para determinar com precisão a concentração relativa de alkenona, alquenatos e hidrocarbonetos desconhecidos devem ser removidos antes da análise pelos métodos de saponificação e adução da ureia.
Agora que a relação das relações de alkenona de sedimentos com a temperatura da superfície do mar foi revisada, vamos olhar para as técnicas para sua purificação a partir de um extrato lipídado total e análise da razão de insaturação.
Uma vez coletado e extraído o sedimento marinho, o extrato lipíduo total, ou TLE, deve passar por um processo de purificação de várias etapas e analisado. Primeiro, o extrato sofre uma saponificação para converter alquenatos em sais carboxilatos e metanol usando uma base forte e calor. Outros ésteres de ácido graxo presentes na TLE serão saponificados em sais e glicerol.
Depois de resfriar a mistura à temperatura ambiente, uma solução de sal aquoso é adicionada para formar sais e glicerol. A mistura é então acidificada para protonatoar os ânions de carboxilato, produzindo ácidos graxos. Finalmente, as alkenonas e os ácidos graxos são extraídos da mistura com hexano.
A cromatografia de gel de sílica é então realizada para remover tanto compostos apolares quanto os ácidos graxos polares produzidos pela saponificação. O TLE seco e saponificado é dissolvido em hexano e depois carregado em uma coluna. A sílica retém compostos polares mais fortemente do que os apolares.
Primeiro, compostos apolares são removidos com um solvente apolar, como hexano. Em seguida, as alkenonas são elucidadas por um solvente moderadamente polar, como o diclorometano, deixando os ácidos graxos altamente polares e outros compostos polares indesejados na coluna.
Se a amostra original de sedimentos foi coletada de uma área altamente poluída, a adução da ureia é realizada para remover quaisquer hidrocarbonetos altamente ramificados ou cíclicos restantes. A fração de polaridade média seca é dissolvida em uma mistura de solventes em que a ureia fortemente polar é minimamente solúvel, como DCM e hexano. Uma solução concentrada de ureia no metanol é então adicionada ao TLE, fazendo com que os cristais de ureia precipitam.
Moléculas de cadeia reta, como alkenonas, se encaixam nos espaços entre moléculas na rede de cristal da ureia, mas moléculas altamente ramificadas e cíclicas não se encaixam, e são expelidas.
Uma vez terminado o crescimento do cristal, os cristais de ureia são secos e depois lavados com um solvente apolar para remover compostos expelidos. Então, os cristais são dissolvidos em uma pequena quantidade de água. As alkenonas são extraídas da água com um solvente apolar para análise.
Embora todas as etapas anteriores de purificação não diferenciem entre espécies de alquena, pequenas diferenças no ponto de ebulição e na estrutura molecular são suficientes para a separação em uma coluna de cromatografia gasosa. Quando emparelhado com um detector de ionização de chamas, concentrações relativas das alkenonas, podem ser determinadas.
As moléculas são identificadas no cromatograma pelo tempo de retenção, ou pelo tempo necessário para que o composto saia da coluna. Os tempos de retenção dos compostos desejados são verificados com padrões alkenone.
As concentrações relativas das alkenonas são determinadas a partir da análise das áreas sob os picos de interesse. O valor de UK'37 é então calculado a partir das concentrações de C37:2e C37:3 na amostra. Com a relação proxy da temperatura da superfície do mar e o valor de UK'37, o analista pode resolver a temperatura da superfície do mar no momento da deposição de sedimentos.
Muitas facetas diferentes da história da Terra podem ser investigadas pela análise de sedimentos e rochas sedimentares.
Bioestratigrafia é o estudo da determinação das idades das camadas, ou estratos, da rocha pela análise dos fósseis presentes. Como há muitas fontes de sedimentos, rochas sedimentares do mesmo período de tempo podem ter composições dramaticamente diferentes ao redor do mundo. Certos conjuntos de espécies ao longo da história da Terra, como os amonitas, existiram em todo o mundo e passaram por uma rápida evolução. Se estratos rochosos visualmente diferentes contêm a mesma espécie de amonita, então uma correlação temporal entre os estratos pode ser desenhada. Quando combinadas com técnicas como a paleotermometria, informações extensas sobre a história da Terra podem ser determinadas a partir de registros fósseis em amostras naturais.
Muitas espécies de foraminifera, ou forams, são encontradas em sedimentos marinhos em todo o mundo. Forams tem conchas de carbonato de cálcio e existem nos oceanos da Terra por milhões de anos. Muitas espécies vivem no fundo do oceano, e assim podem fornecer informações sobre a temperatura sobre partes mais profundas do oceano. A razão magnésio/cálcio de forams corresponde à temperatura, pois eles incorporam mais magnésio em suas conchas em climas mais quentes. A multiplicidade de espécies e a abundância de forams torna seu registro fóssil útil para rastrear mudanças nas correntes oceânicas ao longo da história da Terra e para a bioestratigrafia.
À medida que as placas tectônicas divergem, novas formas de rocha entre elas. Correspondentemente, as propriedades da rocha em torno de um limite de placa divergente fornecem informações sobre os movimentos das placas ao longo do tempo. Por exemplo, mudanças no campo magnético da Terra são preservadas em alguns minerais encontrados em fósseis, rochas e sedimentos. A descoberta de mudanças simétricas no magnetismo sobre cumes do meio do oceano contribuiu significativamente para a compreensão atual da propagação do fundo do mar e da tectônica das placas.
Você acabou de ver a visão geral de Jove sobre a paleotermometria de Alkenone. Agora você deve entender os princípios da paleotermometria e a relação da relação alkenone em sedimentos marinhos à temperatura da superfície do mar. Os vídeos a seguir desta série entrarão em mais detalhes sobre este processo complexo.
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A paleotermometria é o cálculo de temperaturas passadas pela análise de produtos químicos específicos em amostras naturais, como as deixadas para trás por algas pré-históricas.
As algas são um grupo diversificado de organismos que têm sido abundantes nos oceanos e lagos da Terra há milênios. Certos compostos químicos, que são depositados nos sedimentos por algas antigas, atuam como biomarcadores ? compostos orgânicos que podem fornecer aos pesquisadores informações valiosas sobre a história da Terra. De fato, a análise do conteúdo de biomarcadores de algas em sedimentos permite que os pesquisadores determinem a temperatura da Terra centenas de milhões de anos atrás.
Um desses registros vem de algumas espécies de cocolitóforos. Essas algas produzem quantidades variadas de alcenonas, uma classe de biomarcadores robustos, com base na temperatura de seu ambiente. A análise de alcenona é usada principalmente para calcular a temperatura da superfície do mar dos oceanos da Terra há eras e eras atrás.
Este vídeo ilustrará o uso de alcenonas na paleoclimatologia e descreverá o processo de isolamento, purificação e análise de alcenonas para calcular a temperatura da superfície do mar no passado.
Como o próprio nome indica, ? Paleotermometria de alcenona? baseia-se na análise de lipídios, conhecidos como?alcenonas.? A paleotermometria de alcenona é baseada em alcenonas; alquil cetonas insaturadas de cadeia longa que contêm 37 átomos de carbono e 2 a 4 ligações duplas. Cada ligação dupla é um local de insaturação. Em baixas temperaturas da superfície do mar, os produtores de alcenona geram mais alcenonas insaturadas do que saturadas. A proporção de saturação para insaturação é conhecida como Índice de Insaturação de Alcenona.
As alcenonas usualmente avaliadas são C37:2?e C37:3, que possuem 37 carbonos e duas ou três ligações duplas, respectivamente. O Índice de Insaturação dessas alcenonas, ou UK'37, está positivamente relacionado à temperatura da superfície do mar. O método analítico conhecido como cromatografia gasosa é geralmente sensível o suficiente para separar essas alcenonas umas das outras. No entanto, as algas produtoras de alcenona geralmente também geram ésteres metílicos de ácidos graxos quimicamente semelhantes, ou alquenoatos, que não podem ser distinguidos das alcenonas usando essa técnica. A contaminação por hidrocarbonetos da poluição também pode promover a análise cromatográfica turva. Para determinar com precisão a concentração relativa de alcenona, os alquenoatos e hidrocarbonetos desconhecidos devem ser removidos antes da análise pelos métodos de saponificação e adução de uréia.
Agora que a relação das proporções de alcenona de sedimentos com a temperatura da superfície do mar foi revisada, vejamos as técnicas para sua purificação a partir de um extrato lipídico total e a análise da taxa de insaturação.
Uma vez que o sedimento marinho tenha sido coletado e extraído, o extrato lipídico total, ou TLE, deve passar por um processo de purificação em várias etapas e analisado. Primeiro, o extrato passa por saponificação para converter alcenoatos em sais de carboxilato e metanol usando uma base forte e calor. Outros ésteres de ácidos graxos presentes no ELT serão saponificados em sais e glicerol.
Depois de resfriar a mistura à temperatura ambiente, uma solução salina aquosa é adicionada para formar sais e glicerol. A mistura é então acidificada para protonar os ânions carboxilato, produzindo ácidos graxos. Finalmente, as alcenonas e os ácidos graxos são extraídos da mistura com hexano.
A cromatografia de sílica gel é então realizada para remover os compostos apolares e os ácidos graxos polares produzidos pela saponificação. O TLE seco e saponificado é dissolvido em hexano e depois carregado em uma coluna. A sílica retém compostos polares mais fortemente do que os apolares.
Primeiro, os compostos apolares são removidos com um solvente apolar, como o hexano. Em seguida, as alcenonas são eluídas por um solvente moderadamente polar, como o diclorometano, deixando os ácidos graxos altamente polares e outros compostos polares indesejados na coluna.
Se a amostra de sedimento original foi coletada de uma área altamente poluída, a adução de uréia é realizada para remover quaisquer hidrocarbonetos altamente ramificados ou cíclicos restantes. A fração seca de polaridade média é dissolvida em uma mistura de solventes na qual a ureia fortemente polar é minimamente solúvel, como DCM e hexano. Uma solução concentrada de ureia em metanol é então adicionada ao TLE, fazendo com que os cristais de ureia precipitem.
Moléculas de cadeia linear, como as alcenonas, se encaixam nos espaços entre as moléculas na rede cristalina de uréia, mas moléculas altamente ramificadas e cíclicas não e são expelidas.
Uma vez terminado o crescimento do cristal, os cristais de ureia são secos e depois lavados com um solvente apolar para remover os compostos expelidos. Em seguida, os cristais são dissolvidos em uma pequena quantidade de água. As alcenonas são extraídas da água com um solvente apolar para análise.
Embora todas as etapas de purificação anteriores não diferenciassem entre as espécies de alcenona, pequenas diferenças no ponto de ebulição e na estrutura molecular são suficientes para a separação em uma coluna de cromatografia gasosa. Quando emparelhado com um detector de ionização de chama, as concentrações relativas de alcenonas podem ser determinadas.
As moléculas são identificadas no cromatograma por seu tempo de retenção, ou o tempo necessário para que o composto saia da coluna. Os tempos de retenção dos compostos desejados são determinados com padrões de alcenona.
As concentrações relativas das alcenonas são determinadas a partir da análise das áreas sob os picos de interesse. O valor UK37 é então calculado a partir das concentrações de C37:2 e C37:3?na amostra. Com a relação proxy da temperatura da superfície do mar e o valor UK'37?, o analista pode resolver a temperatura da superfície do mar no momento da deposição de sedimentos.
Muitas facetas diferentes da história da Terra podem ser investigadas pela análise de sedimentos e rochas sedimentares.
A bioestratigrafia é o estudo da determinação das idades das camadas, ou estratos, de rocha pela análise dos fósseis presentes. Como existem muitas fontes de sedimentos, as rochas sedimentares do mesmo período podem ter composições dramaticamente diferentes em todo o mundo. Certos conjuntos de espécies ao longo da história da Terra, como os amonites, existiram em todo o mundo e passaram por uma rápida evolução. Se estratos rochosos visualmente diferentes contiverem a mesma espécie de amonite, então uma correlação temporal entre os estratos pode ser traçada. Quando combinado com técnicas como a paleotermometria, informações extensas sobre a história da Terra podem ser determinadas a partir de registros fósseis em amostras naturais.
Muitas espécies de foraminíferos, ou foraminíferos, são encontradas em sedimentos marinhos em todo o mundo. Os foraminíferos têm conchas de carbonato de cálcio e existem nos oceanos da Terra há milhões de anos. Muitas espécies vivem no fundo do oceano e, portanto, podem fornecer informações de temperatura sobre partes mais profundas do oceano. A proporção de magnésio para cálcio dos foraminíferos corresponde à temperatura, pois eles incorporam mais magnésio em suas conchas em climas mais quentes. A multiplicidade de espécies e a abundância de foraminíferos tornam seu registro fóssil útil para rastrear mudanças nas correntes oceânicas ao longo da história da Terra e para bioestratigrafia.
À medida que as placas tectônicas divergem, novas rochas se formam entre elas. Da mesma forma, as propriedades da rocha ao redor de um limite de placa divergente fornecem informações sobre os movimentos da placa ao longo do tempo. Por exemplo, mudanças no campo magnético da Terra são preservadas em alguns minerais encontrados em fósseis, rochas e sedimentos. A descoberta de mudanças simétricas no magnetismo sobre as dorsais meso-oceânicas contribuiu significativamente para a compreensão atual da expansão do fundo do mar e das placas tectônicas.
Você acabou de assistir a Visão geral da paleotermometria de alcenona da JoVE. Agora você deve entender os princípios da paleotermometria e a relação das proporções de alcenona no sedimento marinho com a temperatura da superfície do mar. Os vídeos a seguir desta série entrarão em mais detalhes sobre esse processo complexo.
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Q1: What are alkenones and why are they useful for studying past ocean temperatures?
Alkenones are long-chain, unsaturated alkyl ketones with 37 carbon atoms and 2 to 4 double bonds produced by coccolithophore algae. These robust biomarkers vary in saturation based on water temperature, allowing researchers to reconstruct sea surface temperatures from ancient marine sediments. The ratio of unsaturated to saturated alkenones, called the UK'37 index, directly correlates with past ocean temperatures.
Q2: How does the UK'37 index relate to sea surface temperature?
The UK'37 index is calculated from the ratio of two alkenone types: C37:2 and C37:3. At lower sea surface temperatures, alkenone producers generate more unsaturated alkenones, increasing the UK'37 value. This positive relationship between unsaturation and temperature has been calibrated through laboratory and core-top sediment studies, enabling analysts to convert UK'37 values into quantitative sea surface temperature estimates.
Q3: What contaminants interfere with alkenone analysis and how are they removed?
Alkenoates (fatty acid methyl esters) and hydrocarbon pollution co-elute with alkenones during gas chromatography, complicating quantification. These are removed through conversion of fatty acid methyl esters by saponification for UK'37 paleothermometry, which converts alkenoates into water-soluble salts. Silica gel chromatography then separates remaining polar compounds, and urea adduction removes branched or cyclic hydrocarbons from highly polluted samples.
Q4: What is the purpose of silica gel chromatography in alkenone purification?
Silica gel chromatography separates compounds by polarity. After saponification, the total lipid extract is loaded onto a silica column where apolar compounds elute first with hexane, alkenones elute next with dichloromethane, and highly polar fatty acids remain on the column. This purification of a total lipid extract with column chromatography isolates alkenones from unwanted polar and apolar contaminants before gas chromatography analysis.
Q5: How does urea adduction remove branched hydrocarbons from alkenone samples?
Urea adduction exploits molecular geometry differences. Straight-chain alkenones fit into spaces within urea crystal lattices, while branched and cyclic hydrocarbons cannot and are expelled. The urea crystals are then washed with apolar solvent to remove expelled contaminants, and alkenones are recovered by dissolving crystals in water and extracting with apolar solvent. This removal of branched and cyclic compounds by urea adduction for UK'37 paleothermometry is essential for highly polluted samples.
Q6: How are alkenone concentrations determined using gas chromatography?
Purified alkenones are separated on a gas chromatography column based on boiling point and molecular structure differences. A flame-ionization detector measures peak areas corresponding to C37:2 and C37:3 alkenones. Retention times are confirmed using alkenone standards, and relative concentrations are calculated from peak areas. These values are then used to compute the UK'37 ratio and convert it to sea surface temperature.
Q7: Why is alkenone paleothermometry more reliable than other paleoclimate proxies?
Alkenones are exceptionally stable over geologic time, persisting in marine sediments from the early Eocene to present. The UK'37 proxy correlates well with mean annual sea surface temperature across diverse ocean climates and algal production regimes. Alkenones can document temperature changes at decadal to orbital timescales, making them versatile for paleoclimate reconstruction. Their abundance in open-ocean sediments worldwide provides extensive paleoclimate records.