TEX₈₆

TEX₈₆ (auch Tetraether-Index von 86 Kohlenstoffatomen) ist eine biochemische Methode zur Ermittlung der Meeresoberflächentemperatur früherer Klimata (Paläothermometer).

Grundlagen

Molekulare Struktur und HPLC-Detektion von GDGTs

TEX₈₆ basiert auf der Analyse von Membranlipiden mesophiler mariner Thaumarchaeota (früher marine Gruppe I Crenarchaeota).^[1][2] Die Membranlipide von Thaumarchaeota bestehen aus Glycerol-Dialkyl-Glycerol-Tetraethern (GDGTs), die zwischen null und drei Cyclopentyl-Substituenten tragen, wohingegen das charakteristische GDGT Crenarchaeol vier Cyclopentan-Gruppen und eine Cyclohexan-Gruppe enthält. Thaumarchaeota synthetisieren daneben ein Regio-Isomer des Crenarchaeol.

Die Cyclohexan- und Cyclopentan-Ringe, die durch eine interne cyclische Verbindung einer der Biphytan-Ketten geformt wurden,^[3] besitzen einen Einfluss auf die thermischen Übergangspunkte der Zellmembran von Thaumarchaeota. Mesokosmische Studien zeigen, dass der Grad der Cyclisierung im Allgemeinen von ihrer Wachstumstemperatur bestimmt wird.^[4]

Kalibrierung

Basierend auf der relativen Verteilung isoprenoider GDGTs schlugen Schouten und andere 2002 den Tetraether-Index von 86 Kohlenstoffatomen (TEX₈₆) als einen Stellvertreter für die Meeresoberflächentemperatur SST (sea surface temperature) vor. GDGT-0 wird von der Kalibrierung ausgeschlossen, da es von vielen Faktoren beeinflusst wird.^[5] GDGT-4 wird weggelassen, da es keinerlei Korrelation zur SST zeigt. Es ist oft um eine Größenordnung stärker vertreten als sein Isomer und die anderen GDGTs. Die jüngste TEX₈₆-Kalibrierung beruht auf zwei getrennten Indizes und Kalibrierungen.^[6] Bei TEX₈₆^H wird dieselbe Kombination an GDGTs wie in der ursprünglichen TEX₈₆-Beziehung verwendet:

${\displaystyle {\text{GDGT-Verhältnis-2}}\mathrm {=\left({\tfrac {[GDGT-2]+[GDGT-3]+[GDGT-4']}{[GDGT-1]+[GDGT-2]+[GDGT-3]+[GDGT-4']}}\right)} }$

Das GDGT-Verhältnis-2 (engl. GDGT ratio-2) wird mit Hilfe der Kalibrierungsgleichung mit der SST korreliert: TEX₈₆^H = 68,4 · log(GDGT-Verhältnis−2) + 38,6). TEX₈₆^H hat einen Kalibrierungsfehler von ±2,5 °C und basiert auf den 255 oberen Kernsegmenten.

Bei TEX₈₆^L wird eine Kombination von GDGTs benutzt, die sich von TEX₈₆^H unterscheidet, wobei GDGT-3 vom Zähler entfernt und GDGT-4’ vollkommen weggelassen wird:

${\displaystyle {\text{GDGT-Verhältnis-1}}\mathrm {=\left({\tfrac {[GDGT-2]}{[GDGT-1]+[GDGT-2]+[GDGT-3]}}\right)} }$

GDGT-Verhältnis-1 wird unter Verwendung dieser Kalibrierungsgleichung mit der SST korreliert:(TEX₈₆^L = 67,5· log(GDGT-Verhältnis-1) + 46,9). TEX₈₆^Lhat einen Kalibrierungsfehler von ±4 °C und basiert auf 396 oberen Kernsegmenten.

Daneben existieren auch andere Kalibrierungen (darunter 1/TEX₈₆,^[7] TEX₈₆'^[8] und pTEX₈₆^[9]), die bei der Temperaturrekonstruktion erwogen werden sollten.

Einschränkungen

Es existieren mehrere Einschränkungen im Hinblick auf diesen Indikatorwert und die Liste unten ist nicht vollständig. Detaillierte Informationen dazu liefern Schouten et al.^[3]

Terrestrische Beiträge

Der Index der verzweigten vs. isoprenoider Tetraether (englisch branched vs. isoprenoidal tetraether, BIT) kann zur Bestimmung des relativen Eintrags terrestrischen organischen Materials (terrestrial organic matter, TOM) von Flüssen in das marine Reich verwendet werden. Der BIT-Index basiert auf der Annahme, dass GDGT-4 (auch als Crenarchaeol bekannt) von den Meeresbewohnern Thaumarchaeota und das verzweigte GDGT von Festland besiedelnden Bodenbakterien stammt. Bei BIT-Werten höher als 0,4 wird eine Unsicherheit größer 2 °C in die TEX₈₆-basierte Schätzung der SST aufgenommen. Nichtsdestotrotz können isoprenoide GDGTs in einer Festlandsumgebung synthetisiert werden, womit man sich auf die BIT-Werte nicht mehr verlassen kann. Eine ausgeprägte Kovariation zwischen GDGT-4 und verzweigten GDGTs in modernen Meeres- und Süsswassermilieus weist auf eine gemeinsame oder gemischte Quelle für isoprenoile und verzweigte GDGTs hin.

Anaerobe Methanoxidation (AOM)

Der Methan-Index (MI) wurde vorgeschlagen, um zwischen dem relativen Einfluss der methanotrophen Euryarchaeota und der Ammoniak-oxidierenden Thaumarchaeota in einem Umfeld diffusen Methan-Flusses und anaerober Methanoxidation (anaerobic oxidation of methane, AOM) unterscheiden zu können. Diese Orte sind durch eine ausgeprägte GDGT-Verteilung gekennzeichnet; konkret ist es ein Übergewicht von GDGT-1, -2 und -3. Hohe MI-Werte (größer 0,5) spiegeln hohe Raten an Gashydrat-bezogenen AOM und niedrige Werte (kleiner 0,3) spiegeln normale Sedimentationsbedingungen wider, d. h. kein nennenswerter AOM-Eintrag.

Zerfall

Man geht davon aus, dass GDGTs nur bei Temperaturen oberhalb von 240 °C von thermischem Zerfall betroffen sind. Dies kann durch Auswertung des Verhältnisses spezifischer Hopan-Isomere getestet werden. Es hat sich gezeigt, dass eine aerobe Degeneration TEX₈₆ beeinflusst und die SST-Werte um bis zu 6 °C verschiebt. Es ist dies ein selektiver Prozess, der das Präparat mit unterschiedlichen Raten entarten lässt.

Anwendung

Die ältesten TEX₈₆-Belege stammen aus dem Jura und deuten auf relativ warme SSTs hin.^[10] TEX₈₆ wurde zur Temperaturrekonstruktion des gesamten Känozoikums verwendet (65–0 mya)^[11][12] und hat sich als nützlich erwiesen, wenn andere SST-Proxys durch Diagenese verändert sind (z. B. Foraminiferen des Plankton^[13]) oder fehlen (z. B. Alkenone^[14]).

Eozän

TEX₈₆ wurde zur Rekonstruktion der SSTs des Eozän (55–34 mya) ausgiebig getestet. TEX₈₆-Werte deuten auf hohe SST-Werte (20–25 °C) der hohen Breiten der südlichen Hemisphäre hin, was mit anderen, unabhängig davon abgeleiteten Proxys (Alkenone, CLAMP, Mg/Ca) übereinstimmt. Gebiete hoher, südlicher Breitengrade kühlten sich im mittleren und späten Eozän ab, wohingegend die Tropen stabil und warm blieben. Zu den Gründen für diese Abkühlung zählen längerfristige Veränderungen in der Kohlenstoffdioxidkonzentration und/oder Veränderungen von Meeresströmungen (Tasmanisches Tor, Drakestraße).

Einzelnachweise

1. ↑ Stefan Schouten, Ellen C. Hopmans, Enno Schefuß, Jaap S. Sinninghe Damsté: Distributional variations in marine crenarchaeotal membrane lipids: a new tool for reconstructing ancient sea water temperatures? In: Earth and Planetary Science Letters. Band 204, Nr. 1–2, 30. November 2002, S. 265–274, doi:10.1016/S0012-821X(02)00979-2. 
2. ↑ Jung-Hyun Kim, Stefan Schouten, Ellen C. Hopmans, Barbara Donner, Jaap S. Sinninghe Damsté: Global sediment core-top calibration of the TEX₈₆ paleothermometer in the ocean. In: Geochimica et Cosmochimica Acta. Band 72, Nr. 4, 15. Februar 2008, S. 1154–1173, doi:10.1016/j.gca.2007.12.010. 
3. ↑ ^{a b} Stefan Schouten, Ellen C. Hopmans, Jaap S. Sinninghe Damsté: The organic geochemistry of glycerol dialkyl glycerol tetraether lipids: A review. In: Organic Geochemistry. Band 54, Januar 2013, S. 19–61, doi:10.1016/j.orggeochem.2012.09.006. 
4. ↑ Cornelia Wuchter, Stefan Schouten, Marco J. L. Coolen, Jaap S. Sinninghe Damsté: Temperature-dependent variation in the distribution of tetraether membrane lipids of marine Crenarchaeota: Implications for TEX86 paleothermometry. In: Paleoceanography. Band 19, Nr. 4, 1. Dezember 2004, S. PA4028, doi:10.1029/2004PA001041. 
5. ↑ Y. Koga, M. Nishihara, H. Morii, M. Akagawa-Matsushita: Ether polar lipids of methanogenic bacteria: structures, comparative aspects, and biosyntheses. In: Microbiological Reviews. Band 57, Nr. 1, 3. Januar 1993, S. 164–182, PMID 8464404. 
6. ↑ Jung-Hyun Kim u. a.: New indices and calibrations derived from the distribution of crenarchaeal isoprenoid tetraether lipids: Implications for past sea surface temperature reconstructions. In: Geochimica et Cosmochimica Acta. Band 74, Nr. 16, 15. August 2010, S. 4639–4654, doi:10.1016/j.gca.2010.05.027. 
7. ↑ Zhonghui Liu u. a.: Global Cooling During the Eocene-Oligocene Climate Transition. In: Science. Band 323, Nr. 5918, 27. Februar 2009, S. 1187–1190, doi:10.1126/science.1166368, PMID 19251622. 
8. ↑ Appy Sluijs u. a.: Subtropical Arctic Ocean temperatures during the Palaeocene/Eocene thermal maximum. In: Nature. Band 441, Nr. 7093, 1. Juni 2006, S. 610–613, doi:10.1038/nature04668. 
9. ↑ Christopher J. Hollis u. a.: Early Paleogene temperature history of the Southwest Pacific Ocean: Reconciling proxies and models. In: Earth and Planetary Science Letters. Band 349–350, 1. Oktober 2012, S. 53–66, doi:10.1016/j.epsl.2012.06.024. 
10. ↑ H. C. Jenkyns, L. Schouten-Huibers, S. Schouten, J. S. Sinninghe Damsté: Warm Middle Jurassic–Early Cretaceous high-latitude sea-surface temperatures from the Southern Ocean. In: Clim. Past. Band 8, Nr. 1, 2. Februar 2012, S. 215–226, doi:10.5194/cp-8-215-2012. 
11. ↑ Appy Sluijs u. a.: Warm and wet conditions in the Arctic region during Eocene Thermal Maximum 2. In: Nature Geoscience. Band 2, Nr. 11, November 2009, S. 777–780, doi:10.1038/ngeo668. 
12. ↑ J. C. Zachos u. a.: Extreme warming of mid-latitude coastal ocean during the Paleocene-Eocene Thermal Maximum: Inferences from TEX86 and isotope data. In: Geology. Band 34, Nr. 9, 9. Januar 2006, S. 737–740, doi:10.1130/G22522.1. 
13. ↑ Paul N. Pearson u. a.: Stable warm tropical climate through the Eocene Epoch. In: Geology. Band 35, Nr. 3, 3. Januar 2007, S. 211–214, doi:10.1130/G23175A.1. 
14. ↑ Peter K. Bijl, Stefan Schouten, Appy Sluijs, Gert-Jan Reichart, James C. Zachos, Henk Brinkhuis: Early Palaeogene temperature evolution of the southwest Pacific Ocean. In: Nature. Band 461, Nr. 7265, 8. Oktober 2009, S. 776–779, doi:10.1038/nature08399.