סקירה כללית של ניתוח סמנים ביולוגיים אלקונון עבור פליאות'רמומטריה

Overview

מקור: המעבדה של ג'ף סלקופ - אוניברסיטת מסצ'וסטס אמהרסט

במהלך סדרה זו של קטעי וידאו, דגימות טבעיות חולצו וטהרו בחיפוש אחר תרכובות אורגניות, הנקראות סמנים ביולוגיים, שיכולים לקשר מידע על אקלים וסביבות של העבר. אחת הדגימות שניתחו הייתה משקעים. משקעים מצטברים על פני זמן גיאולוגי באגנים, שקעים בכדור הארץ שאליהם זורמים משקעים דרך פעולת נוזלים (מים או אוויר), תנועה וכוח משיכה. קיימים שני סוגים עיקריים של אגנים, ימיים (אוקיינוסים וימים) ולקאסטרין (אגמים). כפי שניתן לנחש, סוגים שונים מאוד של חיים חיים בהגדרות אלה, מונע במידה רבה על ידי ההבדל במליחות ביניהם. במהלך העשורים האחרונים, גיאוכימאים אורגניים גילו ארגז כלים של שלוחי סמנים ביולוגיים, או תרכובות שניתן להשתמש בהן לתיאור האקלים או הסביבה, שחלקן עובדות בסביבות ימיות וחלקן פועלות בלקוסטרין. אנו מפנים את תשומת לבנו כאן לממלכה הימית ולפלאות'רמומטריה של אלקונון באמצעות פרוקסי טמפרטורת פני הים^שלU_{k' 37.}

פרוקסי ים הים (SST) המבוסס והיושם ביותר באוקיינוס הפתוח הוא U^k'₃₇.

U^k'₃₇ = (C37:2) / (C37:2 + C37:3) (ראה הרברט¹ לסקירה)

המדד מבוסס על היחס בין שני קטונים אלקיל ארוכי שרשרת רב בלתי רוויים, הנקראים אלקנונים, המיוצרים על ידי סוגים מסוימים של אצות הפטופיט^2,3. תרבות^4,5 ומחקרי כיול משקעים⁶ מ-Core-top הובילו לפיתוח מדד U^k'₃₇ כפרוקסי SST כמותי. למרבה הפלא, הכיול המבוסס על תרבות של פראהל ואח '. ⁴:

U^k'₃₇ = 0.034(SST) + 0.039,

וכיול הליבה העליון של מולר ואח '. ⁶,

U^k'₃₇ = 0.033(SST) + 0.044,

זהים מבחינה סטטיסטית.

טמפרטורות משוחזרות U^{k '}₃₇ לתאם הטוב ביותר עם SST שנתי ממוצע עבור מגוון רחב של אקלים ומשטרי ייצור haptophyte באוקיינוס העולמי⁷. Alkenones מזוהים בליבות משקעים ימיים של Eocene מוקדם לעידן המודרני⁸, ובפרצופים חשופים של משקעים ימיים מורמים⁹ המצביעים על יציבות רבה לאורך זמן גיאולוגי, ובכך שימושי ככלי פליאוקלימט. U^k'₃₇ שימש לתיעוד שינויים בטמפרטורת פני הים פליאו בדקדל¹⁰ ^ל-11,12 צירי זמן מסלוליים ולכן הם רב-תכליתיים מאוד.

באוקיינוס הפתוח, הקוקוליטהוהורס אמיליאניה האקסליי וגפירופסה אוקיניקה אחראים לרוב ייצור האלקנון. עדיין לא ידוע מדוע הפטופיטים האלה משנים את יחס הבלתי רוויה של אלקנונים בהתבסס על טמפרטורת הצמיחה. בתחילה סברו כי אלקנונים הם מרכיבים של קירות תא הפטופיטים וכי חוסר הרוויה שלהם הותאם על מנת לשמור על נוזל הממברנה, בדומה שומנים רוויים מוצקים בטמפרטורת החדר, בעוד שומנים בלתי רוויים הם נוזלים. עם זאת, ניסויים המכוונים לשאלה זו מצאו כי במקום להיות קשורים עם קרום התא, alkenones היו קשורים עם מבני אחסון אנרגיה בתוך התא. לכן, השימוש שלהם בתוך התא נשאר שאלה פתוחה.

לאחרונה, אלקנונים נמצאו בסביבות לקוסטרין. עם זאת, השירות שלהם הוגבל עד כה. יצרני אלקנון שונים מאלה שבתחום הימי שוכנים באגמים ולכן הכיול בין טמפרטורת המים לא רוויה (U^k'₃₇) שונה. יתר על כן, כיול זה שונה בין אגמים, מה שהופך את יצירת כיול 'גלובלי' לא סביר. למרבה הצער, יצירת כיולים מקומיים היא יקרה וגוזלת זמן ולכן העתיד עבור U^{k '}₃₇ באגמים מוגבל גם כרגע.

אלקנונים מופקים בדרך כלל ממשככים ימיים. לעתים קרובות אותם אורגניזמים המייצרים אלקנונים מייצרים אסטרים מתיל חומצת שומן של אלה אלקנונים הנקראים אלקנואטים. תרכובות אלה משתלבות עם האלקנונים על כרומטוגרפיה של גז ומסבך את הכימות שלהם. לכן, תמציות אלה יעברו לעתים קרובות saponification כדי להסיר alkenoates. מכיוון שהספוניפיקציה מייצרת חומצות קרבוקסיליות שאינן כרומטוגרפיות גז מקובלות, עמוד ג'ל סיליקה חייב להתבצע לאחר הספוניפיקציה כדי להסיר את החומצות קרבוקסיליות מהתמצית. האלקנונים יוצאים בשבר הקטון הקוטבי האמצעי שמתחמק דיכלורומתאן בזמן שהאוצידות נשארות על העמוד. לבסוף, במקרים קיצוניים, כגון משקעים שנרכשו מאזורים מזוהמים מאוד, כמו שפכים ליד מרכזי תעשייה, תוספת אוריאה עשויה להידרש גם להסיר תרכובות לא ידועות המשתלבות עם האלקנונים על כרומטוגרפיה הגז.

לאחר תמצית השומנים הכוללת מטוהרת, המדגם המופק והמטוהר מופעל על כרומטוגרפיה גז בשילוב גלאי מייננת להבה. הריכוז היחסי של שני האלקנונים נקבע על ידי קבלת השטח מתחת לעקומה עבור כל אחת מהתרכובות בתוכנת מחשב המיועדת למטרה זו בלבד (כגון Agilent Chemstation). אזורים אלה מועברים לאחר מכן למשוואת יחס U^k'₃₇המוצגת לעיל כדי לקבל ערך U^k'₃₇ הנע בין 0 ל- 1. ערכי U^k'₃₇ אלה ממופים לאחר מכן לערך טמפרטורת פני הים באמצעות כיול כגון אלה שתוארו לעיל.

פליאות'רמומטריה היא חישוב של טמפרטורות העבר על ידי ניתוח של כימיקלים ספציפיים בדגימות טבעיות, כמו אלה שהושארו מאחור על ידי אצות פרהיסטוריות.

אצות הן קבוצה מגוונת של אורגניזמים שהיו בשפע באוקיינוסים ובאגמים של כדור הארץ במשך אלפי שנים. תרכובות כימיות מסוימות, המופקדות משקעים על ידי אצות עתיקות, משמשות כסמנים ביולוגיים – תרכובות אורגניות שיכולות לספק לחוקרים תובנה חשובה על ההיסטוריה של כדור הארץ. למעשה, ניתוח של תוכן סמנים ביולוגיים אצות משקעים מאפשר לחוקרים לקבוע את טמפרטורת כדור הארץ לפני מאות מיליוני שנים.

שיא אחד כזה מגיע מכמה מינים של קוקוליטהופים. אצות אלה מייצרות כמויות שונות של אלקנון, סוג של סמנים ביולוגיים חזקים, בהתבסס על הטמפרטורה של הסביבה שלהם. ניתוח אלקנון משמש בעיקר לחישוב טמפרטורת פני הים של האוקיינוסים של כדור הארץ לפני עידנים.

סרטון זה ימחיש את השימוש באלקנונים בפלאוקלימטולוגיה ויתאר את תהליך הבידוד, הטיהור והניתוח של אלקנון לחישוב טמפרטורת פני הים בעבר.

כפי ששמו מרמז, "אלקנון פליאותרמיה" מבוסס על הניתוח אם שומנים, המכונה אלקנון פליאותרמיה מבוסס על אלקנונים; קטונים אלקיל ארוכי שרשרת ובלתי רוויים המכילים 37 אטומי פחמן ו-2 עד 4 איגרות חוב כפולות. כל קשר כפול הוא אתר של אי רוויה. בטמפרטורות נמוכות על פני הים, יצרני אלקנון מייצרים יותר אלקנון בלתי רווי מאשר רווי. היחס בין רוויה ללא רוויה ידוע כמדד אי רוויית אלקנון.

האלקנונים שבדרך כלל מוערכים הם C_37:2 ו- C_37:3, אשר יש 37 פחמנים ושניים או שלושה אג"ח כפולות, בהתאמה. מדד הבלתי רוויה של אלקנונים אלה, או^{בריטניה'}₃₇, קשור באופן חיובי לטמפרטורת פני הים. השיטה האנליטית הידועה כרומטוגרפיה גז היא בדרך כלל רגישה מספיק כדי להפריד אלקנון אלה אחד מהשני. עם זאת, אצות המייצרות אלקנון לעתים קרובות גם ליצור חומצת שומן דומה מבחינה כימית אסטרים מתיל, או אלקנואטים, אשר לא ניתן להבחין בין אלקנונים באמצעות טכניקה זו. זיהום פחמימנים מזיהום עלול גם ניתוח כרומטוגרפי בוצי נוסף. כדי לקבוע במדויק ריכוז אלקנון יחסי, יש להסיר אלקנואטים ופחמימנים לא ידועים לפני ניתוח על ידי שיטות של saponification ותוספת אוריאה.

כעת, לאחר שנבדק הקשר בין יחסי אלקנון משקעים לטמפרטורת פני הים, בואו נבחן את הטכניקות לטיהורם מתמצית שומנים מוחלטת וניתוח יחס הבלתי רוויה.

לאחר מטען ימי נאסף וחולץ, תמצית השומנים הכוללת, או TLE, חייבת לעבור תהליך טיהור רב-שלבי, ונותחה. ראשית, התמצית עוברת סאפוניפיקציה כדי להמיר אלקנואטים למלחי קרבוקסילט ומתנול באמצעות בסיס וחום חזקים. אסטרים אחרים של חומצות שומן הנמצאים ב- TLE יהפכו למלחים ולגליצרל.

לאחר קירור התערובת לטמפרטורת החדר, מתווסף תמיסת מלח מימית ליצירת מלחים גליצריל. התערובת היא חומצית לאחר מכן פרוטוניאט אניונים carboxylate, לייצר חומצות שומן. לבסוף, האלקנונים וחומצות השומן מופקים מהתערובת עם הקסאן.

כרומטוגרפיה של ג'ל סיליקה מבוצעת לאחר מכן כדי להסיר הן תרכובות קוטביות והן את חומצות השומן הקוטביות המיוצרות על ידי סאפוניפיקציה. TLE מיובש ו saponified מומס הקסאן ולאחר מכן טעון על עמוד. סיליקה שומרת על תרכובות קוטביות חזקות יותר מאשר תרכובות קוטביות.

ראשית, תרכובות קוטביות מוסרות עם ממס קוטבי, כמו הקסאן. לאחר מכן, אלקנונים הם eluted על ידי ממס קוטבי בינוני, כגון dichloromethane, עוזב את חומצות שומן קוטביות מאוד ותרכובות קוטב לא רצויות אחרות על העמוד.

אם דגימת המ משקעים המקורית נאספה מאזור מזוהם מאוד, תוספת אוריאה מבוצעת כדי להסיר את כל הפחמימנים הסתעף מאוד או מחזורי שנותרו. שבר אמצע הקוטביות היבש מומס בתערובת ממס שבה אוריאה קוטבית חזקה מסיסה מינימלית, כגון DCM והקסאן. פתרון מרוכז של אוריאה במתנול מתווסף לאחר מכן ל- TLE, מה שגורם גבישי אוריאה לזרז.

מולקולות ישרות שרשרת כגון אלקנונים מתאימות למרווחים שבין מולקולות בסריג גביש אוריאה, אך מולקולות מסועפות ומחזוריות מאוד אינן, והן מגורקות.

לאחר צמיחת הגבישים הסתיימה, גבישי אוריאה מיובשים ולאחר מכן שטף עם ממס קוטבי כדי להסיר תרכובות מגורש. לאחר מכן, הגבישים מומסים בכמות קטנה של מים. האלקנונים מופקים מהמים עם ממס קוטבי לניתוח.

בעוד שכל שלבי הטיהור הקודמים לא הבחינו בין מינים אלקנון, הבדלים קטנים בנקודת רתיחה ובמבנה מולקולרי מספיקים להפרדה על עמוד כרומטוגרפיה גז. כאשר בשילוב עם גלאי יינון להבה, ריכוזים יחסיים של alkenones, ניתן לקבוע.

מולקולות מזוהות על הכרומטוגרמה על ידי זמן השמירה שלהם, או הזמן הדרוש לתרכובת לצאת מהעמודה. זמני השמירה של התרכובות הרצויות מוודאים עם תקני אלקנון.

הריכוזים היחסיים של האלקנון נקבעים מניתוח האזורים תחת פסגות העניין. ערך U^K'₃₇ מחושב לאחר מכן מהריכוזים של C_37:2ו- C_37:3 במדגם. עם יחסי פרוקסי טמפרטורת פני הים וערך_{בריטניה 37,} האנליסט יכול לפתור את טמפרטורת פני הים בזמן התצהיר של משקעים.

היבטים רבים ושונים של ההיסטוריה של כדור הארץ יכולים להיחקר על ידי ניתוח של משקעים וסלע מ משקעים.

Biostratigraphy הוא המחקר של קביעת הגילאים של שכבות, או שכבות, של סלע על ידי ניתוח של המאובנים הנוכחיים. מכיוון שיש מקורות רבים למצורך, סלעי מים מאותה תקופה עשויים להיות קומפוזיציות שונות באופן דרמטי ברחבי העולם. קבוצות מסוימות של מינים לאורך ההיסטוריה של כדור הארץ, כגון האמוניטים, היו קיימות ברחבי העולם ועברו אבולוציה מהירה. אם שכבות סלע שונות מבחינה חזותית מכילות את אותו מין של אמוניט, אזי ניתן לצייר מתאם זמני בין השכבות. בשילוב עם טכניקות כגון פליאותרמיה, מידע נרחב על ההיסטוריה של כדור הארץ ניתן לקבוע מתוך רשומות מאובנים בדגימות טבעיות.

מינים רבים של פורמיניפרה, או פורמים, מצויים במים ימיים ברחבי העולם. ל-Forams יש קליפות סידן פחמתי והם קיימים בכל האוקיינוסים של כדור הארץ במשך מיליוני שנים. מינים רבים חיים על קרקעית האוקיינוס, ולכן יכולים לספק מידע טמפרטורה על חלקים עמוקים יותר של האוקיינוס. יחס המגנזיום לסידן של פורמים מתאים לטמפרטורה, שכן הם משלבים יותר מגנזיום בקליפות שלהם באקלים חם יותר. ריבוי המינים ושפע הניבים הופכים את תיעוד המאובנים שלהם לשימושי למעקב אחר שינויים בזרמי האוקיינוס לאורך ההיסטוריה של כדור הארץ ובביוסטרטיגרפיה.

כאשר לוחות טקטוניים מתפצלים, סלע חדש נוצר ביניהם. בהתאמה, המאפיינים של הסלע המקיף גבול צלחת מפוצלים לספק מידע על תנועות צלחת לאורך זמן. לדוגמה, שינויים בשדה המגנטי של כדור הארץ נשמרים בחלק מהמינרלים המצויים במאובנים, סלעים ומים. גילוי שינויים סימטריים במגנטיות על רכסי אמצע האוקיינוס תרם באופן משמעותי להבנה הנוכחית של התפשטות קרקעית הים וטקטוניקת הלוחות.

הרגע צפית בסקירה הכללית של ג'וב על הפליאות'רמומטריה של אלקנון. עכשיו אתה צריך להבין את העקרונות של פליאותרמיה ואת היחסים של יחסי אלקנון משקעים ימיים לטמפרטורת פני הים. הסרטונים הבאים בסדרה זו ייכנסו לפרטים נוספים על תהליך מורכב זה.

תודה שצפיתם!

Procedure

אצות הן קבוצה מגוונת של אורגניזמים שהיו בשפע באוקיינוסים ובאגמים של כדור הארץ במשך אלפי שנים. תרכובות כימיות מסוימות, המופקדות משקעי...

Results

References

Herbert, T. D. Alkenone paleotemperature determinations, in Treatise in Marine Geochemistry, edited by H. Elderfield, Elsevier 391-432 (2003).
Conte, M. H., Thompson, A., Eglinton, G. Primary production of lipid biomarker compounds by Emiliania huxleyi: results from an experimental mesocosm study in fjords of southern Norway, Sarsia, 79, 319-332 (1994).
Volkman, J. K., Barrett, S. M., Blackburn, S. I., and Sikes, E. L. Alkenones in Gephyrocapsa-Oceanica - Implications for Studies of Paleoclimate. Geochimica et Cosmochimica Acta 59, 513-520 (1995).
Prahl, F. G., Muehlhausen, L. A., Zahnle, D. L. Further evaluation of long-chain alkenones as indicators of paleoceanographic conditions, Geochimica et Cosmochimica Acta, 52(9), 2303-2310 (1988).
Prahl, F. G., Wakeham S. G., Calibration of Unsaturation Patterns in Long-Chain Ketone Compositions for Paleotemperature Assessment, Nature, 330(6146), 367-369 (1987).
Müller, P. J. et al. Calibration of the alkenone paleotemperature index U37K′ based on core-tops from the eastern South Atlantic and the global ocean (60°N-60°S), Geochimica et Cosmochimica Acta, 62(10), 1757-1772 (1998).
Conte, M. H. et al. Global temperature calibration of the alkenone unsaturation index (U-37(K ')) in surface waters and comparison with surface sediments. Geochemistry Geophysics Geosystems, 7, (2006).
Marlowe, I. T. et al. Long-chain Alkenones and Alkyl Alkenoates and the Fossil Coccolith Record of Marine-sediments, Chem Geol, 88(3-4), 349-375 (1990).
Cleaveland, L. C., Herbert, T. D. Preservation of the alkenone paleotemperature proxy in uplifted marine sequences: A test from the Vrica outcrop, Crotone, Italy. Geology 37, 179-182 (2009).
Sicre, M. A. et al. Decadal variability of sea surface temperatures off North Iceland over the last 2000 years. Earth and Planetary Science Letters 268, 137-142 (2008).
Brassell, S. C., Eglinton, G., Marlowe, I. T., Pflaumann, U., Sarnthein, M. Molecular Stratigraphy - a New Tool for Climatic Assessment, Nature, 320 (6058), 129-133 (1986).
Herbert, T. D., Peterson, L. C., Lawrence, K. T., Liu, Z. Tropical ocean temperatures over the past 3.5 Myr. Science 328, 1530-1534 (2010).