Un aperçu de l’analyse de biomarqueurs d’alcénone pour Paleothermometry

Earth Science

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Overview

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Source : Laboratoire de Jeff Sanoussi - University of Massachusetts Amherst

Tout au long de cette série de vidéos, les échantillons naturels ont été extraites et purifiées à la recherche de composés organiques appelés biomarqueurs, qui peuvent transmettre de l’information sur les climats et les environnements du passé. Un des échantillons analysés a été de sédiments. Les sédiments s’accumulent au fil des temps géologiques dans les bassins, les dépressions dans le sol dans lesquels circule de sédiments par l’action du fluide (eau ou air), mouvement et la gravité. Deux principaux types de bassins existent, marine (les océans et les mers) et lacustres (lacs). Comme on peut le deviner, très différents types de vie vivent dans ces milieux, grâce en grande partie la différence de salinité entre eux. Au cours des dernières décennies, géochimistes organiques a découvert une panoplie de procurations biomarqueur, ou des composés qui peuvent être utilisés pour décrire le climat ou l’environnement, dont certains travaillent dans les milieux marins et certains qui agissent en lacustre. Nous portons notre attention ici sur le paleothermometry marine de Royaume et alcénone à l’aide de l’Uk'37 proxy de mer la température de surface.

Le proxy de température de surface (SST) de mer biomarqueur de haute mer plus bien établi et largement appliquée est Uk'37.

Uk'37 = (C37:2) / (C37:2 + C37:3) (voir Herbert1 pour un examen)

L’indice est basé sur le rapport entre les deux polyinsaturés à chaîne longue alkyl cétones, appelé alkénones, produites par certaines classes de Haptophyta algues2,3. La culture4,5 et base-sommet sédiments6 calibration études ont conduit à l’élaboration de l’Uk'37 Index comme une approximation quantitative de la SST. Étonnamment, la calibration basée sur l’élevage des Prahl et al. 4:

Uk'37 = 0.034(SST) + 0,039,

Et l’étalonnage de base-sommet de Müller et al. 6,

Uk'37 = 0.033(SST) + 0,044,

sont statistiquement identiques.

Reconstruit la Uk'des températures de37 correspondent mieux aux moyenne annuelle SST pour une variété de régimes de production climatiques et les haptophytes dans l' océan mondial7. Alkénones sont détectés dans des carottes de sédiments marins de l’Éocène précoce à l’âge moderne8et dans des affleurements exposés de sédiments marins soulevés9 suggérant qu’ils sont très stables dans le temps géologique et donc utile comme outil paléoclimatiques. Uk'37 a été utilisé pour documenter les changements de température de surface de mer paléo décennale10 périodes orbitales11,12 et sont donc très polyvalent.

En plein océan, les coccolithophoridés Emiliania huxleyi et Gephyrocapsa oceanica sont responsables de la plupart de la production alcénone. On ne sait pas encore pourquoi ces haptophytes modifier le rapport de l’insaturation des alkénones basé sur la température de croissance. On pensait initialement qu’alkénones étaient des éléments des parois cellulaires haptophytes et que leur insaturation a été ajustée afin de maintenir le fluide de la membrane, tout comme les gras saturés sont solides à température ambiante, tandis que les gras insaturés sont liquides. Cependant, les expériences visant à cette question trouvent qu’au lieu d’être associés avec les membranes cellulaires, alkénones ont été associés à des structures de stockage d’énergie à l’intérieur de la cellule. Par conséquent, leur utilisation à l’intérieur de la cellule reste une question ouverte.

Récemment, les alkénones ont été trouvés dans des milieux lacustres. Cependant, leur utilité a été jusqu'à présent limitée. Alcénone différents producteurs que ceux dans le Royaume marin habitent dans des lacs et donc l’étalonnage entre la température de l’eau et l’insaturation (Uk'37) est différent. En outre, cet étalonnage est différent entre lacs, rendant la création d’un « global » étalonnage improbable. Malheureusement, la création d’étalonnages locales est coûteux et beaucoup de temps et donc l’avenir pour Uk'37 dans les lacs est également actuellement limité.

Alkénones sont généralement extraites de sédiments marins. Très souvent les mêmes organismes qui produisent des alcénones produisent des esters méthyliques d’acides gras de ces alkénones appelés alkénoates. Ces composés éluer conjointement avec l’alkénones sur un chromatographe en phase gazeuse et compliquent leur quantification. Par conséquent, ces extraits subira souvent une saponification pour supprimer Oates. Étant donné que la saponification produit des acides carboxyliques qui ne sont pas prêtent chromatographe en phase gazeuse, une colonne de gel de silice doit être effectuée après la saponification pour éliminer les acides carboxyliques de l’extrait. Les alcénones sortent dans la fraction de cétone de polarité moyenne qui élué dans le dichlorométhane tandis que les acides sont laissés sur la colonne. Enfin, dans des cas extrêmes, telles que dans les sédiments acquis de zones fortement polluées, comme les estuaires, près de centres industriels, une adduction d’urée peut-être également être nécessaire pour éliminer les composés inconnus qui élués avec l’alkénones sur le chromatographe en phase gazeuse.

Une fois l’extrait lipidique total est purifié, l’échantillon extrait et purifié est exécuté sur un chromatographe en phase gazeuse couplée à une flamme ionisant détecteur. La concentration relative des deux alkénones est déterminée par l’obtention de l’aire sous la courbe pour chacun des composés sur ordinateur un logiciel destiné à cet effet (par exemple, Agilent Chemstation). Ces domaines sont ensuite placés dans l’Uk'37 équation de taux indiquée ci-dessus pour obtenir un Uk'valeur de37 qui varie entre 0 et 1. Ces Uk'37 valeurs sont alors mappées à la valeur de température de surface de mer à l’aide d’un étalonnage telles que celles décrites ci-dessus.

Paleothermometry est le calcul des températures passées par l’analyse des substances chimiques spécifiques dans les échantillons naturels, comme ceux laissés par les algues préhistoriques.

Les algues sont un groupe diversifié d’organismes qui ont été abondant dans les lacs et les océans de la terre depuis des millénaires. Certains composés chimiques, qui sont déposés dans les sédiments par les algues antiques, servent de biomarqueurs – composés organiques qui peuvent fournir aux chercheurs un aperçu précieux dans l’histoire de la terre. En fait, l’analyse de la teneur en algues biomarqueur dans les sédiments permet aux chercheurs de déterminer la température de la terre des centaines de millions d’années.

Un tel enregistrement vient de certaines espèces de coccolithophores. Ces algues produisent des quantités variables d’alkénones, une classe de biomarqueurs robustes, basée sur la température de leur environnement. Alcénone analyse est principalement utilisé pour calculer la température de surface des Océans de la terre des éons et des éons il y a.

Cette vidéo sera illustrent l’utilisation d’alkénones en paléoclimatologie et décrire le processus d’isolement, purifiant et l’analyse alkénones pour calculer passé la température de surface de mer.

Comme son nom l’indique, « Alcénone paleothermometry » repose sur l’analyse si lipides, appelées alkénones alcénone paleothermometry est basé sur alkénones ; cétones de longue chaîne, unsaturated alkyl qui contiennent des atomes de carbone 37 et 2 à 4 doubles liaisons. Chaque double liaison est un site d’insaturation. À basses températures de surface, alcénone producteurs génèrent plus insaturés alkénones que saturé. Le taux de saturation d’insaturation est connu comme l’indice d’insaturation alcénone.

Les alkénones habituellement évaluées sont C37 : 2 et C37 : 3, 37 carbones et ayant deux ou trois doubles liaisons, respectivement. L’Index de l’insaturation de ces alkénones, ou le UK'37, est positivement reliée à la température de surface de mer. La méthode d’analyse sais comme la chromatographie en phase gazeuse est généralement assez sensible pour séparer ces alkénones uns des autres. Toutefois, des algues productrices d’alcénone souvent génèrent esters méthyliques chimiquement semblable acide gras ou Oates, qui ne peut être distinguée d’alkénones en utilisant cette technique. Contamination de la pollution par des hydrocarbures peut aussi encore boueuses analyse chromatographique. Pour déterminer avec précision la concentration relative alcénone, Oates et hydrocarbures inconnus doivent être retirés avant l’analyse par les méthodes de saponification et d’adduction de l’urée.

Maintenant que la relation des ratios d’alcénone de sédiments à la température de surface de mer a été revue, nous allons étudier les techniques pour leur purification à partir d’un extrait lipidique total et une analyse du ratio insaturation.

Une fois que les sédiments marins a été recueilli et extrait, l’extrait lipidique total, ou TLE, doit passer par un processus de purification multi-étapes et analysés. Tout d’abord, l’extrait subit une saponification pour convertir alkénoates en sels de carboxylates et du méthanol à l’aide d’une base forte et la chaleur. Autres esters d’acides gras présents dans le TLE vont être saponifiés en sels et en glycérol.

Après refroidissement du mélange à la température ambiante, une solution aqueuse de sel est ajoutée pour former les sels et le glycérol. Le mélange est ensuite acidifié à protoner les anions carboxylate, produisant des acides gras. Enfin, les alkénones et les acides gras sont extraites le mélange avec de l’hexane.

Chromatographie sur gel de silice est ensuite effectuée pour éliminer les composés apolaires et les acides gras polaires produites par saponification. La TLE séché et saponifiée est dissous dans de l’hexane et ensuite chargée sur une colonne. Silice conserve les composés polaires plus fortement qu’apolaire ones.

Tout d’abord, les composés apolaires sont enlevés avec un solvant apolaire, comme l’hexane. Ensuite, les alkénones sont éluées par un solvant modérément polaire, comme le dichlorométhane, laissant les acides gras hautement polaires et autres composés polaires indésirables sur la colonne.

Si l’échantillon original de sédiments a été collecté dans une zone très polluée, adduction de l’urée est exécutée pour supprimer n’importe quel autres hydrocarbures hautement ramifiés ou cycliques. La fraction de polarité moyenne séchée est dissous dans un mélange de solvants dont l’urée fortement polaire est très peu soluble, tels que le DCM et l’hexane. Une solution concentrée d’urée dans le méthanol est ensuite ajoutée à la TLE, causant des cristaux d’urée à précipiter.

Molécules à chaîne droite tels qu’alkénones s’insérer dans les espaces entre les molécules dans le réseau cristallin d’urée, mais ne sont pas des molécules hautement ramifiés et cycliques et sont expulsés.

Une fois que la croissance des cristaux est terminée, les cristaux d’urée sont séchés et ensuite lavés avec un solvant apolaire pour éliminer les composés expulsés. Ensuite, les cristaux sont dissous dans un peu d’eau. Les alcénones sont extraites de l’eau avec un solvant apolaire pour analyse.

Alors que toutes les précédentes étapes de purification ne fait pas distinction entre espèces alcénone, petites différences dans la structure moléculaire et de la température d’ébullition sont suffisants pour séparation sur une colonne de chromatographie en phase gazeuse. Lorsqu’il est associé avec un détecteur à ionisation de flamme, les concentrations relatives de l’alkénones, peut être déterminé.

Les molécules sont identifiées sur le chromatogramme par leurs temps de rétention, ou le temps nécessaire pour le composé à être sortie de la colonne. Les temps de rétention des composés désirés sont constatés avec les normes d’alcénone.

Les concentrations relatives de l’alkénones sont déterminées à partir de l’analyse des zones sous les pics d’intérêt. L’UK'37 est ensuite calculée d’après les concentrations de C37 : 2et C37 : 3 dans l’échantillon. Avec la relation de proxy de température de surface de mer et le UK'valeur de37 , l’analyste peut résoudre pour la température de surface au moment de la sédimentation.

Beaucoup de différentes facettes de l’histoire de la terre peuvent être étudiées par l’analyse des sédiments et roches sédimentaires.

Biostratigraphie est l’étude de la détermination de l’âge des couches ou strates de roche par l’analyse des fossiles présents. Comme il existe de nombreuses sources de sédiments, des roches sédimentaires de la même période de temps peuvent avoir radicalement différentes compositions dans le monde entier. Certains ensembles d’espèces tout au long de l’histoire de la terre, comme les ammonites, existaient dans le monde entier et a subi une évolution rapide. Si les strates de roche dissemblables visuellement les deux contiennent les mêmes espèces d’ammonites, puis une corrélation temporelle entre les strates peut être tirée. Lorsqu’il est combiné avec des techniques telles que paleothermometry, des informations détaillées sur l’histoire de la terre peuvent être déterminées de registres fossiles dans des échantillons naturels.

Beaucoup d’espèces de foraminifères ou Fotso, se trouvent dans les sédiments marins dans le monde entier. Fotso ont des coquilles de carbonate de calcium et existence dans tous les océans de la terre depuis des millions d’années. De nombreuses espèces vivent sur le fond de l’océan et donc peuvent fournir des informations de température sur les parties plus profondes de l’océan. Le magnésium ratio calcium de FOTSO correspond à la température, car elles intègrent plus de magnésium dans leur coquille dans des climats plus chauds. La multitude d’espèces et l’abondance des fotso rendent leurs fossiles utile pour le suivi des modifications dans les courants océaniques tout au long de l’histoire de la terre et la biostratigraphie.

Lorsque les plaques tectoniques divergent, nouveau rock forme entre eux. Parallèlement, les propriétés de la roche entourant une bordure de plaque divergente fournissent des informations sur les mouvements des plaques au fil du temps. Par exemple, des changements dans le champ magnétique terrestre sont conservés dans certains minéraux présents dans les fossiles, roches et les sédiments. La découverte des changements symétriques en magnétisme sur les dorsales médio-océaniques a largement contribué à la compréhension actuelle de la propagation du plancher océanique et la tectonique des plaques.

Vous avez juste regardé aperçu d’alcénone Paleothermometry de JoVE. Vous devez maintenant comprendre les principes de la paleothermometry et la relation des ratios d’alcénone dans les sédiments marins à la température de surface de mer. Vidéos suivantes dans cette série vont entrer dans les détails sur ce processus complex.

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JoVE Science Education Database. L'essentiel de la science de la terre. Un aperçu de l’analyse de biomarqueurs d’alcénone pour Paleothermometry. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

References

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