Співвідношення ізотопу цинку як показники дієти та трофічного рівня у арктичних морських ссавців
Інститут еволюційної антропології Макса Планка, Департамент еволюції людини, Deutscher Platz 6, 04103, Лейпциг, Німеччина
Філіальний університет Британської Колумбії, департамент антропології, Ванкувер, кампус, 6303 NW Marine Drive, Ванкувер, Британська Колумбія, Канада, V6T 1Z1
Інститут еволюційної антропології Макса Планка, Департамент еволюції людини, Deutscher Platz 6, 04103, Лейпциг, Німеччина, Університет Британської Колумбії, Департамент антропології, Ванкувер, кампус, 6303 NW Marine Drive, Ванкувер, Британська Канада, V6T 1Z1
- Клервія Хауен,
- Пол Шпак,
- Майкл П. Річардс
Цифри
Анотація
Вуглецеві та азотні стабільні співвідношення ізотопів кісткового колагену є загальноприйнятим методом реконструкції дієти, але цей метод обмежений збереженням білка. Цинк (Zn) міститься в біоапатиті, і ізотопні склади цього елемента є дуже перспективним дієтичним показником. Проте ступінь фракціонування ізотопів Zn у морському середовищі залишається невідомим. Тут ми повідомляємо про вимірювання ізотопів цинку, вуглецю та азоту у 47 морських ссавців з археологічних розкопок Арвік в канадській Арктиці. Ми провели це дослідження, щоб перевірити та продемонструвати корисність ізотопів Zn у недавніх мінеральних речовинах кісток ссавців як дієтичний показник, порівнюючи їх з іншими ізотопними харчовими індикаторами. Ми виявили кореляцію між значеннями δ 66 Zn та трофічним рівнем для більшості видів, за винятком моржів, які можуть бути спричинені їх великими сезонними переміщеннями. Значення δ 6 Zn можуть бути використані як дієтичний показник у морських екосистемах як для сучасних, так і для нещодавно ссавців.
Цитування: Jaouen K, Szpak P, Richards MP (2016) Коефіцієнти ізотопу цинку як показники дієти та трофічного рівня у арктичних морських ссавців. PLoS ONE 11 (3): e0152299. https://doi.org/10.1371/journal.pone.0152299
Редактор: Олена Горохова, Стокгольмський університет, ШВЕЦІЯ
Отримано: 9 грудня 2015 р .; Прийнято: 12 березня 2016 р .; Опубліковано: 24 квітня 2016 р
Наявність даних: Усі відповідні дані знаходяться в газеті та в допоміжних файлах.
Фінансування: Донорами були Товариство Макса Планка (http://www.mpg.de/en), Рада з досліджень соціальних та гуманітарних наук Канади (http://www.sshrc-crsh.gc.ca/) та Природні науки та Інженерна рада Канади (http://www.nserc-crsng.gc.ca/index_eng.asp). Фінансування не мали пов'язаних номерів грантів. Фінансисти не мали жодної ролі у розробці досліджень, зборі та аналізі даних, прийнятті рішення про публікацію чи підготовці рукопису.
Конкуруючі інтереси: Автори заявили, що не існує конкуруючих інтересів.
Вступ
Основним біохімічним методом визначення раціону недавніх та викопних ссавців є вимірювання стабільних співвідношень ізотопів вуглецю (С) та азоту (N) у кістковому білку (колагені). Нещодавно ряд дослідників досліджували використання співвідношення ізотопів нових, «нетрадиційних» елементів у тканинах ссавців як додаткові харчові показники або як основний дієтичний показник, коли збереження колагену погане. Наприклад, Надсон та співавтори [1] припустили, що стабільні ізотопи стронцію (Sr) можуть бути показником трофічного рівня (TL), а також, можливо, ізотопи кальцію (Ca) у кістці та зубній емалі можуть свідчити про споживання молока та відлучення від нього. [2–4] або інша дієтична інформація [5]. Нещодавно Мартін та його співробітники [6,7] продемонстрували, що ізотопи магнію (Mg) у поєднанні з іншими дієтичними показниками в зубній емалі, такими як мікроелементи та стабільні вуглецеві співвідношення ізотопів, також можуть бути використані для реконструкції старовинних дієт. Їх дослідження показало поступове збагачення важкими ізотопами Mg у харчових мережах ссавців.
Ця стаття насамперед стосується вимірювання співвідношень ізотопів Zn як дієтичного показника. Попередні дослідження ізотопів цинку (Zn) у крові людини підкреслювали сильні відмінності між вегетаріанцями та всеїдними тваринами [8,9], тоді як зв'язок між дієтою та ізотопним складом заліза (Fe) у крові незрозумілий [8,10,11]. Недавні результати сучасних африканських харчових мереж також продемонстрували можливість відрізнити м’ясоїдних від травоїдних з використанням вимірювань стабільного ізотопу Zn з кісток і зубів. Отже, ізотопи цинку в біоапатиті можуть надати подібну інформацію, як і ізотопи N кісткового колагену з наземних середовищ. Однак, оскільки це білок, колаген чутливий до розпаду внаслідок зміни часу та навколишнього середовища. Тому ізотопи Zn можна використовувати для відстеження минулого раціону ссавців, коли колаген не зберігається.
2 ‰) із виснаженням легких ізотопів Zn у продуктах тваринного походження (молоко, яйця, м’ясо та риба) порівняно з рослинними продуктами. Як наслідок, можна очікувати негативної кореляції між значеннями тканин δ 66 Zn та трофічними рівнями (рис. 1). Значення зоопланктону δ 66 Zn також потрапляють в діапазон тканин наземних тварин [17]. Діатомові водорості (фітопланктон) збагачені важкими ізотопами Zn порівняно з морською водою (δ 66 Zn морської води
+0,5 ‰) до + 0,3 ‰ [18,19]. Єдиним винятком є мідії: дані, що повідомляються для їх м’яких тканин, демонструють сильне збагачення важкими ізотопами Zn [9,17,20], що, можливо, можна пояснити їх поведінкою в біоакумуляторі [9]. Як наслідок, споживачі молюсків, такі як моржі, повинні демонструвати відносно високі коефіцієнти ізотопу Zn у своїх тканинах.
Висновки, про які повідомляють Костас-Родрігес та ін. [9], а саме, що подібні значення δ 66 Zn спостерігаються для морських і наземних тварин, на відміну від моделей, що спостерігаються для ізотопних індикаторів, класично використовуваних для реконструкції дієти. Склад ізотопів C і N, як правило, вищий у морських організмів порівняно з наземними тваринами. Як результат, їх споживання можна легко визначити кількісно на основі ізотопних композицій тканин C і N. Азот і (меншою мірою) ізотопні композиції вуглецю також залежать від рівня трофіки [21–24]. Ці ізотопи часто використовуються в морських екологічних дослідженнях для вивчення раціону та трофічних рівнів споживачів хребетних тварин (наприклад, [25–28]) і можуть бути використані як основа для кращого розуміння того, як ізотопи Zn змінюються в цих середовищах. З цієї причини ми очікуємо спостерігати негативну кореляцію між ізотопами N і Zn у харчових мережах, тоді як значення δ 13 C можуть бути використані для виявлення додаткових харчових характеристик, таких як кінцеве джерело первинного виробництва (наприклад, макроводорості проти фітопланктону), і бентосні та пелагічні джерела їжі, оскільки бентосні організми, як правило, мають вищі співвідношення ізотопів [25,26].
У цій роботі ми повідомляємо значення δ 66 Zn, δ 15 N і δ 13 C для різних тварин з археологічних розкопок Арвік на острові Маленький Корнуоліс, Нунавут, Канада (рис. 2). Ми досліджуємо зв’язок між ізотопним складом Zn та дієтою в морській харчовій мережі. Оскільки вплив метаболізму на значення δ 66 Zn в організмі невідомий для видів, що не є ссавцями, ми вирішили зосередити увагу на ссавцях. Ми вивчили чотири види з різним трофічним рівнем: 1) моржі (Odobenus rosmarus), які переважно харчуються молюсками та іншими донними безхребетними (TL
3,0); 2) бородаті тюлені (Erignathus barbatus), які харчуються донними безхребетними та рибою (TL
3.5); 3) кільчасті тюлені (Pusa hispida), раціон яких залежать від риби, але також включає великі зоопланктон і донних безхребетних (TL
4,0); 4) білі ведмеді (Ursus maritimus), третинні хижаки, які є спеціалізованими мисливцями на тюленів (TL
Карта адаптована до карти Le Moine et al [29].