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.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Protocol
Följande protokoll följer riktlinjerna för ljus isotopen Mass Spectrometry laboratoriet vid Max Planck-institutet för vetenskap av mänsklig historia. Lämpliga etik behörigheter från nationella och internationella kommittéer bör sökas för analyser som rör utrotningshotade moderna eller historiska faunal prover och för användning av arkeologiska och faunal material av intresse för modern intressenter . De prover som används var i detta papper, arkeologiska och fossila exemplar. Inga levande människor användes i denna studie och full etiska, institutionella och statliga behörigheter har vunnits för varje destruktiv analys.
1. bulk provtagning
Obs: För människor och djur, den grundläggande metoden för bulk tandemaljen provtagning är tillämpningen av en borr till buckala kanten av tanden.
- Ren utsidan av tanden (~0.1 mm) använder en aluminium sköt blaster eller mild nötning med borr set-up. Använda en handhållen borrmaskin med en ren diamantbestyckade drill bit (se nedan), även form, bifogas via en chuck borr set-up. Säkerställa att mild och även nötning utförs som en groove parallellt med hela tillväxten axeln (figur 1 och figur 2).
- Försök, om möjligt, att tillämpa metoden på samma tand portionr för varje människa eller djur provtas.
Obs: I mänskliga paleodietary forskning, tredje molarer generellt gynnas som representativa för sent juvenil/vuxen diet medan första kindtänderna undviks på grund av avvänjning effekter23. Rekommenderad tanden för varje taxon, och perioden av liv representerade, varierar med tillgängligt prover och fråga under studien. - Borra i ett väl ventilerat rum iklädd en mask för att undvika inandning av tand emalj pulver. Skyddsglasögon för att skydda ögonen. Tänk på att mängden prov pulver borras kommer att variera beroende på utrustning som används för analys, förbehandling protokoll och storleken på tanden. Borra med låg hastighet för att förhindra att värme provet.
Obs: Ca, 4-8 mg prov pulver är ett lämpligt mål för flera analyser med hjälp av en online gassystemet förberedelse och introduktion för isotopen baserat masspektrometri och diagenetic provning. Vara medveten om att den valda borr hastigheten beror på bräckligheten i provet och kommer att kräva en viss nivå av försök och misstag. På en handhållen borrmaskin räcker i allmänhet två av fem barer av styrka. Borra i tanden pulver över en bit av ren aluminiumfolie eller väger papper. - Samla resulterande emalj pulvret och överföra det i ett 1,5 mL-micro-centrifugrör som har varit tarerats på en lämpligt korrekt balans innan borrning. Märk varje rör med beteckningen prov (figur 3). Anteckna provets siffror och emalj vikt i ett laboratorium notebook samt en elektronisk databas.
- Innan borrning varje ny tand, ren de utnyttjade borr som först använder 0,5 M HCl på en robust vävnad. Tvätta sedan borrkronan med ett organiskt lösningsmedel (t.ex. aceton, metanol eller etanol) använder en robust vävnad.
- Efter en borrning sitter, rengör arbetsytan grundligt med en dedikerad dammsugare, eller en sopskyffel och borste. Torka provtagning utrymmet med metanol. Vakuum eller lätt spray borren med tryckluft för att ta bort damm och prov pulver mellan prover.
2. sekventiell provtagning
Obs: Sekventiell provtagning kan ske i olika former och kommer att bero på det taxonet som ingick i urvalet, storleken på tanden, samt önskad temporal upplösning.
- Rengör ytan på tanden som provtagits genom att ta bort en mycket tunn (~0.1 mm) lager av yttre tandemaljen.
- Borra proverna längs den buckala yta som är vinkelrät mot tillväxt av tanden, kör från emalj rot korsningen till toppen av kronan. Borr horisontella band vinkelrät mot tillväxt, med varje prov som resulterar i en 1-2 mm brett spår över emalj lagret (figur 1 och figur 4). Var noga med för att undvika borrning genom emaljen in i dentinet som det skulle förorena provet och den resulterande mätningen.
Obs: Antalet prover varierar beroende på den upplösning som önskas men c. 10 representerar ett lämpligt mål att studera säsongsmässiga förändringar i δ13C och δ18O värden för en hypsodont storleken på tama nötkreatur. - Välja lämpliga borrkronan för varje prov som bredden av provtagningsledningen bestäms av diametern på borren.
- Använda en rigg set-up för mer känsliga tänder som kräver ett större antal stickprov (figur 2) (t.ex., mänskliga tänder), as well as för mer stabila borrning. Ställa in riggen stativet som håller borren säkert, med en borr som pekar nedåt.
Obs: Medan fyra prover kan lätt erhållas från en permanent mänsklig molar med hjälp av en handhållen strategi24, mer raffinerad provtagning kräver en rigg eller CO2 laser ablation metod som inte kommer att diskuteras här14. En annan vanlig metod är att använda en halvautomatisk microsampling25. - Håll tanden eller koppla till en klämma. Tryck på tandemaljen mot borren och tryck. Prover borras stegvis längs den buckala ytan från spetsen (ocklusala ytan) på basen av kronan på plats av emalj-root korsningen (ERJ). Replikera samma prov borrning strategi som flera gånger borrning varje sammanhängande linje parallell med provlinjen tidigare. Använd en liten cylindrisk diamant borr för känsliga tänder, såsom fåren molarer, med en diameter på 1 mm (figur 1 c).
- Mät avståndet mellan varje provtagningsledningen från den ERJ använda bromsok och anteckna detta avstånd för jämförelse.
- Följ steg 1,3-1,6 ovan.
Obs: Om små, känsliga tänder analyseras och förbehandling och diagenetic kontrollera metoder tillämpas inte, prover så små som 1-4 mg kommer att producera tillförlitliga resultat på en on-line gas utarbetandet och införandet set-up för karbonat analys. Modifierade automatiserad-perifera system kan underlätta användningen av ännu lägre provet vikter, men är oundvikligen begränsade andel av karbonat i studerade emalj (4 till 5 wt %)26,27. Forskare bör rådgöra med laboratoriet där prover ska mätas för att bestämma mängden prov krävs.
3. Fourier Transform infraröd spektrometri/förtunnad totala reflektans metod
- För metoden försvagade Total reflektans, upprätta en prov kammare bakgrund, antingen i vakuum eller i normala atmosfäriska förhållanden.
- Placera ca 1 mg av tandemaljen över diamant kristall i en provkammare som med hjälp av en spatel. Lägre och säkra prov inlägget tills det finns en fast anslutning mellan inlägget, urvalet och diamond plattan. Stäng provkammaren, med eller utan ett vakuum som etableras, beroende på set-up eller tillgänglighet.
- Mäta FTIR spektra av urval 64 gånger i Vågtal mellan 400 och 4 000 cm-1. Önskat antal replikat varierar beroende på mål för studien, även om analysen av tre replikat, helst med olika alikvoter som tas och återvände sedan till mikrocentrifug röret bostäder provet, kommer att säkerställa robust resultat.
- Rengöra spateln med metanol mellan varje alikvot och mellan varje prov.
- Utföra en Baslinjejustering med hjälp av tillgänglig programvara. Programvaran subtraherar automatiskt prov kammare bakgrunden från den resulterande FTIR-profilen. För att säkerställa bättre reproducerbarhet, bör endast emalj spectra med en minsta absorbans 0,06 för högsta fosfat bandet på ~1035 cm-1 beaktas.
- Övervaka närvaro av den gemensamma sekundär förorening karbonat kalcit i alla prover genom att kontrollera en peak på 711 cm-1.
- Efter analysen, försiktigt tillbaka proven till deras mikrocentrifugrör med hjälp av en spatel eller sug enhet och ta in på nästa etapp av förbehandling eller analys.
- Exportera rådata våglängd och intensitet som en CSV-fil (eller liknande) och använda för att beräkna indexen av intresse (vanliga index omfattar A-site fosfat Index, B-site fosfat Index, fosfat kristallinitet Index, vatten-Amide på fosfat Index, och CO3/PO4 index17,18,19) (tabell 1).
- Jämför FTIR resulterar från de fossila eller arkeologiska prover till växande datamängder av moderna faunal tandemaljen nu tillgängliga i litteraturen19,20 att bestämma arten och omfattningen av diagenetic ändring av den emalj provtas.
4. enkel ättiksyra (0,1 M) förbehandling
- Väga emalj pulvret för varje prov i en mikrocentrifug rör med en balans efter behov. Märk röret med detta. Emalj pulver måste slipas i samma grad, med partiklar av liknande storlek.
Obs: Många forskare använda ett oxidationsmedel, såsom utspädd blekmedel (NaClO) eller 30% väteperoxid (H2O2) ta bort organics från ett urval och detta bör läggas på denna punkt. Inte bara kan dessa reagenser förändra stabil kol och syre isotoper värden av ett prov, men spectra av ben kollagen prover i en on-line gassystemet utarbetandet och införandet visar att 100% phosphoric syra utnyttjas i karbonat mätning reagerar inte med organiska prover (figur 5), tyder på att detta steg är onödiga. - Tillsätt 0,1 mL 0,1 M ättiksyra (per 1 mg emalj) till varje prov med pipett. Undvik att vidröra proverna med pipetten. Om provet och pipetten kommer i kontakt, Använd en ny pipett för nästa provet för att undvika korskontaminering.
- Agitera, antingen genom skakning eller en elektronisk agitator (figur 3) och sedan lämna proverna att sitta för 10 min. emalj pulver inte bör lämnas i ättiksyra under en längre tid (> 4 h).
- Placera proverna i en mikrocentrifug för 2 min vid 13,700 x g.
Obs: Ett lågkostnadsalternativ är användningen av en mini Centrifugera under 4 minuter vid 3 500 x g, som innehar färre prover men är mindre tidskrävande när man arbetar med stora provningssatser. - När mikrocentrifug programmet slutar, ersätta ättiksyra med 2 mL ultrarent vatten med ren pipett sedan mikrocentrifug proverna för 2 min vid 13,700 x g.
- Ändra det ultrarent vattnet två gånger, som tidigare, och testa neutralitet. Ta bort den återstående vätskan med pipett (utan störande supernatanten).
Obs: Sammanlagt tre tvättar med ultrarent vatten är det normala förfarandet att komma till neutralitet. Provet bör tvättas tills neutralitet nås. - Skär skivor av Parafilm (1 cm x 1 cm) och lägg över varje mikrocentrifug rör. Gör ett litet hål i mitten med ett vasst föremål så att provet torkar på lämpligt sätt.
- Placera rören i en frysning torrare att ta bort eventuella kvarvarande vätska.
Obs: Om en frysning av torrare inte är tillgängliga, mild ugn torkning (40 ° C) är också en möjlighet och bör inte ha några negativa effekter på stabil kol och syre isotop data. - När torra, ta bort Parafilm och Stäng mikrocentrifug locken. Kontrollera att röret märkningen är korrekt och att skriva om det behövs.
Obs: Detta är den sista etappen före lagring för vägning ut, som i labs med begränsade medel kan vara den sista etappen innan fördelningen av proverna för analys någon annanstans.
5. vägning och mätning av prover och standarder
- Med hjälp av en spatel, väga ut cirka 2 mg emalj pulver på en tin skiva på en balans som är känsliga för 0,001 mg (figur 6). Sedan försiktigt över provet till en injektionsflaska fosforsyra syraresistenta borosilikatglas. Denna mängd emalj är skyldig att ge tillförlitliga resultat på grund av den relativt lilla andelen av karbonat på tandemaljen.
- Rengöra spateln mellan prover med hjälp av metanol och använda en fräsch, ren skiva eller väger fartyget för varje prov.
- Väg upp 0,2 mg av en internationell standard som IAEA: S NBS18, IAEA 603, IAEA CO8 eller Merck CaCO3. En intern standard tillverkad av homogeniserad emalj av en stor tand kan användas som väl20. För en full körning av 76 prover och standarder, Använd 61 prover och 15 standarder, som ska vara jämnt fördelade över hela kör. Flera studier har rapporterat antal standarder och detaljer i arkeologisk forskning20,28.
Obs: Den upprepade förbehandling och analys av en emalj i hus standard, över ett antal körningar av arkeologiska prover, är också sannolikt att ge en lämplig åtgärd av noggrannhet för proverna studeras20. - Dra åt specialdesignade locken, tillgänglig på nålen tills septum är tight men inte sugas in i injektionsflaskan. Görinte över spänna locket som trycket på septum kommer att få för stark och kan i slutändan leda till en bruten nål under analys. Placera rören i en angiven ordning inom en värmeblocket vid 70 ° C. Ordning och vikter av prover måste registreras på ett tillförlitligt sätt för inträde i datorprogram.
- Mäta prover genom följande tre steg: 1) spola fyller proverna med rent Helium, 2) lägga till fosforsyra, 3) Mät provet.
- Spola av prov med rent helium (grad 5.0) med ett flöde på 100 mL/min för 5 min att spola ut luften.
- Tillsätt 4-5 droppar fosforsyra (99%, densitet 1,85 g/mL) till karbonat-innehållande provet. Reaktion mellan prov och H3PO4 börjar. Under reaktionen släpps CO2 som bär isotopiska värdet av karbonat jonen CO32 - av provet.
- Vänta 1 h per prov tills Jämviktstiden CO2 nås. Efter 1 h, bör proverna mätas för att få tillförlitliga resultat. Under förvärvet, en blandning av provgas och han passerar till enheten. En torkning fas tar bort vatten från provet gasblandningen.
- Mäta provet genom att börja med tre toppar av CO2 referensgas med känd isotopisk sammansättning. Maximal intensitet bör 4000 mV att matcha intensiteten i provet topparna (mellan 4000 till 8000 mV). Tre referens gas topparna bör vara 20 s lång och 30 s apart. Följ med att definiera Mätintervallet av provet. Mäta provet 10 gånger för 5 s varje och 55 s apart. Säkerställa att topphöjden minskar med tiden som anger korrekt transport av prov/helium blandningen (figur 5).
Obs: Under mätning beräknar programvaran den isotopiska sammansättningen av provet genom att jämföra det kända isotopiska värdet, topphöjd, och området på referensgas med topphöjden topp och arean av topparna av proverna. Den råa 13C /12C och 18O /16O provets sammansättning beräknas.
- Normalisera proverna efter mätning.
Obs: Detta är viktigt eftersom referensgas inte genomgår samma kemiska och fysiska sökväg som provgasflödet när införs i masspektrometer. Därför är det viktigt att proverna dessutom kalibreras till internationella standarder (steg 5.3) som genomgår samma fysiska och kemiska behandling inom en springa som provet själv20. Dessa internationella karbonat standarder aktivera två-punkt kalibrering av prover på internationella delta måttskalan och bedömningen av precision och repeterbarhet i hela en viss körning.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Representative Results
Använder de provtagningsmetoder som presenterats ovan, var inkrementell emalj bioapatite prover beredda. Analys av bioapatite i emalj beror på riktigheten av provtagning, bulk eller inkrementell. I det här fallet har vi valt att presentera resultaten av arkeologiska prover (två får) från olika klimatzoner. Stickprov var analyseras från fåren andra kindtänder och märkta börjar vid ERJ (figur 4). Stickprov platser var räknade, och varje läge var mätt avståndet i mm från ERJ (figur 7).
Skiftande kol och syre stabil isotop resultat från två fåren bekräftar att de bodde i olika miljöer, i detta fall en tropisk gräsmark (A) och en tempererade torr-stäppen gräsmark (B), respektive. Inkrementell δ18O värden för får en show ett snävt intervall mellan 3.3 till 5.1‰, vilket tyder på intag av vattenkällor med liknande isotopiska värden och avsaknad av starka säsongsbetonade förändringar i nederbörd (figur 8). Däremot har δ18O värden för fåren B en hög amplitud variation, allt från ─5.2 till ─13.1‰, som visar stark säsongsvariation i nederbörd. Stabil KOL isotopen värden tyder på starka skillnader i intas vegetation mellan prover, med får en att ha en kost bestående främst av C4 växter, medan fåren B intas främst C3 vegetation. Dessa får valdes specifikt för att demonstrera miljö variation tydligt i inkrementella syre och kol stabil isotop resultat.
Människans tänder likaså provtas från ERJ till kronan längs tillväxt axeln. Inkrementell δ18O och δ13C värden för mänsklig tand från en regnskog miljö är mycket begränsade, inom ett 2‰ intervall. Detta tyder på en brist på variation i födosökande strategier under perioden av emalj mineralisering (figur 9).
Figur 1: borrning tand. (A) foto av en tand som borras på en rigg som inrättats. (B) foto av emalj pulver samlas in i aluminiumfolie och placeras i ett 1,5 mL mikro-centrifugrör (med korrekt etikett). (C) foto av olika borr tillgängliga för Inkrementell provtagning. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 2: rigg Ange upp Foto av riggen ställa upp med borren på plats. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 3: provberedning. Prova att vara placerade i ett mikro-centrifugrör och upprörd på en virvel när kemikalier har lagts till. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 4: stegvis provtas får tänder. Får tänder (A och B) som var stegvis provtas. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 5: kromatogrammet för gasbench köra. Foto av ett kromatogram av ett prov som visar intensiteten av referensgas toppar och prov toppar över tid. Upptäckta massorna är 44, 45 och 46. De tre första topparna är CO2 referens gas toppar med känd isotopisk sammansättning. Tio toppar som följer är provet toppar minskar i intensitet. Topparna skall alltid separeras med flera sekunder för att säkerställa en strikt åtskillnad mellan topparna och därmed en ren peak integration. Siffror ovanpå varje topp delstaten tiden (s) peak detection. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 6: vägning karbonat provet. Foto av provet skall vägas in i injektionsflaskor av glas med hjälp av en spatel. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 7: stickprov på fåren tand. Stickprov längs tillväxt axeln av tanden från ERJ till toppen av kronan ritas tillsammans med kol och syre stabil isotop värden. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 8: fåren emalj karbonat isotopen resultat. Stabil syre och kol isotopen värden för två stegvis samplade får tänder. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
Figur 9: mänskliga emalj karbonat isotopen resultat. Stabil syre och kol isotopen värden för en stegvis samplade mänsklig tand. Klicka här för att se en större version av denna siffra.
| PCI (fosfat kristallinitet Index) |  |
Sponheimer och Lee-Thorp, 1999b |
| andra namn: | ||
| CIIR (kristallinitet Index infraröd) | Shemesh, 1990 | |
| IRSF (infraröd dela faktor) | Weiner och Bar-Yosef, 1990 | |
| BPI (B-karbonat på fosfat Index) |  |
LeGeros, 1991 |
| API (A-karbonat på fosfat Index) |  |
Sponheimer och Lee-Thorp, 1999b |
| BAI (relativa mängd B - till A-plats karbonat) |  |
Sponheimer, 1999; Sponheimer och Lee-Thorp, 1999b |
| WAMPI (vatten-Amide fosfat-index) |  |
Roche et al., 2010 |
Tabell 1: empiriska index som kännetecknar crystal-kemiska egenskaperna för emalj bioapatite. Vi rekommenderar att du använder de empiriska indexen från Sponheimer (1999), Sponheimer och Lee-Thorp (1999) och Roche et al. (2010) att karakterisera de av emalj bioapatite kristall-kemiska egenskaperna.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
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 tillgängliga moderna fauna före analys och provtagning av värdefulla arkeologiska och paleontologiska prover.
Provtagning av människors och djurs tand emalj karbonat för stabil isotop analys är en enkel procedur som har genomförts vid flera laboratorier. Det finns dock en tendens för tekniker och tekniken i samband med borrning av tanduppsättningen att variera av laboratorium och ingå i en bredare uppsättning insider teknisk kunskap som inte delas öppet. Inkrementell provtagning har stora fördelar, möjliggör identifiering av detaljerad inom individuella variationer i intaget och intag av vatten. Detta illustreras genom att tvinga de skillnader som finns mellan individer från olika regioner som kosttillskott och miljöinformation bevaras i tand emalj bioapatite. I vår representativa data märks betydande isotopiska variation mellan fåren från tropiska gräsmarker jämfört med fåren från tempererade torr-stäppen gräsmarker (figur 8).
Kritiska steg inom protokollet är relaterade till noggrannhet vid borrning, bevarande av tandemaljen och förbehandling tekniker. Små felaktigheter i borrning, exempelvis kan genom emaljen i den tand dentinet, resultera i enormt varierande isotopen mätningar29. Bevarandet av tandemaljen kan kontrolleras genom olika metoder, inklusive den beräknade karbonat andelen av ett givet prov mäts, liksom FTIR set-up diskuteras här. Forskare bör också informera laboratorierna i jordfästningen miljön, särskilt om vatten-inloggad eller i sura jordar, vilket kan påverka strukturella bevarandet av fossila tandemaljen. Hårdheten av tandemaljen anses vara en första indikator på bevarande, som endast kan bli uppenbart under borrningen. Emalj som är mjuk och lätt borrade antyder att det bioapatite crystal gallret kan har degraderat och bör kontrolleras med FTIR eller andra medel rapporteras i litteraturen30. Variationen i prov förbehandling verkar resultera i begränsad isotopiska variation i tand emalj21,22. Vi föreslår därför, användningen av enkla protokoll (t.ex., 0,1 M ättiksyra för mindre än 4 h följt av tvättning med destillerat vatten).
Det finns flera begränsningar för tekniken, associerade med provtagning utformningen och tolkningen. Borrning sekventiell prover är en färdighet som tar lite tid att bemästra. En tydlig förståelse av taxa och tanden som ska analyseras är viktigt att formulera en provtagning design2,25. Ytterligare, borrning av prover kan ta avsevärd tid att slutföra. Den resulterande kol och syre stabil isotop värden för sekventiellt samplade tandbildning tillåter dock forskarna att spåra kosten och miljöförändringar. Eftersom dessa ändringar med naturliga säsongsvariationer, ofta i antikens perioder, är tankeväckande tolkningar som är kontextualiserad inom förståelsen av variation i isotopiska referens uppsättningar integrerad till denna forskning6.
I artikeln, vi har visat Inkrementell provtagning och bulk provtagning av både mänskliga och fåren tandbildning. Vidare, vi instruera forskarna på förbehandling metoder för båda provningssatser. Inkrementell provtagningsmetod kan tillämpas framgångsrikt på antika och moderna fauna med liknande emalj tillväxt och mineralisering (t.ex., nötkreatur och hästar). Förbehandling av emalj bioapatite som visas i artikeln kan användas på prover från ett tvärsnitt av fornlämningar. Den viktigaste lärdomen från våra provtagningsförfarandet är bulk och Inkrementell provtagning av tanduppsättning, vilket inte enkelt förklaras i ett dokument. Ytterligare demonstrationer kunde demokratisera andra arkeologiska isotopen provtagning och förbehandling metoder (t.ex., ben kollagen extraktioner eller provtagning av arkeologiska keramik för stabil isotop mätningar av fettsyror) förbättra den spridningen av kunskap och teknik på detta område. Sådan demokratisering bör dock inte, ses som en fullständig ersättning för samråd med experter, eller den tillgängliga litteraturen, att fastställa standarderna för mätning och tolkning i en given kontext20,28.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Disclosures
Författarna förklarar någon intressekonflikt.
Acknowledgments
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
| 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).
