Provtagning och förbehandling av tandemaljen karbonat för stabil kol och syre isotoper analys
Summary
Stabil kol och syre isotoper analys av människors och djurs tand emalj karbonat har använts som en proxy för individuella kost och rekonstruktion av miljön. Här ger vi en detaljerad beskrivning och visuell dokumentation av bulk och sekventiell tand emalj provtagning samt förbehandling av arkeologiska och paleontologiska prover.
Abstract
Stabil kol och syre isotoper analys av människors och djurs tand emalj karbonat har tillämpats i paleodietary, Paleoekologiska, och paleoenvironmental forskning från senaste historiska perioder tillbaka till över 10 miljoner år sedan. Bulk metoder ger ett representativt urval för perioden av emalj mineralisering, medan sekventiell prover inom en tand kan spåra kosten och miljömässiga förändringar under denna period. Medan dessa metoder har tillämpats allmänt och beskrivs i arkeologi, ekologi och paleontologi, fanns inga explicita riktlinjer till stöd i valet av nödvändiga labbutrustning och noggrant beskriva detaljerad laboratorium provtagning och protokoll. I denna artikel dokumenterar vi textmässigt och visuellt, hela processen från provtagning genom förbehandling och diagenetic screening att göra metoden mer allmänt tillgängliga för forskare med tanke på dess tillämpning i en mängd laboratoriemiljö.
Introduction
Stabil kol och syre isotopanalyser av tand emalj karbonat har använts för att studera tidigare mänskliga intaget, avvänjning, och rörlighet, samt faunal beroende av vegetation, förflyttning av djur och djur som foddering. Dessa program har diskuterats utförligt och recenserade för en mängd olika miljöförhållanden som visar effekterna av lokala torka, temperatur, vattentäkter och vegetation kompositioner1,2, 3,4,5,6. Mångfalden av potentiella tillämpningar inom arkeologi och paleontologi, samt bra bevarandet av tand emalj karbonat, har gjort det till ett attraktivt material för stabil isotop arbete3. Metoder för provtagning och förbehandling diagenesis screening beskrivs i korthet i ett antal tidigare publikationer1,7. Grundlig verbala och visuella demonstrationer kvarstår dock till stor del otillgänglig, särskilt till personer utanför arkeologiska vetenskap laboratorier och bland laboratorium grupper med begränsad finansiering där intresset för användningen av denna teknik ökar 5.
Tandemaljen är primärt består av hydroxyapatit (bioapatite) crystallites8 större än i ben, vilket gör den mer motståndskraftig mot obduktion diagenetic Joniska substitutioner och kontaminering3. Moderna studier har visat att stabil KOL isotop (δ13C) mätningar av faunal tand emalj på ett tillförlitligt sätt registrera djurens kost och beteende9,10. Stabil syre isotop (δ18O) värdet av tandemaljen bestäms av syre isotopsammansättningen intas vatten, som innehåller vatten i anläggningen och animaliska livsmedel, dricksvatten, respiration, samt olika miljöpåverkan på vattnet vilket kan leda till ytterligare isotopiska fraktionering (t.ex., temperatur, nederbörd belopp, höjd, torka, kontinentala läge)11. Detta har gjort det en populär metod för kosten och miljömässiga återuppbyggnad i arkeologiska, Paleoekologiska och paleontologiska forskning.
Perioden av tand emalj bildandet är relativt kort (år) och skiljer sig beroende på tanden som provtas. För människor, första molar emalj mineralizes mellan födelse och 3 års ålder, premolarer mineralize mellan 1,5 och 7 års ålder, andra kindtänder mineralize mellan 2,5 och 8 års ålder och tredje molarer mineralize under tonåren, mellan 7 och 16 år12 . Ges det tand emalj bildar stegvis under sin period av bildande, kan den provtas i bulk längs hela tillväxten axeln eller provtas sekventiellt för att undersöka de förändringar i kost och miljö som har inträffat under perioden bildandet13 . Kronologiskt ordnade kostomläggningen inom en viss tand är observerbara för människor och andra djur1,14, som tillhandahåller information om Inter årliga säsongsbetonade och kosten variation.
Emalj är vanligen resistenta mot diagenesis, isotopiska justeringar till följd av nedgrävning miljön är möjliga och har observerats15,16, att göra experimentella kontroller och förbehandling val användbar. Det är inte den enda tillgängliga metoden, Fourier transform infraröd spektroskopi (FTIR), särskilt i försvagade sändningsteknik, har vuxit fram som en snabb, billig och relativt tillgänglig metod för att bedöma taphonomic förändring i tandemaljen, särskilt i paleontologiska sammanhang17,18,19,20. Men förblir detaljerade protokoll och inspelning standarder relativt otillgängliga för många människor utanför av geokemi eller material vetenskapsområden.
Reaktionstider och de kemikalier som anställd av forskare i förbehandling av tandemaljen varierar också avsevärt i litteraturen, ofta med begränsad övervägande om vad denna variation kan göra att stabil kol och syre isotoper värden av provet21 ,22. Här rapporterar vi en strategi att använder späd ättiksyra (0,1 M) för förbehandling av emalj pulver prover. Men, med tanke på att skillnaderna i isotopiska mätningar följd förbehandling är relativt små för tandemaljen, är det bäst för forskare att följa protokollen för datamängder som de vill jämföra sina data till11. Dessutom där små sekventiell prover tas, särskilt på Holocene prover, så får ingen förbehandling väljas (efter diagenetic pilottester) att undvika prov slöseri.
Även om de metoder som vi redovisar här är ingalunda ny, vår kunskap, är detta första gången som en grundlig skriftliga och visuell dokumentation av bulk och sekventiell provtagning, förbehandling alternativ och diagenetic kontrollera metoder (i form av FTIR) för tand emalj har gjorts allmänt tillgänglig till en varierad akademisk publik. Även om vi hoppas att våra ansträngningar kommer att göra detta tillvägagångssätt mer lättillgänglig för ett större antal individer och laboratorier, forskare som vill använda och publicera denna teknik måste vara medvetna om minimum Financial reporting standards, diagenetic överväganden, och presentation krav överblickas någon annanstans20, liksom potentiella tolkande komplexiteten som kommer att vara unikt för deras studie region, taxa som analyseras, och gången perioden5.
Protocol
Representative Results
Discussion
Utmaningarna som framgångsrika provtagning (bulk och inkrementell) av tanduppsättningen förlitar sig på tillgång till kunskap om borrning tekniker och provberedning, tillsammans med investeringar i relativt billig utrustning. Dessa utmaningar är enkelt lösas när tydliga instruktioner finns angående provtagning och förbehandling metoder. I denna artikel hoppas vi att har spridit dessa i en klar, koncis mode för forskare nya till dessa metoder. Forskare tillämpa dessa metoder för första gången bör öva på …
Declarações
The authors have nothing to disclose.
Acknowledgements
Vi vill tacka i Max Planck-sällskapet för finansiering såväl forskningen som den senaste inställningen upp av en stabil isotop laboratoriet vid institutionen arkeologi, Max Planck-institutet för vetenskap av mänsklig historia.
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 |
Referências
- 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).
