Prøveudtagning og forbehandling af tand emalje carbonat for stabil Carbon og Oxygen isotop analyser
Summary
Stabil carbon og oxygen isotop analyser af menneskers og dyrs tand emalje karbonat har været brugt som en proxy for individuelle kost og miljø genopbygning. Her, vi giver en detaljeret beskrivelse og visuel dokumentation af bulk og sekventiel tand emalje prøveudtagning samt forbehandling af arkæologiske og paleontological prøver.
Abstract
Stabil carbon og oxygen isotop analyser af menneskers og dyrs tand emalje karbonat er blevet anvendt i paleodietary, palæøkologiske, og paleoenvironmental forskning fra de seneste historiske perioder tilbage til over 10 millioner år siden. Bulk tilgange giver en repræsentativ for perioden af emalje mineralisering, mens sekventiel prøver inden for en tand kan spore kosten og miljømæssige ændringer i denne periode. Mens disse metoder har været bredt anvendt og beskrevet i arkæologi, økologi og palæontologi, der har været ingen eksplicitte retningslinjer til støtte i Udvalget af nødvendige lab udstyr og grundigt beskrive detaljerede laboratorium prøveudtagning og protokoller. I denne artikel vil dokumentere vi ved tekst og visuelt, hele processen fra prøveudtagning gennem forbehandling og diagenetic screening for at gøre metoden mere bredt tilgængelige for forskere i betragtning af dens anvendelse i en række laboratorium indstillinger.
Introduction
Stabil carbon og oxygen isotop analyser af tand emalje karbonat er blevet brugt til at studere forbi menneskers indtagelse, fravænning, og mobilitet samt faunistiske afhængighed af vegetation, flytning af dyr og animalske foddering. Disse programmer har været grundigt diskuteret og gennemgået for en række miljøforhold, der angiver effekten af lokale nedbørsmængden, temperatur, vandkilder og vegetation kompositioner1,2, 3,4,5,6. Mangfoldighed af potentielle anvendelser i arkæologi og palæontologi og god bevarelse af tand emalje karbonat, har gjort det til et attraktivt materiale til stabile isotop arbejde3. Metoder til prøvetagning, forbehandling og diagenesis screening er kort beskrevet i en række tidligere publikationer1,7. Men grundig verbale og visuelle demonstrationer fortsat stort set utilgængelige, især for folk uden for arkæologisk science laboratorier og blandt laboratorium grupper med begrænsede midler, hvor interessen for brugen af denne teknik stigende 5.
Tandemaljen består primært af hydroxyapatit (bioapatite) crystallites8 større end dem i knoglen, gør det mere modstandsdygtigt over for post mortem diagenetic ionisk erstatninger og forurening3. Moderne undersøgelser har vist, at stabilt kulstof isotop (δ13C) målinger af faunistiske tand emalje pålideligt registrere dyr kost og adfærd9,10. Stabil oxygen isotop (δ18O) værdien af tandemaljen bestemmes af ilt isotopsammensætning indtages vand, som indeholder vand i vegetabilske og animalske fødevarer, drikkevand, respiration, såvel som forskellige miljøpåvirkninger på vandet hvilket kan føre til yderligere isotopiske fraktionering (fx., ufrugtbar, temperatur, højde, nedbør beløb, kontinentale placering)11. Dette har gjort det en populær metode til kosten og miljø genopbygning i arkæologiske, palæøkologiske og paleontological forskning.
Periode af tand emalje dannelsen er forholdsvis kort (år) og varierer afhængigt af den tand, der indgik i stikprøven. For mennesker, skal du første kindtand emalje mineralizes mellem fødsel og 3 år, præmolarer mineralize mellem 1.5 og 7 år, anden kindtænder mineralize mellem 2,5 og 8 år og tredje molarer mineralize i ungdomsårene mellem 7 og 16 år12 . Givet at tand emalje former trinvist over sin periode af dannelse, kan det stikprøven i bulk langs hele vækst-aksen eller udtages sekventielt for at undersøge de ændringer i kost og miljø, der er sket i løbet af perioden dannelsen13 . Kronologisk bestilt diætprodukter ændringer inden for en given tand er observerbare for mennesker og andre dyr1,14, give oplysninger om indbyrdes årlige sæsonbestemte og kosten variation.
Mens emalje er normalt resistente over for diagenesis, isotopisk ændringer som følge af nedgravning miljø er muligt og er blevet observeret15,16, gør eksperimentelle kontrol og forbehandling muligheder nyttig. Mens det ikke er den eneste tilgængelige metode, fremstod Fourier transform infrarød spektroskopi (FTIR), især i svækket transmissionsform, som en hurtig, billig, og relativt tilgængelig metode til vurdering af stof ændring i tandemaljen, især i paleontological sammenhænge17,18,19,20. Men detaljerede protokoller og indspilningsstandarderne stadig forholdsvis utilgængelige for mange mennesker uden for felter af Geokemi eller materiale videnskab.
Reaktionstider og de kemikalier, der er ansat af forskere i forbehandling af tand emalje også variere betydeligt i litteratur, ofte med begrænset overvejelser om, hvad denne variation kan gøre stabil carbon og oxygen isotop værdier i eksemplet21 ,22. Her rapporterer vi tilgang at bruger fortyndet eddikesyre (0,1 M) til forbehandling af emalje pulver prøver. Forskelle i isotopiske målinger som følge af forbehandling er relativt mindre for tand emalje, er det imidlertid bedst for forskerne at følge protokoller for datasæt, som de ønsker at sammenligne deres data til11. Desuden, hvor små sekventielle udtagne proever, især på Holocæn prøver, ingen forbehandling kan vælges (efter diagenetic pilotforsøg) at undgå prøve spild.
Selv om de metoder, vi rapporten her er på ingen måde nye, at vores viden, er dette første gang, at en grundig skriftlig og visuel dokumentation af bulk og sekventiel prøvetagning, forbehandling muligheder og diagenetic check metoder (i form af FTIR) for tand emalje er gjort almindeligt tilgængelige et varieret akademisk publikum. Mens vi håber, at vores bestræbelser vil gøre denne strategi mere let tilgængelige for en bredere række enkeltpersoner og laboratorier, forskere, der ønsker at anvende og offentliggøre denne teknik skal være opmærksom på minimum rapportering standarder, diagenetic overvejelser, og præsentation krav styres andetsteds20, samt potentielle fortolkende kompleksiteter, der vil være unikke for deres undersøgelse region, taxa analyseret, og tid periode5.
Protocol
Representative Results
Discussion
Udfordringer af succesfulde prøvetagning (bulk og trinvise) af tandsæt bygger på adgang til viden om boring teknikker og prøve forberedelse, sammen med investeringer i relativt billigt udstyr. Disse udfordringer er nemt overvindes, når klare instruktioner er tilgængelige om prøveudtagning og forbehandling tilgange. I denne artikel håber vi at have formidlet disse i en klar, koncis mode for forskerne nye til disse metoder. Akademikere anvender disse metoder for første gang bør praksis på tilgængelige moderne f…
Divulgazioni
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi vil gerne takke Max Planck Society for støtte denne forskning samt den nylige indstilling op af en stabil isotop laboratorium på afdelingen arkæologi, Max Planck Institute for videnskaben i menneskehedens historie.
Materials
| Dremel Micro | Dremel | https://www.dremel.com/en_US/products/-/show-product/tools/8050-micro | |
| Diamond-tipped drill bit | Dremel | https://www.dremel.com/en_US/products/-/show-product/accessories/7122-diamond-wheel-point | |
| 1.5 mL micro-centrifuge tube | Sigma Aldrich | https://www.sigmaaldrich.com/catalog/product/sigma/t2422?lang=de®ion=DE&gclid=EAIaIQobChMI7pHRpauW2QIV77ftCh1p1wjhEAAYASAAEgKzkvD_BwE | |
| Methanol | Linear Formula: CH3OH | ||
| Acetic Acid | Linear Formula: CH3CO2H | ||
| Dremel rig set-up (workstation) | Dremel | https://www.dremel.com/en_US/products/-/show-product/tools/220-01-workstation | |
| Microcentrifuge | Thermo Scientific | http://www.thermofisher.com/order/catalog/product/75002401 | |
| Mini-centrifuge | Sprout | http://www.heathrowscientific.com/sprout-mini-centrifuge-4 | |
| Freeze drier | Zirbus Technology | http://www.zirbus.com |
Riferimenti
- Balasse, M. Reconstructing dietary and environmental history from enamel isotopic analysis: time resolution of intra-tooth sequential sampling. International Journal of Osteoarchaeology. 12 (3), 155-165 (2002).
- Balasse, M. Potential biases in sampling design and interpretation of intra-tooth isotope analysis. International Journal of Osteoarchaeology. 13 (1-2), 3-10 (2003).
- Lee-Thorp, J. A. On isotopes and old bones. Archaeometry. 50 (6), 925-950 (2008).
- Clementz, M. T. New insight from old bones: stable isotope analysis of fossil mammals. Journal of Mammalogy. 93 (2), 368-380 (2012).
- Loftus, E., Roberts, P., Lee-Thorp, J. A. An isotopic generation: four decades of stable isotope analysis in African archaeology. Azania: Archaeological Research in Africa. 51 (1), 88-114 (2016).
- Ventresca Miller, A. R., Makarewicz, C. Isotopic approaches to pastoralism in prehistory: Diet, mobility, and isotopic reference sets. Isotopic Investigations of Pastoralism in Prehistory. , 1-14 (2018).
- Hollund, H. I., Ariese, F., Fernandes, R., Jans, M. M. E., Kars, H. Testing an alternative high-throughput tool for investigating bone diagenesis: FTIR in attenuated total reflection (ATR) mode. Archaeometry. 55 (3), 507-532 (2013).
- LeGeros, R. Z. Calcium phosphates in oral biology and medicine. Monographs in oral sciences. 15, 109-111 (1991).
- Lee-Thorp, J. L., Van Der Merwe, N. J. Carbon isotope analysis of fossil bone apatite. South African Journal of Science. 83 (11), 712-715 (1987).
- Cerling, T. E., Harris, J. M. Carbon isotope fractionation between diet and bioapatite in ungulate mammals and implications for ecological and paleoecological studies. Oecologia. 120 (3), 347-363 (1999).
- Koch, P. L. Isotopic study of the biology of modern and fossil vertebrates. Stable Isotopes in Ecology and Environmental Science. , 99-154 (2007).
- Nelson, S. J. . Wheeler’s Dental Anatomy, Physiology and Occlusion-E-Book. , (2014).
- Tsutaya, T., et al. From cradle to grave: multi-isotopic investigations on the life history of a higher-status female from Edo-period Japan. Anthropological Science. 124 (3), 185-197 (2016).
- Sponheimer, M., Passey, B. H., De Ruiter, D. J., Guatelli-Steinberg, D., Cerling, T. E., Lee-Thorp, J. A. Isotopic evidence for dietary variability in the early hominin Paranthropus robustus. Science. 314 (5801), 980-982 (2006).
- Lee-Thorp, J., Sponheimer, M. Three case studies used to reassess the reliability of fossil bone and enamel isotope signals for paleodietary studies. Journal of Anthropological Archaeology. 22 (3), 208-216 (2003).
- Zazzo, A. Bone and enamel carbonate diagenesis: a radiocarbon prospective. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. 416, 168-178 (2014).
- Sponheimer, M. . Isotopic paleoecology of the Makapansgat Limeworks fauna (Australopithecus africanus, South Africa). , (1999).
- Sponheimer, M., Lee-Thorp, J. A. Alteration of enamel carbonate environments during fossilization. Journal of Archaeological Science. 26 (2), 143-150 (1999).
- Roche, D., Ségalen, L., Balan, E., Delattre, S. Preservation assessment of Miocene-Pliocene tooth enamel from Tugen Hills (Kenyan Rift Valley) through FTIR, chemical and stable-isotope analyses. Journal of Archaeological Science. 37 (7), 1690-1699 (2010).
- Roberts, P., et al. Calling all archaeologists: guidelines for terminology, methodology, data handling, and reporting when undertaking and reviewing stable isotope applications in archaeology. Rapid Communications in Mass Spectrometry. , (2018).
- Snoeck, C., Pellegrini, M. Comparing bioapatite carbonate pre-treatments for isotopic measurements: Part 1-Impact on structure and chemical composition. Chemical Geology. 417, 394-403 (2015).
- Pellegrini, M., Snoeck, C. Comparing bioapatite carbonate pre-treatments for isotopic measurements: Part 2-Impact on carbon and oxygen isotope compositions. Chemical Geology. 420, 88-96 (2016).
- Wright, L. E., Schwarcz, H. P. Stable carbon and oxygen isotopes in human tooth enamel: identifying breastfeeding and weaning in prehistory. American Journal of physical anthropology. 106 (1), 1-18 (1998).
- Roberts, P., et al. Fruits of the forest: Human stable isotope ecology and rainforest adaptations in Late Pleistocene and Holocene (∼ 36 to 3 ka) Sri Lanka. Journal of human evolution. 106, 102-118 (2017).
- Zazzo, A., Balasse, M., Patterson, W. P. High-resolution δ13C intratooth profiles in bovine enamel: Implications for mineralization pattern and isotopic attenuation. Geochimica et Cosmochimica Acta. 69 (14), 3631-3642 (2005).
- Sydney-Zax, M., Mayer, I., Deutsch, D. Carbonate content in developing human and bovine enamel. Journal of dental research. 70 (5), 913-916 (1991).
- Rink, W. J., Schwarcz, H. P. Tests for diagenesis in tooth enamel: ESR dating signals and carbonate contents. Journal of Archaeological Science. 22 (2), 251-255 (1995).
- Szpak, P., Metcalfe, J. Z., Macdonald, R. A. Best practices for calibrating and reporting stable isotope measurements in archaeology. Journal of Archaeological Science: Reports. 13, 609-616 (2017).
- Wright, L. E., Schwarcz, H. P. Correspondence between stable carbon, oxygen and nitrogen isotopes in human tooth enamel and dentine: infant diets at Kaminaljuyu. Journal of Archaeological Science. 26 (9), 1159-1170 (1999).
- Schoeninger, M. J., Hallin, K., Reeser, H., Valley, J. W., Fournelle, J. Isotopic alteration of mammalian tooth enamel. International Journal of Osteoarchaeology. 13 (1-2), 11-19 (2003).
