Summary
Stabil karbon og oksygen isotop analyse av mennesker og dyr tann emalje karbonat er brukt som en proxy for personlige kosthold og miljømessige rekonstruksjon. Her vi gir en detaljert beskrivelse og visuell dokumentasjon av bulk og sekvensiell tann emalje prøvetaking samt forbehandling arkeologiske og paleontologiske.
Abstract
Stabil karbon og oksygen isotop analyse av mennesker og dyr tann emalje karbonat er brukt i paleodietary, paleoecological, og paleoenvironmental forskning fra siste historiske perioder tilbake til over 10 millioner år siden. Bulk tilnærminger gir et representativt utvalg for perioden av emalje mineralisering, mens sekvensiell prøver i en tann kan spore diett- og miljømessige endringer i denne perioden. Mens disse metodene har vært mye brukt og beskrevet i arkeologi, økologi og paleontology, det er ingen eksplisitt retningslinjer til hjelp i valg av nødvendig laboratorieutstyr og grundig beskrive detaljert laboratorium prøvetaking og protokoller. I denne artikkelen dokumentere vi textually og visuelt, hele prosessen fra prøvetaking gjennom forbehandling og diagenetic screening gjøre metodikken mer allment tilgjengelig for forskere vurderer sin søknad i en rekke laboratorium innstillinger.
Introduction
Stabil karbon og oksygen isotop analyser av tann emalje carbonate har blitt brukt til å studere forbi menneskelige inntak, avvenning, og mobilitet, samt fauna avhengighet av vegetasjon, bevegelsen av dyr og husdyr foddering. Disse programmene har vært omfattende diskutert og gjennomgått en rekke forhold som indikerer effekten av lokale tørt, temperatur, vannkilder og vegetasjon komposisjoner1,2, 3,4,5,6. Mangfoldet av mulige programmer i arkeologi og paleontologi og god bevaring av tann emalje carbonate, har gjort det et attraktivt materiale for stabil isotop arbeid3. Metoder for prøvetaking og forbehandling diagenesis screening er kort beskrevet i flere tidligere publikasjoner1,7. Grundig muntlige og visuelle demonstrasjoner beholdes imidlertid stort sett utilgjengelige, spesielt for folk utenfor naturvitenskapelige laboratorier og laboratoriet grupper med begrensede midler der interessen for bruk av denne teknikken er økende 5.
Tannemaljen består hovedsakelig av hydroxyapatite (bioapatite) crystallites8 større enn de i bein, slik at det blir mer motstandsdyktig mot obduksjon diagenetic ioniske erstatninger og forurensning3. Moderne studier har vist at stabil karbon isotop (ses13C) målinger av fauna tann emalje pålitelig posten dyr kosthold og atferd9,10. Stabil oksygen isotop (ses18O) verdien av tannemaljen bestemmes av oksygen isotopanrikning sammensetningen av inntatt vann, som inneholder vann i anlegget og animalsk mat, drikkevann, åndedrett, samt ulike miljømessige virkninger på vann som kan føre til ytterligere isotopanrikning fraksjoneres (f.eks., tørt, temperatur, høyde, nedbør beløpet, kontinentale plasseringen)11. Dette har gjort det en populær metode for diett- og miljømessige rekonstruksjon i arkeologiske, paleoecological og paleontologiske forskning.
Tann emalje dannelsen perioden er relativt kort (år) og varierer avhengig av tannen blir samplet. For mennesker, første molar emalje mineralizes mellom fødsel og 3 år, premolarer mineralize mellom 1,5 og 7 år, andre jeksler mineralize mellom 2,5 og 8 år og tredje molarer mineralize i ungdomsårene, mellom 7 og 16 år12 . Gitt at tann emalje former gradvis over sin periode formasjonen, kan den samplet i bulk langs hele vekst aksen eller samplet fortløpende for å undersøke endringer i kosthold og miljø som har oppstått i dannelsen perioden13 . Kronologisk-bestilt kosttilskudd endring innen en gitt tann er for mennesker og andre dyr1,14, å gi informasjon om Inter årlige sesongmessige og kosttilskudd variasjon.
Mens emaljen er vanligvis motstandsdyktig mot diagenesis, isotopanrikning endringer som følge av begravelse miljøet er og har vært observert15,16, gjør eksperimentelle sjekker og forbehandling valg nyttig. Mens det ikke er bare tilgjengelig metoden, Fourier transformere infrarød spektroskopi (FTIR), spesielt i dempes overføringsmodus, har dukket opp som en rask, billig, og relativt tilgjengelig metode for å vurdere taphonomic endring i tannemaljen, spesielt i paleontologiske sammenhenger17,18,19,20. Imidlertid fortsatt detaljert protokoller og opptak standarder relativt utilgjengelig til mange utenfor feltene Geokjemi eller materiale vitenskap.
Reaksjonstid og kjemikalier ansatt av forskere i forbehandling av tannemaljen også variere betraktelig i litteraturen, ofte med begrenset vurdering om hva denne variasjonen kan gjøre stabil karbon og oksygen isotop verdier av utvalget21 ,22. Her rapporterer vi en tilnærming som bruker fortynne eddiksyre (0.1 M) for forbehandling av emalje pulver prøver. Men gitt at forskjellene i isotopanrikning målinger fra forbehandling er relativt små for tannemaljen, er det best for forskere å følge protokollene for datasett som de ønsker å sammenligne data til11. Videre der små sekvensiell prøvene er tatt, spesielt på Holocene prøvene, bli ingen forbehandling valgt (etter pilot diagenetic tester) å unngå eksempel svinn.
Selv om metodene vi rapporterer her ikke er ny, vi vet, er dette første gang at en grundig skrevet og visuell dokumentasjon av bulk og sekvensiell prøvetaking, forbehandling valg og diagenetic av metoder (i form av FTIR) for tann emalje har blitt gjort tilgjengelig for et variert akademisk publikum. Vi håper vår innsats vil gjøre dette lettere tilgjengelig for et større antall individer og laboratorier, forskere som vil bruke og publisere denne teknikken må være klar over minimum rapportering standarder, diagenetic hensyn, og presentasjon krav overviewed andre steder20, så vel som potensielle fortolkende kompleksiteten som vil være unike i sin studie region, taxa analysert, og tid periode5.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Følgende protokollen følger retningslinjene i lys isotop masse massespektrometri laboratorier ved Max Planck-instituttet for vitenskap i menneskehetens historie. Aktuelle etikk tillatelser fra nasjonale og internasjonale komiteer må innhentes for analyser som involverer truede moderne og historiske fauna prøver og bruk av arkeologiske og fauna materialet av interesse for moderne interessenter . I dette papiret var eksemplene brukes arkeologiske og fossile prøver. Ingen mennesker ble brukt i denne studien og full etiske, institusjonelle og offentlige tillatelser har fått for noen destruktive analyse.
1. bulk prøvetaking
Merk: For mennesker og dyr, grunnleggende metoden av bulk tannemaljen prøvetaking er anvendelsen av en drill bukkal kanten av tannen.
- Rengjør den ytre overflaten av tannen (~0.1 mm) med en aluminium skudd blaster eller mild slitasje med bore-oppsett. Bruke en håndholdt drill med en ren diamant-tipped drill litt (se nedenfor), selv form og koblet via en chuck med drill starten. Sikre at skånsom og selv slitasje utføres som en groove parallelt hele vekst aksen (figur 1 og figur 2).
- Prøv, om mulig, å bruke metoden til samme tann delen for hvert menneske eller dyr samplet.
Merk: I menneskelig paleodietary forskning, Survey er generelt foretrukket som representant sen juvenil/voksen diett mens første jeksler unngås på grunn av avvenning effekter23. Foretrukket tannen for hver gruppe (biologi) og perioden av livet representert, varierer avhengig av tilgjengelig prøver og spørsmål under studien. - Bore i et godt ventilert rom mens iført en maske for å unngå innånding av tann emalje pulver. Bruk vernebriller for å beskytte øynene. Vær oppmerksom på at mengden sample pulver boret vil variere avhengig av utstyret brukes til analyse, forbehandling protokollen og størrelse av tannen. Bore ved lav hastighet for å hindre oppvarming prøven.
Merk: Ca, 4-8 mg eksempel pulver er et riktig mål for flere analyser ved hjelp av en online gass forberedelse og introduksjon system for isotop forholdet massespektrometri og diagenetic testing. Vær oppmerksom på at valgte drill hastigheten avhengig gebrekkelighet av prøven og vil kreve noen grad av prøving og feiling. Vanligvis på en håndholdt drill er to av fem barer styrke tilstrekkelig. Bore tann pulver over et rent aluminiumsfolie eller veier papir. - Samle den resulterende emalje pulveret og overføre den til en 1,5 mL mikro-sentrifuge rør som har vært tared på en hensiktsmessig nøyaktig balance før boring. Label hver tube med eksempel betegnelsen (Figur 3). Registrere eksempel tall og emalje vekten i et laboratorium bærbare samt elektronisk database.
- Før boring hver ny tann, rengjør de utnyttet borekroner først bruker 0,5 M HCl på en robust vev. Deretter vaske borekronen med en organisk løsemiddel (som aceton, metanol eller etanol) ved hjelp av en robust vev.
- Etter en boring sitter, ren arbeidsområdet grundig med en dedikert støvsuger, eller feiebrett og pensel. Tørk prøvetaking plassen med metanol. Vakuum eller lett spray drill med trykkluft for å fjerne støv og prøve pulver mellom eksempler.
2. sekvensielt prøvetaking
Merk: Sekvensiell prøvetaking kan bli kontaktet i en rekke former og avhenger på gruppe (biologi) blir samplet, størrelsen på tannen, samt timelige oppløsningen.
- Rengjør overflaten av tannen blir samplet ved å fjerne en (~0.1 mm) laget av ytre tannemaljen.
- Bore prøvene langs bukkal overflaten vinkelrett vekst aksen av tann, kjører fra emalje rot krysset til toppen av kronen. Bore vannrette felt vinkelrett på aksen vekst, med hvert utvalg som resulterer i en 1-2 mm bredt groove over emaljen laget (figur 1 og Figur 4). Ta vare for å unngå boring gjennom emaljen i dentine så det vil forurense prøven og resulterende måling.
Merk: Antall prøver tatt vil variere avhengig av oppløsningen ønsket men c. 10 representerer et riktig mål å studere sesongmessige endringer i ses13C og ses18O verdier for en hypsodont størrelsen på tamme storfe. - Velg passende borekronen for hver prøve, som bredden på prøvetaking linjen bestemmes av diameteren på borekronen.
- Bruke en rigg-oppsett for mer følsomme tenner krever et større antall trinnvise prøver (figur 2) (f.eks., menneskelige tenner), samt for mer stabil boring. Sette opp riggen stativet som holder bore sikkert, med borekronen peker nedover.
Merk: Mens fire prøver kan lett fås fra en permanent menneskelige molar bruker en håndholdt tilnærming24, mer raffinert prøvetaking krever en rigg eller CO2 laser ablasjon tilnærming som blir diskutert her14. En annen felles tilnærming er å bruke en semi-automatisk microsampling25. - Hold tannen eller legge til en klemme. Trykk tannemaljen mot borekronen og legge press. Eksempler er boret trinnvis langs bukkal overflaten fra toppen (okklusal overflaten) på undersiden av kronen på plasseringen av emalje-rot krysset (ERJ). Replikere samme prøven boring strategi flere ganger boring hver påfølgende linje parallell til forrige eksempel linje. Bruk en liten sylindriske diamant borekronen for delikat tennene, som sauer molarer, med en diameter på 1 mm (figur 1 c).
- Mål avstanden hver prøvetaking linje fra ERJ med calipers og registrere dette for sammenligning.
- Følg trinn 1.3-1.6 ovenfor.
Merk: Hvis liten, delikat tennene blir analysert og forbehandling og diagenetic metoder brukes ikke, prøver så små som 1-4 mg produsere pålitelige resultater på en on-line gass forberedelse og introduksjon oppsett for karbonat analyse. Endret automatisert enhet systemer kan forenkle bruken av lavere eksempel vekter, men er uunngåelig begrenset av andelen karbonat i de studerte emalje (4 til 5 wt %)26,27. Forskere bør konsultere med laboratoriet hvor prøver skal bli målt for å fastsette mengden sample kreves.
3. Fourier transformere infrarød massespektrometri/Attenuated totale refleksjon metode
- Opprette en prøve chamber bakgrunn, enten under vakuum eller normal atmosfæriske forholdene for metoden dempes totale refleksjon.
- Plass ca 1 mg av tannemaljen over diamond krystall i prøven kammeret ved hjelp av en slikkepott. Lavere og sikre sample innlegg inntil det er en fast tilkobling mellom innlegget, prøven og diamant platen. Lukk eksempel kammeret, med eller uten et vakuum blir etablert, avhengig av oppsettet eller tilgjengelighet.
- Måle FTIR spektra av utvalget 64 ganger for wavenumber varierer mellom 400 og 4000 cm-1. Ønsket antall gjentak vil variere basert på målene i studien, men analysen av tre replikat, ideelt med forskjellige dele blir tatt og deretter tilbake til microcentrifuge røret boliger prøven, vil sikre robust resultater.
- Rengjør spatula med metanol mellom hver aliquot og mellom hvert utvalg.
- Utføre en planlagt korrigering ved hjelp tilgjengelig programvare. Programvaren trekker automatisk prøven kammer bakgrunnen fra den resulterende FTIR profilen. For å sikre bedre reproduserbarhet, bør bare emalje spectra med en minimum absorbansen av 0,06 for høyeste fosfat bandet på ~1035 cm-1 tas i betraktning.
- Overvåke tilstedeværelsen av den felles sekundære miljøgifter karbonat kalsitt i alle prøvene ved å søke etter en topp på 711 cm-1.
- Etter analyse, nøye returnere prøvene til deres microcentrifuge rør med en spatula eller sug enhet og ta på den neste fasen av forbehandling eller analyse.
- Eksporter rådata bølgelengde og intensitet som en CSV-fil (eller lignende) og brukes til å beregne indeksene av interesse (brukte indekser omfatter A-fosfat Sideoversikt, B-fosfat Sideoversikt, fosfat Crystallinity Index, vann-amid fosfat index, og CO3/PO4 indeks17,18,19) (tabell 1).
- Sammenlign FTIR resultater fra fossile eller arkeologisk prøvene til voksende datasett av moderne fauna tannemaljen nå tilgjengelig i litteratur19,20 å bestemme arten og omfanget av diagenetic endring til det emalje samplet.
4. enkel eddiksyre (0.1 M) forbehandling
- Veie emalje pulver for hver prøve i et microcentrifuge rør med en balanse som aktuelle. Etiketten røret tilsvarende. Emalje pulver må bakken i samme grad, med partikler av samme størrelse.
Merk: Mange forskere bruker et oksidasjonsmiddel, som fortynne blekemiddel (NaClO) eller 30% hydrogenperoksid (H2O2) fjerne organiske fra et utvalg, og dette skal legges på dette punktet. Ikke bare kan disse reagensene endre stabil karbon og oksygen isotop verdier av en prøve, men spektra av bein kollagen prøver et on-line gass forberedelse og introduksjon system viser at 100% fosforsyre benyttet i carbonate målingen reagerer ikke med organisk prøver (figur 5), tyder på at dette trinnet er unødvendig. - Legge til 0,1 mL 0.1 M eddiksyre (per 1 mg av emalje) hvert utvalg bruker en pipette. Unngå å berøre prøvene med pipette. Hvis eksempelet og pipette kommer i kontakt, kan du bruke en ny pipette for neste prøven for å unngå kryss-kontaminering.
- Agitere, enten ved risting eller en elektronisk agitator (Figur 3) og deretter la prøvene å sitte for 10 min. emalje pulver ikke skal stå på eddiksyre i lengre tid (> 4 h).
- Sett prøvene i en microcentrifuge i 2 min 13,700 x g.
Merk: Et rimelig alternativ er bruken av en mini centrifuge for 4 min 3500 x g, som har færre eksempler, men er mindre tidkrevende når du arbeider med store Prøvesett. - Når programmet microcentrifuge stopper, kan du erstatte eddiksyre med 2 mL ultrapure vann med en ren pipette, deretter microcentrifuge prøvene i 2 minutter på 13,700 x g.
- Endre ultrapure vannet to ganger, som før, og test på nøytralitet. Fjern gjenværende væsken bruker en pipette (uten å forstyrre nedbryting).
Merk: Totalt tre vasker med ultrapure vann er standard prosedyre å få til nøytralitet. Prøven bør vaskes til nøytralitet. - Enkeltark av Parafilm (1 cm x 1 cm) og legg over hver microcentrifuge rør. Lage et lite hull i midten med en skarp gjenstand slik at prøven tørker riktig.
- Plass rør i en fryse tørrere å fjerne eventuelle gjenværende væske.
Merk: Hvis en fryse tørrere ikke er tilgjengelig, milde ovnen tørking (40 ° C) er også en mulighet og bør ikke ha bivirkninger på stabil karbon og oksygen isotop data. - Når tørre, fjerne Parafilm og Lukk lokkene microcentrifuge. Kontroller at rør merkingen er riktig og re-skrive om nødvendig.
Merk: Dette er den siste fasen før lagring for veiing ut, som i laboratorier med begrensede midler kan være den siste fasen før distribusjon av prøvene for analyse andre steder.
5. vekt og måler prøver og standarder
- Bruker en slikkepott, veie ut ca 2 mg av emalje pulver onto en tinn plate på en balanse sensitive til 0,001 mg (figur 6). Deretter overføres nøye prøven til fosforsyre-resistente Borosilikatglass ampuller. Denne mengden emaljen er nødvendig å gi pålitelige resultater på grunn av den relativt liten andelen av carbonate i tannemaljen.
- Rengjør spatula mellom prøvene med metanol og bruker en frisk, ren plate eller veier fartøy for hvert utvalg.
- Veie ut 0,2 mg internasjonal standard som IAEA NBS18, IAEA 603, IAEA CO8 eller Merck CaCO3. En internt standard laget av homogenisert emaljen på en stor tann kan brukes som godt20. For alle av 76 prøver og standarder, bruk 61 prøver og 15 standarder, som bør være jevnt fordelt over hele kjøre. Flere studier har rapportert riktig antall standarder og detaljer i arkeologisk forskning20,28.
Merk: Den gjentatte forbehandling og analyse av en emalje i huset standard, over et antall kjøringer av arkeologiske prøver, er også sannsynlig å gi en passende tiltak av nøyaktighet for prøvene blir studert20. - Stram de spesialdesignede lokkene, tilgjengelig for nålen før septum er stramt, men ikke sugd inn ampullen. Ikke over trekk lokket som trykket på septum får for sterk og kan til slutt føre til en ødelagt nål under analyse. Plass ampullene i oppført rekkefølge i en oppvarming blokk på 70 ° C. Rekkefølgen og vekter av prøver må registreres pålitelig for oppføring i dataprogrammer.
- Måle prøvene ved å følge tre trinn: 1) flush fylle prøvene med ren Helium, 2) legge fosforsyre, 3) måle prøven.
- Tømme prøvene med ren helium (grad 5.0) med en flyt av 100 mL/min for 5 min å skylle ut luft.
- Legge til 4-5 dråper fosforsyre (99%, tetthet 1,85 g/mL) til karbonat inneholder prøven. Reaksjon mellom samplingsfrekvens og H3PO4 begynner. Under reaksjonen, er CO2 utgitt som bærer isotopanrikning verdien av karbonat ion CO32 - av utvalget.
- Vent 1 h per prøve til balanse av CO2 er nådd. Etter 1 h, skal prøvene måles for å få pålitelige resultater. Under oppkjøpet, en blanding av prøven gass og han går til enheten. En hurtigtørkende scene fjerner vann fra prøven gass blandingen.
- Måle prøven ved å starte med tre topper CO2 referanse gass med en kjent isotopanrikning komposisjon. Topp intensitet skal 4000 mV tilsvarer intensiteten av prøven toppene (mellom 4000 til 8000 mV). Tre referanse gass toppene skal 20 s lang og 30 s fra hverandre. Følg med å definere måling intervallet av utvalget. Måle utvalget 10 ganger for 5 s hver og 55 s fra hverandre. Kontroller at peak høyde reduseres over tid som angir riktig transport av prøven/helium blanding (figur 5).
Merk: Under måling, programvaren beregner isotopanrikning sammensetningen av prøven ved å sammenligne den kjente isotopanrikning verdien, topp høyde, og arealet av toppen av referanse gassen med topp høyde og området av toppene av prøvene. Den rå 13C /12C og 18O /16om sammensetningen av prøven beregnes.
- Normalisere prøvene etter måling.
Merk: Dette er viktig fordi referanse gassen gjennomgår den samme kjemiske og fysiske banen som eksempel gassen når introdusert i masse spectrometer. Derfor er det viktig at prøvene kalibreres i tillegg til internasjonale standarder (trinn 5.3) som gjennomgår den samme fysiske og kjemiske behandlingen i et løp som prøven seg20. Disse internasjonale karbonat standardene aktivere to-punkts kalibrering av eksempler på internasjonale delta målskalaen og vurdering av nøyaktighet og repeterbarhet gjennom en gitt kjøre.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Bruker prøvetaking prosedyren presentert ovenfor, ble trinnvis emalje bioapatite prøver utarbeidet. Analyse av bioapatite i emalje, avhenger av nøyaktigheten av prøvetaking, bulk eller trinnvis. I dette tilfellet har vi valgt å presentere resultatene av arkeologiske prøver (to sau) fra ulike klimasoner. Trinnvis prøver ble analysert fra sau andre jeksler og merket starter på ERJ (Figur 4). Trinnvis prøve steder var talte, og hvert sted ble målt som avstanden i mm fra ERJ (figur 7).
Mangfoldig karbon og oksygen stabil isotop resultatene fra to sau bekrefter at de bodde i ulike miljøer, i dette tilfellet en tropisk gressletter (A) og en temperert tørr-steppe grasmark (B), henholdsvis. Trinnvis ses18O verdier for sauer en viser et lite område mellom 3.3 til 5.1‰, foreslå inntak av vannkilder med lignende isotopanrikning verdier og mangel på kraftig sesongbetonte endringer i nedbør (Figur 8). I motsetning har ses18O verdier for sauer B en høy amplitude variasjon, alt fra ─5.2 til ─13.1‰, som viser sterk sesongvariasjon i nedbør. Stabil karbon isotop verdier foreslår sterk forskjellene i inntatt vegetasjon mellom eksempler, med sauene har en diett bestående hovedsakelig av C4 planter, mens sauer B inntatt primært C3 vegetasjon. Disse sauene var spesielt valgt å demonstrere miljømessige variant tydelig i trinnvis oksygen og karbon stabil isotop resultater.
Menneskelige tenner er tilsvarende samplet fra ERJ til kronen langs vekst aksen. Trinnvis ses18O og ses13C verdier for menneskelig tann fra en regnskog miljøet er svært begrenset, innenfor et 2‰. Dette viser en mangel på variasjon i foraging strategier over perioden av emalje mineralisering (figur 9).
Figur 1: boring tann. (A) bilde av en tann bores på en rigg definert. (B) bilde av emalje pulver blir samlet i tinn folie og plassert i en 1,5 mL mikro-sentrifuge tube (med riktig avmerke). (C) bilde av ulike borekroner tilgjengelig for trinnvis prøvetaking. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 2: riggen satt opp Bilde av riggen satt opp med bore på plass. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 3: eksempel forberedelse. Prøve å være plassert i en mikro-sentrifuge rør og opphisset på en vortex når kjemikalier var lagt til. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 4: trinnvis samplet sauer tenner. Sauer tenner (A og B) som ble valgt ut trinnvis. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 5: Chromatogram av gasbench kjøre. Bilde av en chromatogram av en prøve viser intensitet referanse gass topper og prøve topper over tid. Oppdaget massene er 44, 45 og 46. De tre første toppene er CO2 referanse gass topper med en kjent isotopanrikning komposisjon. Ti topper som følger er prøven topper redusere intensitet. Topper bør alltid skilles med flere sekunder å sikre en streng diskriminering mellom toppene og dermed en ren peak integrering. Tall på hver topp stat tiden (s) av peak. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 6: veiing karbonat eksempel. Bilde av prøven blir vektet i hetteglass ved hjelp av en slikkepott. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 7: trinnvis eksempler på sau tann. Trinnvis prøver langs vekst aksen av tannen fra ERJ til toppen av kronen plottet karbon og oksygen stabil isotop verdier. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 8: sauer emalje karbonat isotop resultater. Stabil oksygen og karbon isotop verdier for to trinnvis samplet sauer tenner. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
Figur 9: Human emalje karbonat isotop resultater. Stabil oksygen og karbon isotop verdier for en trinnvis samplet menneskelige tann. Klikk her for å se en større versjon av dette tallet.
| PCI (fosfat Crystallinity indeks) |  |
Sponheimer og Lee-Thorp, 1999b |
| annet navn: | ||
| CIIR (Crystallinity indeks infrarød) | Shemesh, 1990 | |
| IRSF (infrarød deling faktor) | Weiner og Bar-Yosef, 1990 | |
| BPI (B-karbonat fosfat Index) |  |
LeGeros, 1991 |
| API (A-karbonat fosfat Index) |  |
Sponheimer og Lee-Thorp, 1999b |
| BAI (relativ mengde B - til A-site karbonat) |  |
Sponheimer, 1999; Sponheimer og Lee-Thorp, 1999b |
| WAMPI (vann-amid fosfat Index) |  |
Roche et al., 2010 |
Tabell 1: empirisk indekser som karakteriserer krystall-kjemiske egenskaper for emalje bioapatite. Vi anbefaler å bruke empirisk indekser fra Sponheimer (1999), Sponheimer og Lee-Thorp (1999) og Roche et al. (2010) for å karakterisere krystall-kjemiske egenskaper for emalje bioapatite.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Discussion
Utfordringene i vellykket prøvetaking (bulk og trinnvis) av dentition avhengig av tilgang til kunnskap om boring teknikker og prøve forberedelse, sammen med investeringen i relativt billig utstyr. Disse utfordringene er lett surmountable når klare instruksjoner er tilgjengelig om prøvetaking og forbehandling tilnærminger. I denne artikkelen håper vi å ha formidlet disse i en klar og konsis måte for forskere nye til disse metodene. Forskere bruke metodene for første gang bør praksis på tilgjengelig moderne fauna før analyse og utvalg av verdifulle arkeologiske og paleontologiske prøver.
Prøvetaking av mennesker og dyr tann emalje carbonate for stabil isotop analyse er en enkel prosedyre som er foretatt på flere laboratorier. Men er det en tendens til teknikk og teknologi knyttet til boring av dentition varierer fra laboratoriet og inkluderes i et større sett med inngående tekniske kunnskaper som ikke deles åpent. Trinnvis prøvetaking har store fordeler, tillater identifisering av detaljert intra individuell variasjon i inntak og inntak av vann. Dette illustreres av overbevisende forskjellene mellom personer fra ulike regioner som kosttilskudd og miljøinformasjon beholdes i tann emalje bioapatite. I vår representant data er betydelig isotopanrikning variasjon tydelig mellom sauer fra tropiske gressletter sammenlignet med sauene fra tempererte tørr-steppe gressletter (Figur 8).
Avgjørende skritt i protokollen er knyttet til nøyaktighet i boring, bevaring av tannemaljen og forbehandling teknikker. Liten unøyaktigheter i boring, for eksempel kan gjennom emaljen på tannen dentine, føre til svært variabel isotop målinger29. Bevaring av tannemaljen kan kontrolleres gjennom en rekke metoder, inkludert anslagsvis karbonat andelen et gitt utvalg målt, samt FTIR oppsettet diskutert her. Forskere bør også informere laboratoriene av begravelse miljøet, spesielt om vann-logget eller i surt jordsmonn, som kan påvirke strukturelle bevaring av fossile tannemaljen. Hardheten av tannemaljen anses som første indikator for bevaring, som bare blir tydelig boring. Emalje som er myk og lett boret antyder at bioapatite krystall gitter kan ha forringet og bør kontrolleres med FTIR eller annen måte rapportert i litteraturen30. Variasjonen i prøven forbehandling synes å føre til begrenset isotopanrikning variasjon i tann emalje21,22. Derfor foreslår vi bruk av enkle protokoller (f.eks., 0.1 M eddiksyre mindre enn 4 h etterfulgt av vask med destillert vann).
Det er flere begrensninger teknikken, knyttet til prøvetaking design og tolkning. Boring sekvensiell prøver er en ferdighet som tar litt tid å mestre. En klar forståelse av taxa og tann å bli analysert er avgjørende i å formulere en prøvetaking design2,25. Videre kan boring av prøvene ta en betydelig mengde tid. Men tillater den resulterende karbon og oksygen stabil isotop verdier for sekvensielt samplet dentition forskerne å spore diett- og miljømessige endringer. Disse endringene gjelder naturlig sesongvariasjoner, ofte i antikkens perioder, er gjennomtenkte fortolkninger som er en i en forståelse av variasjon i isotopanrikning referanse sett integrert i denne forskning6.
I artikkelen, vi har vist trinnvis prøvetaking og bulk prøvetaking av både menneskelig og sauer dentition. Videre, vi instruere forskerne på forbehandling metoder for begge Prøvesett. Trinnvis sampling metoden kan brukes med hell på gamle og moderne fauna med lignende emalje vekst og mineralisering (f.eks., kveg og hester). Forbehandling av emalje bioapatite som vist i artikkelen kan brukes på prøver fra et tverrsnitt av gamle restene. Den viktigste lærdommen fra vår prøvetaking prosedyre er bulk og trinnvis utvalg av dentition, som ikke er lett forklart i et dokument. Ytterligere demonstrasjoner kunne demokratisere andre arkeologiske isotop prøvetaking og forbehandling tilnærminger (f.eks., bein kollagen utdrag eller prøvetaking arkeologiske keramikk for stabil isotop målinger av fettsyrer) styrke den spredning av kunnskap og teknologi på dette området. Slike demokratisering bør imidlertid ikke, sees som en full erstatning for konsultasjon med eksperter, eller tilgjengelig litteratur, for å etablere standarder og tolkning i en gitt kontekst20,28.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Forfatterne erklære noen interessekonflikt.
Acknowledgments
Vi vil gjerne takke Max Planck Society for finansiering denne forskningen samt den siste innstillingen opp av et stabilt isotop laboratorium ved avdelingen arkeologi, Max Planck-instituttet for vitenskap i menneskehetens 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).
