Сильно разветвленный изопреноид
Сильно разветвленные изопреноиды ( HBI ) представляют собой длинноцепочечные алкены, вырабатываемые небольшим количеством морских диатомей . [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] Существует множество сильно разветвленных изопреноидных C 25 структур, но наиболее распространены в осадочной летописи сильно разветвленные изопреноиды , содержащие от одной до трех двойных связей. Сильно разветвленные изопреноиды использовались в качестве экологических показателей состояния морского льда в Арктике и Антарктике на протяжении всего голоцена , а в последнее время используются для реконструкции более древних ледовых летописей. [ 4 ]
Фон
[ редактировать ]Сильно разветвленные изопреноиды представляют собой тип липидов, вырабатываемых морскими диатомовыми водорослями. Сильно разветвленные изопреноиды являются биомаркерами , и их присутствие или отсутствие в осадочных и ледяных записях может использоваться в качестве прямого показателя присутствия морского льда. Как правило, сильно разветвленные изопреноиды, которые используются в качестве заменителей морского льда, представляют собой 25- углеродные молекулы, содержащие от одной до трех двойных связей. Самые длинные углеродные цепи в сильно разветвленных изопреноидах C 25 , используемых для реконструкции морского льда, состоят из 15 атомов углерода, но эти молекулы сильно разветвлены и имеют более короткие углеродные цепи, прикрепленные к первичной углеродной цепи. В качестве заменителей льда используются 3 сильно разветвленных изопреноида C 25 : моноен C 25 C 25 (HBI I), диен (HBI II) и триен C 25 (HBI III). Сильно разветвленные изопреноиды I и II уникальны тем, что в основном продуцируются симпагическими диатомовыми водорослями. Симпагические диатомеи живут в каналах у подножия морского льда, что делает их очень точным заменителем морского льда. Весной диатомовые водоросли морского льда производят сильно разветвленные изопреноиды. [ 5 ] Летом лед тает, высвобождая сильно разветвленные изопреноиды в толщу воды, где они тонут, а затем откладываются в отложениях. [ 5 ] Сильно разветвленные изопреноиды I и II обычно отсутствуют в регионах, где нет морского ледяного покрова, что подтверждает их использование в качестве показателя сезонного морского льда. Сильно разветвленный изопреноид III вырабатывается пелагическими водорослями или водорослями, которые процветают в открытом океане. [ 6 ] Сильно разветвленный изопреноид III можно использовать в качестве биомаркера сезонного морского льда в открытом океане. [ 5 ]
Сильно разветвленные изопреноиды были впервые обнаружены в 1976 году Патриком Гирингом в отложениях Мексиканского залива у побережья Флориды при исследовании углеводородов в шельфовых отложениях. [ 7 ] После этой первоначальной идентификации сильно разветвленные изопреноиды были идентифицированы в различных морских средах, таких как Пьюджет-Саунд , Антарктида , Испания и Перу . [ 1 ] Сильно разветвленные изопреноиды C 25 были впервые идентифицированы у морских диатомовых водорослей Джоном Волкманом в 1994 году, когда он выделил семь различных сильно разветвленных изопреноидов C 25 из морской диатомовой водоросли Haslea ostrearia . [ 1 ] Это предоставило первые доказательства того, что морские диатомовые водоросли производят сильно разветвленные изопреноиды.
В настоящее время точные биологические функции сильно разветвленных изопреноидов недостаточно изучены. Сильно разветвленные изопреноиды представляют собой тип изопреноидных липидов , которые выполняют множество жизненно важных биологических функций. Изопреноиды играют важную роль в регуляции экспрессии генов, формировании клеточных мембран , а также играют важную роль в транспорте электронов и фотосинтезе . [ 8 ]
Сильно разветвленный изопреноид I
[ редактировать ]| Имена | |
|---|---|
| Название ИЮПАК
2,6,10,14-тетраметил-7-(3-метилпент-4-енил)пентадекан
| |
| Идентификаторы | |
3D model ( JSmol )
|
|
| ХимическийПаук | |
ПабХим CID
|
|
| Характеристики | |
| С 25 Ч 50 | |
| Молярная масса | 350.675 g·mol −1 |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа).
| |
Сильно разветвленный изопреноид (HBI I), моноен C 25 , также известен как IP 25 (ледяной прокси с 25 атомами углерода). IP 25 служит биомаркером ледовых условий в Арктике . [ 4 ] Этот сильно разветвленный изопреноид характеризуется одинарной двойной связью и впервые был идентифицирован у морских диатомей Томасом Брауном в 2014 году. [ 3 ] Было показано, что различные диатомовые водоросли продуцируют IP 25 , при этом большинство сильно разветвленных изопреноидов продуцируется арктическими диатомовыми водорослями Haslea Crusgeroides, Haslea spicula, Haslea kjellmanii и Pleurosigma stuxbergii var. ромбоиды . [ 3 ] Несмотря на то, что эти виды не составляют значительную часть сообществ симпатических диатомовых водорослей во всем мире, они широко распространены в Арктике. [ 3 ] На сегодняшний день IP 25 был идентифицирован более чем в 500 арктических образцах. [ 5 ]
Сильно разветвленный изопреноид II
[ редактировать ]| Имена | |
|---|---|
| Название ИЮПАК
2,10,14-триметил-6-метилиден-7-(3-метилпент-4-енил)пентадекан
| |
| Идентификаторы | |
3D model ( JSmol )
|
|
| ХимическийПаук | |
ПабХим CID
|
|
| Характеристики | |
| С 25 Ч 48 | |
| Молярная масса | 348.659 g·mol −1 |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа).
| |
Сильно разветвленный изопреноид II (HBI II), диен C 25 , также известен как IPSO 25 (ледяной аналог Южного океана с 25 атомами углерода). IPSO 25 — это биомаркер палеольда в Южном океане . IPSO 25 Также было обнаружено, что встречается одновременно с IP 25 в Арктике. [ 3 ] HBI II содержит две двойные связи и впервые был идентифицирован в морских диатомовых водорослях Саймоном Белтом в 2016 году. [ 9 ] Основным источником IPSO 25 является симпагическая диатомовая водоросль Berkeleya adeliensis , обитающая внутри тромбоцитарного льда. [ 9 ] Прокси IPSO 25 является менее развитым биомаркером, чем IP 25 , и его арктические источники неясны. IPSO 25 также был идентифицирован у диатомовой водоросли Haslea ostrearia и в отложениях в неполярных местах, что указывает на то, что необходима дополнительная работа для полного понимания и разработки IPSO 25 в качестве заместителя палеольда. [ 10 ] [ 11 ]
Сильно разветвленный изопреноид III
[ редактировать ]| Имена | |
|---|---|
| Название ИЮПАК
(Z,9E)-2,6,10,14-тетраметил-9-(3-метилпент-4-енилиден)пентадек-6-ен
| |
| Идентификаторы | |
3D model ( JSmol )
|
|
| ХимическийПаук | |
ПабХим CID
|
|
| Характеристики | |
| С 25 Ч 46 | |
| Молярная масса | 346.643 g·mol −1 |
Если не указано иное, данные приведены для материалов в стандартном состоянии (при 25 °C [77 °F], 100 кПа).
| |
Сильно разветвленный изопреноид III (HBI III), триен C 25 , является биомаркером, полезным для анализа краевой ледяной зоны (MIZ), зоны между открытым океаном и морским льдом. Сильно разветвленный изопреноид III продуцируется преимущественно пелагическими водорослями рода Rhizosolenia , в частности Rhizsolenia setigera, Rhizosolenia herbetata f. semispina и Rhizosolenia polydactyla . [ 6 ] Его источник был определен Саймоном Белтом в 2017 году, который выделил сильно разветвленный изопреноид III из образцов фитопланктона западного Шпицбергена и Южной Атлантики. [ 6 ] Производство сильно разветвленного изопреноида III, по-видимому, усиливается в MIZ, однако почему это происходит в настоящее время не совсем понятно. [ 5 ] Отсутствие сильно разветвленного изопреноида III в отложениях обычно объясняется наличием морского ледяного покрова в этом регионе, поскольку ледяной покров не позволяет производить пелагические водоросли. [ 5 ]
Сохранение
[ редактировать ]Многие биомаркеры обладают функциональными группами или являются ненасыщенными, что приводит к их диагенезу при попадании в отложения. В осадочной летописи наблюдается хорошая сохранность сильно разветвленных изопреноидов. [ 5 ] Сильно разветвленные изопреноиды преимущественно образуются в сезонном морском льду во время весеннего цветения симпагических диатомей . Когда эти ледяные щиты впоследствии тают, сильно разветвленные изопреноиды, образовавшиеся в морском льду, высвобождаются в морскую воду. Затем они проваливаются сквозь толщу воды и попадают в отложения, где их можно сохранить. Условия отложений влияют на то, насколько хорошо сохраняются сильно разветвленные изопреноиды. Как правило, стабильность сильно разветвленных изопреноидов зависит от степени их ненасыщенности. [ 12 ] Триены C 25 с большей вероятностью подвергаются разложению по сравнению с моненами и диенами C 25 , причем разложение усиливается при повышении температуры и воздействии света, что приводит к окислению . [ 12 ] Мононенасыщенный C 25 IP 25 является наименее реакционноспособным сильно разветвленным изопреноидом и, следовательно, наиболее устойчив к разложению и лучше всего сохраняется в отложениях. [ 12 ]
Предполагается, что сильно разветвленные изопреноиды, особенно сильно разветвленный изопреноид I, обладают долговременной стабильностью. В то время как большинство исследований на сегодняшний день сосредоточено на изучении сильно разветвленных изопреноидов в отложениях голоцена , сильно разветвленные изопреноиды были обнаружены, измерены и проанализированы в отложениях возрастом 12 миллионов лет из позднего миоцена . [ 13 ] Необходимы дополнительные исследования, чтобы определить, могут ли сильно разветвленные изопреноиды сохраняться более 12 миллионов лет, но вполне вероятно, что время их разложения зависит от местных условий отложений.
Методы измерения
[ редактировать ]ГХ/МС
[ редактировать ]Сильно разветвленные изопреноиды и другие органические материалы можно извлечь из отложений для анализа. Связанная газовая хроматография и масс-спектрометрия могут использоваться для анализа органических веществ, присутствующих в отложениях. Пики можно идентифицировать с помощью газового хроматографа и масс-спектра, которые предоставляют информацию о времени удерживания и соотношении массы к заряду органических соединений, присутствующих в молекуле. Это позволяет идентифицировать сильно разветвленные изопреноиды внутри материала. Для идентификации сильно разветвленных изопреноидов в отложениях обычно селективный ионный мониторинг (SIM). используется [ 3 ] SIM собирает данные по интересующим массам в течение ожидаемого периода времени удерживания, что позволяет идентифицировать и количественно определять соединения с высокой чувствительностью. Сильно разветвленный изопреноид I, сильно разветвленный изопреноид II и сильно разветвленный изопреноид III идентифицируются и количественно оцениваются с помощью SIM с использованием характерных пиков масс-спектра при m/z = 350, 348 и 346 соответственно. [ 5 ]
Изотопные отношения
[ редактировать ]Изотопные измерения углерода могут быть использованы для подтверждения происхождения сильно разветвленных изопреноидов из морского льда. Эти измерения изотопов углерода получены с использованием масс-спектрометра изотопного отношения . Сильно разветвленные изопреноиды морского ледяного происхождения обогащены [[Δ 13 С|д 13 C]] как во льду, так и в отложениях. [ 5 ] Измерение δ 13 Значения C позволяют диагностически определить, произошел ли сильно разветвленный изопреноид из морского льда.
Сильно разветвленный изопреноид I
[ редактировать ]Было обнаружено, что сильно разветвленный изопреноид I обогащен 13 К. д 13 Значения C колеблются от -16,9 до -22,7 ‰ в морском льду и от -16,3 до -23,2 ‰ в отложениях. [ 15 ] [ 16 ] Было высказано предположение, что это обогащение отчасти является результатом того факта, что морские диатомовые водоросли, которые производят сильно разветвленный изопреноид I, живут в условиях ограничения CO 2 . [ 15 ] Температура и скорость роста диатомей также могут играть роль в наблюдаемом изотопном составе сильно разветвленного изопреноида I, но необходима дополнительная работа, чтобы полностью понять причины наблюдаемого δ. 13 Значения С. [ 15 ]
Сильно разветвленный изопреноид II
[ редактировать ]Сильно разветвленный изопреноид II имеет характерный изотопный состав углерода с измеренной δ 13 Значения C варьируются от -5,7 до -8,5‰. [ 17 ] Это значение указывает на обогащение 13 C. Это обогащение также наблюдалось для сильно разветвленного изопреноида II в отложениях и в водах вблизи тающего морского льда. [ 17 ] [ 18 ] Это обогащение, вероятно, является результатом условий с ограниченным содержанием CO 2 , в которых растут диатомовые продуценты сильно разветвленного изопреноида II. [ 17 ] Этот отличительный изотопный состав является убедительным доказательством происхождения сильно разветвленного изопреноида II из морского льда, что делает его хорошим заменителем морского льда вокруг Антарктиды.
Сильно разветвленный изопреноид III
[ редактировать ]Сильно разветвленный изопреноид III обеднен δ 13 C, со значениями от -35 до -40‰. [ 17 ] Сильно разветвленный изопреноид III обеднен δ 13 C, потому что он не производится в условиях ограничения CO 2 , поэтому истощение является результатом биологического фракционирования . [ 17 ]
Практический пример: Использование IP 25 для восстановления ледовых рекордов
[ редактировать ]построено более 60 палео-записей морского льда, В настоящее время на основе IP 25 охватывающих голоцен , переход среднего плейстоцена , границу плиоцена / плейстоцена и поздний миоцен . [ 19 ] Присутствие IP 25 в отложениях является прямым показателем наличия сезонного морского ледяного покрова. В одном исследовании концентрация IP 25 в отложениях использовалась для реконструкции данных о морском льду в западной части северной части Тихого океана и Беринговом море за последние 18 000 лет. [ 20 ] Исследователи из Германии получили образцы отложений из северной части Тихого океана и Берингова моря во время круиза по Зонне в 2009 году. [ 20 ] IP 25 был идентифицирован в образцах с помощью ГХ/МС, а осадки датированы с использованием хроностратиграфического подхода, рентгенофлуоресцентного и радиоуглеродного датирования планктонных фораминифер . [ 20 ] морского льда Исследователи обнаружили, что изменения в концентрации прокси IP 25 согласуются с известными изменениями температуры, основанными на других данных, таких как δ 18 Значения O и данные о биогенном опале . [ 20 ] Как правило, в холодные периоды концентрация IP 25 в отложениях повышалась, что указывает на более обширный покров морского льда. [ 20 ] Более конкретно, между 18 000 и 15 000 лет назад концентрации IP 25 были относительно высокими, но снизились между 14 700 и 12 900 годами назад во время периода потепления Бёллинг/Аллерёд . [ 20 ] 12 500 лет назад в отложениях было обнаружено значительное увеличение концентрации IP 25 , что соответствует началу периода позднего дриаса , который ознаменовал возврат к ледниковым условиям. [ 20 ] Концентрация IP 25 снизилась примерно до 0 11 500 лет назад, что ознаменовало конец Младшего дриаса. На протяжении всего голоцена концентрации IP 25 оставались низкими, что согласуется с отсутствием обширного ледяного покрова в этот период. [ 20 ] Эта реконструкция согласуется с другими показателями палеоклимата и известными изменениями климата, демонстрируя способность показателя IP 25 реконструировать палеоледяные записи.
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Jump up to: а б с Волкман, Джон К.; Барретт, Стефани М.; Данстан, Грэм А. (март 1994 г.). «Высокоразветвленные изопреноидные алкены C25 и C30 в лабораторных культурах двух морских диатомей». Органическая геохимия . 21 (3–4): 407–414. дои : 10.1016/0146-6380(94)90202-X .
- ^ Белт, Саймон Т; Аллард, В.Гай; Массе, Гийом; Робер, Жан-Мишель; Роуленд, Стивен Дж (ноябрь 2000 г.). «Высокоразветвленные изопреноиды (HBI): идентификация наиболее распространенных и распространенных осадочных изомеров». Geochimica et Cosmochimica Acta . 64 (22): 3839–3851. Бибкод : 2000GeCoA..64.3839B . дои : 10.1016/S0016-7037(00)00464-6 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж Браун, штат Техас; Ремень, СТ; Татарек А.; Манди, CJ (сентябрь 2014 г.). «Идентификация источника прокси-сервера арктического морского льда IP25» . Природные коммуникации . 5 (1): 4197. Бибкод : 2014NatCo...5.4197B . дои : 10.1038/ncomms5197 . ISSN 2041-1723 . ПМИД 24939562 .
- ^ Jump up to: а б Белт, Саймон Т.; Массе, Гийом; Роуленд, Стивен Дж.; Пулен, Мишель; Мишель, Кристина; ЛеБлан, Бернар (январь 2007 г.). «Новое химическое ископаемое палео-морского льда: IP25». Органическая геохимия . 38 (1): 16–27. doi : 10.1016/j.orggeochem.2006.09.013 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час я Белт, Саймон Т. (ноябрь 2018 г.). «Биомаркеры, специфичные для источника, как индикаторы морского льда Арктики и Антарктики». Органическая геохимия . 125 : 277–298. дои : 10.1016/j.orggeochem.2018.10.002 . hdl : 10026.1/12842 . S2CID 133860206 .
- ^ Jump up to: а б с Белт, Саймон Т.; Браун, Томас А.; Смик, Лукас; Татарек, Агнешка; Виктор, Юзеф; Стовассер, Габриэле; Эссми, Филипп; Аллен, Клэр С.; Хусум, Катрин (август 2017 г.). «Идентификация сильно разветвленных изопреноидных (HBI) алкенов C25 у диатомовых водорослей рода Rhizosolenia в полярном и субполярном морском фитопланктоне». Органическая геохимия . 110 : 65–72. doi : 10.1016/j.orggeochem.2017.05.007 . hdl : 10026.1/9642 .
- ^ Гиринг, Патрик; Гиринг, Хуанита Ньюман; Литл, Томас Ф.; Литл, Джулия Север (1 сентября 1976 г.). «Углеводороды в 60 отложениях шельфа северо-восточной части Мексиканского залива: предварительное исследование». Geochimica et Cosmochimica Acta . 40 (9): 1005–1017. Бибкод : 1976GeCoA..40.1005G . дои : 10.1016/0016-7037(76)90043-0 .
- ^ Гольштейн, Сара А.; Холь, Раймонд Дж. (апрель 2004 г.). «Изопреноиды: замечательное разнообразие форм и функций». Липиды . 39 (4): 293–309. дои : 10.1007/s11745-004-1233-3 . ISSN 0024-4201 . ПМИД 15357017 . S2CID 4061743 .
- ^ Jump up to: а б Ремень, СТ; Смик, Л.; Браун, штат Техас; Ким, Ж.-Х.; Роуленд, С.Дж.; Аллен, CS; Гал, Ж.-К.; Шин, К.-Х.; Ли, Джи; Тейлор, KWR (ноябрь 2016 г.). «Идентификация и распространение источника раскрывает потенциал геохимического антарктического прокси-сервера морского льда IPSO25» . Природные коммуникации . 7 (1): 12655. Бибкод : 2016NatCo...712655B . дои : 10.1038/ncomms12655 . ISSN 2041-1723 . ПМК 5013606 . ПМИД 27573030 .
- ^ Джонс, Л.; Рэйдж, Э.Дж.; Ремень, СТ; Льюис, Калифорния; Массе, Г.; Роберт, Ж.-М.; Роуленд, SJ (ноябрь 1999 г.). «Идентификация сильно разветвленного изопреноидного диена C 25 (HBI) в антарктических отложениях, антарктических диатомовых водорослях морского льда и культивируемых диатомовых водорослях». Органическая геохимия . 30 (11): 1471–1475. дои : 10.1016/S0146-6380(99)00112-6 .
- ^ Сюй, Юньпин; Яффе, Рудольф; Вачницка, Анна; Гайзер, Эвелин Э. (июль 2006 г.). «Распространение сильно разветвленных изопреноидов C25 (HBI) во Флоридском заливе: палеоэкологические индикаторы поступления органических веществ, полученных из диатомовых водорослей». Органическая геохимия . 37 (7): 847–859. doi : 10.1016/j.orggeochem.2006.02.001 .
- ^ Jump up to: а б с Кабедо Санс, Патрисия; Смик, Лукас; Белт, Саймон Т. (июль 2016 г.). «О стабильности различных сильно разветвленных изопреноидных (ГБИ) липидов в хранящихся осадках и экстрактах отложений». Органическая геохимия . 97 : 74–77. дои : 10.1016/j.orggeochem.2016.04.010 . hdl : 10026.1/6762 .
- ^ Штейн, Рюдигер; Фаль, Кирстен; Шрек, Майкл; Норр, Грегор; Ниссен, Франк; Форвик, Матиас; Гебхардт, Каталина; Дженсен, Лаура; Камински, Майкл; Руководитель Ахим; Маттиссен, Йенс (4 апреля 2016 г.). «Свидетельства безледного лета в центральной части Северного Ледовитого океана в конце миоцена» . Природные коммуникации . 7 (1): 11148. Бибкод : 2016NatCo...711148S . дои : 10.1038/ncomms11148 . ISSN 2041-1723 . ПМК 4822014 . ПМИД 27041737 .
- ^ Белт, Саймон Т. (01 ноября 2018 г.). «Биомаркеры, специфичные для источника, как индикаторы морского льда Арктики и Антарктики». Органическая геохимия . 125 : 277–298. дои : 10.1016/j.orggeochem.2018.10.002 . hdl : 10026.1/12842 . S2CID 133860206 .
- ^ Jump up to: а б с Белт, Саймон Т.; Массе, Гийом; Варе, Линдси Л.; Роуленд, Стивен Дж.; Пулен, Мишель; Сикре, Мари-Александрин; Сампей, Макото; Фортье, Луи (декабрь 2008 г.). «Отличительный 13 Изотопная подпись C отличает новый биомаркер морского льда в арктических отложениях и отстойниках». Marine Chemistry . 112 (3–4): 158–167. doi : 10.1016/j.marchem.2008.09.002 .
- ^ Браун, Томас (2011). Производство и сохранение диатомового биомаркера арктического морского льда IP25 (Диссертация). дои : 10.24382/4065 .
- ^ Jump up to: а б с д и Массе, Гийом; Белт, Саймон Т.; Кроста, Ксавье; Шмидт, Сабина; Снейп, Ян; Томас, Дэвид Н.; Роуленд, Стивен Дж. (октябрь 2011 г.). «Высокоразветвленные изопреноиды как индикаторы переменных условий морского льда в Южном океане». Антарктическая наука . 23 (5): 487–498. Бибкод : 2011AntSc..23..487M . дои : 10.1017/S0954102011000381 . ISSN 0954-1020 . S2CID 130625079 .
- ^ Шмидт, Катрин; Браун, Томас А.; Белт, Саймон Т.; Ирландия, Луиза К.; Тейлор, Кайл В.Р.; Торп, Салли Э.; Уорд, Питер; Аткинсон, Ангус (4 апреля 2018 г.). «Получает ли пелагические травоядные пользу морской лед? Результаты исследования IPSO<sub>25</sub>» . Биогеонауки . 15 (7): 1987–2006. Бибкод : 2018BGeo...15.1987S . дои : 10.5194/bg-15-1987-2018 . ISSN 1726-4189 .
- ^ Белт, Саймон Т. (январь 2019 г.). «Что IP25 и связанные с ним биомаркеры на самом деле говорят об изменении морского льда?». Четвертичные научные обзоры . 204 : 216–219. Бибкод : 2019QSRv..204..216B . doi : 10.1016/j.quascirev.2018.11.025 . hdl : 10026.1/13151 . S2CID 134185260 .
- ^ Jump up to: а б с д и ж г час Меэуст, Мари; Штейн, Рюдигер; Фаль, Кирстен; Макс, Ларс; Ритдорф, Ян-Райнер (апрель 2016 г.). «Реконструкция изменчивости морского льда в западной части северной части Тихого океана и Беринговом море на основе IP25 за последние 18 000 лет». Гео-морские письма . 36 (2): 101–111. Бибкод : 2016GML....36..101M . дои : 10.1007/s00367-015-0432-4 . ISSN 0276-0460 . S2CID 131249679 .