Triple oxygen (16O, 17O, 18O) and carbon (12C, 13C) isotope variations in bioapatite of small mammals – new insights concerning the reconstruction of palaeo‐CO2 concentrations and palaeotemperatures

Die Verhältnisse der stabilen Isotope des Sauerstoffs (16O, 17O, 18O) und des Kohlenstoffs (12C, 13C) im biogenen Apatit des Zahn- und Knochenmaterials von Säugetieren lassen Rückschlüsse auf die Isotopie der entsprechenden Sauerstoff- und Kohlenstoffquellen zu. Die Isotopenverhältnisse dieser Quellen (z.B. Trinkwasser, Luftsauerstoff, Nahrung) sind an bestimmte Umwelt- und Klimabedingungen wie Temperatur, Luftfeuchtigkeit, CO2-Konzentration, Bioproduktivität, Art der Vegetation, Grad der Vegetationsdichte etc. geknüpft. Bestimmt man die Sauerstoff- und Kohlensoffisotopenverhältnisse in diagenetisch unalteriertem fossilem Säugetiermaterial können Aussagen über solche Klima- und Umweltparameter weit in die Erdgeschichte zurück getroffen werden. Darüber hinaus ist es möglich Informationen über Lebensweise und Verhalten der untersuchten Taxa, wie z.B. Wanderverhalten, Geburtensaisonalität, Trinkverhalten, Nahrungspräferenzen, Ressourcenteilung und Habitatnutzung zu erlangen. Seit dem Beginn der Forschungen auf diesem Gebiet in der 70er und 80er Jahren des 20. Jahrhunderts ist eine große Zahl von Studien erschienen, welche sich der Untersuchung der Sauerstoff- und Kohlenstoffisotopie (18O/16O, 13C/12C) des Zahn- und Knochenmaterials rezenter und fossiler (vorwiegend großer) Säugetiere zu diesen Zwecken widmen. Noch keine zwei Jahrzehnte ist es her, dass erkannt wurde, das troposphärischer Sauerstoff eine anomale 3-O-Isotopenzusammensetzung (17O/16O, 18O/16O) besitzt, die signifikant von fast allen anderen terrestrischen Materialien abweicht. Diese wird in Folge von nicht massenabhängiger Fraktionierung durch photochemische Prozesse in der Stratosphäre hervorgerufen und durch Gasaustausch in die Troposphäre übertragen. Die Magnitude dieser Sauerstoffisotopenanomalie ist eine Funktion der atmosphärischen CO2-Konzentration, sowie der globalen Bioproduktivität. Kann die 3-O-Isotopie des Luftsauerstoffs zu vergangenen Zeitpunkten in der Erdgeschichte rekonstruiert werden, lässt dies somit auch Rückschlüsse auf die entsprechende CO2-Konzentration bzw. die globale Bioproduktivität zu. Geologische Archive die dies ermöglichen sind jedoch kaum vorhanden. Da für Säugetiere der eingeatmete Luftsauerstoff neben Trinkwasser und freiem Wasser in der Nahrung zu den wichtigsten Sauerstoffquellen zählt, ist biogener Apatit rezenter und fossiler Säugetiere eines der wenigen möglichen Materialien die das Potential haben, ein solches Archiv darzustellen. Die vorliegende Arbeit untersucht die Variation der 3-O-Isotopenzusammensetzung im Bioapatit rezenter Säugetiere, sowie deren Bedeutung als neuen Proxy zur paläo-CO2-Rekonstruktion und als Indikator für diagenetisch alteriertes Skelettmaterial. Desweiteren werden zwischenartliche, innerartliche und intraindividuelle Variationen der Sauerstoff- und Kohlenstoffisotopie im Bioapatit rezenter Nagetiere untersucht um eine bessere Interpretationsgrundlage für entsprechende Analysedaten fossiler Vertreter dieser größten Ordnung der Säugetiere herzustellen. Kapitel 2 beschäftigt sich mit der Frage, ob die anomale Isotopensignatur troposphärischen Sauerstoffs als Indikator für diagenetische Alteration des Zahn- und Knochenmaterial von fossilen Säugern genutzt werden kann. Hierzu wurde die 3-O-Isotopie von Zahnschmelz, Dentin und in geringem Umfang auch Knochenmaterial von einzelnen Individuen känozoischer Nagetiere separat analysiert. Während alle Zahnschmelzproben eine deutliche Sauerstoffisotopenanomalie aufweisen, welche in einer Größenordnung liegt die für diagenetisch unalterierten Bioapatit kleiner Säugetiere zu erwarten wäre, zeigen alle Dentinproben eine deutlich niedrigere bis gar keine Anomalie, was auf Isotopenaustausch mit diagenetischen Fluiden hindeutet. In Kapitel 3 werden die Variationen der anomalen Isotopensignatur troposphärischen Sauerstoffs im Skelettmaterial von rezenten Säugetieren evaluiert. Dies geschieht anhand zweier voneinander unabhängiger Ansätze: 1. durch 3-O-Isotopenanalyse von rezentem Bioapatit und 2. durch ein detailliertes Massenbilanzmodell. Da der Anteil des veratmeten Luftsauerstoffs im Verhältnis zu den weiteren Sauerstoffquellen in erster Linie von der spezifischen metabolischen Rate abhängt, die weitgehend mit dem Körpergewicht skalierbar ist, wurden Arten aus einem möglichst großen Körpergewichtsbereich von wenigen g bis zu einigen tausend kg untersucht. Es zeigte sich, dass das anomale Isotopensignal mit sinkender Körpermasse zunimmt. Auf Basis der daraus gewonnenen Erkenntnisse wurde versucht die Magnitude der anomalen Sauerstoffisotopensignatur in der Troposphäre zu verschiedenen Zeitpunkten im Känozoikum durch 3-O-Isotopenanalyse von eozänem, oligozänem und miozänem Zahnschmelzmaterial von Nagetieren zu bestimmen um daraus Erkenntnisse über die entsprechenden CO2-Konzentrationen zu erhalten. Das theoretische Massenbilanzmodell stimmt gut mit den analytisch gewonnenen Daten überein, beide zeigen eine Vergrößerung der 3-O-Isotopenanomalie im Bioapatit mit sinkender Körpermasse. Die rekonstruierten CO2-Konzentrationen stimmen generell mit vorhandenen Daten diverser Proxies überein, jedoch erlaubt der assoziierte Fehler es nicht, CO2-Schwankungen im Bereich von wenigen 100 ppm aufzulösen. An der Grenze von Paläozän zu Eozän fand eine der einschneidendsten Umwelt- und Klimaveränderungen des Känozoikums statt, welche ihren Höhepunkt im sogenannten “Palaeocene Eocene Thermal Maximum” (PETM) hatte. Dieses war verbunden mit einer globalen negativen Kohlenstoffisotopenexkursion (CIE), deren Quelle bis heute kontrovers diskutiert wird. Kapitel 4 beschäftigt sich mit den Temperaturschwankungen und Veränderungen der CO2-Konzentration im Übergangsbereich dieser beiden Zeitalter. Dies geschieht anhand einer diesen Zeitabschnitt umspannenden Probenserie von Zahnschmelz der Säugetiergattung Ectocion aus dem Clarks Fork Basin (Wyoming, USA). Die rekonstruierten Temperaturschwankungen stimmen gut mit bereits vorhandenen Studien des 18O/16O Verhältnisses an biogenem Apatit aus diesem Zeitintervall überein. Die aus der 3-O-Isotopenzusammensetzung rekonstruierten CO2-Konzentration deuten darauf hin, dass auch während des Temperaturmaximums an der Paläozän-Eozän Grenze ein Wert von 1550 ppm nicht überschritten wurde, was auf die Dissoziierung von marinem Methanhydrat als Hauptquelle der CIE hinweist. Kapitel 5 untersucht die zwischenartlichen, innerartlichen und intraindividuellen Variationen der Karbonatsauerstoff-, Phosphatsauerstoff- und Kohlenstoffisotopie sieben verschiedener Nagetierarten anhand von Proben aus Eulengewöllen eines einzelnen Fundortes. Die Ergebnisse werden mit ähnlichen Studien an Großsäugern verglichen, und es werden Schlüsse zum Umgang mit Probenmaterial kleiner Säugetiere bei der Verwendung zur Paläoklimarekonstruktion mittels stabiler Isotope gezogen. Die Variabilität der Sauerstoff- und Kohlenstoffisotopie der untersuchten Zähne und Knochen ist nicht höher als die vieler Großsäuger, was die Relevanz der im Fossilbericht viel häufigeren Nagetiere für derartige Studien unterstützt. Jedoch sollte strikt darauf geachtet werden, dass auf Rezentmaterial basierende Bioapatit-Temperatur-Kalibrationen exakt auf dem gleichen Skelettelement beruhen welches auch als Fossilmaterial untersucht wird, da durch die unterschiedliche Mineralisierungsintervalle verschiedener Zähne und Knochen deutliche Unterschiede in den entsprechenden Isotopenzusammensetzungen, insbesondere in der des Sauerstoffs beobachtet werden konnten

Comment on the letter of the Society of Vertebrate Paleontology (SVP) dated April 21, 2020 regarding 'Fossils from conflict zones and reproducibility of fossil‑based scientific data': Myanmar amber

Recently, the Society of Vertebrate Paleontology (SVP) has sent around a letter, dated 21st April, 2020 to more than 300 palaeontological journals, signed by the President, Vice President and a former President of the society (Rayfield et al. 2020). The signatories of this letter request significant changes to the common practices in palaeontology. With our present, multi-authored comment, we aim to argue why these suggestions will not lead to improvement of both practice and ethics of palaeontological research but, conversely, hamper its further development. Although we disagree with most contents of the SVP letter, we appreciate this initiative to discuss scientific practices and the underlying ethics. Here, we consider different aspects of the suggestions by Rayfield et al. (2020) in which we see weaknesses and dangers. It is our intent to compile views from many different fields of palaeontology, as our discipline is (and should remain) pluralistic. This contribution deals with the aspects concerning Myanmar amber. Reference is made to Haug et al. (2020a) for another comment on aspects concerning amateur palaeontologists/citizen scientists/private collectors

Comment on the letter of the Society of Vertebrate Paleontology (SVP) dated April 21, 2020 regarding “Fossils from conflict zones and reproducibility of fossil‑based scientific data”: Myanmar amber

Non peer reviewe

Design of a dual species atom interferometer for space

Atom interferometers have a multitude of proposed applications in space including precise measurements of the Earth's gravitational field, in navigation & ranging, and in fundamental physics such as tests of the weak equivalence principle (WEP) and gravitational wave detection. While atom interferometers are realized routinely in ground-based laboratories, current efforts aim at the development of a space compatible design optimized with respect to dimensions, weight, power consumption, mechanical robustness and radiation hardness. In this paper, we present a design of a high-sensitivity differential dual species $^{85}$Rb/$^{87}$Rb atom interferometer for space, including physics package, laser system, electronics and software. The physics package comprises the atom source consisting of dispensers and a 2D magneto-optical trap (MOT), the science chamber with a 3D-MOT, a magnetic trap based on an atom chip and an optical dipole trap (ODT) used for Bose-Einstein condensate (BEC) creation and interferometry, the detection unit, the vacuum system for $10^{-11}$ mbar ultra-high vacuum generation, and the high-suppression factor magnetic shielding as well as the thermal control system. The laser system is based on a hybrid approach using fiber-based telecom components and high-power laser diode technology and includes all laser sources for 2D-MOT, 3D-MOT, ODT, interferometry and detection. Manipulation and switching of the laser beams is carried out on an optical bench using Zerodur bonding technology. The instrument consists of 9 units with an overall mass of 221 kg, an average power consumption of 608 W (819 W peak), and a volume of 470 liters which would well fit on a satellite to be launched with a Soyuz rocket, as system studies have shown.Comment: 30 pages, 23 figures, accepted for publication in Experimental Astronom

STE-QUEST - Test of the Universality of Free Fall Using Cold Atom Interferometry

In this paper, we report about the results of the phase A mission study of the atom interferometer instrument covering the description of the main payload elements, the atomic source concept, and the systematic error sources

The 14-3-3ζ Protein Binds to the Cell Adhesion Molecule L1, Promotes L1 Phosphorylation by CKII and Influences L1-Dependent Neurite Outgrowth

BACKGROUND: The cell adhesion molecule L1 is crucial for mammalian nervous system development. L1 acts as a mediator of signaling events through its intracellular domain, which comprises a putative binding site for 14-3-3 proteins. These regulators of diverse cellular processes are abundant in the brain and preferentially expressed by neurons. In this study, we investigated whether L1 interacts with 14-3-3 proteins, how this interaction is mediated, and whether 14-3-3 proteins influence the function of L1. METHODOLOGY/PRINCIPAL FINDINGS: By immunoprecipitation, we demonstrated that 14-3-3 proteins are associated with L1 in mouse brain. The site of 14-3-3 interaction in the L1 intracellular domain (L1ICD), which was identified by site-directed mutagenesis and direct binding assays, is phosphorylated by casein kinase II (CKII), and CKII phosphorylation of the L1ICD enhances binding of the 14-3-3 zeta isoform (14-3-3ζ). Interestingly, in an in vitro phosphorylation assay, 14-3-3ζ promoted CKII-dependent phosphorylation of the L1ICD. Given that L1 phosphorylation by CKII has been implicated in L1-triggered axonal elongation, we investigated the influence of 14-3-3ζ on L1-dependent neurite outgrowth. We found that expression of a mutated form of 14-3-3ζ, which impairs interactions of 14-3-3ζ with its binding partners, stimulated neurite elongation from cultured rat hippocampal neurons, supporting a functional connection between L1 and 14-3-3ζ. CONCLUSIONS/SIGNIFICANCE: Our results suggest that 14-3-3ζ, a novel direct binding partner of the L1ICD, promotes L1 phosphorylation by CKII in the central nervous system, and regulates neurite outgrowth, an important biological process triggered by L1

Oxygen and Carbon Isotope Variations in a Modern Rodent Community – Implications for Palaeoenvironmental Reconstructions

Background: The oxygen (d18O) and carbon (d13C) isotope compositions of bioapatite from skeletal remains of fossil mammals are well-established proxies for the reconstruction of palaeoenvironmental and palaeoclimatic conditions. Stable isotope studies of modern analogues are an important prerequisite for such reconstructions from fossil mammal remains. While numerous studies have investigated modern large- and medium-sized mammals, comparable studies are rare for small mammals. Due to their high abundance in terrestrial ecosystems, short life spans and small habitat size, small mammals are good recorders of local environments. Methodology/Findings: The d18O and d13C values of teeth and bones of seven sympatric modern rodent species collected from owl pellets at a single locality were measured, and the inter-specific, intra-specific and intra-individual variations were evaluated. Minimum sample sizes to obtain reproducible population d18O means within one standard deviation were determined. These parameters are comparable to existing data from large mammals. Additionally, the fractionation between coexisting carbonate (d18OCO3) and phosphate (d18OPO4) in rodent bioapatite was determined, and d18O values were compared to existing calibration equations between the d18O of rodent bioapatite and local surface water (d18OLW). Specific calibration equations between d18OPO4 and d18OLW may be applicable on a taxonomic level higher than the species. However, a significant bias can occur when bone-based equations are applied to tooth-data and vice versa, which is due to differences in skeletal tissue formation times. d13C values reflect the rodents’ diet and agree well with field observations of their nutritional behaviour. Conclusions/Significance: Rodents have a high potential for the reconstruction of palaeoenvironmental conditions by means of bioapatite d18O and d13C analysis. No significant disadvantages compared to larger mammals were observed. However, for refined palaeoenvironmental reconstructions a better understanding of stable isotope signatures in modern analogous communities and potential biases due to seasonality effects, population dynamics and tissue formation rates is necessary.Open-Access-Publikationsfonds 201

Oxygen and Carbon Isotope Variations in a Modern Rodent Community – Implications for Palaeoenvironmental Reconstructions

Background: The oxygen (d18O) and carbon (d13C) isotope compositions of bioapatite from skeletal remains of fossil mammals are well-established proxies for the reconstruction of palaeoenvironmental and palaeoclimatic conditions. Stable isotope studies of modern analogues are an important prerequisite for such reconstructions from fossil mammal remains. While numerous studies have investigated modern large- and medium-sized mammals, comparable studies are rare for small mammals. Due to their high abundance in terrestrial ecosystems, short life spans and small habitat size, small mammals are good recorders of local environments. Methodology/Findings: The d18O and d13C values of teeth and bones of seven sympatric modern rodent species collected from owl pellets at a single locality were measured, and the inter-specific, intra-specific and intra-individual variations were evaluated. Minimum sample sizes to obtain reproducible population d18O means within one standard deviation were determined. These parameters are comparable to existing data from large mammals. Additionally, the fractionation between coexisting carbonate (d18OCO3) and phosphate (d18OPO4) in rodent bioapatite was determined, and d18O values were compared to existing calibration equations between the d18O of rodent bioapatite and local surface water (d18OLW). Specific calibration equations between d18OPO4 and d18OLW may be applicable on a taxonomic level higher than the species. However, a significant bias can occur when bone-based equations are applied to tooth-data and vice versa, which is due to differences in skeletal tissue formation times. d13C values reflect the rodents’ diet and agree well with field observations of their nutritional behaviour. Conclusions/Significance: Rodents have a high potential for the reconstruction of palaeoenvironmental conditions by means of bioapatite d18O and d13C analysis. No significant disadvantages compared to larger mammals were observed. However, for refined palaeoenvironmental reconstructions a better understanding of stable isotope signatures in modern analogous communities and potential biases due to seasonality effects, population dynamics and tissue formation rates is necessary.Open-Access-Publikationsfonds 201

Penthetria montanaregis Skartveit 2009

<i>Penthetria montanaregis</i> Skartveit, 2009 <p> The collections of the Geoscience Museum in Göttingen also contain one male specimen of <i>Penthetria montanaregis</i> Skartveit, 2009 (GZG.BST.3399) that also derives from the old Königsberg University collection. This specimen holds no engraved original number. Instead an older inventory number was given to it in Göttingen during re-ordering in the 2. half of the 20th century (G 1547). This species has recently been redescribed (Skartveit 2021), the present specimen does not add any new information on its morphology.</p>Published as part of <i>Skartveit, John, Kaulfuss, Uwe & Gehler, Alexander, 2023, Redescription of Plecia borussica Meunier, 1907 from Baltic amber (Diptera, Bibionidae), pp. 595-600 in Zootaxa 5351 (5)</i> on page 599, DOI: 10.11646/zootaxa.5351.5.8, <a href="http://zenodo.org/record/8392442">http://zenodo.org/record/8392442</a&gt

Plecia borussica Meunier 1907

<i>Plecia borussica</i> Meunier, 1907: 395–396 <p>Lectotype (herein designated) GZG.BST.3390 (old no. Z 1655)—single male (Fig. 1). Paralectotypes: GZG.BST.3389 (old no Z 1734) (Fig. 2)— two males; GZG.BST.3396 (old no. Z 2762) (Fig. 3)— one male.</p>Published as part of <i>Skartveit, John, Kaulfuss, Uwe & Gehler, Alexander, 2023, Redescription of Plecia borussica Meunier, 1907 from Baltic amber (Diptera, Bibionidae), pp. 595-600 in Zootaxa 5351 (5)</i> on page 596, DOI: 10.11646/zootaxa.5351.5.8, <a href="http://zenodo.org/record/8392442">http://zenodo.org/record/8392442</a&gt