Climate change and decadal to centennial-scale periodicities recorded in a late Holocene NE Pacific marine record: Examining the role of solar forcing

We present a decadal-scale late Holocene climate record based on diatoms, biogenic silica, and grain size from a 12-m sediment core (VEC02A04) obtained from Frederick Sound in the Seymour-Belize Inlet Complex of British Columbia, Canada. Sediments are characterized by graded, massive, and laminated intervals. Laminated intervals are most common between c. 2948–2708 cal. yr BP and c. 1992–1727 cal. yr BP. Increased preservation of laminated sediments and diatom assemblage changes at this time suggest that cli- mate became moderately drier and cooler relative to the preceding and succeeding intervals. Spectral and wavelet analyses are used to test for statistically significant periodicities in time series of proxies of primary production (total diatom abundance, biogenic silica) and hydrology (grain size) preserved in the Frederick Sound record. Periodicities of c. 42–53, 60–70, 82–89, 241–243, and 380 yrs are present. Results are com- pared to reconstructed sunspot number data of Solanki et al. (2004) using cross wavelet transform to evalu- ate the role of solar forcing on NE Pacific climate. Significant common power of periodicities between c. 42– 60, 70–89, 241–243, and of 380 yrs occur, suggesting that celestial forcing impacted late Holocene climate at Frederick Sound. Replication of the c. 241–243 yr periodicity in sunspot time series is most pronounced be- tween c. 2900 cal. yr BP and c. 2000 cal. yr BP, broadly correlative to the timing of maximum preservation of laminated sedimentary successions and diatom assemblage changes. High solar activity at the Suess/de Vries band may have been manifested as a prolonged westward shift and/or weakening of the Aleutian Low in the mid-late Holocene, which would have diverted fewer North Pacific storms and resulted in the relatively dry conditions reconstructed for the Seymour-Belize Inlet Complex.

The relevance of the silica metabolizing enzyme silicatein-alpha to biomineralization and the formation of biogenic silica in siliceous sponges

Die technische Silikatproduktion erfordert in der Regel hohe Temperaturen und extreme pH-Werte. In der Natur hingegen haben insbesondere Kieselschwämme die außergewöhnliche Fähigkeit, ihr Silikatskelett, das aus einzelnen sogenannten Spiculae besteht, enzymatisch mittels des Proteins Silicatein zu synthetisieren. rnIm Inneren der Spiculae, im zentralen Kanal, befindet sich das Axialfilament, welches hauptsächlich aus Silicatein-α aufgebaut ist. Mittels Antikörperfärbungen und Elektronenmikroskopischen Analysen konnte festgestellt werden, dass Silicatein in mit Kieselsäure-gefüllten Zellorganellen (silicasomes) nachzuweisen ist. Mittels dieser Vakuolen kann das Enzym und die Kieselsäure aus der Zelle zu den Spiculae im extrazellulären Raum befördert werden, wo diese ihre endgültige Länge und Dicke erreichen. Zum ersten Mal konnte nachgewiesen werden, dass rekombinant hergestelltes Silicatein-α sowohl als Siliciumdioxid-Polymerase als auch Siliciumdioxid-Esterase wirkt. Mittels Massenspektroskopie konnte die enzymatische Polymerisation von Kieselsäure nachverfolgt werden. Durch Spaltung der Esterbindung des künstlichen Substrates Bis(p-aminophenoxy)-dimethylsilan war es möglich kinetische Parameter der Siliciumdioxid-Esterase-Aktivität des rekombinanten Silicateins zu ermitteln.rnZu den größten biogenen Silikatstukuren auf der Erde gehören die Kieselnadeln der Schwammklasse Hexactinellida. Nadelextrakte aus den Schwammklassen Demospongien (S. domuncula) und Hexactinellida (M. chuni) wurden miteinander verglichen um die potentielle Existenz von Silicatein oder Silicatein-ähnliche Molekülen und die dazu gehörige proteolytischen Aktivität nachzuweisen. Biochemische Analysen zeigten, dass das 27 kDA große isolierte Polypeptid in Monoraphis mehrere gemeinsame Merkmale mit den Silicateinen der Demospongien teilt. Dazu gehören die Größe und die Proteinase-Aktivität. rnUm die Frage zu klären, ob das axiale Filament selbst zur Formbildung der Skelettelemente beiträgt, wurde ein neues mildes Extraktionsverfahren eingeführt. Dieses Verfahren ermöglichte die Solubilisierung des nativen Silicateins aus den Spiculae. Die isolierten Silicateine lagen als Monomere (24 kDa) vor, die Dimere durch nicht-kovalente Bindungen ausbildeten. Darüber hinaus konnten durch PAGE-Gelelektrophorese Tetramere (95 kDa) und Hexamere (135 kDa) nachgewiesen werden. Die Monomere zeigten eine beträchtliche proteolytische Aktivität, die sich während der Polymerisationsphase des Proteins weiter erhöhte. Mit Hilfe der Lichtmikroskopie und Elektronenmikroskopie (TEM) konnte die Assemblierung der Proteine zu filamentartigen Strukturen gezeigt werden. Die Selbstorganisation der Silicatein-α-Monomeren scheint eine Basis für Form- und Musterbildung der wachsenden Nadeln zu bilden.rn Um die Rolle des kürzlich entdeckten Proteins Silintaphin-1, ein starker Interaktionspartner des Silicatein-α, während der Biosilifizierung zu klären, wurden Assemblierungs-Experimente mit den rekombinanten Proteinen in vitro durchgeführt. Zusätzlich wurde deren Effekt auf die Biosilikatsynthese untersucht. Elektronenmikroskopische Analysen ergaben, dass rekombinantes Silicatein-α zufällig verteilte Aggregate bildet, während die Koinkubation beider Proteine (molekulares Verhältnis 4:1) über fraktal artige Strukturen zu Filamenten führt. Auch die enzymatische Aktivität der Silicatein-α-vermittelte Biosilikatsynthese erhöhte sich in Gegenwart von Silintaphin-1 um das 5,3-fache. rn

Modeling Responses of Diatom Productivity and Biogenic Silica Export to Iron Enrichment in the Equatorial Pacific Ocean

Using a three-dimensional physical-biogeochemical model, we have investigated the modeled responses of diatom productivity and biogenic silica export to iron enrichment in the equatorial Pacific, and compared the model simulation with in situ (IronEx II) iron fertilization results. In the eastern equatorial Pacific, an area of 540,000 km(2) was enhanced with iron by changing the photosynthetic efficiency and silicate and nitrogen uptake kinetics of phytoplankton in the model for a period of 20 days. The vertically integrated Chl a and primary production increased by about threefold 5 days after the start of the experiment, similar to that observed in the IronEx II experiment. Diatoms contribute to the initial increase of the total phytoplankton biomass, but decrease sharply after 10 days because of mesozooplankton grazing. The modeled surface nutrients (silicate and nitrate) and TCO(2) anomaly fields, obtained from the difference between the "iron addition'' and "ambient'' (without iron) concentrations, also agreed well with the IronEx II observations. The enriched patch is tracked with an inert tracer similar to the SF6 used in the IronEx II. The modeled depth-time distribution of sinking biogenic silica (BSi) indicates that it would take more than 30 days after iron injection to detect any significant BSi export out of the euphotic zone. Sensitivity studies were performed to establish the importance of fertilized patch size, duration of fertilization, and the role of mesozooplankton grazing. A larger size of the iron patch tends to produce a broader extent and longer-lasting phytoplankton blooms. Longer duration prolongs phytoplankton growth, but higher zooplankton grazing pressure prevents significant phytoplankton biomass accumulation. With the same treatment of iron fertilization in the model, lowering mesozooplankton grazing rate generates much stronger diatom bloom, but it is terminated by Si(OH)(4) limitation after the initial rapid increase. Increasing mesozooplankton grazing rate, the diatom increase due to iron addition stays at minimum level, but small phytoplankton tend to increase. The numerical model experiments demonstrate the value of ecosystem modeling for evaluating the detailed interaction between biogeochemical cycle and iron fertilization in the equatorial Pacific.