Обзор анализа биомаркеров алкенонов для палеотермометрии

Палеотермометрия — это расчет прошлых температур путем анализа конкретных химических веществ в природных образцах, таких как те, которые остались от доисторических водорослей.

Водоросли — это разнообразная группа организмов, которые были в изобилии в океанах и озерах Земли на протяжении тысячелетий. Некоторые химические соединения, которые откладываются в осадочных породах древними водорослями, действуют как биомаркеры – органические соединения, которые могут предоставить исследователям ценную информацию об истории Земли. На самом деле, анализ содержания биомаркеров водорослей в отложениях позволяет исследователям определить температуру Земли сотни миллионов лет назад.

Одна из таких записей относится к некоторым видам кокколитофорид. Эти водоросли производят различное количество алкенонов, класса надежных биомаркеров, основанных на температуре окружающей среды. Анализ алкенонов в основном используется для расчета температуры поверхности поверхности Земли в океанах Земли эоны и эоны веков назад.

В этом видео будет проиллюстрировано использование алкенонов в палеоклиматологии и описан процесс выделения, очистки и анализа алкенонов для расчета прошлой температуры поверхности моря.

Как следует из названия, «палеотермометрия алкенонов» основана на анализе липидов, известных как алкеноны. Алкенон-палеотермометрия основана на алкенонах; длинноцепочечные, ненасыщенные алкилкетоны, которые содержат 37 атомов углерода и от 2 до 4 двойных связей. Каждая двойная связь представляет собой участок ненасыщенности. При низких температурах поверхности моря продуценты алкенонов генерируют больше ненасыщенных алкенонов, чем насыщенных. Отношение насыщения к ненасыщению известно как индекс ненасыщенности алкенона.

Обычно оцениваются алкеноны C_37:2 и C_37:3, которые имеют 37 атомов углерода и две или три двойные связи соответственно. Индекс ненасыщенности этих алкенонов, или U^K'₃₇, положительно связан с температурой поверхности моря. Аналитический метод, известный как газовая хроматография, как правило, достаточно чувствителен, чтобы отделить эти алкеноны друг от друга. Тем не менее, водоросли, продуцирующие алкеноны, часто также образуют химически сходные метиловые эфиры жирных кислот, или алкеноаты, которые невозможно отличить от алкенонов с помощью этого метода. Углеводородное загрязнение также может привести к дальнейшему мутному хроматографическому анализу. Для точного определения относительной концентрации алкенонов алкеноты и неизвестные углеводороды должны быть удалены перед анализом методами омыления и аддукции мочевины.

Теперь, когда рассмотрена связь соотношения алкенонов осадочных пород с температурой поверхности моря, давайте рассмотрим методы их очистки от общего липидного экстракта и проанализируем коэффициент ненасыщенности.

После того, как морские отложения собраны и извлечены, общий липидный экстракт, или TLE, должен пройти многоступенчатый процесс очистки и проанализирован. Во-первых, экстракт подвергается омылению для превращения алкеноатов в карбоксилатные соли и метанол с помощью сильного основания и нагрева. Другие сложные эфиры жирных кислот, присутствующие в TLE, будут омыляться в соли и глицерин.

После охлаждения смеси до комнатной температуры добавляют водный раствор соли для образования солей и глицерина. Затем смесь подкисляют для протонирования анионов карбоксилатов, образуя жирные кислоты. Наконец, алкеноны и жирные кислоты экстрагируются из смеси с гексаном.

Затем проводится хроматография силикагелем для удаления как аполярных соединений, так и полярных жирных кислот, полученных в результате омыления. Высушенный и омыленный TLE растворяют в гексане, а затем загружают на колонну. Диоксид кремния удерживает полярные соединения сильнее, чем аполярные.

Во-первых, аполярные соединения удаляются с помощью аполярного растворителя, например, гексана. Затем алкеноны вымываются умеренно полярным растворителем, таким как дихлорметан, оставляя высокополярные жирные кислоты и другие нежелательные полярные соединения на колонке.

Если исходный образец отложений был собран в сильно загрязненном районе, проводится аддукция мочевины для удаления любых оставшихся сильно разветвленных или циклических углеводородов. Высушенную среднеполярную фракцию растворяют в смеси растворителей, в которой слабополярная мочевина минимально растворима, такая как DCM и гексан. Затем в TLE добавляют концентрированный раствор мочевины в метаноле, в результате чего кристаллы мочевины выпадают в осадок.

Молекулы с прямой цепью, такие как алкеноны, помещаются в пространство между молекулами в кристаллической решетке мочевины, но сильно разветвленные и циклические молекулы этого не делают и вытесняются.

После того, как рост кристаллов заканчивается, кристаллы мочевины высушивают, а затем промывают аполярным растворителем для удаления вытесненных соединений. Затем кристаллы растворяют в небольшом количестве воды. Для анализа алкеноны извлекают из воды с помощью аполярного растворителя.

В то время как на всех предыдущих этапах очистки не проводилось различий между видами алкенонов, небольших различий в температуре кипения и молекулярной структуре достаточно для разделения на колонке газовой хроматографии. В паре с пламенно-ионизационным детектором можно определить относительные концентрации алкенонов.

Молекулы идентифицируются на хроматограмме по времени их удержания, или времени, необходимому для того, чтобы соединение вышло из колонки. Время удержания желаемых соединений определяется с помощью стандартов алкенонов.

Относительные концентрации алкенонов определяются на основе анализа областей под пиками, представляющими интерес. Затем значение U^K'₃₇} рассчитывается на основе концентраций C_37:2 и C_37:3 в образце. С помощью косвенного отношения температуры поверхности моря и значения U^K'₃₇, аналитик может рассчитать температуру поверхности моря во время отложения осадочных пород.

Множество различных аспектов истории Земли могут быть исследованы с помощью анализа осадочных пород и осадочных пород.

Биостратиграфия — это наука об определении возраста слоев или пластов породы путем анализа имеющихся окаменелостей. Поскольку существует множество источников осадочных пород, осадочные породы одного и того же периода времени могут иметь совершенно разный состав по всему миру. Определенные виды на протяжении всей истории Земли, такие как аммониты, существовали во всем мире и претерпевали быструю эволюцию. Если визуально непохожие пласты породы содержат один и тот же вид аммонита, то можно провести временную корреляцию между пластами. В сочетании с такими методами, как палеотермометрия, обширная информация об истории Земли может быть получена из окаменелостей в природных образцах.

Многие виды фораминифер, или форам, встречаются в морских отложениях по всему миру. Форамы имеют раковины из карбоната кальция и существуют во всех океанах Земли в течение миллионов лет. Многие виды живут на дне океана и, таким образом, могут предоставить информацию о температуре в более глубоких частях океана. Соотношение магния и кальция в форамах соответствует температуре, так как в более теплом климате они включают больше магния в свои оболочки. Множество видов и обилие отверстий делают их палеонтологическую летопись полезной для отслеживания изменений в океанских течениях на протяжении всей истории Земли и для биостратиграфии.

По мере того, как тектонические плиты расходятся, между ними образуется новая порода. Соответственно, свойства породы, окружающей расходящуюся границу плиты, дают информацию о движении плит с течением времени. Например, изменения в магнитном поле Земли сохраняются в некоторых минералах, обнаруженных в окаменелостях, горных породах и отложениях. Открытие симметричных изменений магнетизма вокруг срединно-океанических хребтов внесло значительный вклад в современное понимание спрединга морского дна и тектоники плит.

Вы только что посмотрели обзор палеотермометрии алкенона от JoVE. Теперь вы должны понять принципы палеотермометрии и взаимосвязь соотношения алкенонов в морских отложениях с температурой поверхности моря. В следующих видеороликах этой серии мы рассмотрим этот сложный процесс более подробно.

Спасибо за просмотр!