Afiliere Institutul Max Planck pentru Antropologie Evolutivă, Departamentul de Evoluție Umană, Deutscher Platz 6, 04103, Leipzig, Germania

izotopi

Universitatea de afiliere a British Columbia, Departamentul de antropologie, campusul Vancouver, 6303 NW Marine Drive, Vancouver, BC Canada, V6T 1Z1

Afilieri Max Planck Institute for Evolutionary Anthropology, Department of Human Evolution, Deutscher Platz 6, 04103, Leipzig, Germania, University of British Columbia, Department of Anthropology, Vancouver Campus, 6303 NW Marine Drive, Vancouver, BC Canada, V6T 1Z1

  • Klervia Jaouen,
  • Paul Szpak,
  • Michael P. Richards

Cifre

Abstract

Raporturile de izotop stabil de carbon și azot ale colagenului osos sunt o metodă stabilită pentru reconstrucția dietetică, dar această metodă este limitată de conservarea proteinelor. Zincul (Zn) se găsește în bioapatită, iar compozițiile izotopice ale acestui element constituie un indicator alimentar foarte promițător. Cu toate acestea, amploarea fracționării izotopilor Zn în mediile marine rămâne necunoscută. Raportăm aici despre măsurarea izotopilor de zinc, carbon și azot la 47 de mamifere marine din situl arheologic Arvik din Arctica canadiană. Am întreprins acest studiu pentru a testa și a demonstra utilitatea izotopilor Zn în mineralele osoase recente ale mamiferelor ca indicator dietetic, comparându-le cu alte trasoare dietetice izotopice. Am găsit o corelație între valorile δ 66 Zn și nivelul trofic pentru majoritatea speciilor, cu excepția morsei, care poate fi cauzată de mișcările lor sezoniere mari. δ 6 Valorile Zn pot fi, prin urmare, utilizate ca indicator dietetic în ecosistemele marine atât pentru mamiferele moderne, cât și pentru cele recente.

Citare: Jaouen K, Szpak P, Richards MP (2016) Ratele izotopilor de zinc ca indicatori ai dietei și nivelului trofic la mamiferele marine arctice. PLoS ONE 11 (3): e0152299. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0152299

Editor: Elena Gorokhova, Universitatea din Stockholm, SUEDIA

Primit: 9 decembrie 2015; Admis: 12 martie 2016; Publicat: 24 martie 2016

Disponibilitatea datelor: Toate datele relevante se află în hârtie și în fișierele sale de informații de suport.

Finanțarea: Finanțatorii au fost Societatea Max Planck (http://www.mpg.de/en), Consiliul de Cercetări în Științe Sociale și Umaniste din Canada (http://www.sshrc-crsh.gc.ca/) și Științele Naturii și Engineering Council of Canada (http://www.nserc-crsng.gc.ca/index_eng.asp). Finanțările nu au avut numere de grant asociate. Finanțatorii nu au avut niciun rol în proiectarea studiului, colectarea și analiza datelor, decizia de publicare sau pregătirea manuscrisului.

Interese concurente: Autorii au declarat că nu există interese concurente.

Introducere

Principala metodă biochimică de determinare a dietelor mamiferelor recente și fosile este măsurarea raportului stabil al izotopilor de carbon (C) și azot (N) în proteina osoasă (colagen). Recent, un număr de cercetători au explorat utilizarea raporturilor izotopice de elemente noi, „netradiționale” în țesuturile mamiferelor ca indicatori alimentari suplimentari sau ca indicator dietetic primar în care conservarea colagenului este slabă. De exemplu, Knudson și colaboratorii [1] au sugerat că izotopii stabili ai stronțiului (Sr) ar putea fi un indicator al nivelului trofic (TL) și se pare, de asemenea, posibil ca izotopii de calciu (Ca) din smalțul osos și dentar să poată indica consumul de lapte și înțărcarea [2-4] sau alte informații dietetice [5]. Recent, Martin și colaboratorii [6,7] au demonstrat că izotopii de magneziu (Mg), combinați cu alți indicatori dietetici ai smalțului dentar, cum ar fi oligoelemente și raporturi de izotopi stabili la carbon, ar putea fi, de asemenea, utilizați pentru reconstituirea dietelor antice. Studiul lor a arătat o îmbogățire progresivă a izotopilor grei Mg în rețelele alimentare mamifere.

Această lucrare se referă în principal la măsurătorile raporturilor izotopice Zn ca indicator dietetic. Studiile anterioare ale izotopilor de zinc (Zn) din sângele uman au evidențiat diferențe puternice între vegetarieni și omnivori [8,9], în timp ce legătura dintre dietă și compozițiile de izotop de fier din sânge (Fe) nu este clară [8,10,11]. Descoperirile recente din rețelele alimentare africane moderne au demonstrat, de asemenea, posibilitatea de a distinge carnivorele de erbivorele folosind măsurători de izotop stabil Zn de oase și dinți. Prin urmare, izotopii de zinc din bioapatit pot furniza informații similare cu N izotopii colagenului osos din mediile terestre. Deoarece este o proteină, totuși, colagenul este sensibil la deteriorare din cauza schimbărilor de timp și de mediu. Prin urmare, izotopii Zn pot fi utilizați pentru a urmări dieta trecută a mamiferelor atunci când colagenul nu este conservat.

2 ‰) cu o epuizare a izotopilor ușori Zn în produsele de origine animală (lapte, ouă, carne și pește) în comparație cu produsele vegetale. În consecință, ne putem aștepta la o corelație negativă între valorile țesutului δ 66 Zn și nivelurile trofice (Fig. 1). Valorile zooplanctonului δ 66 Zn se încadrează și în domeniul țesuturilor animale terestre [17]. Diatomeele (fitoplanctonul) sunt îmbogățite în izotopi grei Zn comparativ cu apa de mare (sea 66 Zn apă de mare

+0,5 ‰) într-o măsură de + 0,3 ‰ [18,19]. Singura excepție pare să fie pentru midii: valorile raportate pentru țesuturile moi prezintă o îmbogățire puternică în izotopii grei de Zn [9,17,20], care ar putea fi explicată prin comportamentul lor de bioacumulator [9]. În consecință, consumatorii de crustacee, cum ar fi morsele, ar trebui să prezinte rapoarte izotopice Zn relativ ridicate în țesuturile lor.

Constatările raportate în Costas-Rodriguez și colab. [9] și anume că valori similare de δ 66 Zn sunt observate pentru animalele marine și terestre, contrastează cu modelele observate pentru trasorii izotopici folosiți clasic pentru reconstrucția dietetică. Compozițiile de izotopi C și N sunt în general mai mari la organismele marine față de animalele terestre. Ca rezultat, consumul lor poate fi cuantificat cu ușurință pe baza compozițiilor de izotopi C și N ale țesuturilor. Compozițiile de azot și (într-o măsură mai mică) de izotopi de carbon sunt, de asemenea, dependente de nivelurile trofice [21-24]. Acești izotopi sunt utilizați frecvent în studiile ecologice marine pentru a explora dieta și nivelurile trofice ale consumatorilor de vertebrate (de exemplu [25-28]) și pot fi folosite ca bază pentru a înțelege mai bine modul în care izotopii Zn variază în aceste medii. Din acest motiv, ne așteptăm să vedem o corelație negativă între izotopii N și Zn din rețelele alimentare, în timp ce valorile δ 13 C pot fi utilizate pentru a detecta caracteristici alimentare suplimentare, cum ar fi sursa finală de producție primară (de exemplu, macroalge vs. fitoplancton), și bentică vs. surse de hrană pelagică, deoarece organismele bentice prezintă în general rapoarte izotopice mai mari [25,26].

În lucrarea de față, raportăm valorile osoase δ 66 Zn, δ 15 N și δ 13 C pentru diferite animale din situl arheologic Arvik de pe insula Little Cornwallis, Nunavut, Canada (Fig 2). Explorăm legătura dintre compoziția izotopică a Zn și dieta într-o rețea alimentară marină. Deoarece efectul metabolismului asupra valorilor δ 66 Zn ale corpului nu este cunoscut pentru speciile non-mamifere, am ales să ne concentrăm asupra mamiferelor. Am studiat patru specii cu niveluri trofice diferite: 1) morsele (Odobenus rosmarus), care se hrănesc mai ales cu moluște și alte nevertebrate bentonice (TL)

3.0); 2) focile cu barbă (Erignathus barbatus), care se hrănesc cu nevertebrate bentice și pești (TL

3.5); 3) focile inelate (Pusa hispida), a căror dietă se bazează pe pești, dar include și zooplancton mare și nevertebrate bentonice (TL

4.0); 4) urși polari (Ursus maritimus), carnivori terțiari care sunt vânători de foci specializați (TL

Harta este adaptată de cea a lui Le Moine și colab. [29].

Materiale și metode

Materiale

Am analizat probe de la 47 de indivizi adulți din patru specii de mamifere: foci cu barbă (n = 13), foci inelate (n = 12), urși polari (n = 10) și morse (n = 12). Informațiile privind elementul anatomic și contextul arheologic al oaselor sunt raportate în tabelul A din fișierul S1. Toate probele provin din situl arheologic Arvik (QjJx-1), situat în nord-estul insulei Little Cornwallis din Arctica Centrală Canadiană (Fig 2). Situl, situat pe o plajă fosilă, la 5-8 m deasupra nivelului mării, este cunoscut pentru ocupația sa din Dorset [29]. Oasele au fost găsite la suprafață și la subsolul sitului și se caracterizează printr-o conservare remarcabilă (fișierul S1). De pe acest site au fost obținute două date radiocarbonate cu date calibrate de A.D. 429–665 și A.D. 347–604 (interval 2σ) [29.30].

Declarație de etică

Toate permisiunile relevante au fost obținute pentru acest studiu. Permisiunea de eșantionare a materialelor a fost obținută de la Prince of Wales Northern Heritage Centre, Yellowknife, YT, unde materialele sunt organizate. O autorizație pentru analize distructive a fost obținută de la Divizia Cultură și Patrimoniu, Cultură, Limbă, Vârstnici și Tineret, Guvernul Nunavutului (# 90-682) emisă în martie 2014.

Tehnica analitică a carbonului și a azotului

Oasele au fost curățate mecanic prin abraziune cu o bavură de tip diamant și ulterior

250 mg de material au fost îndepărtați folosind o roată de tăiere cu vârf de diamant. Aceste probe osoase au fost demineralizate în 0,5 M HCI la 4 ° C pentru o perioadă de câteva săptămâni. După demineralizare, colagenul insolubil rămas a fost solubilizat în 10-3 M HCI la 75 ° C timp de 48 de ore. Soluția care conține colagenul solubil a fost apoi filtrată folosind un filtru de 60-90 μm (Elkay, Hampshire, Marea Britanie) pentru a îndepărta particulele insolubile și apoi filtrată folosind tuburi de centrifugă cu greutate moleculară de 30 kDa (Pall Corporation, Port Washington, NY). Fracția> 30 kDa a fost apoi înghețată și liofilizată. Compozițiile elementare și izotopice ale colagenului uscat au fost determinate în duplicat la Universitatea din Columbia Britanică folosind un spectrometru de masă Elementar Isoprime cu flux continuu izotop cuplat la un analizor Vario Micro elementar (Hanau, Germania). Detalii despre calibrare, precizie analitică și precizie sunt prezentate în fișierul S2).

Tehnica analitică a zincului

Testul diagenezei

Nu există un criteriu mineralogic pentru detectarea fără echivoc a diagenezei [34]. Aici, folosim măsurători combinate ale concentrației de Zn și compoziția stabilă a izotopului în diferite fracțiuni ale oaselor morsei pentru a evalua dacă inventarul inițial de metale biologice a fost perturbat de un membru final diagenetic. Pentru orice element dat, se așteaptă ca adăugarea proporțiilor variabile ale unei componente a solului la inventarul biogen inițial să producă o linie de amestecare, adică o corelație între concentrații și compoziții izotopice [35]. Valorile obținute pentru părțile spongioase ale oaselor (mai susceptibile de a reține particulele de sol din cauza porozității mai mari față de osul cortical) și pentru părțile corticale au fost comparate în interiorul și între indivizi.

Analize statistice

Pentru a detecta diferențe semnificative între valorile izotopice pentru fiecare specie, am efectuat un test Kruskal-Wallis urmat de testul post-hoc Nemenyi. Pentru a evalua diferențele dintre valorile osoase spongioase și corticale la mors, am efectuat un test Wilcoxon cu două perechi. Aceste teste non-parametrice, efectuate folosind R, pot fi aplicate atunci când datele nu urmează o distribuție normală [36].

Rezultate

Controlul calității datelor

Conservarea probelor.

A. Relația dintre concentrația de Zn și valorile δ 66 Zn ale spongiosului (cercurilor negre) și părții corticale a oaselor de morse (cercuri) și a altor mamifere (cruci), găsite în depozite de suprafață (culori verzi) și depozite subterane (culori negre ). Toate probele de os anulat cad pe o linie de regresie. B. δ 66 Zn valorile fracțiunilor spongioase și corticale ale oaselor morsei. Liniile definesc media și două zone de deviație standard ale valorilor corticale. Dreptunghiurile verzi încadrează valorile pentru indivizi înșiși.

Precizie analitică.

Incertitudinile δ 66 Zn au fost estimate din analize standard de replică și au variat între ± 0,04 ‰ și ± 0,06 ‰. Au fost efectuate duplicate pentru mai multe probe, cu o abatere standard cuprinsă între ± 0,02 ‰ și ± 0,04 ‰. Materialul de referință standard SRM-1486 (cenușă osoasă) și standardele interne (AZE, pulbere de os de vacă) au fost analizate împreună cu probele. Valorile obținute corespund celor publicate în altă parte (Tabelul B din fișierul S1). Valorile δ 66 Zn, δ 67 Zn și δ 68 Zn obținute pentru toate probele și standardele măsurate în acest studiu se află pe o linie cu o pantă în acord cu valoarea teoretică.

Descrierea datelor

Setul de date complet al compozițiilor izotopice C, N și Zn este raportat în tabelul A din fișierul S1), iar o prezentare sintetică care conține rezultate statistice este prezentată în tabelul 1. Gama totală a valorilor măsurate pentru δ 66 Zn în bioapatita osoasă a fost 1,38 ‰ (de la +0,01 ‰ la +1,39). Intervalul în colagenul osos a fost de 3,76 ‰ pentru izotopii C (de la -15,76 ‰ la -12,00 ‰) și +13,56 ‰ pentru N izotopi (de la +10,93 ‰ la +24,49 ‰) (Tabelul 1). Cele mai ridicate raporturi izotopice Zn au fost măsurate în oasele de focă, în contrast cu valorile scăzute prezentate de urșii polari (Fig. 4, Tabelul 1). Urșii polari au prezentat cele mai mari valori δ 15 N. Morsele au avut cele mai mici valori δ 13 C. Aceștia au fost, de asemenea, caracterizați prin cele mai mici raporturi izotopice N, dar valorile δ 66 Zn ale oaselor lor s-au suprapus cu cele ale sigiliilor inelate și cu barbă. În comparație cu partea corticală a oaselor, valorile izotopice ale Zn și ale concentrației au fost, respectiv, mai mari și mai mici în spongios în raport cu partea corticală a oaselor de morsă, chiar dacă diferența nu a fost semnificativă pentru concentrații (Fig. 3, Wilcoxon test, δ 66 Zn: p = 0,03, [Zn]: p = 0,09).

A) δ 66 Znbioapatită vs. δ 13 valori ale colagenului pentru patru specii de mamifere marine (B) δ 66 Znbioapatit vs. values ​​15 Ncolagen, (C) δ 15 Ncolaj vs. δ 13 Grafic colagen și (D) 3D care arată că compozițiile izotopice Zn, N și C ale mamiferelor marine permit o distincție a diferitelor specii. Incertitudinile de măsurare sunt date de casetele albe.

SD = abaterea standard, n = numărul de probe, TL = nivelul trofic.

Diferențe statistice între specii

Rezultatele testelor Kruskal Wallis sunt date în tabelul C din fișierul S1. Rezultatele au indicat că performanța comparațiilor nu a fost similară între grupurile de valori ale izotopilor. Prin urmare, am putut efectua testul post-hoc Nemenyi (Tabelul D din fișierul S1). Valorile δ 13 C ale morsei au fost semnificativ mai mici în raport cu sigiliile inelate și cu barbă, dar nu și cu urșii polari. Cu toate acestea, valorile ursului polar și a morsei δ 13 C nu se suprapun (Fig 4, Tabelul D din fișierul S1). Valorile δ 66 Zn ale urșilor polari au fost clar distincte față de celelalte specii. Valorile morselor pentru izotopii Zn au fost similare ambelor specii de focă, dar focile cu barbă au avut valori semnificativ mai mici de δ 66 Zn decât sigiliile inelate (Fig 4, Tabelul D din fișierul S1). Morsele au prezentat valori semnificativ mai mici de N 15 N în comparație cu animalele cu cel mai înalt nivel trofic (urși polari și foci inelare).

Discuţie

Corelația dintre δ 15 N și δ 66 Zn este dificil de discutat în cadrul unei specii, deoarece dimensiunea eșantionului și gama în compozițiile izotopice pentru fiecare grup este relativ mică. Cu toate acestea, apare o tendință pentru urșii polari și morse, dar nu și pentru sigiliile. Studiile anterioare asupra oaselor umane arheologice și a sângelui uman nu au găsit nicio corelație între valorile δ 15 N și δ 66 Zn [58,59]. Explicația poate fi că atât oamenii, cât și focile includ mai multe surse de hrană în dieta lor, în timp ce urșii polari și morsele tind să prezinte o dietă mai specializată și omogenă. În același mod în care compozițiile izotopice C și N sunt influențate de condițiile locale de mediu [60,61], compozițiile izotopice Zn ale unei rețele alimentare pot fi, de asemenea, dependente de locația sa [13,14]. În consecință, efectul nivelului trofic asupra compozițiilor izotopice Zn ale țesuturilor animale poate fi ascuns atunci când diferite rețele alimentare sunt considerate împreună.

Concluzii

Rezultatele acestui studiu arată că valorile δ 66 Zn ale oaselor mamiferelor marine sunt puternic afectate de dieta animalelor, dar depind și de mediu. Compozițiile izotopice cu azot și Zn au fost corelate negativ, dar morsele nu au căzut pe linia de regresie. Combinând aceste analize cu trasorii dietetici izotopici clasici, am realizat că acest model ar putea fi explicat prin mobilitatea morsei, care nu ar aparține neapărat aceleiași pânze alimentare pentru o parte sau cea mai mare parte a anului. Spre deosebire de izotopii C și N, intervalul valorilor δ 66 Zn observate la mamiferele terestre și marine este similar. Astfel, δ 66 Zn adaugă informații complementare altor indicatori dietetici, cum ar fi δ 13 C. Aplicațiile viitoare de dietă și ecologie trofică ar putea, totuși, să necesite lucrul la persoane cu mobilitate redusă, deoarece un factor de proveniență este suspectat în semnătura izotopică a osului Zn. Pe de altă parte, valorile δ 66 Zn ar putea fi un indicator suplimentar de proveniență pentru a completa măsurătorile izotopilor C și N în mediile marine.

informatii justificative

Fișier S1.

Figura A. Relația dintre compozițiile izotopice Zn ale oaselor mamiferelor terestre și marine și nivelurile trofice. Tabelul A. Localizarea, tipul probelor, speciile, conservarea colagenului, concentrațiile (C, N, Zn) și compozițiile izotopice (C, N, Zn) ale diferitelor probe de mamifere marine analizate în studiu. Tabelul B. δ 66 Zn valori ale standardului intern și ale materialului de referință. Valorile delta Zn sunt corectate pentru standardul JMC Lyon. Tabelul C. Rezultatele testului Kruskal-Wallis (valorile χ2 și p) efectuate pe valorile izotopice (C, N și Zn) pentru diferitele specii. Tabelul D. Matricea valorilor p rezultate din testul Nemenyi comparând compozițiile izotopice ale diferitelor specii. * P 13 C în raport cu VPDB și δ 15 N în raport cu AIR. Tabelul B. Materiale de referință standard utilizate pentru a monitoriza precizia și precizia internă. Tabelul C. Precizia și precizia calibrării și verificarea standardelor pentru fiecare analiză. Tabelul D. Precizia și precizia calibrării și verificarea standardelor pentru toate sesiunile analitice (cumulativ). Tabelul E. Duplicați compozițiile izotopice de carbon și azot și diferența absolută între măsurători.

Mulțumiri

Autorii sunt recunoscători Societății Max Planck, Consiliului de Cercetări în Științe Sociale și Umaniste din Canada și Consiliul de Științe Naturale și Inginerie din Canada pentru finanțare. Dorim să mulțumim Annabell Reiner și Reba Macdonald pentru ajutorul acordat în timpul pregătirii eșantionului. Accesul la probe a fost asigurat de Prince of Wales Northern Heritage Centre (Yellowknife, YT) și Departamentul de Cultură și Patrimoniu, Guvernul Nunavut. Mulțumim Joanne Bird, Susan Irving, Pat Freeman și Sylvie Leblanc pentru asistența acordată cu permisele de probă și accesul.

Contribuțiile autorului

Conceput și proiectat experimentele: KJ MPR PS. A efectuat experimentele: KJ PS. Am analizat datele: KJ PS MPR. Reactivi/materiale/instrumente de analiză contribuite: KJ PS. Am scris lucrarea: KJ PS MPR.