Vergleich zwischen Streifenproben- und Laserablationsmethoden, um saisonale Bewegungen aus Intra abzuleiten

Wissenschaftliche Berichte Band 13, Artikelnummer: 3621 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Die Analyse von Strontiumisotopen ist ein leistungsstarkes Werkzeug bei der Untersuchung früherer Tierbewegungen, insbesondere der sequentiellen Analyse des Zahnschmelzes, um einzelne Bewegungen in einer Zeitreihe zu rekonstruieren. Im Vergleich zur herkömmlichen Lösungsanalyse hat die hochauflösende Probenahme mithilfe der induktiv gekoppelten Plasma-Massenspektrometrie mit Laserablation und Multikollektor (LA-MC-ICP-MS) das Potenzial, Mobilität im feinen Maßstab widerzuspiegeln. Allerdings kann die Mittelung der 87Sr/86Sr-Aufnahme während des Schmelzmineralisierungsprozesses die Schlussfolgerungen im Feinmaßstab einschränken. Wir verglichen Lösungs- und LA-MC-ICP-MS 87Sr/86Sr-Intrazahnprofile vom zweiten und dritten Molaren von 5 Karibus aus der Herde der westlichen Arktis, Alaska. Profile beider Methoden zeigten ähnliche Trends, die die saisonalen Migrationsbewegungen widerspiegeln, aber LA-MC-ICP-MS-Profile zeigten ein weniger gedämpftes 87Sr/86Sr-Signal als Lösungsprofile. Die geografischen Zuordnungen der Profilendglieder zu den bekannten Sommer- und Wintergebieten stimmten zwischen den Methoden und mit dem erwarteten Zeitpunkt der Schmelzbildung überein, zeigten jedoch auf einer feineren Skala Diskrepanzen. Variationen der LA-MC-ICP-MS-Profile, die mit den erwarteten saisonalen Bewegungen übereinstimmten, deuteten auf mehr als nur eine Vermischung der Endmitgliedswerte hin. Es sind jedoch weitere Arbeiten zum Verständnis der Zahnschmelzbildung bei Rangifer und anderen Huftieren und zur Frage, wie sich die tägliche Aufnahme von 87Sr/86Sr auf den Zahnschmelz auswirkt, erforderlich, um die tatsächliche Auflösung zu beurteilen, die mit LA-MC-ICP-MS erreicht werden kann.

Die Strontiumisotopenanalyse hat sich als leistungsstarkes Werkzeug zur Rekonstruktion vergangener Bewegungen erwiesen. Basierend auf der Annahme eines Zusammenhangs zwischen der Strontiumisotopenchemie in der zugrunde liegenden lokalen Geologie/lokalen Böden und Skelettgeweben werden diese Techniken in der Vergangenheit zunehmend zur Untersuchung menschlicher und tierischer Bewegungen eingesetzt1. In Studien wurden Tierreste analysiert, um Rückschlüsse auf Handels- und Austauschnetzwerke2,3 und andere Aspekte früherer Volkswirtschaften und Gesellschaften zu ziehen, darunter Wandertierhaltung, Tierhaltung und Herdenpraktiken4,5. Andere archäologische und paläontologische Studien konzentrierten sich auf wildlebende Taxa, um die saisonale Paläobiogeographie von Tieren zu erforschen, einschließlich der Rekonstruktion vergangener Migrationsverhaltensweisen ausgestorbener Arten6,7 und wichtiger Beutetiere, um die Bewegungsmuster, die Landschaftsnutzung und die Entscheidungen über den Lebensunterhalt besser zu verstehen menschliche Gruppen, die von ihnen abhängig waren8,9,10,11.

Strontium kommt in der Natur in Form der drei stabilen Isotope 84Sr, 86Sr und 88Sr sowie als radiogenes Isotop 87Sr vor, das das Produkt des radioaktiven Zerfalls von 87Rb (Rubidium) ist. Aufgrund des Zerfalls von 87Rb wird erwartet, dass alte Rb-reiche Gesteine wie Kaliumfeldspat mit Granit und Rhyloit einen hohen 87Sr/86Sr-Wert aufweisen, während neuere Lithologien und/oder solche mit geringem Rb-Gehalt wie Karbonate ein niedrigeres Verhältnis aufweisen12. Durch die Bodenbildung wird Strontium für Pflanzen verfügbar, zusammen mit anderen Einträgen (z. B. Gischt, Regen, äolische Ablagerung), die die „bioverfügbare“ 87Sr/86Sr beeinflussen können. Trotz dieser anderen Einflüsse hängt die räumliche Verteilung des bioverfügbaren 87Sr/86Sr in der Landschaft hauptsächlich mit der Art und dem Alter der darunter liegenden lithologischen Einheiten zusammen13,14. Bioverfügbares 87Sr/86Sr wird über die Nahrung und das aufgenommene Wasser in das Gewebe von Säugetieren eingebaut. Während des Übertragungsprozesses vom Grundgestein auf tierische Gewebe unterliegt 87Sr/86Sr einer vernachlässigbaren Fraktionierung15 und daher sollten die in tierischen Geweben beobachteten Werte direkt die örtliche Bioverfügbarkeit von 87Sr/86Sr des Gebiets widerspiegeln, in dem das Tier während der Gewebebildung gefressen hat13, wenn auch mit einigen mögliche Einflüsse der unterschiedlichen Verdauung oder anderer Aspekte der Nahrungsauswahl oder -zubereitung16,17,18. Kürzlich wurden Anstrengungen unternommen, lokale und globale 87Sr/86Sr-Isolandschaften auf der Grundlage intensiver Bodenproben und biologischer Materialien und/oder Modellierungen zu erstellen14,19,20 . Da 87Sr/86Sr im Grundgestein auf einer geologischen Zeitskala variiert, sind moderne Strontium-Isolandschaften für die Erforschung vergangener Mobilität relevant, obwohl anthropogene Einflüsse, die sich auch auf 87Sr/86Sr in der Umwelt auswirken (z. B. Düngemittel), berücksichtigt werden sollten14,21.

Bei Säugetieren wird Strontium nach der Absorption im Darm durch ionische Substitution von Calcium in Bioapatit in Knochen und Zahnschmelz eingebaut12. Während sich Knochen im Laufe des Lebens eines Menschen ständig erneuern, baut sich der Zahnschmelz nach der Mineralisierung nicht um und ist aufgrund seiner Struktur besonders resistent gegen Diagenese22. Somit können 87Sr/86Sr-Werte im Zahnschmelz zuverlässige Geolokalisierungsinformationen für Einzelpersonen in ihren frühen Lebensphasen liefern. Studien haben ihre Nützlichkeit zur Beurteilung der Faunamobilität bewiesen7,10,23 und basieren auf dem Prinzip, dass sich der Zahnschmelz von Säugetieren nach einem zweistufigen Prozess schrittweise vom Scheitelpunkt der Krone bis zur Schmelz-Wurzel-Verbindung bildet24. Während der Sekretionsphase entsteht eine proteinreiche Matrix, die einer Sekretionsfront in Richtung Zahnhals folgt. Während der Reifungsphase wird dann der Großteil des mineralisierten Materials in die Schmelzmatrix eingebaut24. Diese Phase ist komplex und nichtlinear mit einer schnellen anfänglichen Mineralisierungsrate, die sich zunehmend verlangsamt und sich je nach Art über Wochen erstreckt25. Allerdings schreitet die Mineralisierung im Großen und Ganzen entlang der Wachstumsachse entlang der Sekretionsfront voran24,25,26, was zeitliche Rückschlüsse auf das im Zahn beobachtete Isotopensignal zulässt. Der Vergleich von Massenschmelz 87Sr/86Sr mit lokalem 87Sr/86Sr ermöglicht die Unterscheidung zwischen lokalen und nichtlokalen Individuen27, aber die Analyse der 87Sr/86Sr-Werte im Zahnschmelz kann kurzfristige Mobilität hervorheben7,22.

Der traditionelle Ansatz zur Analyse der Strontiumisotopenverhältnisse im Zahnschmelz besteht darin, eine Probe zu schneiden (z. B. Handbohrmaschine, Mikromühle) und dann eine Anionenaustauschchemie (Lösungsmethode) durchzuführen, um das Strontium vor der Analyse zu isolieren und zu reinigen. Dabei wird die Probe in hochreiner Säure gelöst und Sr mithilfe eines Sr-Harzes28 isoliert. Anschließend erfolgt die Analyse mittels thermischer Ionisationsmassenspektrometrie (TIMS) oder mittels Multikollektor-Massenspektrometrie mit induktiv gekoppeltem Plasma (MC-ICP-MS). Analysen können an großen Zahnschmelzproben (ganzen Zähnen) oder an Proben durchgeführt werden, die entlang der Wachstumsachse eines einzelnen Zahns entnommen wurden23,29. Die Strontiumisotopenanalyse kann mit der ẟ18O-Analyse kombiniert werden, um zu identifizieren, welche Abschnitte des Zahns sich in kühleren oder wärmeren Perioden gebildet haben, wodurch die 87Sr/86Sr-Zeitreihendaten in einen saisonalen Rahmen eingeordnet werden9,29. Die erzeugten 87Sr/86Sr-Werte können dann direkt oder mithilfe probabilistischer Ansätze mit Strontium-Isolandschaften verglichen werden, um potenzielle Ursprungsgebiete oder saisonale Bereiche zu identifizieren30,31. Ein großer Nachteil der Lösungsanalyse ist die Menge an Material, die zur Durchführung der Analyse benötigt wird (∼ 1–5 mg), was einer durchschnittlichen 87Sr/86Sr-Aufnahme über Wochen entspricht26,32. Darüber hinaus ist dieser Ansatz destruktiv und beschränkt seine Anwendung auf seltene archäologische und paläontologische Exemplare.

Alternativ ermöglicht die In-situ-Messung mittels Laserablation (LA)-MC-ICP-MS eine hochauflösende Probenahme entlang der Schmelzoberfläche mit oft weniger offensichtlichen Veränderungen des Materials26,32. Obwohl berichtet wurde, dass LA-MC-ICP-MS aufgrund molekularer/analytischer 87Sr-Interferenzen, die hauptsächlich auf die Bildung von 40Ca31P16O32 zurückzuführen sind, weniger präzise und weniger genaue 87Sr/86Sr-Daten liefert als Lösungsanalysen,33 können die damit verbundenen analytischen Fehler gering genug bleiben Untersuchung der geografischen Herkunft und Mobilität in vielen geologischen/ökologischen Kontexten26,34. Aufgrund der hohen Abtastauflösung von LA-MC-ICP-MS sind Fragen zu seiner Fähigkeit aufgekommen, Mobilitätsgewohnheiten in einem verfeinerten Maßstab widerzuspiegeln, und zu der möglichen Zeitauflösung, die erreicht werden kann26,35,36,37. Ein Hauptanliegen besteht darin, inwieweit der 87Sr/86Sr-Gehalt im Körper vor und während des Mineralisierungsprozesses gemittelt wird, unabhängig davon, wie hochauflösende Probenahmestrategien auch sein mögen. Zusätzlich zur täglichen Strontiumaufnahme (Nahrung, Wasser) wird beispielsweise Strontium während des kontinuierlichen Umbaus von Knochen freigesetzt, was zum Blutstrontium beiträgt38 und eine 87Sr/86Sr-Grundlinie induziert, die dem durchschnittlichen 87Sr/86Sr in den Knochen entspricht. Bei Huftieren erfolgt der Großteil der Mineralisierung an einem bestimmten Ort in nur wenigen Tagen, bevor sie sich verlangsamt und dann über mehrere Wochen anhält25. Der tatsächliche Einfluss dieser beiden Mittelungsprozesse auf die Fähigkeit von 87Sr/86Sr-Profilen im Zahninneren, Ortsänderungen widerzuspiegeln, ist unklar. Montgomery et al.35 schlugen vor, dass Zwischenwerte innerhalb jeder Zahnsequenz nur das Produkt der Signalmischung der Endglieder sind, wobei der 87Sr/86Sr-Wert der neuen Position nach und nach das ursprüngliche Signal überlagert. Jüngste Studien am Zahnschmelz von Menschen26,37,39 und Schafen36 haben jedoch Hinweise auf kurzfristige Schwankungen der 87Sr/86Sr-Profile im Zahninneren geliefert, die einer Beimischung von Endgliedersignalen widersprechen und stattdessen eher die Bewegung der Individuen durch die Strontiumlandschaft widerspiegeln36 . Weitere Studien sind erforderlich, um das Potenzial von LA-MC-ICP-MS bei der Rekonstruktion von Faunenbewegungen vollständig zu bewerten, insbesondere im Hinblick auf die etablierte Lösungsanalyse.

Anhand moderner Karibuzähne (Rangifer tarandus) von Zugtieren wollen wir hier Lösungs- und LA-MC-ICP-MS 87Sr/86Sr-Intrazahnprofile derselben Individuen vergleichen. Karibus und Rentiere sind wichtige Taxa in nördlichen Umgebungen, und beide sind von zentraler Bedeutung für die Kultur und den Lebensunterhalt der indigenen Gemeinschaften rund um den Polarkreis40,41,42. Die Ausbeutung der Rangifer-Population durch menschliche Gesellschaften in Nordamerika und ganz Eurasien hat eine lange Geschichte. Während des späten Pleistozäns in Nordwesteuropa standen Rentiere im Mittelpunkt der Wirtschaft, und die saisonalen Bewegungen einer Herde prägten wahrscheinlich die Subsistenzpraktiken und die Landschaftsnutzung des Menschen (d. h. Lebensweisen) und sogar die Kulturen und Weltanschauungen menschlicher Gruppen43. Moderne wilde Karibus weisen Unterschiede in ihren saisonalen Bewegungen mit ansässigen und wandernden Ökotypen auf40 und innerhalb einer bestimmten Population können sich die Migrationsmuster innerhalb eines Zeitraums von nur wenigen Jahren drastisch ändern44. Das Ausmaß, in dem es im Europa des Spätpleistozäns unterschiedliche Ökotypen gab und/oder das Ausmaß, in dem diese Verhaltensweisen im Laufe der Zeit plastisch oder konservativ waren, ist nach wie vor kaum charakterisiert. Die Rekonstruktion der früheren Mobilität und Saisonalität von Rentieren ist daher wichtig, um die Landschaftsnutzung und andere kulturelle Aspekte früherer Menschen- und Homininengruppen zu verstehen8,10, aber auch um die Paläoökologie dieser Arten zu verstehen. Die höhere Auflösung, die LA-MC-ICP-MS bietet, kann uns helfen, diese besser zu verstehen. Darüber hinaus muss die Nützlichkeit räumlicher Zuordnungswerkzeuge bei der empirischen Identifizierung von Sommer- und Wintergebieten aus Intra-Zahndaten (generiert über Lösungs- oder LA-MC-ICP-MS-Ansätze) noch an einem modernen, wild wandernden Rangifer getestet werden. Die Ziele dieser Studie waren daher: (1) die Generierung neuartiger Intra-Zahn-87Sr/86Sr-Daten von fünf modernen Karibus aus der Herde der westlichen Arktis, Alaska, einer Herde mit gut dokumentierten saisonalen Bewegungsmustern45,46,47, unter Verwendung von LA- MC-ICP-MS, durchgeführt als kontinuierliches Raster entlang der gesamten Wachstumsachse, (2) zum Vergleich der erhaltenen LA-MC-ICP-MS-Intrazahn-87Sr/86Sr-Profile mit bereits veröffentlichten Intrazahnprofilen derselben Personen, generiert durch die „traditionelle“ Streifenprobenahme- und Lösungsmethode23 und (3) um die potenzielle Nutzung des Sommer- und Wintergebiets durch die räumliche Zuordnung von Daten von saisonalen Endmitgliedern zu vergleichen, die sowohl aus der Lösung als auch aus LA-MC-ICP-MS-Sequenzen erhalten wurden.

Mithilfe der LA-MC-ICP-MS-Analyse haben wir 87Sr/86Sr-Intrazahnprofile vom zweiten (M2) und dritten Molaren (M3) von 5 Karibus aus der Herde der westlichen Arktis erstellt (Abb. 1). Diese Profile folgten ähnlichen allgemeinen Trends wie bereits veröffentlichte Intrazahnprofile der Lösung 87Sr/86Sr von denselben fünf Personen23 und stammten von denselben oder spiegelbildlichen M2 und M3 (Tabelle S1). Bei 4 Personen beobachteten wir einen Rückgang der 87Sr/86Sr-Werte vom ältesten Teil der Krone (Okklusalfläche – OS) zum jüngsten Teil (Schmelz-Wurzel-Verbindung – ERJ) des M2 und den gegenteiligen Trend wurde am M3 beobachtet ( Abb. 1). Bei einer Person blieben die WACH-0,120-, 87Sr/86Sr-Werte entlang der M2- und M3-Intrazahnprofile relativ stabil (Abb. 1). Lösungsprofile zeigten im Vergleich zu LA-MC-ICP-MS-Profilen ein gedämpftes Signal. Die 87Sr/86Sr-Werte lagen bei Lösungsprofilen zwischen 0,7090 und 0,7129 und bei LA-MC-ICP-MS-Profilen zwischen 0,7087 und 0,7137 (Tabelle 1). Die minimalen 87Sr/86Sr-Werte waren für LA-MC-ICP-MS fast signifikant niedriger (0,7096 ± 0,0008 SD) als für Lösung (0,7099 ± 0,0008 SD; Wilcoxon-Signed-Rank-Test: n = 20, Z = 1,82, P = 0,08). und die maximalen 87Sr/86Sr-Werte waren signifikant höher (0,7115 ± 0,0015 SD bzw. 0,7108 ± 0,0011 SD; n = 20, Z = − 2,55, P < 0,05). Die mittleren 87Sr/86Sr-Werte in LA-MC-ICP-MS (0,7103 ± 0,0009 SD) und Lösungsprofilen (0,7103 ± 0,0009 SD) waren jedoch ähnlich (n = 20, Z = − 0,513, P = 0,64). LA-MC-ICP-MS-Profile hatten eine höhere Amplitude als Lösungsprofile (0,0019 ± 0,0015 SD bzw. 0,0010 ± 0,0009 SD; n = 20, Z = − 2,67, P < 0,01) und Unterschiede in der Amplitude zwischen LA-MC-ICP -MS- und Lösungsprofile korrelierten positiv mit der LA-MC-ICP-MS-Amplitude (R2 = 0,81, P < 0,01).

Lösung (in Rot) und LA-MC-ICP-MS (in Schwarz) 87Sr/86Sr-Intrazahnprofile von M2 und M3 von 5 Karibuherden in der westlichen Arktis. Lösungsprofile sind von Britton et al.23 wiedergegeben. Bei den LA-MC-ICP-MS-Profilen entspricht die schwarze Linie dem laufenden Durchschnitt (± laufende Standardabweichung), basierend auf einem Fenster mit 20 Proben. Die x-Achse entspricht der Position der LA-MC-ICP-MS-Proben vom Schmelz-Wurzel-Übergang. Die Positionen der Lösungsproben wurden lediglich an LA-MC-IPC-MS-Profile angepasst, um den visuellen Vergleich zu erleichtern. Lösungs- und LA-MC-ICP-MS-Werte an einer bestimmten Stelle sollten nicht direkt verglichen werden, da die beiden Analysen auf gegenüberliegenden Zahnoberflächen oder spiegelbildlichen Zähnen durchgeführt wurden. ERJ: Schmelz-Wurzel-Übergang, OS: Okklusalfläche.

Um die Saisonalität in 87Sr/86Sr-Intrazahnprofilen festzulegen, stützten wir uns auf die ẟ13C- und ẟ18O-Intrazahnprofile derselben Individuen (Abb. S1–S2), die in früheren Studien 23, 48 bewertet wurden, und auf die Amelogenese bei Dama-Hirschen dama10,23 tritt beim M2 zwischen 3,5 und 9 Monaten und beim M349 zwischen 9 und < 18 Monaten auf. Für die 5 Individuen am Endglied des M2 in der Nähe des OS haben wir die relativ niedrigen ẟ13C-Werte (Abb. S1) und die hohen ẟ18O-Werte (Abb. S2) berücksichtigt, die jeweils gleichbedeutend mit grasreicher Ernährung50,51 und warmer Jahreszeit9 sind ,52, was auf die Spätsommer-/Herbstperiode hinweist. Umgekehrt betrachteten wir am Endmitglied in der Nähe des ERJ die hohen ẟ13C-Werte und die niedrigen ẟ18O-Werte als Synonyme für eine flechtenreiche Ernährung50,51 und eine kalte Jahreszeit9,52, die auf den Winter hinweisen. Das Gegenteil wurde bei M3 beobachtet (Abb. S1–S2), wobei das OS-Endmitglied die Winterperiode und das ERJ-Endmitglied die Spätsommer-/Herbstperiode anzeigt. Die 87Sr/86Sr-Werte der Winterendglieder (M2-ERJ, M3-OS) waren zwischen LA-MC-ICP-MS und Lösungsanalysen ähnlich (Tabelle 2; jeweils 0,7097 ± 0,0008 SD und 0,7099 ± 0,0008 SD; n = 20, Z =). 1,05, P = 0,33), aber die 87Sr/86Sr-Werte der Sommerendglieder (M2-OS, M3-ERJ) aus der LA-MC-ICP-MS-Analyse waren signifikant höher (jeweils 0,7112 ± 0,0013 SD und 0,7108 ± 0,0011 SD; n = 20, Z = − 2,03, P = 0,05). Was die Gesamtamplitude der Profile betrifft, war die Amplitude zwischen den Endgliedern aus LA-MC-ICP-MS-Profilen höher als in Lösungsprofilen (0,0015 ± 0,0015 SD bzw. 0,0009 ± 0,0009 SD; n = 20, Z = − 2,2, P). < 0,05).

Wir führten eine bayesianische räumliche Zuordnung der M2- und M3-Endglieder durch, um potenzielle Sommer- und Winterverbände zu bestimmen, indem wir das „assignR“-Paket53 in R54 mit der globalen bioverfügbaren 87Sr/86Sr-Isolandschaft von Bataille et al.14 verwendeten, die auf Nordwest-Alaska zugeschnitten war (Abb. 2). . Die gesamte bioverfügbare Menge an 87Sr/86Sr im Untersuchungsgebiet variierte zwischen 0,7075 und 0,7187 (95 %-Referenzintervall) mit Extremwerten von 0,7062 und 0,7271 (Abb. 2). Wir haben die A-Posteriori-Zuordnungswahrscheinlichkeit jedes Endmitglieds aus 87Sr/86Sr-Lösung und LA-MC-ICP-MS-Profilen geschätzt und den entsprechenden Zuordnungsbereich extrahiert, d. h. die 20 % der Oberfläche des Untersuchungsgebiets mit der höchsten A-Posteriori-Zuordnungswahrscheinlichkeit. Posterior-Wahrscheinlichkeitskarten und Zuordnungsbereiche werden als Zusatzmaterial für jede Person bereitgestellt (Abb. S3–S12). Beim Vergleich der A-Posteriori-Wahrscheinlichkeiten für bekannte Winter- und Sommerbereiche55 mit ungeraden Verhältnissen wurden die meisten Endmitglieder dem erwarteten saisonalen Bereich zugeordnet (Tabelle 3). Alle Winterendmitglieder (M2-ERJ, M3-OS) wurden dem südlichen Verbreitungsgebiet zugeordnet, mit Ausnahme des M3-OS von zwei Individuen, sowohl für Lösungs- als auch für LA-MC-ICP-MS-Profile (Tabelle 3; Abb. 3). Abgesehen von dem nicht wandernden Karibus WACH-0.120, der im südlichen Verbreitungsgebiet verblieben ist (Tabelle 3; Abb. 4), wurden Sommerendmitglieder (M2-OS, M3-ERJ) größtenteils dem bekannten Sommerverbreitungsgebiet im Norden zugeordnet ( Tisch 3). Die Ausnahme bildete das M3-ERJ-Endmitglied von WACH-153.180, das dem südlichen Bereich zugeordnet war. Das entsprechende Zuordnungsgebiet lag jedoch sowohl für Lösungs- als auch für LA-MC-ICP-MS-Analysen größtenteils in der Brooks Range, zwischen den traditionellen Sommer- und Wintergebieten (Abb. 4). Die Zuordnungsbereiche der Winter-Endmitglieder zeigten eine starke Übereinstimmung zwischen Lösungs- und LA-MC-ICP-MS-Profilen (Abb. 3) mit einer Überlappung zwischen 30 und 99 % (Tabelle 3). Die Überlappung war bei den Sommerzuweisungsgebieten schwächer, wobei in drei Fällen keine Überlappung beobachtet wurde (Tabelle 3), insbesondere für WACH-2.230 (Abb. 4), obwohl alle entsprechenden Endmitglieder im Großen und Ganzen dem traditionellen Sommergebiet zugeordnet waren.

Bioverfügbare 87Sr/86Sr-Isolandschaft von Alaska. Die Karte wurde in ArcGIS 10.5 unter Verwendung von Daten aus der globalen bioverfügbaren 87Sr/86Sr-Isolandschaft erstellt, die in Bataille et al.14 bereitgestellt wurde. Sommerverbreitungsgebiet, Winterverbreitungsgebiet und Kalbegebiet der wandernden Karibuherde in der westlichen Arktis basieren auf der telemetrischen Untersuchung der Herde durch das Alaska Department of Fish and Game von 2004 bis 201455.

Überlappung zwischen der räumlichen 87Sr/86Sr-Zuordnung im Winter, die anhand der Lösung ermittelt wurde, und den LA-MC-ICP-MS-ERJ-Endmitgliedswerten der M2 (Schmelzwurzel-Verbindungsprobe) für 5 Karibus aus der Herde in der westlichen Arktis. Basierend auf dem geschätzten Zeitpunkt der Zahnschmelzbildung wird erwartet, dass der M2-Zahnabschnitt nahe der Schmelz-Wurzel-Verbindung im Winter mineralisiert. Zuordnungsbereiche entsprechen den 20 % der Karte mit der höchsten A-Posteriori-Wahrscheinlichkeit. Sommer- (Norden) und Wintergebiete (Süden) sind schwarz abgegrenzt. Die Karten wurden in R (v4.2.1) generiert und in ArcGIS 10.5 formatiert.

Überschneidung zwischen der räumlichen 87Sr/86Sr-Zuordnung im Sommer, die anhand der Lösung ermittelt wurde, und den LA-MC-ICP-MS-ERJ-Endmitgliedswerten des M3 (Schmelzwurzel-Verbindungsprobe) für 5 Karibus aus der Herde der westlichen Arktis. Basierend auf dem geschätzten Zeitpunkt der Zahnschmelzbildung wird erwartet, dass der M3-Zahnabschnitt nahe der Schmelz-Wurzel-Verbindung im Spätsommer/Herbst mineralisiert. Zuordnungsbereiche entsprechen den 20 % der Karte mit der höchsten A-Posteriori-Wahrscheinlichkeit. Sommer- (Norden) und Wintergebiete (Süden) sind schwarz abgegrenzt. Die Karten wurden in R (v4.2.1) generiert und in ArcGIS 10.5 formatiert.

Wir verglichen die Lösung und LA-MC-ICP-MS 87Sr/86Sr-Intrazahnprofile von 5 Karibus aus der Herde der westlichen Arktis (WAH) und bewerteten, wie sich Unterschiede in den 87Sr/86Sr-Werten der Endmitglieder von M2 und M3 auf Sommer und Winter auswirkten geografische Zuordnung dieser Personen. Von den fünf Personen zeigten vier eine Variabilität in ihren 87Sr/86Sr-Intrazahnprofilen, was ein Migrationsverhalten widerspiegelt. Für den direkten Vergleich der Ergebnisse der Lösung und der LA-MC-ICP-MS-Methoden sind Proben erforderlich, die an derselben Stelle des Zahns entnommen werden, wodurch die größere Probenahmestelle für die Lösungsanalyse berücksichtigt wird26. Dabei wurden die ersten Lösungsproben während des Analyseprozesses zerstört23. Wenn möglich, verwendeten wir denselben Zahn auf der lingualen Oberfläche, mussten uns jedoch bei mehreren Zähnen auf den Backenzahn des anderen Unterkiefers verlassen. Die Kronenhöhe kann zwischen der Innen- und Außenfläche eines Zahns sowie zwischen den Zähnen des linken und rechten Unterkiefers unterschiedlich sein. Linke und rechte Zähne können auch unterschiedlich stark abgenutzt sein56. Folglich sollten Proben, die an verschiedenen Zähnen oder Zahnoberflächen entnommen wurden, einen äquivalenten, aber nicht identischen Zeitraum widerspiegeln. Daher haben wir unseren Vergleich zwischen Lösungs- und LA-MC-ICP-MS-Profilen auf globale Trends und Endmitgliederwerte beschränkt.

Der erste Unterschied, der zwischen der Lösung und den LA-MC-ICP-MS 87Sr/86Sr-Intrazahnprofilen beobachtet wurde, betraf die Amplitude zwischen den Endglied-87Sr/86Sr-Werten. Lösungsprofile zeigten eine Dämpfung des Signals im Vergleich zu LA-MC-ICP- MS. Aufgrund der langen Mineralisierungsphase wird das Isotopeneingangssignal während der Amelogenese zeitlich gemittelt, was zu einer natürlichen Abschwächung des Signals im Zahn führt24,57. Die Stärke der Abschwächung ist proportional zur Reifungsdauer, wobei eine stärkere Abschwächung für eine längere Reifungszeit gilt24. Im Fall von Strontium können auch die durch den langfristigen Knochenumbau beeinflussten Grundblutwerte das Eingangssignal abschwächen38. Der Unterschied in der Abschwächung zwischen Lösungs- und LA-MC-ICP-MS-Analysen ist wahrscheinlich auf Probenahmestrategien zurückzuführen58. Die Lösungsanalyse wurde an 1,5 mm breiten Streifenproben durchgeführt, die über die gesamte Dicke des Zahnschmelzes entnommen wurden. Der Zahnschmelz reift in verschiedenen Teilen der Krone unterschiedlich schnell, wobei die Reifungsrate in der Nähe der Schmelz-Dentin-Verbindung langsamer ist25,57. Lösungsproben weisen wahrscheinlich ein stärker „gemitteltes“ 87Sr/86Sr-Signal über einen größeren Schmelzabschnitt auf als LA-MC-ICP-MS-Proben, was über einen längeren Reifezeitraum hinweg zu einer stärkeren Dämpfung führt58. Darüber hinaus stimmte die Amplitude der LA-MC-ICP-MS 87Sr/86Sr-Variationen besser mit den Variationen überein, die bei den bioverfügbaren 87Sr/86Sr-Isoscapes innerhalb des WAH-Bereichs beobachtet wurden. Nur für WACH-0.120, eine Person, die in keinem der beiden Zahnzwischenräume Migrationsverhalten zeigte, weisen die Lösungs- und LA-MC-ICP-MS-Profile keine Diskrepanz voneinander auf. Dies deutet darauf hin, dass beide Ansätze zu ähnlichen Ergebnissen ohne Anzeichen einer Abschwächung führen sollten, wenn Personen während der gesamten Zahnwachstumsphase einem konstanten, stabilen, bioverfügbaren 87Sr/86Sr ausgesetzt sind. Es wurden Methoden entwickelt, um das Eingangssignal aus dem beobachteten Intrazahnprofil für ẟ13C und ẟ18O abzurufen, das die Dämpfung berücksichtigt57, und solche Ansätze könnten für 87Sr/86Sr verwendet werden. Es erfordert jedoch gute Kenntnisse des Mineralisierungsprozesses, insbesondere der Apposition und der Reifedauer. Solche Parameter sind für mehrere hypsodontische Huftiere (z. B. Pferd59, Schafe60) bekannt, wurden jedoch bei brachydontischen Huftieren61 weitaus weniger untersucht und sind für Rangifer nach wie vor schlecht charakterisiert.

Trotz Unterschieden in den Endgliedwerten folgten die LA-MC-ICP-MS 87Sr/86Sr-Intrazahnprofile ähnlichen Trends wie die Lösungsprofile mit einem Rückgang des 87Sr/86Sr-Signals, während es sich für M2 dem ERJ näherte und für M3 zunahm die vier wandernden Individuen und ein stabiles, niedriges Signal bei dem wahrscheinlich sesshaften Individuum. Geografische Zuordnungen aus LA-MC-ICP-MS und Lösungsanalysen scheinen die Interpretation der Lösungs-87Sr/86Sr-Intrazahnprofile in der Originalstudie zu bestätigen23. Basierend auf geologischen Karten zur Interpretation der Schwankungen in den 87Sr/86Sr-Intrazahnprofilen in Lösung wurde der in dieser ersten Studie im M2 beobachtete Rückgang der 87Sr/86Sr-Werte auf eine saisonale Herbstbewegung vom Sommergebiet im Norden innerhalb eines Hochs zurückgeführt 87Sr/86Sr geologischer Kontext, relativ zu diesem Teil Alaskas, in Richtung der Winterkette im Süden, innerhalb eines niedrigeren 87Sr/86Sr geologischen Kontexts23. Auf der M3 wurde das Gegenteil beobachtet, was den Frühlingszug widerspiegelt. In der aktuellen Studie führte eine umfassende Zuordnung zu den bekannten saisonalen Bereichen unter Verwendung von Lösungs- und LA-MC-IC-MS-Endgliedern zu den gleichen Schlussfolgerungen. Auf einem feineren Maßstab wurden jedoch durch die Verwendung der Zuordnungskarten Unterschiede hinsichtlich des potenziellen Standorts innerhalb eines bestimmten saisonalen Bereichs zwischen den beiden Ansätzen deutlich. Für den M2 wurden die OS-Endglieder der 87Sr/86Sr-Profile für alle wandernden Karibus dem Sommergebiet zugeordnet, während die ERJ-Endglieder für alle außer einem Individuum dem Wintergebiet zugeordnet wurden. Für ihr M3 wurden die OS-Endmitglieder für die Hälfte der Karibus dem Wintergebiet zugeordnet, und die ERJ-Endmitglieder von drei Individuen wurden dem Sommergebiet zugeordnet, und eines gehörte zum Wintergebiet. Das sesshafte Individuum WACH-0.120 wurde immer dem südlichen Verbreitungsgebiet zugeordnet. Beim Betrachten der Aufgabenkarten waren die Aufgaben differenzierter. Während niedrige 87Sr/86Sr-Werte (< 0,710) eindeutig auf die Nutzung des südlichen Verbreitungsgebiets im Winter hinweisen, könnten Werte zwischen 0,710 und 0,711 entweder auf das südliche oder das nördliche Gebiet hinweisen. Höhere 87Sr/86Sr-Werte (> 0,7125) wurden meist der Brooks Range zwischen den Sommer- und Wintergebieten zugeordnet. Wandernde Karibus sind in Bezug auf ihren Kalbplatz sehr philopatisch46,62, zeigen aber weniger Treue zu ihrem Wintergebiet44,63. Karibus aus WAH überwintern hauptsächlich südlich der Brooks Range, können aber auch Gebiete weiter nördlich mit einer höheren 87Sr/86Sr-Signatur63 nutzen. Auch die Spätsommerbewegungen in WAH sind sehr unterschiedlich, wobei Karibus das nördliche Verbreitungsgebiet, aber auch das Brooks Range63 in Gebieten mit mittlerer bis hoher Bioverfügbarkeit von 87Sr/86Sr nutzen. OS-Endelemente sollten mit Vorsicht betrachtet werden, da sie möglicherweise einer Abnutzung ausgesetzt waren, wie dies insbesondere bei Caribou WACH-2000 mit der niedrigsten Kronenhöhe vermuten lässt. In diesem Fall spiegelt der hohe 87Sr/86Sr-Wert zu Beginn des M3 möglicherweise nicht die 87Sr/86Sr-Signatur des Winterbereichs wider, sondern eher einen etwas späteren Zeitraum und damit den Übergang zum Sommerbereich. Trotz eines unterschiedlichen Abschwächungsgrads schienen Lösungs- und LA-MC-ICP-MS-Ansätze zuverlässig zwischen potenziellen saisonalen Bereichen zu unterscheiden. Um jedoch über die Beurteilung des Ursprungs in großem Maßstab hinauszugehen, ist eine verfeinerte Stichprobenstrategie erforderlich, die aufgrund der Anforderungen an die Stichprobengröße normalerweise für die Lösungsanalyse nicht möglich ist.

LA-MC-ICP-MS 87Sr/86Sr-Intrazahnprofile zeigten Spitzen und Täler, die auf Lösungsprofilen nicht sichtbar waren. Während der Übergang von einem Endglied zum anderen in den Lösungsprofilen allmählich erfolgte, zeigte die LA-MC-ICP-MS-Analyse deutliche Sigmoidtrends mit steilen Änderungen der 87Sr/86Sr-Werte auf. Mehrere Zähne verzeichneten kleinräumige Anstiegs- und Abfallphasen innerhalb des globalen Trends des Profils. Beim Vergleich der Molarenprofile von 87Sr/86Sr-Kuhen aus Lösungs-TIMS- und LA-MC-ICP-MS-Analysen kamen Montgomery et al.35 zu dem Schluss, dass Zwischenwerte auf die Beimischung von Endgliedern und damit auf die höhere Auflösung von LA-MC-ICP-MS zurückzuführen seien Aus Analysen lassen sich keine feinskaligen Bewegungen ableiten. Dies wurde auf den langfristigen, zeitlich gemittelten Mineralisierungsprozess zurückgeführt, was bedeutet, dass ein untersuchter Zahnbereich Strontium aus mehreren und nicht unbedingt vollständig synchronen Ereignissen einbaut und dass Strontium während der Reifung sogar zufälliger in die Krone eingebaut wird, was die Auswirkungen abschwächt signal35. Messungen an menschlichen Zähnen haben jedoch gezeigt, dass die minimalen und maximalen 87Sr/86Sr-Werte aus mehreren LA-MC-ICP-MS-Profilen außerhalb des Bereichs der am Anfang und am Ende dieser Profile beobachteten Werte lagen, was nicht unterstützt wird ein einfaches Beimischungsmodell dieser Endglieder26. Dies wurde auch in der aktuellen Studie beobachtet. Diese Unterschiede können auf die unterschiedlichen Zahntypen der beteiligten Arten sowie auf die unterschiedlichen Geschwindigkeiten der Schmelzbildung und -mineralisierung zurückgeführt werden. Während die Reifung des Zahnschmelzes an einer bestimmten Stelle eines Zahns mehrere Monate dauern kann, findet ein Großteil des Prozesses in kurzer Zeit statt, bevor er sich verlangsamt25. Daher sollte die Auflösung, die mit der LA-MC-ICP-MS-Analyse erreicht werden kann, wahrscheinlich von der Dauer dieser schnellen Mineralisierungsphase abhängen. Bei mongolischen Ziegen spiegelten die relativen Veränderungen der LA-MC-ICP-MS 87Sr/86Sr-Intrazahnwerte die Nutzung von Weiden für relativ kurze Zeiträume von 3–4 Wochen wider, was darauf hindeutet, dass es für diese Art möglich sein könnte, monatliche Bewegungen zu erfassen36. Wanderkaribus sind eine äußerst mobile Art, die über Hunderte von Kilometern wandern kann und sich ständig bewegt, mit Ausnahme der Überwinterungszeit und, bei Weibchen und Neugeborenen, während des Kalbens63,64. Hohe Bewegungsraten, insbesondere während der Migration, die über einen kurzen Zeitraum isotopisch unterschiedliche Bereiche abdecken könnten, können die Fähigkeit der Amelogenese, diese Umgebungsvariation im bioverfügbaren 87Sr/86Sr zu erfassen, im Vergleich zu einer einzelnen „Ein-Aus“-Bewegung zwischen zwei Isotopen erheblich einschränken unterschiedliche Bereiche. Im Fall des WAH benötigen Karibus jedoch mehrere Wochen, um über die Brooks Range63 zu wandern, ein Gebiet, das die Winter- und Sommergebiete trennt und die höchsten 87Sr/86Sr-Werte im jährlichen WAH-Gebiet aufweist (Abb. 2). Karibus verbringen möglicherweise nicht genügend Zeit in der Brooks Range, damit ihre sich gemeinsam bildenden Gewebe das 87Sr/86Sr-Gleichgewicht erreichen, aber diese Kreuzung ist am dritten Molaren sichtbar, wo der 87Sr/86Sr-Wert zunimmt, gefolgt von einem Rückgang, sobald sie beim Kalben angekommen sind Boden. Bei den zweiten Molaren beobachteten wir zwei Muster: ein Sigmoid von hohem zu niedrigem 87Sr/86Sr-Wert und einen eher linearen Abfall von mittlerem zu niedrigem 87Sr/86Sr-Wert. Der Zeitpunkt des Herbstzuges ist sehr unterschiedlich, da einzelne Tiere bereits Ende September südlich der Brooks Ranges unterwegs sind, während andere sie noch im Oktober überqueren45,63. Die beiden unterschiedlichen Profile könnten diesen Unterschied im Zeitpunkt der Überquerung der Brooks Range widerspiegeln. Während die geografische Aussage anhand von Intrazahnprofilen erfordert, dass Einzelpersonen genügend Zeit in einem homogenen 87Sr/86Sr-Kontext verbringen35, können kleine Variationen, die durch einen kurzfristigen Aufenthalt in Bereichen mit spezifischer 87Sr/86Sr-Signatur hervorgerufen werden, Aufschluss über die Landschaftsnutzung geben. Allerdings müssen wir mit unseren Schlussfolgerungen aus den WAH-Karibu-87Sr/86Sr-Profilen sehr vorsichtig bleiben, da das Hauptlimit unserer Studie nach wie vor der Mangel an Wissen über den genauen Zeitpunkt der Schmelzmineralisierung in Rangifer ist.

Schätzungen zum Zeitpunkt der Zahnbildung in Rangifer basieren hauptsächlich auf Daten von Damhirschen, wobei sich der M2 zwischen 3,5 und 9 Monaten und der M3 zwischen 9 und 18 Monaten bildet49. Gemäß der modernen Rangifer-Kalbssaison, Mai/Anfang Juni46,65, sollte die M2 vom Spätsommer bis zum ersten Winter des Lebens mineralisieren, einschließlich der Herbstwanderung. Intrazahnprofile von ẟ13C und ẟ18O (Abb. S1–S2) stimmen mit diesem erwarteten Zeitpunkt der Schmelzbildung überein9,23,50,51. Der M3 sollte zwischen dem ersten und zweiten Lebenswinter mineralisiert sein und die saisonalen Bewegungen im Frühling und Herbst umfassen. Die 87Sr/86Sr- (Abb. 2) und ẟ13C- und ẟ18O-Intrazahnprofile (Abb. S1–S2) deuten jedoch auf eine kürzere Mineralisierungsperiode mit nur einer deutlichen saisonalen Variation und schließlich auf den Beginn des Herbstes hin. Alternativ könnte das Ende des Signals aufgrund einer langsameren Mineralisierungsrate, wie sie bei anderen Huftieren beobachtet wurde, verkürzt werden25,66, wobei die Isotopenaufnahme der letzten Monate in einen kleineren Schmelzabschnitt gemittelt wird. Ohne ein klares artspezifisches Verständnis des Zeitpunkts der Schmelzbildung sollte die Saisonalität in 87Sr/86Sr-Intrazahnprofilen mit Vorsicht und idealerweise dann abgeleitet werden, wenn ein saisonaler Kontext festgelegt werden kann, insbesondere durch ẟ18O-Isotopenanalyse.

In Übereinstimmung mit neueren Studien an Schafen36 und Menschen26 deuten die hier erhaltenen LA-MC-ICP-MS 87Sr/86Sr-Intrazahnprofile von Karibus darauf hin, dass auf diese Weise erzeugte Intrazahn-Strontiumisotopenprofile mehr Informationen liefern als eine einfache Beimischung davon Unterschriften der Endmitglieder. Es sind jedoch weitere Arbeiten erforderlich, die die Aufnahme von bioverfügbarem 87Sr/86Sr mit dem 87Sr/86Sr von Intrazahnprofilen verknüpfen, um die tatsächliche zeitliche Auflösung zu bestimmen, die mit der LA-MC-ICP-MS-Analyse erreicht werden kann, und um zu beurteilen, wie groß das Ausmaß ist Unterschiede in der Bioverfügbarkeit von 87Sr/86Sr spiegeln sich in den Zähnen wider. Kontrollierte Fütterungsstudien sind besonders nützlich, um den Zeitpunkt der Aufnahme zu bestimmen24,67, können jedoch möglicherweise nicht die durchschnittliche Aufnahme der verschiedenen Strontiumquellen unter natürlichen Bedingungen umsetzen. Tierbewegungsstudien wie Lazzerini et al.36 bieten solche Möglichkeiten, erfordern jedoch eine Kontrolle des Geburtsdatums der untersuchten Individuen, eine kontinuierliche Überwachung ihrer Bewegungen und eine genaue bioverfügbare 87Sr/86Sr-Isolandschaft, auf die man sich verlassen kann. Studien an Haus- oder Halbhaustieren sind aufgrund der Notwendigkeit, die Tiere zu ernten, wahrscheinlich praktikabler als an Wildpopulationen und würden es beispielsweise ermöglichen, die Zeit zu manipulieren, die auf isotopisch unterschiedlichen Weiden an verschiedenen Standorten verbracht wird37. Die Verankerung von Winter- und Sommerperioden mit ẟ18O9,52 liefert ebenfalls wertvolle Informationen und ermöglicht die Identifizierung potenzieller saisonaler Verbreitungsgebiete. Zwischenplateaus, Gipfel oder Täler könnten genutzt werden, um besondere geologische Formationen aufzuklären, die während der Migration durchquert werden und deren 87Sr/86Sr-Signatur stark genug ist, um sie zu beeinflussen Intrazahnprofile. Eine Probenahme und Analyse mit höherer Auflösung für die Sauerstoffisotopenanalyse (z. B. mit SHRIMP68) wäre vorteilhaft, um Sauerstoff- und Strontiumprofile im Zahninneren effektiver zu verknüpfen. Andere Ansätze, etwa Bewegungs- und Lebensraumeignungsmodelle, die in der modernen Tierökologie zur Vorhersage der saisonalen Landschaftsnutzung und Migrationsrouten anhand von Umweltmerkmalen verwendet werden45,69, könnten ebenfalls das Potenzial haben, die Schlussfolgerungen aus Intra-Zahn-Isotopendatensätzen von Huftieren zu verbessern. Eine aktuelle Studie kombinierte hochauflösende Probenahme von 87Sr/86Sr mit Bewegungsmodellierung, um die lebenslange Bewegung eines Mammuts von seinem Stoßzahn aus zu rekonstruieren7. Die Anwendungen könnten durch die Bestimmung potenzieller Migrationsrouten zwischen saisonalen Bereichen erweitert werden, die aus Intra-Zahnprofilen identifiziert werden, und zwar durch die Einbeziehung von Landschaftsmerkmalen, die Bewegungen einschränken oder erleichtern. Durch die Berücksichtigung bioverfügbarer 87Sr/86Sr-Variationen in der Landschaft während der Migration würde die Integration solcher Ansätze mit intrazahninternen LA-MC-ICP-MS-Daten aus archäologischen und paläontologischen Proben unsere Fähigkeit, die Mobilität früherer Tiere zu rekonstruieren, erheblich verbessern und – Dadurch können wir frühere menschliche Gesellschaften besser verstehen.

Karibus aus dem WAH bewohnen ein Verbreitungsgebiet von über 360.000 km2 im Nordwesten Alaskas. Die Hauptüberwinterungsgebiete liegen südlich der Brooks Range in den Nutalo Hills und auf der Seward-Halbinsel (Abb. 2), während Karibus den Sommer am Nordhang und am nördlichen Fuß der Brooks Range63 verbringen. Der Kalbeplatz befindet sich im Utukok-Hochland im westlichen Teil des Nordhangs. Zu den traditionellen saisonalen Wanderungen gehört die Frühjahrswanderung im April–Mai über die Brooks Range, die Anfang Juni am Kalbeplatz ankommt. Im Frühsommer, während der Insektenschutzsaison, ziehen Karibus in Lebensräume, die die Belästigung durch Insekten begrenzen, und breiten sich dann im Spätsommer in das größere Sommergebiet aus63. Im Herbst, von September bis November, wandern die Karibus nach Süden, um in ihr Wintergebiet zurückzukehren63. Das Sommergebiet wird überwiegend von Sedimentgesteinen und Konglomeraten aus der unteren und oberen Kreidezeit dominiert, das Brooks Range von paläozoischen Sedimentgesteinen und das Wintergebiet besteht aus quartären und tertiären mafischen Vulkangesteinen mit einigen Bereichen aus präkambrischen und paläozoischen marinen Sedimentgesteinen70.

Wir haben die Zähne (M2 und M3) von 5 Personen (3 Frauen, 2 Männer) analysiert, die uns vom Alaska Department of Fish and Game zur Verfügung gestellt wurden. Tiere waren Teil der telemetrischen Untersuchung des WAH23 und starben eines natürlichen Todes oder wurden für Zwecke geerntet, die nichts mit dieser Studie zu tun hatten. Die einzelnen Personen waren schätzungsweise 5 bis 9 Jahre alt und verstarben im Abstand von 10 Jahren, es war jedoch unwahrscheinlich, dass sie aus derselben Kohorte stammten. Gemäß den Richtlinien von Animal Care wurden die untersuchten Karibus vor ihrem Alter von mindestens zwei Jahren und nach der Zahnbildung nicht mit Funkhalsbändern ausgestattet. Daher können einzelne telemetrische Daten nicht verwendet werden, um die 87Sr/86Sr-Aufnahme abzuleiten und sie mit 87Sr/86Sr-Intrazahnprofilen zu korrelieren, sondern Bewegungen werden aus den breiteren Bewegungen der Herde als Ganzes abgeleitet. Die Lösungsanalyse von M2 und M3 wurde in einer früheren Studie durchgeführt23 und die LA-MC-ICP-MS-Analyse wurde, sofern möglich, an denselben Zähnen oder am gegenüberliegenden Zahn durchgeführt, wo dies nicht möglich war (d. h. dort, wo Zähne zerstört worden waren). während des Lösungsanalyseprozesses). Aus den gleichen Gründen wurde die LA-MC-ICP-MS-Analyse auf der lingualen Oberfläche und nicht auf der bukkalen Oberfläche für die Lösungsanalyse durchgeführt. Die Zähne wiesen unterschiedliche Abnutzungsgrade auf, wobei die Kronenhöhe beim M2 zwischen 7,1 und 10,9 mm und beim M3 zwischen 8,1 und 10,9 mm schwankte.

Um auf die saisonalen Schwankungen der 87Sr/86Sr-Innenzahnprofile schließen zu können, mussten wir den saisonalen Kontext der Schmelzbildung definieren. Der Zeitpunkt der Mineralisierung in Rangifer ist kaum charakterisiert, aber wenn man die Bildung von Damwildzähnen als Stellvertreter heranzieht10,23, wird erwartet, dass die Schmelzbildung von M2 und M3 zwischen 3,5 und 9 Monaten bzw. zwischen 9 und < 18 Monaten erfolgt49. Wir verwendeten auch ẟ13C- und ẟ18O-Isotope, um die Saisonalität zu bestimmen9,51. Schwankungen der ẟ18O-Werte im Zahninneren spiegeln saisonale Temperaturschwankungen mit hohen ẟ18O-Werten im Sommer und niedrigen ẟ18O-Werten im Winter wider9,52. Andererseits spiegeln Schwankungen von ẟ13C Veränderungen in der Ernährung wider51,67. Karibus ernähren sich im Sommer hauptsächlich von Gräsern und Gefäßpflanzen und stellen im Winter auf eine flechtenreiche Ernährung um71, was zu einer Anreicherung in 13C50,51 führen dürfte. Zusammen mit der anfänglichen 87Sr/86Sr-Analyse wurden für die fünf Personen durch Analyse der Carbonateinheit sequenzielle ẟ13C-Schmelzdaten48 und sequenzielle ẟ18O-Schmelzdaten23 erstellt. Wir haben diese ẟ13C- und ẟ18O-Profile verwendet, um die Saisonalität innerhalb der M2 und M3 zu verankern, wobei wir hohe ẟ13C- und ẟ18O-Tiefsttemperaturen für den Winter und das Gegenteil für den Sommer angenommen haben. Aus diesen Profilen und gemäß anderen ẟ13C- und ẟ18O-Studien zu modernen und archäologischen Rangifer9,10 gingen wir davon aus, dass für M2 das Endmitglied nahe der Okklusionsfläche (OS) der Spätsommer-/Herbstperiode und das Endmitglied nahe der Okklusionsfläche (OS) der Spätsommer-/Herbstperiode entspricht zur Schmelz-Wurzel-Verbindung (ERJ), um der Überwinterungsperiode zu entsprechen. Für M3 wurde erwartet, dass die OS- und ERJ-Endglieder der Winter- bzw. der Spätsommer-/Herbstperiode entsprechen.

Für die Lösungsdaten wurden Probenahmen und Isotopenanalysen in einer früheren Studie durchgeführt und sind in Britton et al.23 detailliert beschrieben. Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die zweiten und dritten Molaren (M2 und M3) aus den Unterkiefern entnommen, mit einer Bürste mit Wasser gereinigt und über Nacht trocknen gelassen wurden. Die gesamten Zähne wurden mechanisch abgeschliffen, um den oberflächlichen Zahnschmelz zu entfernen. Die Probenahme erfolgte auf der bukkalen Seite des vorderen Backenzahns, da dieser einen dickeren Zahnschmelz aufwies. Die Seite wurde entfernt und mit einem Wolframcarbid-Fräser von anhaftendem Dentin gereinigt. Anschließend wurden die Schmelzflächen für horizontale Schnitte in Abständen von ∼ 1,5 mm markiert, in entionisiertem Wasser (DI H2O, 18,3 MΩ) mit Ultraschall behandelt und getrocknet, bevor sie mit diamantbeschichteten superfeinen Rundbohrern in Streifen geschnitten wurden. Die Proben wurden dann einzeln in DI H2O mit Ultraschall behandelt, getrocknet und in Längsrichtung gespalten, wobei etwa 5 mg Schmelz für die Analyse mit 87Sr/86Sr-Lösungen reserviert wurden und der Rest für die Kohlenstoff- und Sauerstoffisotopenanalyse zurückbehalten wurde. In dieser Studie wurden Abschnitte numerisch vom ERJ zum OS zugeordnet (M2-1, M2-2, M2-3,…).

Strontium wurde aus Zahnschmelz in sauberen Laboreinrichtungen der Abteilung für menschliche Evolution, Max-Planck-Institut für evolutionäre Anthropologie (MPI-EVA), Leipzig, Deutschland, isoliert, wobei eine modifizierte Version der Methode von Deniel und Pin28 verwendet wurde, die ausführlich in Copeland et al. beschrieben ist. 34. Die folgende Beschreibung des Analyseverfahrens ist von Britton et al.23 übernommen und dort auch vollständig dargestellt. Die etwa 5 mg schweren Proben wurden in 1 ml 14,3 M hochreiner HNO3 gelöst und dann zur Trockne eingedampft. Der erhaltene Rückstand wurde dann erneut in 1 ml 3 M HNO3 gelöst, bevor er in vorkonditionierte Säulen mit Sr-Harz (Eichrom Technologies, Lisle, IL, USA) geladen und dreimal durchlaufen wurde. Anschließend wurde Strontium mit hochreinem entionisiertem Wasser (18,2 MΩ) eluiert, getrocknet und erneut in 3 % HNO3 aufgelöst, und die Analyse der 87Sr/86Sr-Verhältnisse wurde mit einem Thermo Fisher Neptune™ (MC-ICP-MS) durchgeführt. Alle im Verfahren verwendeten Säurelösungen wurden durch ein PicoTrace-System mit doppelter Destillation unter Siedetemperatur gereinigt. Die anschließenden 87Sr/86Sr-Messungen an Standards und Proben wurden um Störungen durch Krypton (Kr) und Rubidium (Rb) korrigiert und für instrumentelle Massenabweichungen auf 88Sr/86Sr = 8,375209 (Exponentialgesetz) normiert. Die Analyse des internationalen Strontiumisotopenstandards NIST SRM987 (National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, USA) während jeder Analysesitzung wurde zur externen Normalisierung der Daten verwendet (langfristiger 87Sr/86Sr-Wert = 0,710273 ± 0,000033 (2σ) (n = 97)). Alle hier gemeldeten 87Sr/86Sr-Werte wurden so angepasst, dass SRM987 = 0,71024072 ist, was einen Datenkorrekturfaktor von − 0,00002 beinhaltet. Die Strontiumkonzentrationen der Zahnschmelzproben wurden mit der in34 beschriebenen Methode bestimmt, die auf ± 31 ppm genau ist.

Schmelzproben, die für die Analyse mittels LA-MC-ICP-MS vorgesehen waren, wurden aus ganzen Zähnen mit diamantbeschichteten superfeinen Rundbohrern als Abschnitte geschnitten, die die gesamte Höhe der Krone knapp unterhalb des ERJ bis zum OS umfassten. Durch den Einsatz von diamantbeschichteten Bohrern wird sowohl eine ebene als auch teilweise polierte Schnittfläche erzeugt. Die resultierenden Schnitte wurden dann fünf Minuten lang in DI H2O mit Ultraschall behandelt und dann über Nacht in einer Luftabzugshaube bei Raumtemperatur getrocknet.

Strontiumisotopendaten wurden aus den Proben mithilfe eines Coherent GeoLas 193 nm Excimer-Laserablationssystems (LA) gemessen, das an einen Thermo-Fisher Neptune™ (MC-ICP-MS) gekoppelt ist und sich in der MicroAnalysis Facility im CREAIT Network der Memorial University of Newfoundland befindet , Kanada. Bis zu vier Proben gleichzeitig wurden in der Probenkammer des Lasers planar befestigt (flach liegend, wobei der Zahnschmelz und das angrenzende Dentin nach oben zeigten und die gesamte Höhe der Krone im Querschnitt freilegten) (Abb. S13). Die Analysen wurden als kontinuierlicher Laserlinienscan im Zahnschmelz vom OS bis zum ERJ durchgeführt, wobei ein Messzyklus etwa alle 21 µm entlang des Pfades durchgeführt wurde. In jedem Fall wurde der Probenweg vor der Ablation und Messung zur Entfernung des oberflächlichen Zahnschmelzes vorablatiert.

Typische Betriebsparameter des LA-MC-ICP-MS sind in Tabelle S2 angegeben. Die Parameter wurden abgestimmt, um die Signalintensität zu maximieren und gleichzeitig die Oxidbildung zu minimieren, indem ein synthetisches Glas mit geringem Anteil seltener Erden (LREE-dotiertes Glas73) abgetragen und die Bildung von LREE-Oxiden als allgemeiner Indikator für die Oxidbildung überwacht wurde. Dem Ar-Proben-Ergänzungsgas wurde Stickstoff zugesetzt, um Störungen aufzubrechen/zu unterdrücken74. Die potenziellen polyatomaren Interferenzen auf die Strontiumisotope wurden durch diese Kombination aus niedriger Oxidabstimmung und Stickstoffzugabe bewältigt. Es wurde angenommen, dass doppelt geladene REEs eine vernachlässigbare Störung darstellen, da 89Y nicht in nennenswerter Menge vorhanden war. Die Signalintensität von 88Sr lag für die Proben im Bereich von 3 bis 8 V. Zunächst wurden die Messwerte mithilfe einer Gasblindsubtraktion um Kr korrigiert. Zweitens wurde 87Sr für Rb korrigiert, wobei die natürliche Häufigkeit von 87Rb/85Rb und eine Korrektur der Massenabweichung unter Verwendung der Massenabweichung von Sr angenommen wurden. Da Rb/Sr in diesen Proben niedrig war, war dieses Modell der Rb-Korrektur ausreichend. Schließlich wurden die 87Sr/86Sr-Werte für die instrumentelle Massenverzerrung auf 88Sr/86Sr = 8,375209 (Exponentialgesetz) normiert. 84Sr/86Sr wurde außerdem für jede Probe berechnet (Durchschnitt = 0,0562 ± 0,004 SD) und zur Qualitätskontrolle mit dem invarianten 84Sr/86Sr = 0,0565 verglichen. In jeder Sitzung wurde auch ein hauseigener Standard (SW1 – moderner Pottwal-Emaille) gemessen. Der durchschnittliche 87Sr/86Sr = 0,70922 ± 0,00006 SD (n = 7) wurde mit 87Sr/86Sr = 0,7092 für heutiges Meerwasser verglichen, um die Genauigkeit der Laserdaten zu überprüfen.

Für jeden Zahn haben wir aus den rohen LA-MC-ICP-MS 87Sr/86Sr-Werten einen laufenden Durchschnitt mithilfe eines Fensters von 20 Datenpunkten berechnet, um das entsprechende LA-MC-ICP-MS-Profil zu erhalten. Anschließend extrahierten wir aus der Lösung und den LA-MC-ICP-MS-Profilen die minimalen, maximalen und mittleren 87Sr/86Sr-Werte. Wir haben auch die Endmember-87Sr/86Sr-Werte berücksichtigt, d. h. die Proben, die in jedem Profil am nächsten zum OS und zum ERJ liegen26,35. Aufgrund der geringen Anzahl an Proben führten wir einen nichtparametrischen Wilcoxon-Signed-Rank-Test durch, um die verschiedenen Metriken zu vergleichen, die aus Lösungs- und LA-MC-ICP-MS-87Sr/86Sr-Intrazahnprofilen ermittelt wurden.

Für die 5 Personen führten wir eine geografische Zuordnung der endmember 87Sr/86Sr-Werte beider Zähne durch, die mit zwei unterschiedlichen Methoden (Lösung und LA-MC-ICP-MS) analysiert wurden, unter Verwendung des „assignR“-Pakets53 in der R-Software (v4.2.1)54. Das „assignR“-Paket verwendet die Bayes'sche räumliche Zuordnung, um den geografischen Ursprung von Proben aus der 87Sr/86Sr-Isolandschaft abzuleiten. Wir verwendeten die von Bataille et al.14 veröffentlichte globale bioverfügbare 87Sr/86Sr-Isolandschaft und das zugehörige räumliche Fehlerraster. Diese Isolandschaft basiert auf einer umfangreichen Sammlung von Feldproben von Pflanzen, Böden und Wasser, wobei die Daten aus einer Vielzahl von Studien stammen, die im letzten Jahrzehnt veröffentlicht wurden (siehe Bataille et al.14 für die Referenzliste). Endmitglieder wurden als Proben unbekannter Herkunft behandelt, und wir generierten für jede Probe eine auf 1 neu skalierte hintere Wahrscheinlichkeitsoberfläche. Sowohl für Lösungs- als auch für LA-MC-ICP-MS-Werte eines bestimmten Endmitglieds haben wir die 20 % der hinteren Wahrscheinlichkeitsfläche mit der höchsten Ursprungswahrscheinlichkeit extrahiert und die Überlappung zwischen den beiden Zuordnungsflächen berechnet. Schließlich verwendeten wir das Tool oddRatio von „assignR“, um mit dem ungeraden Verhältnis die A-Posteriori-Wahrscheinlichkeiten zwischen Sommer- und Winterbereichen zu vergleichen und zu beurteilen, aus welchen saisonalen Bereichen die Endmitglieder mit größerer Wahrscheinlichkeit stammen (ungerades Verhältnis = Zuweisungswahrscheinlichkeit Sommerbereich/Zuweisungswahrscheinlichkeit Winterbereich). ). Shapefiles von Sommer- und Wintergebieten wurden vom Alaska Center for Conservation Science55 erhalten und basieren auf der telemetrischen Untersuchung der Herde durch das Alaska Department of Fish and Game zwischen 2004 und 2014.

Die im Manuskript und im R-Code beschriebenen Isotopendaten sind in den Zusatzinformationen ESM2 bzw. ESM3 enthalten. Strontium-Isoscape und zugehörige Fehlerkarte sind von Bataille et al.14 verfügbar.

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Diese Forschung wurde vom Leverhulme Trust (Ref.: RPG-2017-410 an KB) und, im Fall der ersten Lösungsstudie, vom Natural Environmental Research Council (Ref.: NER/S/A/2006/14004 an KB) finanziert ) und der Max-Planck-Gesellschaft. Besonderer Dank geht an James Dau und das Alaska Department of Fish and Game für die Probenahmegenehmigungen. Ein Philip-Leverhulme-Preis (Ref: PLP-2019-284 an KB) unterstützte KB bei der Erstellung dieses Manuskripts.

Abteilung für Archäologie, University of Aberdeen, Aberdeen, AB252SU, Großbritannien

Mael Le Corre & Kate Britton

Abteilung für Archäologie, Memorial University of Newfoundland, St. John's, NL, A1C 5S7, Kanada

Vaughan Grimes

Abteilung für Geowissenschaften, Memorial University of Newfoundland, St. John's, NL, A1C 5S7, Kanada

Vaughan Grimes

CREAIT-Netzwerk, Memorial University of Newfoundland, St. John's, NL, A1C 5S7, Kanada

Rebecca Lam

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KB, MLC und VG haben die Studie konzipiert; KB führte die Laborarbeiten durch, unterstützt von VG und RL; MLC führte die statistische Analyse durch, bereitete die Zahlen vor und verfasste mit Beiträgen von KB den ersten Entwurf des Manuskripts; VG und RL haben das Manuskript überprüft und bearbeitet. KB betreute und verwaltete das Projekt. Alle Autoren stimmten der veröffentlichten Version des Manuskripts zu.

Korrespondenz mit Mael Le Corre oder Kate Britton.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Le Corre, M., Grimes, V., Lam, R. et al. Vergleich zwischen Streifenproben- und Laserablationsmethoden, um saisonale Bewegungen aus Strontiumisotopenprofilen im Zahn bei wandernden Karibus abzuleiten. Sci Rep 13, 3621 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-30222-w

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Eingegangen: 31. Oktober 2022

Angenommen: 17. Februar 2023

Veröffentlicht: 3. März 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-30222-w

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