דגימה רעלני של זגוגית השן פחמתי פחמן יציב וניתוח איזוטופ החמצן
Summary
יציב הפחמן והחמצן איזוטופ ניתוח של קרבונט אמייל השן האדם ושל בעלי החיים שימש כמדד עבור דיאטה בודדים ושיחזור הסביבה. כאן, אנו מספקים תיאור מפורט, תיעוד חזותי של בכמות גדולה ורציפה השן אמאייל דגימה, כמו גם רעלני של דגימות כפליאונטולוג הממצאים הארכיאולוגיים.
Abstract
יציב הפחמן והחמצן איזוטופ ניתוח של קרבונט אמייל השן האדם ושל בעלי החיים הוחל paleodietary, paleoecological, ומחקר paleoenvironmental מתקופות היסטוריות האחרונות לחזור לפני 10 מליון שנה. גישות בצובר מספקים מדגם מייצג עבור התקופה של מינרליזציה אמייל, בעוד דוגמאות רציפים בתוך שן ניתן לעקוב אחר שינויים תזונתיים וסביבתיים בתקופה זו. בעוד מתודולוגיות אלה יש כבר נרחב שהוחל, שמתואר לארכיאולוגיה, אקולוגיה, פלאונטולוגיה, היו הנחיות מפורשות אין כדי לסייע בבחירה של ציוד מעבדה הכרחי וכדי לתאר ביסודיות מעבדה מפורט דגימה ו פרוטוקולים. במאמר זה, ואנחנו מתעדים וככתבה, באופן חזותי, התהליך כולו מן הדגימה דרך ההקרנה pretreatment ומהירות diagenetic כדי לבצע את המתודולוגיה זמינים באופן נרחב יותר חוקרים בהתחשב היישום שלה במגוון של הגדרות מעבדה.
Introduction
יציב הפחמן והחמצן איזוטופ ניתוחים של קרבונט אמייל השן שימש ללמוד אחרי צריכת התזונה האנושית, הגמילה, ניידות, וכן רוצפה הסתמכות על צמחייה, התנועה של בעלי חיים, חיות משק foddering. יישומים אלה יש כבר באופן מקיף דנו ונבדקים למגוון רחב של תנאים סביבתיים המציין את השפעת כאילוסטרציה מקומיים, טמפרטורה, מקורות מים, צמחייה יצירות1,2, 3,–4,–5,–6. המגוון של יישומים אפשריים בארכיאולוגיה והיסטוריה פלאונטולוגיה, כמו גם שימור טובה קרבונט אמייל השן, הפכה אותו חומר אטרקטיבי של איזוטופ יציב עבודה3. שיטות דגימה, רעלני ו ההקרנה diagenesis מתוארות בקצרה במספר פרסומים קודמים1,7. עם זאת, הפגנות מילולית וחזותית יסודית להישאר זמין במידה רבה, במיוחד לאנשים מחוץ ארכאולוגיה מעבדות ובקרב קבוצות מעבדה עם מוגבלת למימון שבו האינטרס השימוש בטכניקה זו גוברת 5.
אמייל השן בעיקר מורכב היידרוקסיאפטיט (bioapatite) וגידולו8 גדולים יותר מאלה של העצם, שהופך אותו עמידים יותר בפני החלפות יוניים diagenetic פוסט-מורטם וזיהום3. מחקרים מודרניים הראו כי המידות איזוטופ (אלפא13ג) פחמן יציב של השן רוצפה אמייל הרשומה באופן אמין בעל חיים תזונה והתנהגות9,10. הערך איזוטופ (אלפא18O) חמצן יציב של זגוגית השן נקבעת על-ידי הרכב איזוטרופי חמצן של בלע מים, הכוללת מים צמח, מזונות בעלי חיים, מי שתייה, נשימה, כמו גם השפעות סביבתיות שונות על המים אשר יכול להוביל בהמשך איזוטרופי fractionation (למשל., חופיים, טמפרטורה, גובה, כמות המשקעים, מיקום הקונטיננטלי)11. זו הפכה אותו שיטה פופולארית עבור שחזור תזונתיים וסביבתיים במחקר הארכיאולוגי, paleoecological, פליאונטולוגיה.
תקופת היווצרות אמייל השן קצרים יחסית (שנים), משתנה בהתאם השן להיות שנדגמו. על בני אדם, זגוגית שן טוחנת ראשונה mineralizes מלידתם ועד לגיל 3 שנים וטוחנות mineralize בין 1.5 ו-7 שנים של גיל, השן הטוחנת השנייה mineralize בגילאי 2.5 ו- 8, השן הטוחנת השלישית mineralize במהלך גיל ההתבגרות, בין 7 ל 16 שנים12 . נתון המהווה אמייל השן באופן מצטבר מעל בתקופה של היווצרות, שניתן יהיה לטעום בצובר לאורך ציר הגידול כולו או נדגמים ברצף כדי לחקור את השינויים בדיאטה וסביבה שהתרחשו במהלך תקופת היווצרות13 . מסודר בסדר כרונולוגי שינוי תזונה בתוך השן נתון זה נצפות לבני אדם ולבעלי אחרים חיות1,14, מתן מידע לגבי הבין-השנתי וריאציה עונתיות ותזונתיות.
בעוד אמייל עמיד בדרך כלל diagenesis, איזוטרופי שינויים הנובעים הסביבה קבורה אפשרי, נצפו15,16, הפיכת בדיקות ניסויית והבחירות pretreatment שימושי. אמנם זה לא השיטה זמין רק, ספקטרוסקופיית פורייה (FTIR), במיוחד במצב שידור הקלוש, התפתחה בתור מהיר, זול, נגיש יחסית שיטה להערכת שינוי taphonomic אמייל השן. בפרט בהקשרים כפליאונטולוג17,18,19,20. עם זאת, נתונים היסטוריים פרוטוקולים וסטנדרטים הקלטה נותרים יחסית נגיש לאנשים רבים מחוץ לתחומי המדע גאוכימיה או חומר.
זמני התגובה וכימיקלים המועסקים על ידי חוקרים רעלני של זגוגית השן גם משתנים באופן משמעותי בספרות, לעתים קרובות תוך התחשבות מוגבל לגבי מה ההשתנות לעשות פחמן יציב והערכים איזוטופ החמצן של המדגם21 ,22. . הנה, מדווחים גישה שימושים לדלל חומצה אצטית (0.1 M) עבור רעלני דוגמאות אבקת האמייל. עם זאת, בהתחשב בכך ההבדלים במדידות איזוטרופי הנובע רעלני הם קלים יחסית על זגוגית השן, זה הכי טוב עבור החוקרים לעקוב אחר הפרוטוקולים עבור datasets שבה הם רוצים להשוות את הנתונים שלהם ל-11. יתר על כן, שבו נלקחים דגימות רציפים קטנים, במיוחד על דגימות Holocene, אין רעלני עשוי להיבחר (בעקבות בדיקות diagenetic פיילוט) כדי למנוע בזבוז הדגימה.
למרות השיטות שאנחנו מדווחים כאן בהחלט לא חדש, הידע שלנו, זו הפעם הראשונה בה תיעוד הכתוב יסודית של תפזורת, דיגום רציף, בחירות pretreatment שיטות הסימון diagenetic (בדמות FTIR) השן אמייל נעשו נרחב זמין לקהל אקדמיים מגוונים. בעוד אנו מקווים המאמצים שלנו יגרום גישה זו יותר נגישים למספר רחב יותר של אנשים פרטיים, מעבדות, חוקרים שרוצים להחיל ולפרסם טכניקה זו חייב להיות מודע מינימום תקן, שיקולים diagenetic, דיווח, מצגת דרישות overviewed במקום20, וכן המורכבויות המפרש פוטנציאל להיות ייחודי לאזור המחקר שלהם, taxa ניתח, ולאחר זמן מחזור5.
Protocol
Representative Results
Discussion
האתגרים של מוצלחת דגימה (בתפזורת, מצטבר) של שיניים מתבסס על הגישה לידע לגבי טכניקות קידוח ולטעום הכנה, לצד ההשקעה בציוד זול יחסית. האתגרים הללו הם surmountable בקלות כאשר ברור ההוראות זמינים בנוגע גישות pretreatment מדגם. במאמר זה, אנו מקווים יש המופץ אלה בצורה ברורה, תמציתי לחוקרים החדשה לשיטות אלו. מל…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
ברצוננו להודות חברת מקס פלנק מימון המחקר הזה, כמו גם את ההגדרה האחרונה למעלה של מעבדת איזוטופ יציב-החוג לארכיאולוגיה, מכון מקס פלנק על המדע של ההיסטוריה האנושית.
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 |
References
- 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).
