Amostragem e tratamento prévio de esmalte do dente carbonato de carbono estável e análise de isótopos de oxigênio
Summary
Análise de isótopo carbono e oxigênio estável de carbonato de esmalte do dente humano e animal tem sido usado como um proxy para cada dieta e reconstrução ambiental. Aqui, nós fornecemos uma descrição detalhada e documentação visual de granel e sequencial do dente esmalte amostragem bem como pré-tratamento de amostras arqueológicas e paleontológicas.
Abstract
Análise de isótopo carbono e oxigênio estável de carbonato de esmalte do dente humano e animal foi aplicado em pesquisa de paleoambientais e paleodietary, paleoecológica, de períodos históricos recentes para mais de 10 milhões anos atrás. Granel abordagens fornecem uma amostra representativa para o período de mineralização do esmalte, enquanto amostras sequenciais dentro de um dente podem rastrear mudanças dietéticas e ambientais durante este período. Embora essas metodologias foram amplamente aplicadas e descritas em arqueologia, paleontologia e ecologia, há não orientações explícitas para ajudar na seleção de equipamentos de laboratório necessários e para descrever minuciosamente detalhado laboratório amostragem e protocolos. Neste artigo, Nós documentamos textualmente e visualmente, todo o processo de amostragem através de triagem de pré-tratamento e LGMA tornar a metodologia mais amplamente disponível para pesquisadores, considerando sua aplicação em uma variedade de configurações de laboratório.
Introduction
Análises de isótopo carbono e oxigênio estáveis de carbonato de esmalte do dente tem sido usada para estudar o passado humano de ingestão, desmame e mobilidade, bem como dependência da fauna de vegetação, o movimento de animais e pecuária foddering. Esses aplicativos foram exaustivamente discutidos e revisados para uma variedade de condições ambientais, indicando os efeitos da aridez local, temperatura, fontes de água e vegetação composições1,2, 3,4,5,6. A diversidade de aplicações potenciais em arqueologia e paleontologia, bem como a boa preservação do carbonato de esmalte do dente, fêz um material atrativo para o isótopo estável de trabalho3. Métodos de amostragem, pré-tratamento e rastreio de diagénese são brevemente descritos em algumas das anteriores Publicações1,7. No entanto, completa manifestações verbais e visuais permanecem em grande parte indisponíveis, particularmente para pessoas fora de laboratórios de ciência arqueológica e entre grupos de laboratório com financiamento limitado, onde está a aumentar o interesse no uso desta técnica 5.
Esmalte do dente é principalmente composta de hidroxiapatita (bioapatite) cristalitos8 maior do que aqueles no osso, tornando-os mais resistentes para post-mortem LGMA iônico substituições e contaminação3. Estudos modernos têm demonstrado que medições de isótopos (δ13C) carbono estável do dente da fauna esmalte confiantemente registro animal dieta e comportamento9,10. O valor de isótopo (δ18O) oxigênio estável do esmalte do dente é determinado pela composição isotópica do oxigênio da água ingerida, que inclui a água na planta e alimentos de origem animal, água potável, respiração, bem como vários impactos ambientais sobre a água que pode levar a ainda mais o fracionamento isotópico (EG., aridez, temperatura, altitude, quantidade de precipitação, localização continental)11. Isso a tornou um método popular para reconstrução dietético e ambiental na pesquisa arqueológica, paleoecológica e paleontológica.
O período de formação do esmalte de dente é relativamente curto (anos) e difere dependendo do dente a ser amostrado. Para os seres humanos, primeiro molar esmalte mineralizes entre o nascimento e os 3 anos de idade, pré-molares mineralize entre 1,5 e 7 anos de idade, segundo molares mineralize entre 2,5 e 8 anos de idade e terceiros molares mineralize durante a adolescência, entre 7 e 16 anos,12 . Tendo em conta que formas de esmalte do dente incrementalmente ao longo de seu período de formação, pode ser amostrado em massa ao longo do eixo de crescimento inteira ou amostrado sequencialmente, a fim de investigar as mudanças na dieta e ambiente que ocorreram durante o período de formação13 . Mudanças dietéticas ordenadas cronologicamente dentro de um determinado dente são observável para seres humanos e outros animais1,14, fornecendo informações sobre inter-anual variação sazonal e dietética.
Enquanto o esmalte é geralmente resistente a diagénese, isotópicas modificações resultantes do ambiente enterro são possíveis e foram observadas15,16, fazendo verificações experimentais e pré-tratamento escolhas útil. Enquanto não é o método só está disponível, Fourier transform espectroscopia de infravermelho (FTIR), particularmente no modo de transmissão atenuadas, surgiu como uma forma rápida, barata e relativamente acessível método para avaliar grafismos alteração no esmalte do dente, particularmente em contextos paleontológica17,18,19,20. No entanto, detalhada de protocolos e padrões de gravação permanecem relativamente inacessíveis para muitas pessoas, fora os campos da ciência geoquímica ou material.
Tempos de reação e os produtos químicos empregados por pesquisadores no pré-tratamento do esmalte do dente também variam consideravelmente na literatura, muitas vezes com limitada consideração sobre o que esta variabilidade pode fazer ao carbono estável e valores de isótopos de oxigênio da amostra21 ,22. Aqui, nós relatamos uma abordagem que usa diluir o ácido acético (0,1 M) para o pré-tratamento das amostras de pó de esmalte. No entanto, dado que as diferenças nas medições isotópicas resultantes de pré-tratamento são relativamente menores para o esmalte do dente, é melhor para os pesquisadores a seguir os protocolos para conjuntos de dados com os quais desejam comparar seus dados para11. Além disso, onde pequenas amostras sequenciais são tomadas, particularmente em amostras do Holoceno, sem pré-tratamento pode ser escolhido (sequência de testes-piloto LGMA) para evitar o desperdício de amostra.
Embora os métodos que nós relatamos aqui não são de modo novos, para o nosso conhecimento, esta é a primeira vez que uma completa documentação escrita e visual de granel e amostragem sequencial, pré-tratamento escolhas e métodos de seleção LGMA (sob a forma de FTIR) para dente esmalte se tornaram amplamente disponíveis para um público variado e acadêmico. Enquanto esperamos que nossos esforços fará com que esta abordagem mais facilmente acessível a um número maior de indivíduos e laboratórios, pesquisadores que deseja aplicar e publicar esta técnica devem estar cientes do mínimo relatórios padrões, considerações LGMA, e requisitos de apresentação visualizadosm em outro lugar20, bem como o potenciais interpretativas complexidades que serão exclusivo para sua região de estudo, táxons analisadas e tempo de período5.
Protocol
Representative Results
Discussion
Os desafios da bem sucedida de amostragem (granel e incremental) da dentição depende do acesso ao conhecimento sobre técnicas de perfuração e preparação, juntamente com o investimento em equipamentos de custo relativamente baixo da amostra. Estes desafios são facilmente superáveis quando clara instruções estão disponíveis relativas à amostras e pré-tratamento de abordagens. Neste artigo, nós esperamos ter disseminado estes de forma clara e concisa para pesquisadores novos para esses métodos. Estudiosos a…
Disclosures
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Gostaríamos de agradecer a sociedade Max Planck para o financiamento desta pesquisa, bem como a recente configuração acima de um laboratório de isótopos estáveis no departamento de arqueologia, Instituto Max Planck para a ciência da história humana.
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).
