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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Følgende protokol følger retningslinjerne i lys isotop masse massespektrometri laboratorium på Max Planck Institute for videnskaben i menneskehedens historie. Passende etik tilladelser fra nationale og internationale udvalg bør søges til analyser, der involverer truede moderne eller historiske faunistiske prøver, og til brug for arkæologiske og faunistiske materiale af interesse for moderne interessenter . I dette papir blev de prøver anvendes fossile og arkæologiske prøver. Ingen levende mennesker blev anvendt i denne undersøgelse og fuld etisk, institutionelle og statslige tilladelser har opnået for enhver destruktive analyse.
1. bulk prøvetagning
Bemærk: For mennesker og dyr, den grundlæggende metode til bulk tand emalje prøveudtagning er anvendelsen af en boremaskine til buccale kanten af tanden.
- Ren den ydre overflade af tand (~0.1 mm) ved hjælp af en aluminium skudt blaster eller af blid slid ved hjælp af drill set-up. Bruge en håndholdt boremaskine med en ren diamant spids drill bit (se nedenfor), selv form, tilsluttet via en chuck drill set-up. Sikre at blide og endda slid er udført som en parallel til den hele vækst akse groove (figur 1 og figur 2).
- Forsøg, hvor det er muligt, at anvende metoden til den samme tand portion for hvert menneske eller dyr.
Bemærk: I menneskelige paleodietary forskning, tredje molarer er generelt foretrak som repræsentant for sent unge/Voksen kost mens første molarer undgås på grund af fravænning effekter23. Den foretrukne tand for hver taxon, og perioden af liv repræsenteret, vil variere med tilgængelige prøver og spørgsmål under undersøgelsen. - Bor i et rum med god udluftning mens iført en maske for at undgå indånding af tand emalje pulver. Bære beskyttelsesbriller for at beskytte øjnene. Være opmærksom på, at mængden af prøven pulver boret vil variere afhængig af det udstyr, der anvendes til analyse, forbehandling protokol og størrelse af tanden. Bore ved lav hastighed for at forhindre varme prøven.
Bemærk: Ca, 4-8 mg af prøven pulver er et passende mål for flere analyser ved hjælp af en online gassystem forberedelse og introduktion til isotope ratio massespektrometri og diagenetic test. Være opmærksom på, at den valgte drill hastighed vil afhænge af skrøbeligheden af eksemplet og vil kræve nogle forsøg og fejl. Generelt på en håndholdt boremaskine er to ud af fem barer af styrke tilstrækkelig. Bore tand pulver over et stykke af rene aluminiumsfolie eller vejer papir. - Indsamle de resulterende emalje pulver og overføre det i en 1.5 mL micro-centrifugerør der har været tareret på en tilstrækkeligt præcis balance før boringer. Label hver tube med betegnelsen prøve (figur 3). Registrere prøven numre og emalje vægten i et laboratorium notebook samt en elektronisk database.
- Før boringer hver ny tand, rense de udnyttede borehoveder først bruger 0,5 M HCl på en robust væv. Derefter vaskes borehoved med et organisk opløsningsmiddel (f.eks. acetone, methanol eller ethanol) ved hjælp af en robust væv.
- Efter en boring sidder, rense arbejdsområdet grundigt ved hjælp af en dedikeret støvsuger, eller en fejebakke og pensel. Tørre prøveudtagning plads med methanol. Vakuum eller let spray boret med trykluft til at fjerne støv og prøve pulver mellem prøver.
2. sekventiel prøvetagning
Bemærk: Sekventiel prøvetagning kan gribes an på en række forskellige former og vil afhænge af den taksionomiske gruppe bliver samplet, størrelsen af tanden, som den ønskede tidsmæssige opløsning.
- Rengør overfladen af tanden bliver udtaget ved at fjerne en meget tynd (~0.1 mm) lag af ydre tandemaljen.
- Bore prøver langs buccale overfladen vinkelret vækst akse af tanden, kører fra emalje root krydset til toppen af kronen. Bore horisontale bånd vinkelret på aksen vækst med hver prøve, hvilket resulterer i en 1-2 mm bred fuge på tværs af det emalje lag (figur 1 og figur 4). Sørge for at undgå at bore gennem emalje i dentine, som det vil forurene proeven og de deraf følgende måling.
Bemærk: Antallet af prøver afhænger af opløsningen ønskede men c. 10 repræsenterer en passende mål at studere sæsonbestemte ændringer i δ13C og δ18O værdier for en hypsodont størrelsen af tamme kvæg. - Vælg den passende borehoved for hver proeve, som bredden af prøvetagningsledningen bestemmes af diameteren af borehoved.
- Bruge en rig set-up for mere følsomme tænder der kræver et større antal enkeltprøver (figur 2) (fx., menneskelige tænder), samt som for mere stabile boring. Oprette rig standen, der holder øvelsen sikkert, med borehoved peger nedad.
Bemærk: Mens fire prøver kan let fås fra en permanent menneskelige molar ved hjælp af en håndholdt tilgang24, mere raffineret prøveudtagning kræver en rig eller CO2 laser ablation tilgang, der ikke vil blive diskuteret her14. En anden fælles tilgang er at bruge en semi-automatiske microsampling25. - Holde tand eller tillægger en klemme. Tryk på tandemaljen mod drill bit og anvende pres. Prøverne er boret trinvist langs buccale overfladen fra apex (okklusal overflade) til bunden af kronen på placeringen af emalje-root junction (ERJ). Gentage den samme prøve boring strategi flere gange boring hver på hinanden følgende linje parallel til den foregående prøve linje. Bruge en lille cylindrisk diamond borehoved for fine tænder, som får molarer, med en diameter på 1 mm (figur 1 c).
- Måle afstanden mellem hver prøveudtagsledning fra ERJ ved hjælp calipers og optage denne afstand til sammenligning.
- Følg trin 1.3-1.6 ovenfor.
Bemærk: Hvis små, sarte tænder er ved at blive analyseret og forbehandling og diagenetic check metoder anvendes ikke, prøver så små som 1-4 mg vil producere pålidelige resultater på en on-line gas forberedelse og introduktion set-up for karbonat analyse. Modificerede automatiseret perifere systemer kan lette anvendelsen af endnu lavere prøve vægte, men uundgåeligt er begrænset af andelen af karbonat i studerede emalje (4-5 wt %)26,27. Forskerne bør rådføre sig med laboratoriet hvor prøver skal måles for at bestemme mængden af prøven kræves.
3. Fourier Transform infrarød massespektrometri/Attenuated samlede Reflektionsgraden metode
- Metoden svækket samlede Reflektionsgraden etablere en prøve salen baggrund, enten under vakuum eller i normale atmosfæriske forhold.
- Læg ca 1 mg af tandemaljen over diamant krystal i prøve salen ved hjælp af en spatel. Lavere og sikre prøve post, indtil der er en fast forbindelse mellem stillingen, prøven og diamond plate. Luk i prøve salen, med eller uden vakuum er oprettet, afhængigt af det set-up eller tilgængelighed.
- Måle FTIR spektrene for 64 gange for wavenumber mellem 400 og 4.000 cm-1. Det ønskede antal flergangsbestemmelser vil variere baseret på målene for undersøgelsen, selv om analysen af tre replikater, ideelt med forskellige delprøver er taget og vendte derefter tilbage til microcentrifuge røret boliger prøven, vil sikre robuste resultater.
- Ren spatel med methanol mellem hver delprøve og mellem hver prøve.
- Udføre en baseline korrektionen ved hjælp af den tilgængelige software. Softwaren trækker automatisk prøve salen baggrund fra den resulterende FTIR profil. For at sikre bedre reproducerbarhed, bør kun emalje spektre med en minimum absorbans på 0,06 for den højeste fosfat band på ~1035 cm-1 tages i betragtning.
- Overvåge tilstedeværelsen af den fælles sekundære forurenende karbonat calcit i alle prøver ved at kontrollere for et højdepunkt på 711 cm-1.
- Efter analyse, omhyggeligt returnerer prøverne til deres microcentrifuge rør ved hjælp af en spatel eller suge enhed og tage på den næste fase af forbehandling eller analyse.
- Eksportere rådata bølgelængde og intensitet som en .csv-fil (eller lignende) og bruges til at beregne indeks af interesse (almindeligt anvendte indeks omfatter A-site fosfat indeks, B-site fosfat indeks, fosfat Crystallinity indeks, vand-AMID på fosfat indeks, og CO3/PO4 indeks17,18,19) (tabel 1).
- Sammenlign FTIR resultater fra de fossile eller arkæologiske prøver til voksende datasæt af moderne faunistiske tandemaljen nu tilgængelige i litteraturen19,20 til at bestemme arten og omfanget af diagenetic ændring af den emalje stikprøven.
4. simple eddikesyre (0,1 M) forbehandling
- Veje emalje pulver til hver prøve i et microcentrifuge rør med en balance som passende. Label røret i overensstemmelse hermed. Emalje pulver skal jorden i samme grad, med partikler af samme størrelse.
Bemærk: Mange forskere udnytter et oxidationsmiddel, som fortyndes blegemiddel (NaClO) eller 30% hydrogenperoxid (H2O2) til at fjerne organiske stoffer fra en stikprøve, og dette bør tilføjes på dette punkt. Men ikke kun kan disse reagenser alter stabil carbon og oxygen isotop værdier af en prøve, men spektre af knogle kollagen prøver i en on-line gassystem forberedelse og indførelse viser, at 100% fosforsyre udnyttet i karbonat måling reagerer ikke med organisk prøver (figur 5), tyder på, at dette skridt er unødvendige. - Tilføje 0,1 mL 0,1 M eddikesyre (pr. 1 mg af emalje) til hver prøve ved hjælp af en pipette. Undgå at berøre prøver med en pipette. Hvis prøven og pipette kommer i kontakt, skal du bruge en ny pipetten for den næste prøve for at undgå krydskontaminering.
- Agitere, enten gennem ryste eller en elektronisk omrører (figur 3) og derefter forlade prøver at sidde i 10 min. emalje pulver ikke bør efterlades i eddikesyre i længere tid (> 4 h).
- Placer prøverne i en microcentrifuge for 2 min på 13,700 x g.
Bemærk: En low-cost alternativ er brugen af en mini centrifugeres i 4 min på 3.500 x g, som holder færre prøver, men er mindre tidskrævende, når der beskæftiger sig med stor stikprøve sæt. - Når programmet microcentrifuge stopper, skal du erstatte eddikesyren med 2 mL i ultrarent vand bruger en ren pipette, derefter microcentrifuge prøver for 2 min på 13,700 x g.
- Ændre den ultrarent vand to gange, som før, og teste for neutralitet. Fjern de resterende væske ved hjælp af en pipette (uden at forstyrre supernatanten).
Bemærk: En i alt tre vasker med ultrarent vand er standardprocedure at komme til neutralitet. Prøven vaskes indtil neutralitet er nået. - Skære plader af Parafilm (1 cm × 1 cm) og placere over hver microcentrifuge tube. Lave et lille hul i midten med en skarp genstand, så prøven tørrer passende.
- Sted rør i en fryse tørrere til at fjerne enhver resterende væske.
Bemærk: Hvis en fastfrysning tørretumbler ikke er tilgængelig, blid ovn tørring (40 ° C) er også en mulighed og bør ikke have nogen negative virkninger på de stabile carbon og oxygen isotop data. - Når tør, fjerne Parafilm og lukke microcentrifuge låg. Sørg for, at røret mærkning er korrekte og omskrive hvis nødvendigt.
Bemærk: Dette er den sidste fase inden deponering til vejning ud, som i laboratorier med begrænsede midler kan være den sidste fase forud for fordelingen af prøverne til analyse andetsteds.
5. vejning og måling af prøver og standarder
- Ved hjælp af en spatel, afvejes ca. 2 mg emalje pulver på en tin disk på en balance følsomme 0,001 mg (figur 6). Derefter omhyggeligt overføre prøven til et fosforsyre-resistente borsilikatglas hætteglas. Dette beløb af emalje er forpligtet til at give pålidelige resultater på grund af den relativt lille andel af karbonat i tandemaljen.
- Rengør spatel mellem prøver ved hjælp af methanol og bruge en frisk, ren disk eller vejer skib til hver prøve.
- Der afvejes 0,2 mg af en international standard som IAEA NBS18, IAEA 603, IAEA CO8 eller Merck CaCO3. En in-house standard fremstillet af homogeniseret emaljen af en stor tand kan bruges som godt20. For en fuld køre 76 prøver og standarder, brug 61 prøver og 15 standarder, som skal være jævnt fordelt over hele køre. Flere undersøgelser har rapporteret passende antal standarder og detaljer i arkæologiske forskning20,28.
Bemærk: Gentagne forbehandling og analyse af en emalje i house standard, på tværs af en række kørsler af arkæologiske prøver, er også tilbøjelige til at give en passende foranstaltning af nøjagtighed for prøverne undersøges20. - Spænd de specielt designet låg, tilgængelige for nålen indtil septum stramt men ikke suges ind i hætteglasset. Ikke stramme låget som presset på septum vil få for stærk og kan i sidste ende resultere i en brudt nål under analysen. Placer hætteglassene i nævnte rækkefølge inden for en opvarmning blok ved 70 ° C. Orden og vægte af prøver skal registreres pålideligt for ibrugtagning af computersoftware.
- Måle på prøver af følgende tre trin: 1) flugter fylder prøverne med ren Helium, 2) tilføje fosforsyre, 3) måle prøven.
- Skyl prøver med ren helium (grade 5.0) med et flow på 100 mL/min for 5 min til at skylle ud af luften.
- Tilsæt 4-5 dråber af fosforsyre (99%, tæthed 1.85 g/mL) til karbonat-holdige prøven. Reaktion mellem prøve og H3PO4 begynder. Under reaktionen, er CO2 udgivet som bærer isotopiske værdien af carbonat ion CO32 - af prøven.
- Vente 1 time pr. sample indtil ækvilibrering af CO2 er nået. Efter 1 time, bør prøverne måles for at opnå pålidelige resultater. I løbet af erhvervelse, en blanding af prøvegassen og han passerer til enheden. En tørring fase fjerner vandet fra prøven gasblandingen.
- Måle prøven ved at starte med tre toppe af CO2 reference gas med en kendt isotopiske sammensætning. Peak intensiteten bør 4000 mV til at matche intensiteten af prøven toppe (mellem 4000 til 8000 mV). De tre reference gas toppe skal være 20 s lang og 30 s apart. Følg definere måling interval af prøven. Måle prøve 10 gange for 5 s hver og 55 s apart. Sikre, at peak højde falder over tid med angivelse af korrekte transport af prøven/helium blanding (figur 5).
Bemærk: Under målingen, softwaren beregner den isotopiske sammensætning af prøven ved at sammenligne kendte isotopiske værdien, tophøjde, og område i toppen af reference gas med tophøjde og arealet af toppene af prøverne. Den rå 13C /12C og 18O /16O sammensætningen af stikprøven beregnes.
- Normalisere prøverne efter måling.
Bemærk: Dette er vigtigt fordi reference gas ikke undergår den samme kemiske og fysiske sti som prøvegassen når tilføres den massespektrometer. Derfor er det vigtigt, at prøverne desuden er kalibreret til internationale standarder (trin 5.3), underkastes de samme fysiske og kemiske behandling inden for en køre som prøven selv20. Disse internationale karbonat standarder aktiverer 2-punkts kalibrering af prøver på den internationale delta måleskala og vurdering af nøjagtighed og repeterbarhed i hele en given køre.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Bruger prøveudtagningsproceduren præsenteret ovenfor, blev incremental emalje bioapatite prøver udarbejdet. Analyse af bioapatite i emalje afhænger af nøjagtigheden af prøveudtagning, om bulk eller meromkostninger. I dette tilfælde har vi valgt at præsentere resultaterne af arkæologiske prøver (to får) fra forskellige klimazoner. Enkeltprøver blev analyseret fra får anden kindtænder og mærket startende fra ERJ (figur 4). Enkeltprøvens placeringer er nummererede, og hver lokation blev målt som afstanden i mm fra ERJ (figur 7).
Forskellige kulstof og ilt stabil isotop resultater fra de to får bekræfte, at de levede i forskellige miljøer, i dette tilfælde en tropisk græsarealer (A) og en tempereret tør-steppe græsarealer (B), henholdsvis. Incremental δ18O værdier for får en vis et snævert interval mellem 3,3 til 5.1‰, hvilket tyder på indtagelse af vandkilder med lignende isotopiske værdier og en mangel på stærke sæsonbestemte ændringer i nedbør (figur 8). Derimod har δ18O værdier for får B en høj amplitude af variation, lige fra ─5.2 til ─13.1‰, der angiver stærk sæsonvariation i nedbør. Stabilt kulstof isotop værdier tyder stærkt forskelle i indtaget vegetation mellem prøver, med får en at have en kost bestående hovedsagelig af C4 planter, mens får B indtages primært C3 vegetation. Disse får var specielt udvalgt til at demonstrere miljømæssig variation tydeligt i trinvise ilt og kulstof stabil isotop resultater.
Menneskelige tænder er ligeledes stikprøven fra ERJ krone langs vækst akse. Incremental δ18O og δ13C værdier for menneskelige tand fra en regnskov miljø er meget begrænset inden for en 2‰ interval. Dette tyder på manglende variation i fouragering strategier for perioden af emalje mineralisering (figur 9).
Figur 1: boring tand. (A) foto af en tand er boret på en rig sat op. (B) foto af emalje pulver er indsamlet i sølvpapir og placeret i en 1.5 mL micro-centrifugerør (med ordentlig mærkning). (C) foto af forskellige borehoveder tilgængelig for trinvise prøveudtagning. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 2: Rig sat op. Foto af rig sat med boret på plads. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 3: prøve forberedelse. Prøve at være placeret i et micro-centrifugerør og ophidset på en vortex efter kemikalier blev tilføjet. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 4: trinvist stikprøven får tænder. Får tænder (A og B) at de trinvist. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 5: kromatogram af gasbench køre. Foto af et kromatogram af en stikprøve viser intensiteten af reference gas toppe og prøve toppe over tid. Detekterede masserne er 44, 45 og 46. De første tre toppe er CO2 reference gas toppe med en kendt isotopiske sammensætning. Ti toppe, der følger er prøven toppe faldende i intensitet. Toppe skal altid være adskilt af flere sekunder til at sikre en streng forskelsbehandling mellem toppene og dermed en ren peak integration. Numre på toppen af hver peak state tid (s) af peak påvisning. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 6: vejning carbonat prøven. Foto af prøve at blive vægtet i hætteglas med en spatel. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 7: enkeltprøver på får tand. Enkeltprøver langs vækst akse af tand fra ERJ til toppen af kronen afbildet sammen med kulstof og ilt stabil isotop værdier. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 8: får emalje carbonat isotop resultater. Stabil ilt og kulstof isotop værdier for to trinvist stikprøven får tænder. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
Figur 9: menneskelige emalje carbonat isotop resultater. Stabile ilt og kulstof isotop værdier for et trinvist stikprøven menneskelige tand. Venligst klik her for at se en større version af dette tal.
| PCI (fosfat Crystallinity indeks) |  |
Sponheimer og Lee-Thorp, 1999b |
| andre navne: | ||
| CIIR (Crystallinity indeks infrarød) | Esbjerg, 1990 | |
| IRSF (infrarød opdeling faktor) | Weiner og Bar-Yosef, 1990 | |
| BPI (B-karbonat på fosfat indeks) |  |
LeGeros, 1991 |
| API (A-karbonat på fosfat indeks) |  |
Sponheimer og Lee-Thorp, 1999b |
| BAI (relative antal B-A-site karbonat) |  |
Sponheimer, 1999; Sponheimer og Lee-Thorp, 1999b |
| WAMPI (vand-AMID af fosfat Index) |  |
Roche et al., 2010 |
Tabel 1: empirisk indekser, der karakteriserer de crystal-kemiske egenskaber af emalje bioapatite. Vi anbefaler brug af de empiriske indeks fra Sponheimer (1999), Sponheimer og Lee-Thorp (1999), og Roche et al. (2010) til at karakterisere de crystal-kemiske egenskaber af emalje bioapatite.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 fauna forud for analyse og prøveudtagning af værdifulde arkæologiske og paleontological prøver.
Prøveudtagning af menneskers og dyrs tand emalje karbonat til stabil isotop analyser er en enkel procedure, der er foretaget på flere laboratorier. Der er imidlertid en tendens til, at teknikker og teknologien i forbindelse med boring af tandsæt til at variere laboratorium og indgå i et bredere sæt af insider teknisk viden, der ikke deles åbent. Incremental prøver har store fordele, tillader identifikation af detaljeret intra individuel variation i indtag og indtagelse af vand. Dette illustreres af overbevisende forskellene mellem personer fra forskellige regioner som kosttilskud og miljøoplysninger er bevaret i tand emalje bioapatite. I vores repræsentative data er betydelig isotopiske variation tydeligt mellem fårene fra tropiske græsland i forhold til fårene fra tempererede tør-steppe græsland (figur 8).
Kritiske trin i protokollen er relateret til nøjagtighed i boring, bevarelse af tand emalje og forbehandling teknikker. Små unøjagtigheder i boring, eksempelvis kan gennem emalje i tand dentine, resultere i yderst variable isotop målinger29. Bevarelse af tandemaljen kan kontrolleres gennem en række forskellige metoder, herunder den anslåede karbonat andel af en given prøve målt samt FTIR set-up drøftet her. Forskere bør også underrette laboratorier af nedgravning miljøet, specielt om vand-logget eller i sur jord, som kan påvirke de strukturelle bevarelse af fossile tandemaljen. Hårdheden af tandemaljen bør betragtes som en indledende indikator for konservering, som kan kun blive tydeligt under boring. Emalje, der er blød og let boret tyder på, at bioapatite krystalgitter kan have forringet og bør kontrolleres med FTIR eller andre midler rapporteret i litteraturen30. Variationen i stikprøven forbehandling synes at medføre begrænset isotopiske variation i tand emalje21,22. Vi foreslår derfor, brugen af simple protokoller (fx., 0,1 M eddikesyre i mindre end 4 timer efterfulgt af vask med destilleret vand).
Der er flere begrænsninger for teknik, forbundet med prøveudtagning design og fortolkning. Boring sekventielle prøver er en færdighed, der tager lidt tid at mestre. En klar forståelse af taxa og tand skal analyseres er afgørende for at formulere en prøveudtagning design2,25. Yderligere kan boring af prøver tage en betydelig mængde af tid til at fuldføre. Men de resulterende kulstof og ilt stabil isotop værdier for sekventielt stikprøven tandsæt tillade forskere til at holde styr på kosten og miljømæssige ændringer. Da disse ændringer vedrører naturlige sæsonsvingninger, ofte i gamle perioder, er tankevækkende fortolkninger, der er kontekstualiserede inden for en forståelse for variation i isotopiske reference sæt integreret til denne forskning6.
I artiklen, vi har vist incremental prøveudtagning og bulk prøvetagning af både menneskelige og får tandsæt. Yderligere, vi instruere forskere på forbehandling metoder for begge prøve. Incremental prøveudtagningsmetode kan anvendes med succes på antikke og moderne fauna med lignende emalje vækst og mineralisering (fx., kvæg og heste). Forbehandling af emalje bioapatite som vist i artiklen kan bruges på prøver fra et udsnit af fortidsminder. Den vigtigste lektie fra vores prøveudtagningsproceduren er bulk og trinvise prøveudtagning af tandsæt, der ikke er let forklares i et dokument. Yderligere demonstrationer kan demokratisere andre arkæologiske isotop prøveudtagning og forbehandling tilgange (fx., knogle kollagen ekstraktioner eller prøveudtagning af arkæologiske keramik for stabil isotop målinger af fedtsyrer) styrkelse af den spredning af viden og teknologi på dette område. Sådan demokratisering bør dog ikke, ses som en fuldstændig erstatning for høring af sagkyndige, eller den tilgængelige litteratur, at etablere standarder for måling og fortolkninger i en given kontekst20,28.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne erklærer nogen interessekonflikt.
Acknowledgments
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
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| 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=EAIaIQ obChMI7pHRpauW2QIV77ftCh1p1 wjhEAAYASAAEgKzkvD_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. , Elsevier Health Sciences. (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).
