Un resumen del análisis de biomarcadores Alkenone para Paleothermometry

Earth Science

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Overview

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Fuente: Laboratorio de Jeff Salacup - Universidad de Massachusetts Amherst

A lo largo de esta serie de videos, muestras naturales extrajeron y purificaron en busca de compuestos orgánicos, llamados biomarcadores, que pueden relacionar información sobre climas y ambientes del pasado. Una de las muestras analizadas fue sedimento. Sedimentos acumulan en el tiempo geológico en cuencas, depresiones en la tierra en que flujos de sedimento por la acción del fluido (agua o aire), el movimiento y la gravedad. Existen dos tipos principales de cuencas, marino (océanos y mares) y lacustres (lagos). Como uno podría suponer, muy diferentes tipos de vida viven en estos entornos, impulsados en gran parte por la diferencia de salinidad entre ellos. En las últimas décadas, geoquímicos orgánicos descubrieron una caja de herramientas de proxies de biomarcadores o compuestos que pueden utilizarse para describir el clima o medio ambiente, algunos de los cuales trabajan en ambientes marinos y algunos de los que trabajan en lacustre. Nos volvemos nuestra atención aquí a la Marina paleothermometry del Reino y alkenone con la Uk'proxy de temperatura superficial de mar37 .

El proxy de biomarcadores de mar abierto más bien establecida y ampliamente aplicada mar temperatura superficial (SST) es Uk'37.

Uk'37 = (C37:2) / (C37:2 + C37:3) (véase Herbert1 para una revisión)

El índice se basa en la relación de dos cetonas alkyl poliinsaturados de cadena larga, llamados alkenones, producida por algunas clases de algas de Haptophyta2,3. Cultura4,5 y base-tapa sedimento6 calibración estudios condujeron al desarrollo de la Uk'37 índice como un proxy cuantitativo de SST. Sorprendentemente, la calibración basada en la cultura de Prahl et al. 4:

Uk'37 = 0.034(SST) + 0.039,

Y la calibración de la base superior de Müller et al. 6,

Uk'37 = 0.033(SST) + 0.044,

son estadísticamente idénticas.

Reconstruida Uk'temperaturas de37 correlacionan mejor con media anual SST para una variedad de clima y Haptophyta regímenes de producción en el océano global7. Alkenones se detectan en núcleos de sedimentos marinos del Eoceno a edad moderna8y expuestos afloramientos de sedimentos marinos levantada9 sugiriendo son muy estables en el tiempo geológico y por lo tanto útil como herramienta de paleoclima. Uk'37 se ha utilizado a los cambios de temperatura de la superficie de mar documento paleo decenal10 a plazos orbital11,12 y son por lo tanto muy versátil.

En el océano abierto, los cocolitóforos Emiliania buenos y Gephyrocapsa oceanica son responsables de la mayoría de alkenone la producción. No se sabe todavía por qué estas algas calcáreas alteran la relación de saturación de alkenones basándose en la temperatura de crecimiento. Inicialmente se pensó que alkenones eran componentes de paredes celulares del Haptophyta y que su insaturación se ajustó para mantener el fluido de la membrana, como las grasas saturadas son sólidas a temperatura ambiente, mientras que las grasas insaturadas son fluidas. Sin embargo, experimentos a esta pregunta encontraron que en lugar de estar asociado con las membranas celulares, alkenones se asocian con estructuras de almacenamiento de energía dentro de la célula. Por lo tanto, su uso dentro de la célula sigue siendo una incógnita.

Recientemente, se han encontrado alkenones en ambientes lacustres. Sin embargo, su utilidad ha sido limitada. Productores de diferentes alkenone que en el Reino marino habitan en lagos y, por tanto, la calibración entre la temperatura del agua y la insaturación (Uk'37) es diferente. Por otra parte, esta calibración es diferente entre lagos, haciendo poco probable la creación de una calibración 'global'. Por desgracia, la creación de calibraciones locales es costoso y desperdiciador de tiempo y así el futuro de Uk'37 en los lagos también es actualmente limitado.

Alkenones generalmente se extrae de los sedimentos marinos. Muy a menudo los mismos organismos que producen alkenones producen ésteres metílicos de ácidos grasos de los alkenones llamados alkenoates. Estos compuestos responsables conjuntamente con el alkenones en un cromatógrafo de gases y complican su cuantificación. Por lo tanto, estos extractos a menudo serán sometidos a una saponificación para eliminar alkenoates. Debido a la saponificación produce ácidos carboxílicos que no son susceptibles de la cromatografía de gas, una columna de gel de silicona debe realizarse después de la saponificación para quitar los ácidos carboxílicos del extracto. Las alkenones salen en la fracción de cetona de polaridad intermedia que elutes en diclorometano, mientras que los ácidos se dejan en la columna. Por último, en casos extremos, como en los sedimentos adquiridos en áreas altamente contaminadas, como estuarios cerca de centros industriales, una aducción de urea también puede requerir para quitar compuestos desconocidos que coelute con el alkenones en el cromatógrafo de gases.

Una vez que el extracto total de lípidos se purifica, se ejecuta la muestra extraída y purificada en un cromatógrafo de gases acoplado a una detector de ionización de llama. La concentración relativa de los dos alkenones se determina por la obtención del área bajo la curva para cada uno de los compuestos en software informático diseñado para sólo ello (como Chemstation de Agilent). Estas áreas se ponen entonces en el Uk'37 ecuación de proporción se muestra arriba para obtener una Uk'37 valor que oscila entre 0 y 1. Estos Uk'37 valores entonces se asignan a valor de temperatura de la superficie del mar usando una calibración como los descritos arriba.

Paleothermometry es el cálculo de temperaturas pasadas por el análisis de productos químicos específicos en muestras naturales, como los de algas prehistóricas.

Las algas son un grupo diverso de organismos que han sido abundantes en lagos y océanos de la tierra por milenios. Ciertos compuestos químicos, que son depositados en los sedimentos por algas antiguas, actúan como biomarcadores – compuestos orgánicos que pueden proporcionar a los investigadores información valiosa sobre la historia de la tierra. De hecho, análisis de contenido de algas bioindicadores en sedimento permite a los investigadores determinar la temperatura de la tierra cientos de millones de años.

Un tal registro proviene de algunas especies de cocolitóforos. Estas algas producen cantidades variables de alkenones, una clase de biomarcadores sólidas, basada en la temperatura de su entorno. Análisis de Alkenone se utilizan principalmente para calcular la temperatura superficial del mar de los océanos de la tierra eones y eones atrás.

Este video se ilustra el uso de alkenones en paleoclimatología y describir el proceso de aislamiento, purificación y análisis de alkenones para calcular más allá de la temperatura superficial del mar.

Como su nombre lo indica, "Alkenone paleothermometry" se basa en el análisis si los lípidos, conocidos como alkenones paleothermometry de Alkenone se basa en alkenones; cetonas de alquilo de cadena larga, no saturados que contienen 37 átomos de carbono y 2 a 4 dobles enlaces. Cada enlace doble es un sitio de insaturación. En las temperaturas superficiales del mar baja, alkenone productores generan más insaturados alkenones que saturado. La relación de saturación de insaturación se conoce como el índice de saturación de Alkenone.

El alkenones generalmente evaluados son C37:2 y C37:3, que tiene 37 átomos de carbono y dos o tres dobles enlaces, respectivamente. El índice de saturación de estos alkenones, o la UK'37, está relacionado positivamente con temperatura superficial del mar. El método de análisis conocido como cromatografía de gases es generalmente lo suficientemente sensible para separar estos alkenones uno del otro. Sin embargo, las algas productoras de alkenone a menudo también generan ésteres metílicos de ácidos grasos químicamente similar, o alkenoates, que no puede ser distinguido de alkenones utilizando esta técnica. Contaminación de hidrocarburos de la contaminación también puede enturbiar análisis cromatográfico. Para determinar con precisión la concentración relativa de alkenone, alkenoates e hidrocarburos desconocidas deben eliminarse antes del análisis por los métodos de saponificación y la aducción de la urea.

Ahora que la relación de coeficientes de alkenone de sedimentos a temperatura superficial del mar ha sido revisada, echemos un vistazo a las técnicas para su purificación a partir de un extracto lípido total y análisis de la relación de insaturación.

Sedimentos marinos ha sido recogido y extrae, el extracto total de lípidos, o ELT, debe pasar por un proceso de purificación multietapa y analizados. En primer lugar, el extracto somete a saponificación para convertir alkenoates en sales de carboxilato y el metanol con una base fuerte y el calor. Otros ésteres de ácidos grasos presentes en la TLE se saponificados en sales y glicerol.

Después de enfriar la mezcla a temperatura ambiente, se añade una solución salina acuosa para formar sales y glicerol. La mezcla es luego acidificado al protonate los aniones carboxilato, produciendo ácidos grasos. Finalmente, el alkenones y los ácidos grasos son extraídos de la mezcla de hexano.

Cromatografía de gel de silicona se realiza para eliminar compuestos apolar y los ácidos grasos polares producidos por saponificación. La TLE seco y saponificado es disuelto en hexano y luego cargado en una columna. Sílice retiene más fuertemente que apolar los compuestos polares.

En primer lugar, compuestos apolar se retiran con un disolvente apolar como el hexano. A continuación, alkenones se eluyen por un solvente moderado polar, como el diclorometano, dejando los ácidos grasos altamente polares y otros compuestos polares no deseados en la columna.

Si la muestra de sedimento original fue recopilada de una zona altamente contaminada, aducción de urea se realiza para eliminar cualquier resto hidrocarburos altamente ramificados o cíclicos. La fracción seca de polaridad media se disuelve en una mezcla solvente en el cual la urea fuertemente polar es mínimamente soluble, como DCM y hexano. Una solución concentrada de urea en metanol se agrega entonces a la TLE, causando cristales de urea a precipitar.

Moléculas de cadena recta como alkenones encajan en los espacios entre las moléculas en el enrejado cristalino de urea, pero no moléculas altamente ramificadas y cíclicas y son expulsadas.

Una vez haya finalizado el crecimiento cristalino, los cristales de urea son secados y luego se lava con un solvente apolar para separar compuestos expelidos. Entonces, los cristales se disuelven en una pequeña cantidad de agua. Las alkenones se extraen del agua con un solvente apolar para análisis.

Mientras que todos los anteriores pasos de purificación no distinguió entre las especies de alkenone, las pequeñas diferencias de punto de ebullición y estructura molecular son suficientes para la separación en una columna de cromatografía de gases. Cuando se combina con un detector de ionización de llama, pueden determinarse concentraciones relativas de los alkenones.

Las moléculas se identifican en el cromatograma por su tiempo de retención, o el tiempo necesario para que el compuesto a ser salir de la columna. Los tiempos de retención de los compuestos deseados son comprobados con normas alkenone.

Se determinan las concentraciones relativas de la alkenones del análisis de las áreas bajo los picos de interés. La UK'entonces se calcula el valor de37 de las concentraciones de C37:2y C37:3 en la muestra. Con la relación de poder de temperatura de la superficie de mar y la UK'valor37 , el analista puede solucionar para la temperatura superficial del mar en el momento de la deposición de sedimentos.

Muchas facetas diferentes de la historia de la tierra pueden ser investigadas por el análisis de sedimentos y rocas sedimentarias.

La Bioestratigrafía es el estudio de determinación de la edad de capas o estratos de roca por el análisis de los fósiles presentes. Como hay muchas fuentes de sedimentos, rocas sedimentarias de la misma época pueden tener dramáticamente diferentes composiciones del mundo. Ciertos conjuntos de especies a lo largo de la historia de la tierra, como los amonites, existieron en todo el mundo y experimentaron la evolución rápida. Si los estratos de roca visualmente diferentes ambos contienen la misma especie de la amonita, puede establecerse una correlación temporal entre los estratos. Cuando se combina con técnicas como la paleothermometry, amplia información sobre historia de la tierra puede ser determinado de registros fósiles en muestras naturales.

Muchas especies de foraminíferos o forams, se encuentran en los sedimentos marinos en todo el mundo. Forams tienen conchas de carbonato de calcio y han existido a lo largo de los océanos de la tierra durante millones de años. Muchas especies viven en el fondo del océano y así pueden proporcionar información sobre las partes más profundas del océano. El magnesio al cociente de calcio de forams corresponde a temperatura, ya que incorporan más magnesio en sus conchas en climas cálidos. La multitud de especies y la abundancia de forams hacen su registro fósil útil para el seguimiento de cambios en las corrientes oceánicas a lo largo de la historia de la tierra y bioestratigrafía.

Como las placas tectónicas divergen, Roca nueva de la forma entre ellos. En consecuencia, las propiedades de la roca alrededor de un límite de placa divergente proporcionan información acerca de los movimientos de la placa con el tiempo. Por ejemplo, cambios en el campo magnético de la tierra se conservan en algunos minerales encontrados en fósiles, rocas y sedimentos. El descubrimiento de cambios simétricos en magnetismo sobre dorsales oceánicas contribuido significativamente a la comprensión actual de separarse del suelo marino y la tectónica de placa.

Sólo ha visto Resumen de Alkenone Paleothermometry de Zeus. Ahora usted debe entender los principios de la paleothermometry y la relación de las tasas alkenone de sedimentos marinos a temperatura superficial del mar. Los siguientes videos de esta serie entrará en más detalle sobre este complejo proceso.

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Cite this Video

JoVE Science Education Database. Fundamentos de la ciencia de la tierra. Un resumen del análisis de biomarcadores Alkenone para Paleothermometry. JoVE, Cambridge, MA, (2017).

References

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