Does nitrogen availability have greater control over the formation of tropical heath forests than water stress?A hypothesis based on nitrogen isotope ratios

Global scale analyses of soil and foliage δ15N have found positive relationships between δ15N and ecosystem N loss (suggesting an open N cycle) and a negative relationship between δ15N and water availability. We show here that soils and leaves from tropical heath forests are depleted in 15N relative to 'typical' forests suggesting that they have a tight N cycle and are therefore limited by N rather than by, often suggested, water availability.

Dispersión agrícola y cambio social en las Sierras de Córdoba (ca. 1000 a C.- 1600 d C.) Agricultural spread and social change in Córdoba Hills (ca. 1000 b C- 1600 a D.)

El proceso cultural en las Sierras de Córdoba fue habitualmente concebido como marginal con respecto al Noroeste Argentino. Tras el establecimiento del esquema básico de la secuencia prehispánica, a mediados del siglo pasado, se definió una etapa agroalfarera de cronología tardía, que continuaba a una extensa etapa precerámica cuyos límites se aproximaban a la transición Pleistoceno-Holoceno. Se hacía referencia, de este modo, al advenimiento de un modo de vida agrícola y aldeano, que reemplazaba a otro basado en la caza y recolección. Dicha transformación, alternativamente atribuida a la población cazadora local o a una migración de grupos agricultores desde regiones vecinas, se habría consumado hacia 1500 AP, fijando uno de los límites de la dispersión de la agricultura andina. Es necesario destacar la extremada escasez y el carácter indirecto de las evidencias arqueológicas utilizadas para sustentar la ocurrencia de tal proceso. Asimismo, la vigencia de supuestos que han comenzado a mostrar inconsistencias con los resultados de las recientes investigaciones. Entre ellos, principalmente, el que asume que la introducción de la agricultura dio paso a una transformación radical de las sociedades prehispánicas, constituyendo un hito fundamental en su devenir histórico, el comienzo de una nueva etapa. Nuestros últimos estudios en el sector central de las Sierras de Córdoba apuntaron, entre otros objetivos, a reconocer indicadores arqueológicos directos de producción agrícola, así como de la manipulación y consumo de plantas cultivadas. Los primeros resultados nos permiten vislumbrar un escenario complejo que desafía los modelos vigentes. El consumo de maíz, por ejemplo, parece haber antecedido por muchos siglos a la adopción de prácticas agrícolas. El acceso a este cultígeno, sumado a otros elementos, indicaría cambios entre los cazadores-recolectores serranos, promovidos por su integración en redes macrorregionales que los vincularon con sociedades agricultoras de la vertiente oriental andina y quizás del Chaco Santiagueño, por lo menos desde 2500 AP. En definitiva, la agricultura no parece haber sido adoptada rápidamente ni provocado transformaciones profundas e inmediatas en la organización de los grupos prehispánicos. Se ha observado, por el contrario, la incorporación gradual de distintas innovaciones que incluso permiten relacionar la manipulación y más tarde el cultivo de plantas domesticadas, con procesos de intensificación productiva de mayor escala temporal. Uno de nuestros objetivos en este proyecto consiste, básicamente, en profundizar las investigaciones en curso a fin de ampliar el cuerpo de datos con el cual analizar y discutir el problema de la dispersión agrícola en la región. Ello implica el tratamiento de diferentes líneas de evidencia, en particular: 1) la distribución regional de sitios arqueológicos y las modalidades de ocupación de las tierras cultivables; 2) la búsqueda de superficies de cultivo en sitios estratificados; y 3) estudios arqueobotánicos, polínicos y de isótopos estables. Se entiende que no le corresponde a la arqueología asumir apriorísticamente el significado histórico de la introducción de la agricultura, sino establecerlo en cada caso puntual a través de la investigación concreta. Nuestro segundo objetivo consiste, por lo tanto, en delinear los cambios (económicos, tecnológicos, políticos, sociales) que acompañaron al proceso de dispersión agrícola. Ello implica el tratamiento de diferentes problemas, entre otros: 1) las prácticas de apropiación de los recursos silvestres; 2) la continuidad y cambio tecnológico; 3) la movilidad y la articulación microambiental; y 4) los aspectos políticos y sociales ligados a prácticas como la molienda grupal y la producción del arte rupestre. The radical chage of societies from hunter-gatherers to farmers in 1500 BP was considered a milestone whitin the cultural process of pre-hispanic societies in Cordoba Hill. But there is a shortage of archaeological remains to support this change and there are weak hypotheses of absolute transformations. During the last years, our studies carried out on the central area of Cordoba Hill have tried to recognize direct archaeological signs of agriculture production as well as the handling and consumption of crops. The first results show a complex set that challenges the current theoretical models. For example, the corn was probably eatten prior to its adoption for farm practices. Our first main consists in increasing a corpus of data about the spread of agriculture in Cordoba region that we have been researching for the last years. These researches involve different lines of evidence: 1-regional location of archaeological sites and kinds of occupation on cultivable lands; 2-the search for plots at archaeological sites; 3-archaeobotanical, pollen and stable isotopes studies. Our second main consists in outlining changes within the spread of agriculture. It implies to considering different problems: 1-the practices to gatherer wild resources; 2-the continuity and changes of technologies; 3-the mobility and the articulation on the micro-environment; 4-political and social aspects in connection with activities such as groupal grinding and rock art productions.

Estudio de los modos de vida e historia biológica de las poblaciones humanas de la región central de argentina desde el registro bioarqueológico. Lifestyles and biological history of human populations of the central region of argentina from bioarchaeological record.

Se pretende aportar al estudio de la estructura, historia biológica y estilos de vida de las poblaciones que habitaron la región central de Argentina durante el Holoceno, desde una perspectiva que combina los aportes teóricos y metodológicos de la Genética del paisaje y la Bioarqueología. Interesa a) identificar barreras de diferenciación morfológica entre poblaciones, b) poner a prueba modelos poblacionales para explicar la variación observada e identificar las variables que contribuyan a dicha diferenciación, c) evaluar la congruencia de los resultados obtenidos, d) reconstruir los patrones de movilidad residencial de las poblaciones, e) estudiar sus patrones dietarios considerando diferencias temporales y espaciales, f) identificar indicadores de diversos tipos de estrés (nutricional, funcional), así como traumas, g) estudiar las historias tafonómicas del registro bioarqueológico regional, y h) proponer un modelo para explicar el poblamiento y la evolución local de las poblaciones que habitaron esta región, a partir de la información arqueológica y bioantropológica. Para el análisis de los patrones espaciales de variación biológica se trabajará a partir del registro de rasgos epigenéticos craneales, medidas lineales y datos obtenidos a partir de morfometría geométrica sobre fotografías en 2D sobre muestras arqueológicas procedentes de esta región y de otras regiones geográficas de la Argentina. Para el análisis de la estructura de la población se trabajará a partir del cálculo de la matriz R para datos morfológicos y sus estimaciones derivadas (distancia D², Fst, coordenadas principales) y la aplicación del modelo de Harpending y Ward. Desde la genética del paisaje, se realizarán análisis de autocorrelación espacial, barreras genéticas y análisis geoestadísticos (kriging). Para el estudio de los modos de vida a partir del registro bioarqueológico se relevarán patologías dento-alveolares y alteraciones vinculadas con la salud bucal tales como desgaste dental –a nivel micro y macroscópico- caries, abscesos, pérdidas dentales antemortem, cálculos, hipoplasias, marcadores esqueletales de salud y lesiones traumáticas. Se analizarán isótopos estables (δ13C, δ15N, 86Sr y 87Sr) en restos óseos humanos de diversos sitios arqueológicos con el objetivo de reconstruir patrones dietarios y analizar la movilidad residencial y migración de las poblaciones. Paralelamente, se establecerán procedimientos de control tafonómico de los restos óseos, y se harán análisis específicos para estudiar las historias tafonómicas y evaluar el grado de integridad de los contextos de depositación y de las colecciones en general. Estimamos que el análisis de los patrones espaciales y temporales de variabilidad morfológica craneofacial, así como el estudio de las dietas a partir de información isotópica y bioarqueológica, de las migraciones y la movilidad residencial de las poblaciones a partir de isótopos de estroncio, la reconstrucción de comportamientos y actividades cotidianas a partir de marcadores de estrés músculo-esqueletal, en un marco cronológico y espacial constituye un aporte novedoso y eficaz que permitirá incrementar de manera substancial la información sobre la evolución de las poblaciones originarias del centro del territorio argentino. The aim of this project is to study the structure, biological history and lifestyles of the people that inhabitated the central region of Argentina during the Holocene, from a perspective that combines theoretical and methodological contributions of Landscape Genetics and Bioarchaeology. To analyze the spatial patterns of biological variation we consider epigenetic cranial traits, linear measurements and data obtained from geometric morphometric on 2D photographs. Morphological variation will be focused on landscape genetics (autocorrelation, genetic barriers and geostatistical analysis –kriging-) and population structure (matrix R, D², Fst, principal coordinates, Harpendig and Ward model). For the study of lifestyles from bioarchaeological record we consider alveolar pathologies and disorders related to oral health such as tooth wear, micro and macroscopic level, caries, abscesses, antemortem tooth loss, hypoplasia, markers skeletal health and traumatic injuries, as well as taphonomic processes. Stable isotopes will be analyzed (δ13C, d15N, 86Sr and 87Sr) in human skeletal remains from various archaeological sites in order to reconstruct and analyze dietary patterns of residential mobility and migration of populations. It will be established procedures of taphonomic control on skeletal remains, analysis to study taphonomic histories and assess the degree of completeness of depositional context and collection, in general terms. We consider that analysis of spatial and temporal patterns of variability in craniofacial morphology and the study of health and diets from isotopic and bioarchaeological data, migration and residential mobility patterns from strontium isotopes, as well as activity patterns from stress markers is a novel and effective contribution that will substantially increase the information about the local evolution of populations that inhabitated the center of Argentina.

Marbles and carbonate rocks from central Morocco: a petrographic, mineralogical and geochemical study

Petrographic, mineralogical, and stable isotopes (delta C-13, delta O-18 values) compositions were used to characterise marbles and sedimentary carbonate rocks from central Morocco, which are considered to be a likely source of ornamental and building material from Roman time to the present day. This new data set was used in the frame of an archaeometric provenance study on Roman artefacts from the town of Thamusida (Kenitra, north Morocco), to assess the potential employment of these rocks for the manufacture of the archaeological materials. A representative set of samples from marbles and other carbonate rocks (limestone, dolostone) were collected in several quarries and outcrops in the Moroccan Meseta, in a region extending from the Meknes-Khenifra alignment to the Atlantic Ocean. All the samples were studied using a petrographic, mineralogical and geochemical methods. The petrographic and minerological investigations (optical microscopy, electron microscopy, X-ray diffraction) allowed to group the carbonate rocks in limestones, foliated limestone, diagenetic breccias and dolostone. The limestones could be further grouped as mudstones, wackestones-packstones, crinoid grainstones, oolitic grainstone and floatstones. Textural differences allowed to define marbles varieties. The stable carbon and oxygen isotope composition proved to be quite useful in the discrimination of marble sources, with apparently less discriminatory potential for carbonate rocks.

Relació entre fotosíntesi i respiració en cultius sotmesos a estrés hídric mitjançant isòtops estables

Report for the scientific sojourn carried out at the Universite Paris Sud – XI, France, from July until october 2007. The relationship between photosynthesis and respiration were studied in crops using carbon and nitrogen stable isotopes under well watered and water-stressed conditions. The analyses of the 13C isotopic composition (δ13C) of total organic matter (TOM) recently fixed of well-watered plants revealed that it was mainly delivered to apical tissues and tap root. The fact that that the apical leaf and stems together with the inflorescences were d13C depleted, suggests that those tissues were newly formed and had a larger sink strength and metabolic activity. Secondly, the analyses of δ13C of respired CO2 immediately after the labelling (T=0) showed that a significant part of the C respired by leaves and nodules proceeded of the recently fixed CO2. In the following harvests (T=7 and T=14) such percentage tended to decrease, especially in apical leaves. Interestingly, the respiration d13C data also highlighted that even if at T=0 part of the respired proceeded from the CO2 fixed during the labelling, this percentage was even larger at T=7. Finally, the d15N also revealed that, similarly to what described for 12C, immediately after the 15N2 labelling (T=0), apical leaf and stems, together with tap root and in this case the nodules, were the tissues with larger sink strength. It is noteworthy the fact that the largest amount of N2 newly fixed was delivered to the tap roots where it was stored until it was required for the aboveground regrowth period.

Carbon dioxide in scree slope deposits: A pathway from atmosphere to pedogenic carbonate

A continuum of carbon, from atmospheric CO2 to secondary calcium carbonate, has been studied in a soil associ- ated with scree slope deposits in the Jura Mountains of Switzerland. This approach is based on former studies conducted in other environments. This C continuum includes atmospheric CO2, soil organic matter (SOM), soil CO2, dissolved inorganic carbon (DIC) in soil solutions, and secondary pedogenic carbonate. Soil parameters (pCO2, temperature, pH, Cmin and Corg contents), soil solution chemistry, and isotopic compositions of soil CO2, DIC, carbonate and soil organic matter (δ13CCO2, δ13CDIC, δ13Ccar and δ13CSOM values) have been monitored at different depths (from 20 to 140 cm) over one year. Results demonstrated that the carbon source in secondary carbonate (mainly needle fiber calcite) is related to the dissolved inorganic carbon, which is strongly dependent on soil respiration. The heterotrophic respiration, rather than the limestone parent material, seems to control the pedogenic carbon cycle. The correlation of δ13Corg values with Rock-Eval HI and OI indices demonstrates that, in a soil associated to scree slope deposits, the main process responsible for 13C-enrichment in SOM is related to bac- terial oxidative decarboxylation. Finally, precipitation of secondary calcium carbonate is enhanced by changes in soil pCO2 associated to the convective movement of air masses induced by temperature gradients (heat pump effect) in the highly porous scree slope deposits. The exportation of soil C-leachates from systems such as the one studied in this paper could partially explain the "gap in the European carbon budget" reported by recent studies.

Environmental and biological controls on the geochemistry (δ18O, δ13C, Mg/Ca, and Sr/Ca) of living ostracods from Lake Geneva

ABSTRACT : Ostracods are benthic microcrustaceans enclosed in low-Mg calcite bivalves. Stable isotope compositions, Mg/Ca, and Sr/Ca ratios of ostracod fossil valves have proven useful to reconstruct past environmental conditions. Yet, several discrepancies persist and the influence of many factors remains unclear. It is the aim of this study to improve the use of ostracod valve geochemistry as palaeoenvironmental proxies by examining the extent of isotope fractionation and trace element partitioning during valve calcification. To achieve this, the environmental parameters (pH, temperature) and chemical composition of water (C-and O-isotope composition and calcium, magnesium, and strontium content) were measured at sites where living ostracods were sampled. The sampling was on a monthly basis over the course of one year at five different water depths (2, 5, 13, 33, and 70 m) in Lake Geneva, Switzerland. The one-year sampling enabled collection of environmental data for bottom and interstitial pore water. In littoral to sublittoral zones, C-isotope composition of DIC and the Mg/Ca and Sr/Ca ratios of water are found to vary concomitantly with water temperature. This is due to the precipitation of calcite, which is induced by higher photosynthetic activity as temperature and/or solar radiation intensify in summer. In deeper zones, environmental parameters remain largely constant throughout the year. Variations of pH, DIC concentrations and C-isotope compositions in interstitial water result from aerobic as well as anaerobic respiration, calcite dissolution and methanogenesis. Bathymetric distribution, life cycles, and habitats were derived for 15 ostracod species and are predominantly related to water temperature and sediment texture. O-isotope compositions of ostracod valves in Lake Geneva reflect that of water and temperature. However, offsets of up to 3 permil are observed in comparison with proposed inorganic calcite precipitation equilibrium composition. Deprotonation of HCO3- and/or salt effect at crystallisation sites may explain the disequilibrium observed for O-isotopic compositions. C-isotope compositions of ostracod valves are not as well constrained and appear to be controlled by a complex interaction between habitat preferences and seasonal as well as spatial variations of the DIC isotope composition. For infaunal forms, C-isotope compositions reflect mainly the variation of DIC isotope composition in interstitial pore waters. For epifaunal forms, C-isotope compositions reflect the seasonal variation of DIC isotope compositions. C-isotope compositions of ostracod valves is at equilibrium with DIC except for a small number of species (L. inopinata, L. sanctipatricii and possibly C. ophtalmica, and I. beauchampi). Trace element uptake differs considerably from species to species. For most epifaunal forms, trace element content follows the seasonal cycle, recording temperature increases and/or variations of Mg/Ca and Sr/Ca ratios of water. In contrast, infaunal forms are predominantly related to sediment pore water chemistry. RÉSUMÉ EN FRANÇAIS : Les ostracodes sont de petits crustacés benthiques qui possèdent une coquille faite de calcite à faible teneur en magnésium. La composition isotopique et les rapports Mg/Ca et Sr/Ca d'ostracodes fossiles ont été utilisés maintes fois avec succès pour effectuer des reconstructions paléoenvironnementales. Néanmoins, certains désaccords persistent sur l'interprétation de ces données. De plus, l'influence de certains facteurs pouvant biaiser le signal reste encore inconnue. Ainsi, le but de cette étude est de rendre plus performant l'emploi de la composition géochimique des ostracodes comme indicateur paléoenvironnemental. Pour réaliser cela, cinq sites situés dans le Léman à 2, 5, 13, 33 et 70 m de profondeur ont été choisis pour effectuer les échantillonnages. Chaque site a été visité une fois par mois durant une année. Les différents paramètres environnementaux (pH, température) ainsi que la composition géochimique de l'eau (composition isotopique de l'oxygène et du carbone ainsi que teneur en calcium, magnésium et strontium) ont été déterminés pour chaque campagne. Des ostracodes vivants ont été récoltés au cinq sites en même temps que les échantillons d'eau. Ce travail de terrain a permis de caractériser la géochimie de l'eau se trouvant juste au-dessus des sédiments ainsi que celle de l'eau se trouvant dans les interstices du sédiment. Dans les zones littorales à sublittorales, la composition isotopique du carbone inorganique dissout (CID) ainsi que les rapports Mg/Ca et Sr/Ca de l'eau varient linéairement avec la température. Ceci peut être expliqué par la précipitation de calcite qui est contrôlée par l'activité photosynthétique, variant elle même linéairement avec la température. Dans les zones plus profondes, les paramètres environnementaux restent relativement constants tout au long de l'année. Les variations du pH, de la concentration et de la composition isotopique du CID dans les sédiments résultent de la libération de carbone engendrée par la dégradation de la matière organique avec présence d'oxygène ou via réduction de nitrates et de sulfates, par la dissolution de carbonates, ainsi que par la méthanogenèse. La distribution bathymétrique, le cycle de vie ainsi que l'habitat de 15 espèces ont été déterminés. Ceux-ci sont principalement reliés à la température de l'eau et à la texture des sédiments. La composition isotopique de l'oxygène des valves d'ostracodes reflète celle de l'eau et la température qui régnait lors de la calcification. Néanmoins, des écarts pouvant aller jusqu'à 3 0/00 par rapport à l'équilibre théorique ont été obtenus. La déprotonation de HCO3 ou un 'effet de sel' pourrait être à l'origine du déséquilibre observé. La composition isotopique du carbone des valves d'ostracodes n'est pas aussi bien cernée. Celle-ci semble être principalement contrôlée par une interaction complexe entre l'habitat des ostracodes et les variations saisonnières et spatiales de la composition isotopique du CID. Pour les espèces endofaunes, la composition isotopique du carbone reflète principalement la variation de la composition isotopique du CID à l'intérieur des sédiments. Pour les formes épifaunes, c'est la variation saisonnière de la composition du CID qui contrôle celle de la coquille des ostracodes. En général, la composition isotopique du carbone des valves d'ostracodes est en équilibre avec celle de CID, hormis pour quelques rares espèces (L. inopinata, L. sanctipatricii et peut-être C. ophtalmica et I. beauchampi). L'incorporation des éléments traces diffère passablement d'une espèce à l'autre. Pour la plupart des espèces épifaunes, la teneur en éléments traces des coquilles reflète les variations saisonnières. Ces espèces semblent enregistrer les variations soit de la température soit des rapports Mg/Ca et Sr/Ca de l'eau. La teneur en élément traces des formes infaunales, au contraire, est principalement reliée à la chimie de l'eau interstitielle. RÉSUMÉ GRAND-PUBLIC : La connaissance de l'évolution du climat dans le futur est primordiale pour notre société, car elle permet de développer différentes stratégies pour faire face aux problèmes engendrés pas le changement climatique : stratégies environnementale, humanitaire, ou encore économique. Cette problématique est actuellement, à juste titre, sujet d'une vive préoccupation. La géologie peut-elle contribuer à l'effort communautaire entrepris? Naturellement, ce sont les climatologues qui sont sur le devant de la scène. Il n'empêche que ces derniers, pour pouvoir prédire l'avenir, doivent s'appuyer sur le passé. La géologie est alors d'un grand intérêt car c'est effectivement la seule science qui permette d'estimer les variations climatiques à grande échelle sur de longues périodes. Ainsi, voulant moi-même contribuer aux recherches menées dans ce domaine, je me suis tourné à la fin de mes études vers la paléoclimatologie, science qui a pour but de reconstruire le climat des temps anciens. Nous nous sommes rendu compte que l'évolution climatique de la région où nous habitons n'avait pas encore fait le sujet d'études approfondies. Il est pourtant important de connaître la variation locale des changements climatiques pour obtenir des modèles climatiques fiables. En conséquence, un vaste projet a vu le jour : reconstruire, à l'aide des sédiments du lac Léman, les variations paléoclimatiques et paléo-environnementales depuis le retrait du Glacier de Rhône, il y a environ 15'000 ans, jusqu'à nos jours. Pour ce genre de travail, la géochimie, qui est une forme de chimie, utilisée en science de la terre regroupant la chimie classique et la chimie isotopique, est une alliée particulièrement efficace. Elle permet en effet, via différentes mesures faites sur des archives géologiques (par exemple des fossiles ou des sédiments) d'obtenir des informations, souvent quantitatives, sur les conditions (le climat, la flore ou encore la bio productivité, etc...) qui régnaient il y a fort longtemps. Les coquilles d'ostracodes, qui sont de petits animaux vivant au fond des lacs, sont une des archives les plus prometteuses. Ces animaux sont des petits crustacés s'entourant d'une coquille calcaire qu'ils sécrètent eux-mêmes. A la mort de l'animal, la coquille est intégrée dans les sédiments et reste intacte à travers les âges. Des études ont montré qu'en analysant la géochimie de ces coquilles fossiles, il est possible de reconstruire les conditions environnementales qui régnaient à l'époque de vie de ces fossiles. Cette démarche nécessite qu'une condition bien précise soit remplie: la composition géochimique de la coquille doit enregistrer de manière fidèle la chimie de l'eau et/ou la température de l'eau présentes au moment de la sécrétion de la coquille. Le but spécifique de notre recherche a précisément été d'étudier la façon dont la chimie de l'eau ainsi que sa température sont enregistrées dans la coquillé des ostracodes. Une fois les relations entre ces divers paramètres dans l'étant actuel du système établies, il sera alors possible de les utiliser pour interpréter des données issues de coquilles fossiles. Pour ce faire, nous avons mesuré la température de l'eau de manière continue et récolté mensuellement des échantillons d'eau et des ostracodes vivants pendant une année. Cinq sites situés à 2, 5, 13, 33 et 70 mètres de profondeur ont été choisis pour effectuer ces échantillonnages dans le Léman. Le travail de terrain nous a amené à étudier la biologie de 15 espèces. Nous avons pu établir la profondeur à laquelle vivent ces animaux, leur période de développement ainsi que leur habitat respectifs. Ces résultats ont permis de mieux cerner la relation qu'il existe entre la chimie de l'eau, sa température et la composition géochimique des coquilles d'ostracodes. Nous avons ainsi pu confirmer que les coquilles d'ostracodes enregistrent de manière fidèle la composition chimique et isotopique de l'eau. De même, nous avons pu établir de manière plus précise l'effet de la température sur la géochimie des coquilles. Néanmoins, les relations trouvées entre ces trois éléments sont plus complexes pour certaines espèces, cette complexité étant souvent liée à un caractère spécifique de leur écologie. Nous avons mis en lumière certains effets qui biaisent les résultats et défini précisément les conditions dans lesquelles on peut s'attendre à avoir des difficultés dans leur interprétation. Maintenant que nous avons établi les relations entre le climat actuel et la composition géochimique des coquilles d'ostracodes actuels, nous pouvons, sur la base de ce modèle, reconstruire le climat depuis le retrait du Glacier du Rhône jusqu'à nos jours à l'aide d'ostracodes fossiles. Mais cela est une autre histoire et fera, je l'espère, le sujet de nos futures recherches.

Pathoecology and paleodiet in Postclassic: Historic Maya from northern coastal Belize

This paper examines the synergism among diet, disease, and ecology at two related coastal Maya sites in Belize (Marco Gonzalez and San Pedro) for the Postclassic and Historic periods (1350-1650 AD), which immediately follow the Classic period collapse. Stable carbon- and nitrogen-isotope ratios in collagen and stable carbon-isotope ratios in structural carbonate were analysed for bones from 65 humans and a wide variety of faunal species. There are no apparent differences in whole diets or degree of carnivory between individuals with lesions indicative of anemia and those without, but those with lesions appear to have consumed significantly more C4 foods and protein from lower trophic levels. Non-specific infection (periostitis) and vitamin C deficiency (scurvy) are also present in high frequencies and appear to co-occur with lesions indicative of anemia, particularly in childhood. Individuals with scurvy also appear to have consumed significantly more C4 foods than normal individuals. Spondyloarthropathy is common in adults. These findings are discussed in light of: (1) the debate on how anemia versus scurvy are manifest and diagnosed, (2) Spanish ethnohistoric descriptions of the poor state of Maya health at the time of contact, and (3) the Osteological Paradox. We suggest that although this coastal environment exacerbated morbidity because of possible parasitic infection, the inhabitants were probably able to survive physiological stresses better than either their inland contemporaries or their modern counterparts.

Metamorphism and kinetics in the Torres del Paine contact aureole

Contact aureoles provide an excellent geologic environment to study the mechanisms of metamorphic reactions in a natural system. The Torres del Paine (TP) intrusion is one of the most spectacular natural laboratories because of its excellent outcrop conditions. It formed in a period from 12.59 to 12.43 Ma and consists of three large granite and four smaller mafic batches. The oldest granite is on top, the youngest at the bottom of the granitic complex, and the granites overly the mafic laccolith. The TP intruded at a depth of 2-3 km into regional metamorphic anchizone to greenschist facies pelites, sandstones, and conglomerates of the Cerro Toro and Punta Barrosa formations. It formed a thin contact aureole of 150-400 m width. This thesis focuses on the reaction kinetics of the mineral cordierite in the contact aureole using quantitative textural analysis methods. First cordierite was formed from chlorite break¬down (zone I, ca. 480 °C, 750 bar). The second cordierite forming reaction was the muscovite break-down, which is accompanied by a modal decrease in biotite and the appearance of k- feldspar (zone II, 540-550 °C, 750 bar). Crystal sizes of the roundish, poikiloblastic cordierites were determined from microscope thin section images by manually marking each crystal. Images were then automatically processed with Matlab. The correction for the intersection probability of each crystal radius yields the crystal size distribution in the rock. Samples from zone I below the laccolith have the largest crystals (0.09 mm). Cordierites from zone II are smaller, with a maximum crystal radius of 0.057 mm. Rocks from zone II have a larger number of small cordierite crystals than rocks from zone I. A combination of these quantitative analysis with numerical modeling of nucleation and growth, is used to infer nucleation and growth parameters which are responsible for the observed mineral textures. For this, the temperature-time paths of the samples need to be known. The thermal history is complex because the main body of the intrusion was formed by several intrusive batches. The emplacement mechanism and duration of each batch can influence the thermal structure in the aureole. A possible subdivision of batches in smaller increments, so called pulses, will focus heat at the side of the intrusion. Focusing all pulses on one side increases the contact aureole size on that side, but decreases it on the other side. It forms a strongly asymmetric contact aureole. Detailed modeling shows that the relative thicknesses of the TP contact aureole above and below the intrusion (150 and 400 m) are best explained by a rapid emplacement of at least the oldest granite batch. Nevertheless, temperatures are significantly too low in all models, compared to observed mineral assemblages in the hornfelses. Hence, an other important thermal mechanisms needs to take place in the host rock. Clastic minerals in the immature sediments outside the contact aureole are hydrated due to small amounts of expelled fluids during contact metamorphism. This leads to a temperature increase of up to 50 °C. The origin of fluids can be traced by stable isotopes. Whole rock stable isotope data (6D and δ180) and chlorine concentrations in biotite document that the TP intrusion induced only very small amounts of fluid flow. Oxygen whole rock data show δ180 values between 9.0 and 10.0 %o within the first 5 m of the contact. Values increase to 13.0 - 15.0 %o further away from the intrusion. Whole rock 6D values display a more complex zoning. First, host rock values (-90 to -70 %o) smoothly decrease towards the contact by ca. 20 %o, up to a distance of ca. 150 m. This is followed by an increase of ca. 20 %o within the innermost 150 m of the aureole (-97.0 to -78 %o at the contact). The initial decrease in 6D values is interpreted to be due to Rayleigh fractionation accompanying the dehydration reactions forming cordierite, while the final increase reflects infiltration of water-rich fluids from the intrusion. An over-estimate on the quantity and the corresponding thermal effect yields a temperature increase of less than 30 °C. This suggests that fluid flow might have contributed only for a small amount to the thermal evolution of the system. A combination of the numerical growth model with the thermal model, including the hydration reaction enthalpies but neglecting fluid flow and incremental growth, can be used to numerically reproduce the observed cordierite textures in the contact aureole. This yields kinetic parameters which indicate fast cordierite crystallization before the thermal peak in the inner aureole, and continued reaction after the thermal peak in the outermost aureole. Only small temperature dependencies of the kinetic parameters seem to be needed to explain the obtained crystal size data. - Les auréoles de contact offrent un cadre géologique privilégié pour l'étude des mécanismes de réactions métamorphiques associés à la mise en place de magmas dans la croûte terrestre. Par ses conditions d'affleurements excellentes, l'intrusion de Torres del Paine représente un site exceptionnel pour améliorer nos connaissances de ces processus. La formation de cette intrusion composée de trois injections granitiques principales et de quatre injections mafiques de volume inférieur couvre une période allant de 12.50 à 12.43 Ma. Le plus vieux granite forme la partie sommitale de l'intrusion alors que l'injection la plus jeune s'observe à la base du complexe granitique; les granites recouvrent la partie mafique du laccolite. L'intrusion du Torres del Paine s'est mise en place a 2-3 km de profondeur dans un encaissant métamorphique. Cet encaissant est caractérisé par un métamorphisme régional de faciès anchizonal à schiste vert et est composé de pélites, de grès, et des conglomérats des formations du Cerro Toro et Punta Barrosa. La mise en place des différentes injections granitiques a généré une auréole de contact de 150-400 m d'épaisseur autour de l'intrusion. Cette thèse se concentre sur la cinétique de réaction associée à la formation de la cordiérite dans les auréoles de contact en utilisant des méthodes quantitatives d'analyses de texture. On observe plusieurs générations de cordiérite dans l'auréole de contact. La première cordiérite est formée par la décomposition de la chlorite (zone I, environ 480 °C, 750 bar), alors qu'une seconde génération de cordiérite est associée à la décomposition de la muscovite, laquelle est accompagnée par une diminution modale de la teneur en biotite et l'apparition de feldspath potassique (zone II, 540-550 °C, 750 bar). Les tailles des cristaux de cordiérites arrondies et blastic ont été déterminées en utilisant des images digitalisées des lames minces et en marquant individuellement chaque cristal. Les images sont ensuite traitées automatiquement à l'aide du programme Matlab. La correction de la probabilité d'intersection en fonction du rayon des cristaux permet de déterminer la distribution de la taille des cristaux dans la roche. Les échantillons de la zone I, en dessous du lacolite, sont caractérisés par de relativement grands cristaux (0.09 mm). Les cristaux de cordiérite de la zone II sont plus petits, avec un rayon maximal de 0.057 mm. Les roches de la zone II présentent un plus grand nombre de petits cristaux de cordiérite que les roches de la zone I. Une combinaison de ces analyses quantitatives avec un modèle numérique de nucléation et croissance a été utilisée pour déduire les paramètres de nucléation et croissance contrôlant les différentes textures minérales observées. Pour développer le modèle de nucléation et de croissance, il est nécessaire de connaître le chemin température - temps des échantillons. L'histoire thermique est complexe parce que l'intrusion est produite par plusieurs injections successives. En effet, le mécanisme d'emplace¬ment et la durée de chaque injection peuvent influencer la structure thermique dans l'auréole. Une subdivision des injections en plus petits incréments, appelés puises, permet de concentrer la chaleur dans les bords de l'intrusion. Une mise en place préférentielle de ces puises sur un côté de l'intrusion modifie l'apport thermique et influence la taille de l'auréole de contact produite, auréole qui devient asymétrique. Dans le cas de la première injection de granite, une modélisation détaillée montre que l'épaisseur relative de l'auréole de contact de Torres del Paine au-dessus et en dessous de l'intrusion (150 et 400 m) est mieux expliquée par un emplacement rapide du granite. Néanmoins, les températures calculées dans l'auréole de con¬tact sont trop basses pour que les modèles thermiques soient cohérants par rapport à la taille de cette auréole. Ainsi, un autre mecanisme exothermique est nécessaire pour permettre à la roche encais¬sante de produire les assemblages observés. L'observation des roches encaissantes entourant les granites montre que les minéraux clastiques dans les sédiments immatures au-dehors de l'auréole sont hydratés suite à la petite quantité de fluide expulsée durant le métamorphisme de contact et/ou la mise en place des granites. Les réactions d'hydratation peuvent permettre une augmentation de la température jusqu'à 50 °C. Afin de déterminer l'origine des fluides, une étude isotopique de roches de l'auréole de contact a été entreprise. Les isotopes stables d'oxygène et d'hydrogène sur la roche totale ainsi que la concentration en chlore dans la biotite indiquent que la mise en place des granites du Torres del Paine n'induit qu'une circulation de fluide limitée. Les données d'oxygène sur roche totale montrent des valeurs δ180 entre 9.0 et 10.0%o au sein des cinq premiers mètres du contact. Les valeurs augmentent jusqu'à 13.0 - 15.0 plus on s'éloigne de l'intrusion. Les valeurs 5D sur roche totale montrent une zonation plus complexe. Les valeurs de la roche encaissante (-90 à -70%o) diminuent progressivement d'environ 20%o depuis l'extérieur de l'auréole jusqu'à une distance d'environ 150 m du granite. Cette diminution est suivie par une augmentation d'environ 20%o au sein des 150 mètres les plus proches du contact (-97.0 à -78%o au contact). La diminution initiale des valeurs de 6D est interprétée comme la conséquence du fractionnement de Rayleigh qui accompagne les réactions de déshydratation formant la cordiérite, alors que l'augmentation finale reflète l'infiltration de fluide riche en eau venant de l'intrusion. A partir de ces résultats, le volume du fluide issu du granite ainsi que son effet thermique a pu être estimé. Ces résultats montrent que l'augmentation de température associée à ces fluides est limitée à un maximum de 30 °C. La contribution de ces fluides dans le bilan thermique est donc faible. Ces différents résultats nous ont permis de créer un modèle thermique associé à la for¬mation de l'auréole de contact qui intègre la mise en place rapide du granite et les réactions d'hydratation lors du métamorphisme. L'intégration de ce modèle thermique dans le modèle numérique de croissance minérale nous permet de calculer les textures des cordiérites. Cepen¬dant, ce modèle est dépendant de la vitesse de croissance et de nucléation de ces cordiérites. Nous avons obtenu ces paramètres en comparant les textures prédites par le modèle et les textures observées dans les roches de l'auréole de contact du Torres del Paine. Les paramètres cinétiques extraits du modèle optimisé indiquent une cristallisation rapide de la cordiérite avant le pic thermique dans la partie interne de l'auréole, et une réaction continue après le pic thermique dans la partie la plus externe de l'auréole. Seules de petites dépendances de température des paramètres de cinétique semblent être nécessaires pour expliquer les don¬nées obtenues sur la distribution des tailles de cristaux. Ces résultats apportent un éclairage nouveau sur la cinétique qui contrôle les réactions métamorphiques.

Organic and inorganic geochemistry of Ljubija siderite deposits, NW Bosnia and Herzegovina

The Ljubija siderite deposits, hosted by a Carboniferous sedimentary complex within the Inner Dinarides, occur as stratabound replacement-type ore bodies in limestone blocks and as siderite-sulfides veins in shale. Three principal types of ore textures have been recognized including massive dark siderite and ankerite, siderite with zebra texture, and siderite veins. The ore and host rocks have been investigated by a combination of inorganic (major, trace, and rare earth element concentrations), organic (characterization of hydrocarbons including biomarkers), and stable isotope geochemical methods (isotope ratios of carbonates, sulfides, sulfates, kerogen, and individual hydrocarbons). New results indicate a marine origin of the host carbonates and a hydrothermal-metasomatic origin of the Fe mineralization. The differences in ore textures (e.g., massive siderite, zebra siderite) are attributed to physicochemical variations (e.g., changes in acidity, temperature, and/or salinity) of the mineralizing fluids and to the succession and intensity of replacement of host limestone. Vein siderite was formed by precipitation from hydrothermal fluids in the late stage of mineralization. The equilibrium fractionation of stable isotopes reveals higher formation temperatures for zebra siderites (around 245A degrees C) then for siderite vein (around 185A degrees C). Sulfur isotope ratios suggest Permian seawater or Permian evaporites as the main sulfur source. Fluid inclusion composition confirms a contribution of the Permian seawater to the mineralizing fluids and accord with a Permian mineralization age. Organic geochemistry data reflect mixing of hydrocarbons at the ore site and support the hydrothermal-metasomatic origin of the Ljubija iron deposits.

Isotopic variation across the Audubon's-myrtle warbler hybrid zone.

Differences in seasonal migratory behaviours are thought to be an important component of reproductive isolation in many organisms. Stable isotopes have been used with success in estimating the location and qualities of disjunct breeding and wintering areas. However, few studies have used isotopic data to estimate the movements of hybrid offspring in species that form hybrid zones. Here, we use stable hydrogen to estimate the wintering locations and migratory patterns of two common and widespread migratory birds, Audubon's (Setophaga auduboni) and myrtle (S. coronata) warblers, as well as their hybrids. These two species form a narrow hybrid zone with extensive interbreeding in the Rocky Mountains of British Columbia and Alberta, Canada, which has been studied for over four decades. Isotopes in feathers grown on the wintering grounds or early on migration reveal three important patterns: (1) Audubon's and myrtle warblers from allopatric breeding populations winter in isotopically different environments, consistent with band recovery data and suggesting that there is a narrow migratory transition between the two species, (2) most hybrids appear to overwinter in the south-eastern USA, similar to where myrtle warblers are known to winter, and (3) some hybrid individuals, particularly those along the western edge of the hybrid zone, show Audubon's-like isotopic patterns. These data suggest there is a migratory divide between these two species, but that it is not directly coincident with the centre of the hybrid zone in the breeding range. We interpret these findings and discuss them within the context of previous research on hybrid zones, speciation and migratory divides.

Source inference of exogenous gamma-hydroxybutyric acid (GHB) administered to humans by means of carbon isotopic ratio analysis: novel perspectives regarding forensic investigation and intelligence issues.

γ-Hydroxybutyric acid (GHB) is an endogenous short-chain fatty acid popular as a recreational drug due to sedative and euphoric effects, but also often implicated in drug-facilitated sexual assaults owing to disinhibition and amnesic properties. Whilst discrimination between endogenous and exogenous GHB as required in intoxication cases may be achieved by the determination of the carbon isotope content, such information has not yet been exploited to answer source inference questions of forensic investigation and intelligence interests. However, potential isotopic fractionation effects occurring through the whole metabolism of GHB may be a major concern in this regard. Thus, urine specimens from six healthy male volunteers who ingested prescription GHB sodium salt, marketed as Xyrem(®), were analysed by means of gas chromatography/combustion/isotope ratio mass spectrometry to assess this particular topic. A very narrow range of δ(13)C values, spreading from -24.810/00 to -25.060/00, was observed, whilst mean δ(13)C value of Xyrem(®) corresponded to -24.990/00. Since urine samples and prescription drug could not be distinguished by means of statistical analysis, carbon isotopic effects and subsequent influence on δ(13)C values through GHB metabolism as a whole could be ruled out. Thus, a link between GHB as a raw matrix and found in a biological fluid may be established, bringing relevant information regarding source inference evaluation. Therefore, this study supports a diversified scope of exploitation for stable isotopes characterized in biological matrices from investigations on intoxication cases to drug intelligence programmes.

Fuel metabolism during exercise in euglycaemia and hyperglycaemia in patients with type 1 diabetes mellitus--a prospective single-blinded randomised crossover trial.

Aims/hypothesis We assessed systemic and local muscle fuel metabolism during aerobic exercise in patients with type I diabetes at euglycaemia and hyperglycaemia with identical insulin levels.Methods This was a single-blinded randomised crossover study at a university diabetes unit in Switzerland. We studied seven physically active men with type I diabetes (mean +/- SEM age 33.5 +/- 2.4 years, diabetes duration 20.1 +/- 3.6 years, HbA(1c) 6.7 +/- 0.2% and peak oxygen uptake [VO2peak] 50.3 +/- 4.5 ml min(-1) kg(-1)). Men were studied twice while cycling for 120 min at 55 to 60% of VO2peak, with a blood glucose level randomly set either at 5 or 11 mmol/l and identical insulinaemia. The participants were blinded to the glycaemic level; allocation concealment was by opaque, sealed envelopes. Magnetic resonance spectroscopy was used to quantify intramyocellular glycogen and lipids before and after exercise. Indirect calorimetry and measurement of stable isotopes and counter-regulatory hormones complemented the assessment of local and systemic fuel metabolism.Results The contribution of lipid oxidation to overall energy metabolism was higher in euglycaemia than in hyperglycaemia (49.4 +/- 4.8 vs 30.6 +/- 4.2%; p<0.05). Carbohydrate oxidation accounted for 48.2 +/- 4.7 and 66.6 +/- 4.2% of total energy expenditure in euglycaemia and hyperglycaemia, respectively (p<0.05). The level of intramyocellular glycogen before exercise was higher in hyperglycaemia than in euglycaemia (3.4 +/- 0.3 vs 2.7 +/- 0.2 arbitrary units [AU]; p<0.05). Absolute glycogen consumption tended to be higher in hyperglycaemia than in euglycaemia (1.3 +/- 0.3 vs 0.9 +/- 0.1 AU). Cortisol and growth hormone increased more strongly in euglycaemia than in hyperglycaemia (levels at the end of exercise 634 52 vs 501 +/- 32 nmol/l and 15.5 +/- 4.5 vs 7.4 +/- 2.0 ng/ml, respectively; p<0.05).Conclusions/interpretation Substrate oxidation in type I diabetic patients performing aerobic exercise in euglycaemia is similar to that in healthy individuals revealing a shift towards lipid oxidation during exercise. In hyperglycaemia fuel metabolism in these patients is dominated by carbohydrate oxidation. Intramyocellular glycogen was not spared in hyperglycaemia.

Identification and quantification techniques in mass spectrometry-based proteomics

Résumé La protéomique basée sur la spectrométrie de masse est l'étude du proteome l'ensemble des protéines exprimées au sein d'une cellule, d'un tissu ou d'un organisme - par cette technique. Les protéines sont coupées à l'aide d'enzymes en plus petits morceaux -les peptides -, et, séparées par différentes techniques. Les différentes fractions contenant quelques centaines de peptides sont ensuite analysées dans un spectromètre de masse. La masse des peptides est enregistrée et chaque peptide est séquentiellement fragmenté pour en obtenir sa séquence. L'information de masse et séquence est ensuite comparée à une base de données de protéines afin d'identifier la protéine d'origine. Dans une première partie, la thèse décrit le développement de méthodes d'identification. Elle montre l'importance de l'enrichissement de protéines comme moyen d'accès à des protéines de moyenne à faible abondance dans le lait humain. Elle utilise des injections répétées pour augmenter la couverture en protéines et la confiance dans l'identification. L'impacte de nouvelle version de base de données sur la liste des protéines identifiées est aussi démontré. De plus, elle utilise avec succès la spectrométrie de masse comme alternative aux anticorps, pour valider la présence de 34 constructions de protéines pathogéniques du staphylocoque doré exprimées dans une souche de lactocoque. Dans une deuxième partie, la thèse décrit le développement de méthodes de quantification. Elle expose de nouvelles approches de marquage des terminus des protéines aux isotopes stables et décrit la première méthode de marquage des groupements carboxyliques au niveau protéine à l'aide de réactifs composé de carbone 13. De plus, une nouvelle méthode, appelée ANIBAL, marquant tous les groupements amines et carboxyliques au niveau de la protéine, est exposée. Summary Mass spectrometry-based proteomics is the study of the proteome -the set of all expressed proteins in a cell, tissue or organism -using mass spectrometry. Proteins are cut into smaller pieces - peptides - using proteolytic enzymes and separated using different separation techniques. The different fractions containing several hundreds of peptides are than analyzed by mass spectrometry. The mass of the peptides entering the instrument are recorded and each peptide is sequentially fragmented to obtain its amino acid sequence. Each peptide sequence with its corresponding mass is then searched against a protein database to identify the protein to which it belongs. This thesis presents new method developments in this field. In a first part, the thesis describes development of identification methods. It shows the importance of protein enrichment methods to gain access to medium-to-low abundant proteins in a human milk sample. It uses repeated injection to increase protein coverage and confidence in identification and demonstrates the impact of new database releases on protein identification lists. In addition, it successfully uses mass spectrometry as an alternative to antibody-based assays to validate the presence of 34 different recombinant constructs of Staphylococcus aureus pathogenic proteins expressed in a Lactococcus lactis strain. In a second part, development of quantification methods is described. It shows new stable isotope labeling approaches based on N- and C-terminus labeling of proteins and describes the first method of labeling of carboxylic groups at the protein level using 13C stable isotopes. In addition, a new quantitative approach called ANIBAL is explained that labels all amino and carboxylic groups at the protein level.

Middle and late Cenomanian oceanic anoxic events in shallow and deeper shelf environments of western Morocco

The response of shallow-water sequences to oceanic anoxic event 2 and mid-Cenomanian events 1a and 1b was investigated along the west African margin of Morocco north of Agadir (Azazoul) and correlated with the deep-water sequence of the Tarfaya Basin (Mohammed Beach) based on biostratigraphy, mineralogy, phosphorus and stable isotopes. In the deeper Mohammed Beach section results show double peaks in delta 13C(org) for mid-Cenomanian events 1a and 1b (Rotalipora reicheli biozone, lower CC10a biozone), the characteristic oceanic anoxic event 2 delta 13C excursion (Rotalipora cushmani extinction, top of CC10a biozone) and laminated (anoxic) black shale. In the shallow environment north of Agadir, a fluctuating sea-level associated with dysoxic, brackish and mesotrophic conditions prevailed during the middle to late Cenomanian, as indicated by oyster biostromes, nannofossils, planktonic and benthonic foraminiferal assemblages. Anoxic conditions characteristic of oceanic anoxic event 2 (for example, laminated black shales) did not reach into shallow-water environments until the maximum transgression of the early Turonian. Climate conditions decoupled along the western margin of Morocco between mid-Cenomanian event 1b and the Cenomanian-Turonian boundary, as also observed in eastern Tethys. North of Agadir alternating humid and dry seasonal conditions prevailed, whereas in the Tarfaya Basin the climate was dry and seasonal. This climatic decoupling can be attributed to variations in the Intertropical Convergence Zone and in the intensity of the north-east trade winds in tropical areas.