Morphologische und organische spektroskopische Untersuchungen einer 44

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 5876 (2023) Diesen Artikel zitieren

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Diese Studie beschreibt detailliert die Qualität der Erhaltung von Bernsteinvorkommen im Eozän. Durch Crack-Out-Studien zu baltischem Bernstein mittels Synchrotron-Mikrocomputertomographie und Rasterelektronenmikroskopie wurde festgestellt, dass die Kutikula eines Exemplars des Blattkäfers (Crepidodera tertiotertiaria (Alticini: Galerucinae: Chrysomelidae)) außergewöhnlich gut erhalten ist. Die spektroskopische Analyse mittels Synchrotron-Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie deutet auf das Vorhandensein von abgebautem \(\upalpha\)-Chitin in mehreren Bereichen der Kutikula hin, und die energiedispersive Spektroskopie unterstützt das Vorhandensein einer organischen Konservierung. Diese bemerkenswerte Erhaltung ist wahrscheinlich das Ergebnis mehrerer Faktoren, wie zum Beispiel der günstigen antimikrobiellen und physikalischen Schutzeigenschaften des baltischen Bernsteins im Vergleich zu anderen Ablagerungsmedien, gepaart mit der schnellen Dehydrierung des Käfers zu Beginn seines taphonomischen Prozesses. Wir liefern Beweise dafür, dass Crack-Out-Studien von Bernsteineinschlüssen, obwohl sie für Fossilien von Natur aus zerstörend sind, eine wenig genutzte Methode zur Untersuchung außergewöhnlicher Erhaltungen in tiefer Zeit sind.

Bernsteineinschlüsse (versteinertes Pflanzenharz) sind eine entscheidende Informationsquelle für die Rekonstruktion antiker Ökosysteme, da sie auf kleinere Tiere wie Insekten ausgerichtet sind, die ansonsten in Sedimentumgebungen nicht gut vertreten sind1. Diese Einschlüsse weisen häufig eine „lebensechte“ 3D-Erhaltung auf und liefern deutlich mehr morphologische Informationen als Abgüsse oder Kompressionsfossilien2. Dies führt zu einer allgemeinen Erhaltung der Kutikula3 (einschließlich der Strukturfarben4,5) sowie der inneren Weichteilstrukturen von Wirbellosen2 im Bernstein. In größeren Bernsteinstücken kann eine hochpräzise Wirbeltierkonservierung in Exemplaren mit kleinerem Körper6,7 oder in Teilen von Exemplaren wie Federn8 gefunden werden. Auch Pflanzen3, Pilze9 und Mikroben10 sind im Bernstein gut vertreten. Es wurden Versuche unternommen, den organischen Gehalt in Bernsteineinschlüssen mit nicht-invasiven Methoden zu bestimmen11,12,13, diese sind jedoch in ihrer Auflösung und ihrem Umfang zur molekularen Identifizierung begrenzt.

Trotz der großen Menge an Berichten über eine außergewöhnliche morphologische Erhaltung gibt es nur sehr wenige moderne Studien, die versuchen, organische Stoffe aus dem Inneren von Bernstein zu extrahieren. Die abschirmenden und antibiotischen Eigenschaften von Bernstein bieten das Potenzial, organische Moleküle besser zu konservieren als jedes andere Medium14. Im Allgemeinen sind fossile Materialien wie Knochen porös, sodass sie einer Wechselwirkung mit umgebenden Sedimenten und Porenflüssigkeiten ausgesetzt sind. Wenn in Fossilien noch organische Bestandteile vorhanden sind, werden diese im Allgemeinen zahlenmäßig von anorganischem Material in den umgebenden Geweben oder Wirtsgesteinen übertroffen. Die Auswirkungen von Verwitterung und Diagenese sowie die Möglichkeit von exogenem organischem Material als Kontaminanten erschweren die Spektralinterpretation15. Glücklicherweise stellt Bernstein als Konservierungsmedium ein im Wesentlichen geschlossenes System dar (außer in Ausnahmefällen16), so dass anorganische und organische Beiträge aus Sedimenten voraussichtlich minimal sind. Die Freilegung von Bernsteineinschlüssen durch eine Crack-Out-Studie an gut erhaltenen Exemplaren bietet die Möglichkeit, unter optimalen Konservierungsbedingungen auf organisches Material zu testen.

Das organische Molekül, das das größte Potenzial hat, in Insekten erhalten zu bleiben, ist Chitin aus ihren Exoskeletten17. Chitin \((\text{C}_8 \text{H}_{13} \text{O}_5 \text{N})_n\) ist ein strukturelles Aminopolysaccharid auf Glucosebasis, das in der Natur reichlich vorhanden ist und im Skelett vorkommt Strukturen vieler Wirbelloser wie Schwämme18, Korallen19, Krebstiere20, Spinnentiere21, Zellwände von Pilzen22 und die Nagelhaut von Insekten23. Es sind drei Polymorphe von Chitin bekannt: \(\upalpha\)-Chitin, das in Arthropoden, Pilzen und Schwämmen vorkommt; \(\upbeta\)-Chitin kommt in Mollusken und Kieselalgen vor; und eine seltene \(\upgamma\)-Chitinform, die in Insektenkokons vorkommt24,25. Insbesondere bei Insekten trägt Chitin als Teil des Protein-Chitin-Komplexes in der Kutikula zur Stärkung des Exoskeletts bei und es wird erwartet, dass es im Vergleich zu anderen organischen Makromolekülen wie DNA oder Proteinen weniger leicht zerfällt17. Allerdings kommt Chitin im Fossilienbestand der letzten eine Million Jahre nicht häufig vor15. Das älteste angenommene fossile Insekten-Chitin (\(\scriptstyle \sim\)25 Ma) war ein Käfer, der im Seeschiefer der Lagerstätte Enspel, Deutschland26, gefunden und 1997 beschrieben wurde. Seitdem gibt es in der Literatur nur wenige Behauptungen über die Erhaltung von Chitin für Zeiträume nach dem Oligozän für irgendein Tier (Behauptungen umfassen: \(\scriptstyle \sim\)34 Ma Tintenfisch27, \(\scriptstyle \sim\)200 Ma Gastropodenei Kapsel28, Chitin-Protein-Komplex in \(\scriptstyle \sim\)310 Ma Skorpion und \(\scriptstyle \sim\)417 Ma Eurypterid29, \(\scriptstyle \sim\)505 Ma Schwamm30, 810 bis 715 Ma Pilz-Mikrofossilien31 ). Während in diesen Studien Fossilien aus Schiefergesteinen untersucht wurden, stammen noch weniger Chitin-Ansprüche aus Harzen. Einer Studie11 gelang es mithilfe der Röntgen-Raman-Streuung, Hinweise auf Chitin-ähnliche Polysaccharide in der Kutikula einer Ameise aus eozänem Bernstein zu finden.

Baltischer Bernstein kommt rund um die Ostseeregion vor und stammt aus dem Eozän. Die Ablagerung entstand vor 44 Millionen Jahren und ist für ihre gut erhaltenen Insekteneinschlüsse bekannt14. Die Konservierung in Bernstein ist am besten, wenn das Insekt nach dem Tod schnell dehydriert, sodass sich die Kutikula des Insekts von der Bernsteinmatrix lösen kann2. In diesen Fällen sind Chitinfasern und sogar die ursprüngliche Nagelhautfarbe zu sehen4. Baltischer Bernstein ist reich an Artenvielfalt, einschließlich der Gattung Crepidodera, von der bekannt ist, dass sie über 40 moderne Arten enthält, und ist Teil einer viel größeren Familie von Blattkäfern (Chrysomelidae)32. Derzeit sind drei fossile Arten von Crepidodera bekannt: C. decolorata33, C. svetlanae34 und C. tertiotertiaria32. Das Vorkommen dieser Käfergattung sowohl in Fossiliensammlungen als auch in modernen Faunen ermöglicht uns direkte Vergleiche mit modernen Analoga.

In dieser Studie analysierten wir die Erhaltung der Nagelhaut und der organischen Substanz in Insekteneinschlüssen aus baltischem Bernstein mithilfe der Synchrotron-Mikrocomputertomographie (SR-\(\upmu\)CT) und der Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (SR-FTIR) sowie der Rasterelektronenmikroskopie (SEM). ) mit energiedispersiver Spektroskopie (EDS). Mithilfe dieser Methoden haben wir einen Probenauswahlprozess entwickelt, der zur Rechtfertigung einer invasiveren Analyse von Bernsteineinschlüssen verwendet werden kann. Gegebenenfalls wurden Vergleiche sowohl mit der vorhandenen als auch mit der ausgestorbenen Käferkutikula durchgeführt. Der Schwerpunkt der Studie liegt auf einem besonders gut erhaltenen Exemplar von C. tertiotertiaria aus einer für Crack-out-Studien ausgewählten Bernsteinprobe.

Die interessierenden Bernsteinproben wurden in der Nähe der Halbinsel Sambia (Samland) in der Region Kaliningrad in Russland gesammelt und kommerziell erworben. Sie befinden sich als Teil der Sammlung des Royal Saskatchewan Museum (RSM) als „RSKM_P3300.88“, das hier als „Baltic 83“ bezeichnet wird, und als „RSKM_P3300.144“, das hier als „Baltic 145“ bezeichnet wird. Für eine detaillierte Analyse wurde Baltic 83 ausgewählt, da es auf der Oberfläche des Exoskeletts ein silbernes Aussehen aufwies, was darauf hindeutet, dass sich das Exoskelett von der Oberfläche des Bernsteins gelöst hat. In diesem Fall ermöglichte es die Analyse der Kutikulastruktur mittels REM. Dies bedeutete auch, dass die chemische Zusammensetzung der Nagelhaut mittels FTIR untersucht werden konnte, da Nagelhautschuppen leicht entfernt werden konnten.

Der Bernstein wurde in der Mitte des Insektenkörpers aufgebrochen, um die Nagelhautstudien an einigen der dicksten Nagelhautabschnitte des Körpers durchzuführen. Dies wurde erreicht, indem der Bernstein zunächst bis auf 1 mm an den Einschluss poliert wurde. Mit einer Rasiersäge wurde entlang der Verbindung zwischen Halsschild und Flügeldecken ein dünner Oberflächenschnitt vorgenommen. Anschließend wurde die Probe mit entionisiertem Wasser gewaschen, um Öle und andere mögliche Verunreinigungen zu entfernen. Anschließend wurde die Probe durch Druckausübung entlang des Schnitts mit sauberen Seitenschneidern, die mit OP-Handschuhen über einem Blatt Aluminiumfolie angefasst wurden, geknackt. Während der resultierende Spalt eine gezackte Kante hinterließ, stellte die Verwendung dieser Methode sicher, dass wir die Einschlussoberfläche nicht direkt berührten, wodurch eine mögliche Kontamination vermieden wurde. Infolgedessen wurde die Probe in zwei Teile geteilt, eines, das den Kopf und den größten Teil des Brustkorbs bedeckt (Baltic 83A), und ein größeres Stück, das den gesamten Bauch bedeckt (Baltic 83B). Die beiden Bernsteinstücke wurden zur Lagerung in Zentrifugenröhrchen gegeben.

Alle Exemplare wurden mit einem Visionary Digital-Bildgebungssystem fotografiert, das eine optische Canon EQS 5D-Kamera mit einem Canon MP-E 65-mm-Makrofotografieobjektiv umfasst. Es wurden mehrere Fotos über verschiedene Brennebenen hinweg aufgenommen, um eine erweiterte Schärfentiefe mit hoher Auflösung abzubilden. Diese Bilder wurden in der Software Helicon Focus 7.7.4 verarbeitet und in Adobe Photoshop CS6 weiter bearbeitet, um zur Veröffentlichung bereite Abbildungen zu erstellen.

Mikrocomputertomographie mit Phasenkontrastbildgebung (\(\upmu\)CT-PCI)-Scans wurden an der Strahllinie der Biomedical Imaging and Therapy Facility (BMIT-ID) der Synchrotronlichtanlage Canadian Light Source durchgeführt. Die verwendete Strahlenergie betrug 30 keV und der Abstand zwischen Probe und Detektor betrug 0,1 m. Zur Erstellung der tomographischen Schichten wurden 2500 Projektionen über 180\(^{\circ }\) bei einer Belichtungszeit von 600 ms aufgenommen. Die Schichten haben eine Voxelauflösung von 1,4 μm. Beide Teile von Baltic 83 wurden unter ähnlichen Parametern abgebildet.

Zur Vorbereitung der CT-Schnitte (z. B. Zuschneiden, Kontrastverstärkung, Stapeln von Bildern) wurde die kostenlose Software Fiji (ImageJ) verwendet. Zur Segmentierung des CT-Modells wurde die Software Dragonfly Pro (4.1) (https://www.theobjects.com/dragonfly/) verwendet. Das endgültige 3D-Rendering des Beispiels wurde mit MeshLab für Umgebungsokklusion und ZBrush für Materialien und Schattierung erstellt. Mit der Rendering-Software Blender (2.95) wurden die beiden Teile von Baltic 83 wieder zu einem einzigen 3D-Modell zusammengefügt. Die im Rahmen der \(\upmu\)CT-Analyse in dieser Studie generierten Schnittdaten und 3D-Modelle sind bei MorphoSource (https://www.morphosource.org/projects/000495948) verfügbar.

Für die FTIR-Analyse wurden kleine Nagelhautschuppen, die lose an der Körperhöhle hafteten, mit einer gereinigten Stahlnadel extrahiert und in ein Zentrifugenröhrchen über eine Aluminiumfolienoberfläche bewegt. Für die Übertragung auf Messobjektträger im Synchrotronlabor wurden die Nagelhautflocken mit der gleichen Nadeltechnik auf Salzscheiben übertragen.

FTIR-Scans wurden an der Mittelinfrarot-Strahllinie (Mid-IR) der Synchrotronlichtanlage Canadian Light Source durchgeführt. Infrarotlicht wird über einen Biegemagneten erzeugt und durch das Bruker Vertex 70v-Interferometer gesendet. Um den Synchrotronstrahl auf die Probe zu fokussieren, wurde das Hyperion 3000 IR-Mikroskop mit 35-facher Objektivlinse verwendet. Für die interessierenden Proben arbeitete das Spektrometer im Transmissionsmodus und zeichnete 256 Probenspektren mit einer Punktgröße von 12 μm und einer spektralen Auflösung von 4 cm\(^{-1}\) auf. Für jeden Scan wurden Ausreißerspektren aus dem Satz von 256 Proben entfernt und die verbleibenden Spektren wurden gemittelt, um die dargestellten rohen FTIR-Spektren zu erzeugen.

Die Infrarotspektren wurden mit Quasar Spectroscopy (0.9)35, einer Open-Source-Ergänzung zum Orange-Datenanalyse-Framework, vorverarbeitet (Normalisierung, Basislinienkorrektur, Ableitung, Glättung). Die endgültigen FTIR- und EDS-Spektren wurden mit dem CERN ROOT-Datenanalyse-Framework (v6.20/06) visualisiert.

Für die erste REM-Analyse (vor der Extraktion der Nagelhautflocken) wurde eines der beiden Bernsteinstücke von Baltic 83 untersucht. Die Wahl fiel auf Baltic 83B, da es entlang seiner gebrochenen Oberfläche Flügeldecken enthielt, die freigelegt waren. Das Stück wurde mit Gold sputterbeschichtet, um die Abbildung zu verbessern (dh um die Aufladung zu minimieren), während der andere Bernsteinblock unbehandelt blieb. Die SEM-Analyse wurde mit dem JEOL JSM-6010LV-Mikroskop am Department of Earth and Atmospheric Sciences der University of Alberta durchgeführt. Der Secondary Electron Imaging (SEI)-Modus wurde verwendet, um Bilder mit dreidimensionaler Tiefe zu erzeugen. Es wurden viele Bilder von freigelegten Nagelhautzementschichten auf der Rissoberfläche gemacht. Zum Vergleich wurden auch Kutikulaschichten der Flügeldecken eines modernen Prachtkäfers (Buprestidae: Sternoceras ruficornis) abgebildet.

Weitere SEM-Bildgebung und energiedispersive Spektroskopie (EDS)-Analyse (nach der Extraktion der Nagelhautflocken) wurden in der Elektronenmikrostrahlanlage der Fakultät für Naturwissenschaften der Universität Regina unter Verwendung eines Tescan Vega 3-Mikroskops durchgeführt, das mit einem EDAX-Apex EDS-System ausgestattet war. Alle Proben wurden am Western College of Veterinary Medicine der University of Saskatchewan mit Gold beschichtet. Sekundärelektronenbilder wurden mit einer Beschleunigungsspannung von 10 KeV aufgenommen. Für die EDS-Flächenmessungen wurden 200 s Live-Zeiten verwendet, um die Zählstatistik zu verbessern. Die nominalen Arbeitsabstände betrugen 11–12 mm.

Zunächst wurde eine optische Mikroskopie durchgeführt, um zu beurteilen, ob es sich lohnt, Baltic 83 für weitere bildgebende und organische spektroskopische Untersuchungen zu verfolgen. Es kann ein Vergleich der hervorragenden und schlechten Erhaltung verschiedener Insekteneinschlüsse aus baltischem Bernstein durchgeführt werden (Abb. S1), den wir als erstes Auswahlkriterium für die organische Spektroskopie verwendeten. Sowohl bei Baltic 83 als auch bei Baltic 145 lässt sich auf eine außergewöhnliche Erhaltung schließen, da sich die Kutikula vom umgebenden Bernstein gelöst hat und die ursprüngliche grün reflektierende Farbe zu sehen ist (Abb. S1A,B). REM-Bilder (Abb. S1C) zeigen den Erhalt einer klaren Schicht in der Kutikula, was im Gegensatz zu Beispielen für den üblichen (aber schlechten) Erhaltungsgrad in baltischen Bernsteineinschlüssen über RSKM_P3300.83 (ein zum Vergleich verwendeter flacher Borkenkäfer) steht. Die Kutikula des Insekts ist noch an der Bernsteinwand befestigt und in viele Stücke zerbrochen (Abb. S1F). Die Nagelhaut erscheint im SEM-SE-Bild als einzelnes Blatt (Abb. S1G). Fotos von Baltic 83 wurden nach der Spaltung in zwei Bernsteinstücke aufgenommen (Abb. 1A).

Es wurden hochauflösende CT-Scans von Baltic 83A und Baltic 83B durchgeführt, um die Merkmale des Äußeren und Inneren des eingebetteten Insekts aufzulösen und ein 3D-Modell zu erstellen. Das vollständige externe CT-Rendering von Baltic 83 kombiniert die einzelnen Amber-Scans (Abb. 1B). Die Abmessungen der Probe betragen 2,2 mm × 1,0 mm × 0,8 mm. In der offensichtlichen Aushöhlung auf der Rückseite des Insekts wurden die Nagelhautflocken für die spektroskopische Analyse entfernt. Die äußere Nagelhautkonservierung ist gut definiert und weist eine deutliche Perforation der Flügeldecken auf. Die Körperhöhle ist zwar größtenteils leer, weist jedoch Reste von Weichgewebe, einschließlich erhaltener Genitalien, auf.

Die hervorragende Erhaltung äußerer und innerer Strukturen ermöglichte eine taxonomische Zuordnung des Exemplars. Die folgenden Merkmale32 werden bei der Bestimmung der Art als C. tertiotertiaria und nicht als andere bekannte fossile Crepidodera herangezogen: längere hervorstehende Pronotalpunktion, deutlich kleinerer Durchmesser der Antennenhöhle, schmalere Antennenkalli und eine Körpergröße von knapp über 2 mm. Das Vorhandensein der Spermatheca-Kapsel (in der 3D-Darstellung rosa dargestellt) in den Genitalien weist darauf hin, dass das Insekt weiblich ist.

Fotos und 3D-CT-Renderings von Baltic 83. (A) Rissoberfläche und Seitenansichten beider Teile von Baltic 83, mit markierter Position des Käfereinschlusses. Baltic 83B wurde für die SEM-Analyse mit Gold beschichtet. (B) CT-Darstellungen der dorsalen, lateralen und ventralen Ansichten des gesamten Körpers der C. tertiotertiaria-Probe. Voxelgröße = 1,4 μm. Die Aushöhlung auf der Rückenseite weist auf den Extraktionsort der Kutikulaflocken für die FTIR-Analyse hin. Die hervorragende Erhaltung ermöglicht die Segmentierung der weiblichen Genitalien des Insekts auf der rechten Seite. Segmentiert sind die Spermatheca-Kapsel (rosa), der Endteil (grün) sowie die Spermatheca-Drüse und der Spermatheca-Gang (rot). Kennzeichnung der Genitalien ab 36.

Die Elektronenmikroskopie ermöglicht die Abbildung der freigelegten Kutikula von Baltic 83 in viel höherer Auflösung und ermöglicht so die Untersuchung einzelner Kutikulaschichten. Erste REM-Bilder von Baltic 83 (Abb. 2) wurden aufgenommen, bevor die Nagelhautflocken für spektroskopische Untersuchungen entfernt wurden. Die ventrale und dorsale Kutikula sind gut freigelegt und vom Bernstein getrennt. Die Nagelhautflocken für die FTIR-Analyse wurden aus Bereichen entnommen, in denen die Nagelhautplatten am weitesten vom Bernstein entfernt waren (Abb. 2A, B). Dieser Bereich wurde auch bei höherer Vergrößerung untersucht, was den mikrostrukturellen Erhalt der Kutikula in diesem Bereich veranschaulicht (Abb. 2C, D), was typisch für die erhaltene Kutikulastruktur von Baltic 83B ist. Dünnhäutige Strukturen (z. B. Luftröhre) und Reste von Weichgewebe bleiben in der Körperhöhle in der Nähe des Nagelhautentnahmebereichs erhalten (z. B. Abb. 2D), finden sich aber auch in anderen Bereichen der freigelegten Nagelhaut.

In diesem Bereich der fossilen Kutikula zwischen der äußeren Wachsschicht und dem Rest der Exokutikula ist eine degradierte Mehrschichtreflektorstruktur (MLR) zu erkennen (Abb. 2D, E). Es scheint eine Art Niederschlag zu geben, der die Schichten teilweise bedeckt, es sind jedoch Reste von Linien zu erkennen. Ein Vergleich mit frischer Nagelhaut eines modernen Prachtkäfers (Abb. 2F) stützt diese strukturelle Interpretation. Mit diesen Bildern kann möglicherweise in einer zukünftigen Studie eine Farb-/Reflexionsanalyse durchgeführt werden. Allerdings sind in den meisten Abschnitten der Kutikula MLRs nicht erhalten (z. B. Abb. 2C). Aufgrund dieser unerwarteten MLR-Erhaltung wurde dieser Bereich der Kutikula gezielt für die Entfernung von Flocken ausgewählt, um mittels Spektroskopie nach organischen Signaturen zu suchen.

SEM-Sekundärelektronen-Kutikulabilder des freigelegten Käfers in Baltic 83B, aufgenommen vor der CT-Bildgebung und Spektroskopie. (A) Ein Übersichtsbild des freigelegten Abschnitts. Freiliegende Kutikula ist sowohl auf der dorsalen (unten) als auch auf der ventralen (oben) Seite zu sehen. (B) Vergrößerung eines Abschnitts der Kutikula auf den Flügeldecken. (C) Weitere Vergrößerung der Nagelhaut (oberer roter Kastenbereich in (B)). Typischerweise ist hier die gesamte freigelegte Kutikula konserviert. (D) Ein anderer Nagelhautabschnitt (unterer roter Kastenbereich in (B)), der eine weitgehende Erhaltung der Luftröhre aufweist (rote Pfeile). (E) Eine Nahaufnahme der freigelegten Nagelhaut aus dem Bereich von (D) mit degradierter Mehrschicht-Reflektorschicht (MLR). (F) Vergleichsbild eines modernen Prachtkäfers im gleichen Maßstab wie (E) zum direkten Vergleich der MLR-Erhaltung. Exo: Exokutikula, MLR: mehrschichtiger Reflektor, Wachs: wachsartige äußere Nagelhautschicht.

Drei Flocken aus der Insektenkutikula von Baltic 83 wurden für die Infrarotspektroskopieanalyse ausgewählt: eine vom Pronotum von Baltic 83A und andere vom Sternit und Elytron von Baltic 83B (Abb. 3A, S2).

Amide sind organische funktionelle Gruppen, die das Rückgrat von Proteinen bilden und in vielen organischen Molekülen wie Chitin, einem Amidderivat, vorkommen. Daher ist das Vorhandensein von Amidbanden in einer Probe ein Hinweis auf den organischen Gehalt. Zu den charakteristischen Schwingungsmoden von Amiden gehören Amid I (\(\scriptstyle \sim\)1650 cm\(^{-1}\), C=O-Streckung), Amid II (\(\scriptstyle \sim\)1550 cm\(^ {-1}\), N-H-Biegung und C-N-Streckung), Amid III (\(\scriptstyle \sim\)1400–1200 cm\(^{-1}\), N-H-Biegung und C– N-Streckung) und Amid A und B (\(\scriptstyle \sim\)3300 cm\(^{-1}\) und \(\scriptstyle \sim\)3070 cm\(^{-1}\), N-H-Streckung)37. Charakteristische „Fingerabdruck“-Chitin-Peaks basieren auf Zucker und liegen im Niederfrequenzbereich (1200–1000 cm\(^{-1}\), C–O–C und C–O-Streckung). Zu den Hauptbändern gehören38: \(\scriptstyle \sim\)1157 cm\(^{-1}\), \(\scriptstyle \sim\)1113 cm\(^{-1}\), \(\scriptstyle \sim \)1072 cm\(^{-1}\), \(\scriptstyle \sim\)1021 cm\(^{-1}\).

Das Halsschildspektrum weist scharfe Banden auf, von denen bekannt ist, dass sie Teil organischer/Amidkomponenten sind. Die spektroskopische Analyse des Pronotumspektrums zeigt jedoch eine starke Proteinsignatur, die wahrscheinlich auf eine Kontamination durch den Menschen zurückzuführen ist (siehe ergänzende Informationen). Die \(\upalpha\)-Helix-Subbandstruktur des Amid-I-Proteins (Abb. S3A; Tabelle S1) ist eine Signatur, die in menschlichem Kollagen zu finden ist: Ihr Vorhandensein in der Pronotumprobe widerlegt wahrscheinlich die Möglichkeit einer endogenen Proteinkonservierung , da Käfer-Cuticula-Proteine \(\upbeta\)-Faltblatt-dominiert sind39. Folglich wurde Baltic 83A keiner weiteren Analyse unterzogen. Ähnlich wie beim Pronotum weisen die Spektren für Sternit und Elytron bemerkenswerte Banden im organischen/Amid-Bereich auf (Abb. 3A). Die Sternit- und Elytron-Spektren scheinen die gleiche Signatur zu haben, aber da die Elytron-Spektralpeaks besser definiert sind, wird sie hier im Mittelpunkt der FTIR-Analyse stehen (siehe Ergänzende Informationen zur Sternit-Analyse; Tabelle S2).

Ein spektraler Vergleich kann zwischen dem Elytronspektrum und einer \(\upalpha\)-Chitin-Referenz40 durchgeführt werden (Abb. 3B; Tabelle 1). Das Vorhandensein von Banden in Amidregionen und CH-Lipidsignaturen im Elytronspektrum stützen das Vorhandensein organischer Inhalte. Nahezu alle Peaks des Elytron-Spektrums können Peaks der \(\upalpha\)-Chitin-Referenz zugeordnet werden. Die Peaks des Elytron-Spektrums sind im Vergleich zur Chitin-Referenz um 3,7 ± 5,7 cm\(^{-1}\) höherfrequent. Eine zweite \(\upalpha\)-Chitin-Referenz hat Peaks, die 0,5 ± 5,7 cm\(^{-1}\) niedriger sind als die Elytronspektren38. Mithilfe von FTIR ist der Hauptfaktor zur Abgrenzung zwischen den drei Polymorphen von Chitin die Aufspaltung der Amid-I-Bande. Es ist bekannt, dass \(\upgamma\) und \(\upalpha\)-Chitin eine Aufspaltung der Amid-I-Bande in zwei Unterbanden aufweisen, wobei \(\upbeta\)-Chitin ungeteilt ist24. Elytron-Banden bei 1661 cm\(^{-1}\) und 1623 cm\(^{-1}\), die vorläufig Amid I zugeordnet werden, stimmen mit dieser Aufspaltung überein. Im Vergleich zu den Referenzen von frischem Chitin erscheinen die Banden des Flügeldeckenspektrums allgemein verbreitert. Eine experimentelle Studie zum Chitinabbau41 ergab einen allgemeinen Intensitätsverlust (insbesondere bei den charakteristischen Zuckerspitzen) bei Einwirkung hoher Temperaturen. Diese Studie berichtete auch über eine neue, große Bande bei 1720 cm\(^{-1}\), die aufgrund der Oxidation der Probe der Carbonylgruppe C=O zugeordnet wurde. Das Flügeldeckenband bei 1713 cm\(^{-1}\) wurde vorläufig einer Oxidation innerhalb des Fossils zugeordnet. Die verringerte Intensität der IR-Spektralbanden im Vergleich zu frischem Chitin kann als Bruch des Chitinmoleküls in kleinere Fragmentketten aufgrund von Dehydratisierungs-, Deacetylierungs- und Depolymerisationsreaktionen interpretiert werden27,41. Die in den Elytron/Sternit-Spektren identifizierten Moleküleinheiten stimmen mit der (zumindest teilweisen) Erhaltung von \(\upalpha\)-Chitin überein.

Es wurden Vergleiche zwischen mehreren anderen möglichen organischen Beiträgen zu den FTIR-Spektren der Elytron- und Sternit-Kutikulaflocken angestellt (Abb. S3): Es wurden jedoch keine potenziellen Kontaminationsquellen identifiziert. Von Chitin abgeleitete Strukturen können einer Diagenese unterliegen, die zu einer aliphatischen Zusammensetzung führt, die als Kerogen bekannt ist15. Ein Vergleich des Elytron-Spektrums mit Kerogenspektren vom Typ 1 zeigt, dass es möglicherweise zu dieser Art von Veränderung gekommen ist (Abb. S3C), diese ist jedoch nicht umfangreich. Beiträge aus anderen organischen Quellen scheinen vernachlässigbar zu sein.

FTIR-Analyse von Kutikulaflocken aus Baltic 83. (A) Gemittelte Rohspektren für die drei analysierten Flocken vom Pronotum (grün), Sternit (rot) und Elytron (blau). Die Halsschildflocke stammt aus Baltic 83A, während die anderen beiden aus Baltic 83B stammen. Allgemeine Bereiche von Amid-/organischen Komponenten sind zum Vergleich überlagert. (B) Bereiche mit hoher und niedriger Wellenzahl im Vergleich des normalisierten Elytron-Spektrums mit einer \(\upalpha\)-Chitin-Referenz40. Die Normalisierung der Spektren zum Vergleich wurde mithilfe der Gummibandmethode über den Bereich 3800–800 cm\(^{-1}\) durchgeführt, gefolgt von der Skalierung des größten Peaks auf Eins. Die Zuordnungen der Infrarotbanden für die Elytron- und \(\upalpha\)-Chitin-Referenzspektren finden Sie in Tabelle 1.

Durch die Kombination von SEM-Bildern mit EDS können wir die chemische Zusammensetzung der in Baltic 83B in situ konservierten Kutikula interpretieren (Abb. 4). EDS-Ergebnisse zeigen, dass die Sternit-Kutikula fast ausschließlich aus Elementen besteht, die mit organischen Stoffen in Zusammenhang stehen: Kohlenstoff (K\(\upalpha\) 277 eV), Sauerstoff (K\(\upalpha\) 525 eV) und Spuren von Stickstoff (K). \(\upalpha\) 392 eV). Das Kutikulaspektrum weist auch messbare Mengen an Kalzium auf (K\(\upalpha\) 3690 eV und K\(\upbeta\) 4013 eV). Über 4500 eV hinaus sind keine weiteren Elementpeaks vorhanden. Da Bernstein ein relativ geschlossenes System darstellt, ist es unwahrscheinlich, dass das nachgewiesene Kalzium (Abb. 4D) aus einer externen Quelle außerhalb des Insekts stammt, beispielsweise aus Kalziumkarbonatkristallen. Es ist bekannt, dass Calcium sowie andere Metalle im Prozess der Sklerotisierung als Keime für die Vernetzung zwischen \(\upalpha\)-Chitin und Proteinen in der Kutikula fungieren38. Elytron-Kutikula wurde ebenfalls untersucht und weist eine ähnliche Zusammensetzung auf (Abb. S4). Es wurden quantitative Analysen der Spektren durchgeführt (einschließlich der Berechnung der Kohlenstoff-Sauerstoff-Verhältnisse); Aufgrund der Unsicherheit in der quantitativen EDS-Analyse können wir jedoch allein aus den SEM-EDS-Ergebnissen keine Hinweise auf eine Chitinkonservierung finden (siehe ergänzende Informationen; Tabellen S3, S4). Quantitative Analysen deuten darauf hin, dass der Proteinbeitrag in der Elytron-/Sternit-Kutikula aufgrund der geringen relativen Mengen an Stickstoff und Sauerstoff minimal ist.

SEM-EDS-Analyse von Baltic 83. (A) SE-Bild des freigelegten Käfers in Baltic 83B nach der Entfernung der Flocken für die FTIR-Analyse. (B) Abschnitt der freigelegten Sternit-Kutikula mit markierter Stelle für die EDS-Untersuchung. (C) Abschnitt des nahegelegenen Bernsteins mit EDS-Sondierungsort. (D) EDS-Spektralvergleich der Sternit-Kutikula (blau) und des baltischen Bernsteins (rot), mit Einschub einer Vergrößerung des Bereichs mit niedrigem eV. Gold-M-Peaks zwischen 1500 und 2500 eV sind auf den Beschichtungsprozess zurückzuführen und kommen nicht nativ in der Probe vor. Der Bernstein enthält nur Kohlenstoff und Sauerstoff, während die Nagelhaut auch Spuren von Stickstoff und Kalzium enthält.

Erste Ergebnisse einer hervorragenden Erhaltung in Baltic 83 können mit REM- und \(\upmu\)CT-Bildgebung erkannt werden. Das Exemplar weist eine erhaltene Strukturfarbe mit beeinträchtigten mehrschichtigen Reflektoren in der Kutikula sowie inneren Weichgeweben wie den Genitalien auf. Fossile Strukturen, die morphologisch gut erhalten sind, geben Anlass für weitere Analysen mithilfe der Spektroskopie auf der Suche nach organischen Stoffen. Die Ergebnisse der FTIR-Analyse lassen darauf schließen, dass in Baltic 83B Reste von Kutikula-Chitin erhalten bleiben. Fast alle spektralen IR-Peaks von Elytron und Sternitflocken können mit einem \(\upalpha\)-Chitin-Standard abgeglichen werden. Die Intensität der Chitineinheiten scheint über das gesamte Spektrum hinweg verringert zu sein, wobei ihr Aussehen am ehesten mit thermisch abgebautem Chitin vergleichbar ist41. Die SEM-EDS-Ergebnisse liefern die qualitative chemische Zusammensetzung der konservierten Kutikula und zeigen, dass ihre Zusammensetzung von Kohlenstoff und Sauerstoff dominiert wird, mit Spurenmengen von Stickstoff und Kalzium.

Bei allen Behauptungen über die Erhaltung organischer Stoffe in Fossilien muss auf mögliche Formen der Kontamination geachtet werden. Die Ergebnisse des Pronotum-FTIR-Spektrums zeigen, dass es höchstwahrscheinlich von einer menschlichen Verunreinigung dominiert wird, wodurch die Spektralergebnisse ungültig werden. In der freigelegten Kutikula von Baltic 83A liegt möglicherweise zugrunde liegendes endogenes organisches Material vor, es wäre jedoch ehrgeizig, dieses Material mithilfe der Spektralmethoden der Studie von der Überlappung eines starken exogenen Proteinsignals zu unterscheiden. Baltic 83A war nicht Gegenstand der anfänglichen SEM-Analyse und wurde daher weniger behandelt als Baltic 83B. Dies zeigt, wie leicht eine Kontamination auftreten kann, selbst wenn aktiv dagegen vorgegangen wird (wie in den Methoden beschrieben). Natürlich können Bedenken hinsichtlich einer möglichen Chitinverunreinigung in Baltic 83B aus den Sternit- und Elytronproben geäußert werden, ähnlich wie bei Baltic 83A. Dies ist jedoch unwahrscheinlich, da Chitin keine mögliche Kontamination durch den Menschen darstellt. Es besteht auch eine geringe Möglichkeit einer Pilzkontamination, die zu einer \(\upalpha\)-Chitin-Signatur beiträgt, aber aus den REM-Bildern der Kutikula geht kein Beweis dafür hervor. Pilzzellen haben üblicherweise einen Durchmesser von 2 bis 10 μm42 und werden daher voraussichtlich in der SEM-Analyse beobachtet (Abb. 2C–E).

Die in dieser Studie präsentierten FTIR-Spektren scheinen sich optisch von anderen identifizierten fossilen Chitinsignaturen aus Schiefer zu unterscheiden. In einem 200 Ma großen Gastropoden-Ei28 scheint sich die Form und Position der spektralen Chitin-Peaks kaum zu verändern und kann daher eindeutig einer \(\upbeta\)-Chitin-Referenz zugeordnet werden. Die meisten berichteten FTIR-Spektren von fossilem Chitin (34 Ma Tintenfisch27, 505 Ma Schwamm30, 810–715 Ma Pilze31) ähneln eher Standardproteinspektren als nur Chitin. Es werden deutlich getrennte Amide I und II erhalten, jedoch mit einem niedrigen Frequenzbereich (<1500 cm\(^{-1}\)), der im Vergleich zu den vorgestellten Chitin-Referenzen nicht erkennbar ist und viele charakteristische Zuckerpeaks fehlen. Aus der FTIR-Analyse geht hervor, dass die Qualität des Spektrums in unseren Studien stärkere Hinweise auf \(\upalpha\)-Chitin zeigt als zuvor in der Literatur beschriebene Analyseversuche. Über FTIR- und EDS-Analysen hinaus haben frühere Arbeiten ihre Behauptungen über fossiles Chitin auf andere Methoden gestützt, darunter Immunhistochemie, Chromatographie, Raman-Spektroskopie, Massenspektroskopie, Röntgenabsorption nahe Kantenstruktur und Rastertransmissions-Röntgenmikroskopie27,28,29,30, 31. Wir planen, in einer zukünftigen Studie eine gründlichere, multitechnische quantitative Analyse der organischen Stoffe in der Kutikula von Baltic 83 und anderen ebenso gut erhaltenen baltischen Bernsteineinschlüssen in der RSM-Sammlung bereitzustellen.

Im Allgemeinen neigen Komponenten des ursprünglichen Chitin-Protein-Komplexes dazu, sich in der versteinerten Insektenkutikula in komplexe Geopolymere umzuwandeln43,44. Die spektralen Ergebnisse dieser Studie deuten jedoch darauf hin, dass die in der Kutikula von Baltic 83 verbliebenen organischen Stoffe überwiegend aus abgebautem endogenem Chitin bestehen. Der Beitrag von Proteinen und anderen möglicherweise abgeleiteten diagenetischen Komponenten ist minimal, was auf einen unerforschten taphonomischen Weg für die Käferkutikula hindeutet. Wir schlagen vor, dass die schützenden Eigenschaften des Bernsteins zusammen mit der Trennung der Insektenkutikula von der inneren Bernsteinwand die Haupterklärung für die beobachtete hohe Qualität der Kutikulakonservierung sind. Wenn die Trennung vor der vollständigen Polymerisation des Harzes erfolgen würde, würde dies die Wechselwirkung der Nagelhaut mit Säuren, Alkoholen und Spuren anderer Verbindungen einschränken, die neben dem Hauptgerüst aus Terpenoiden im Harz45, das den Bernsteineinschluss umgibt, vorhanden sind. Es wird angenommen, dass diese Trennung der Kutikula vom Bernstein das Ergebnis einer besonders schnellen Austrocknung des Käfers im Bernstein ist, die nach anfänglichen Harzflüssen auftrat46, was die Möglichkeiten einer Hydrolyse zwischen den ursprünglichen Materialien der Bernsteineinschlüsse einschränkte14. Darüber hinaus ist das in der Nagelhaut von Insekten vorkommende \(\upalpha\)-Chitin thermisch stabiler als \(\upbeta\)-Chitin. Es ist bekannt, dass Käfer eine stark vernetzte, dicke, sklerotisierte Nagelhaut haben, die ihre Widerstandsfähigkeit gegen Abbau erhöht. Infolgedessen überleben sie im Fossilienbestand häufiger als andere Arthropoden30.

In den 1990er Jahren wurden bei Crack-out-Studien an Insekten in Bernstein Gewebereste von Muskeln, Nervensystemen und Verdauungssystemen identifiziert (z. B.47), und einige behaupteten sogar, dass DNA erhalten geblieben sei48. Seitdem scheint die Zahl der Untersuchungen zum Herausbrechen organischer Überreste in Bernsteineinschlüssen zurückgegangen zu sein, und diese Form der Forschung findet weniger Interesse. Jüngste Crack-Out-Studien49 haben stark degradierte DNA aus 60 Jahre altem Harz gewonnen, empfahlen jedoch letztlich nicht, dies auf Bernsteinproben anzuwenden. In einer anderen Studie8 wurden konservierte Aminosäuren aus Federn gefunden, die im baltischen und burmesischen Bernstein durch Zerkleinern des Bernsteins gefunden wurden, was vielversprechend für den Einsatz der destruktiven Analyse in der biomolekularen Forschung in der Zukunft ist. Bei den meisten verwandten Weichgewebestudien, die darauf abzielten, Insekten oder andere Einschlüsse in situ im Bernstein zu beproben, wurde dies jedoch direkt und ohne Aufbrechen der Proben getan – stattdessen wurde bei diesen Projekten das Bernsteinstück bis auf einen Millimeter an die Oberfläche der Einschlussprobe poliert , hauptsächlich zur Suche nach Pigmenten13 oder Strukturfarben4.

Das Fehlen moderner Crack-Out-Studien ist wahrscheinlich auf Folgendes zurückzuführen: (1) das Risiko einer dauerhaften Schädigung hochwertiger Proben, die möglicherweise knapp sind; (2) unsere Unfähigkeit, das Ausmaß der Erhaltung des Weichgewebes vorherzusagen, bevor wir Proben aufbrechen, um ihr Gewebe zu untersuchen; (3) der Bedarf an fortschrittlicher Analyseausrüstung und multidisziplinären Teams, um organische Überreste vollständig zu charakterisieren; und (4) die Probleme im Zusammenhang mit Behauptungen zur Konservierung alter DNA und Proteine aus den 1990er Jahren, die später als unzureichend bewiesen, kontaminiert oder nicht reproduzierbar eingestuft wurden50.

Die hier beobachtete Qualität der Bernsteinkonservierung scheint bei baltischen und dominikanischen Bernsteinproben weit verbreitet zu sein, die bisher CT-Scans unterzogen wurden (kürzlich überprüft von51), und sie könnte sogar bis zu den Kreidevorkommen zurückreichen. Jüngste Arbeiten zur Farbkonservierung in burmesischem Bernstein4 haben eine ähnliche Strukturkonservierung in Kutikulaproben von 35 Individuen aus drei Insektenordnungen ergeben. Auch die weitgehende Erhaltung des Weichgewebes wurde bereits in der Kreidezeit51 dokumentiert, wobei ein Großteil der Muskulatur und des Verdauungssystems in ihrer ursprünglichen Position erhalten blieben. Ohne Crack-out-Studien haben wir immer noch ein sehr begrenztes Verständnis darüber, woraus diese konservierten Strukturen auf chemischer oder molekularer Ebene bestehen. Da CT-Scans als Forschungstechnik immer häufiger eingesetzt werden, ist es möglich, Gewebe in immer mehr Proben zu identifizieren und anzuvisieren. Das jüngste Wachstum der Bernsteinsammlungen in Museen bedeutet auch, dass zunehmend Exemplare gewöhnlicher Taxa für Crack-Out-Studien zur Verfügung stehen. Darüber hinaus verbessert der Zugang zu Synchrotronlichtquellen für CT-Scans und Spektroskopietechniken wie FTIR das Signal-Rausch-Verhältnis und die Aufnahmezeiten15 und ermöglicht so ein schnelles Screening für eine außergewöhnliche Konservierung vieler Proben. Während die Erhaltung zerfallsanfälliger Moleküle wie DNA oder Proteine immer noch diskutiert wird (siehe 52 für eine aktuelle Übersicht), könnten widerspenstigere organische Makromoleküle wie Kohlenhydrate oder Lipide auf geologischen Zeitskalen als versteinertes organisches Material für die Wiederherstellung relevanter sein, und Bernstein könnte dies tun ein ideales Medium für die Konservierung dieses Materials sein.

Konventionelle Ansichten in der Paläontologie sollten wie in jeder Wissenschaft immer in Frage gestellt werden. Gescannte Proben gehen der Wissenschaft nicht mehr verloren, wenn die destruktive Probenahme sorgfältig durchgeführt wird, und die destruktive Probenahme ermöglicht eine gründlichere Analyse des konservierten Materials. Crack-out-Studien sind immer noch eine wertvolle Informationsquelle und sollten als Ergänzung zu einigen der neuesten Techniken betrachtet werden, insbesondere wenn es um Einschlüsse häufiger fossiler Taxa geht. Das Auffinden von organischem Restmaterial wie Chitin zu einem früheren Zeitpunkt in der geologischen Aufzeichnung wird dazu beitragen, die tabhonomischen Grenzen neu zu definieren und eine lebensechtere Charakterisierung antiker Ökosysteme zu ermöglichen. Die Ergebnisse dieser Studie geben Anlass, Spuren von organischem Material in Fossilien weiter zu untersuchen, insbesondere wenn diese in Bernstein konserviert sind.

Daten sind auf begründete Anfrage beim entsprechenden Autor erhältlich.

McCoy, VE, Soriano, C. & Gabbott, SE Ein Überblick über konservierende Variationen fossiler Einschlüsse in Bernstein verschiedener chemischer Gruppen. Erdumgebung. Wissenschaft. Trans. R. Soc. Edinb. 107, 203–211. https://doi.org/10.1017/S1755691017000391 (2018).

Artikel Google Scholar

McCoy, VE et al. Durch experimentellen Zerfall werden Erhaltungsverzerrungen im Fossilienbestand von Bernsteininsekten aufgedeckt. PLoS ONE https://doi.org/10.1371/journal.pone.0195482 (2018).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Grimaldi, DA, Engel, MS & Nascimbene, PC Fossiler Kreidezeit-Bernstein aus Myanmar (Burma): Seine Wiederentdeckung, biotische Vielfalt und paläontologische Bedeutung. Bin. Museum Novitate https://doi.org/10.1206/0003-0082(2002)3612.0.CO;2 (2002).

Artikel Google Scholar

Cai, C. et al. Strukturfarben verschiedener mesozoischer Insekten. Proz. R. Soc. B Biol. Wissenschaft. 287, 20200301. https://doi.org/10.1098/rspb.2020.0301 (2020).

Artikel Google Scholar

Bukejs, A., Moseyko, AG & Alekseev, VI Eocenocolaspis gen. Nov. Eine neue Gattung von Eumolpinae (Coleoptera: Chrysomelidae) aus baltischem Bernstein, die den metallischen Glanz aus dem Eozän bewahrt. Hist. Biol. https://doi.org/10.1080/08912963.2022.2117039 (2022).

Artikel Google Scholar

Daza, JD, Stanley, EL, Wagner, P., Bauer, AM & Grimaldi, DA Bernsteinfossilien aus der mittleren Kreidezeit beleuchten die frühere Vielfalt tropischer Eidechsen. Wissenschaft. Adv. https://doi.org/10.1126/sciadv.1501080 (2016).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Xing, L. et al. Ein Enantiornithin-Schlüpfling (Aves) aus der mittleren Kreidezeit, konserviert in burmesischem Bernstein, mit ungewöhnlichem Gefieder. Gondwana Res. 49, 264–277. https://doi.org/10.1016/j.gr.2017.06.001 (2017).

Artikel ADS Google Scholar

McCoy, VE et al. Uralte Aminosäuren aus fossilen Federn in Bernstein. Wissenschaft. Rep. https://doi.org/10.1038/s41598-019-42938-9 (2019).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Martin, JPS & Martin, SS Hervorragende Erhaltung eines weit verbreiteten filamentösen Mikroorganismus in französischem Kreidebernstein: Entscheidend für die Überarbeitung eines umstrittenen Fossils. Comptes Rendus – Palevol 17, 415–434. https://doi.org/10.1016/j.crpv.2017.05.003 (2018).

Artikel Google Scholar

Martín-González, A., Wierzchos, J., Gutiérrez, JC, Alonso, J. & Ascaso, C. Doppelte Fossilisierung in eukaryotischen Mikroorganismen aus Bernstein der Unterkreide. BMC Biol. https://doi.org/10.1186/1741-7007-7-9 (2009).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Georgiou, R. et al. Kohlenstoffspeziation in organischen Fossilien mittels 2D- bis 3D-Röntgen-Raman-Multispektralbildgebung. Wissenschaft. Adv. https://doi.org/10.1126/sciadv.aaw5019 (2019).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Kolaceke, A., McKellar, RC & Barbi, M. Eine zerstörungsfreie Technik zur chemischen Kartierung von Insekteneinschlüssen in Bernstein. PalZ 92, 733–741. https://doi.org/10.1007/s12542-018-0412-x (2018).

Artikel Google Scholar

Thomas, DB, Nascimbene, PC, Dove, CJ, Grimaldi, DA & James, HF Auf der Suche nach Carotinoidpigmenten in in Bernstein konservierten fossilen Federn. Wissenschaft. Rep. https://doi.org/10.1038/srep05226 (2014).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Martínez-Delclòs, X., Briggs, DE & Peñalver, E. Taphonomie von Insekten in Karbonaten und Bernstein. Paläogeogr. Paläoklimatol. Paläoökol. 203, 19–64. https://doi.org/10.1016/S0031-0182(03)00643-6 (2004).

Artikel Google Scholar

Bobroff, V., Chen, HH, Javerzat, S. & Petibois, C. Was kann Infrarotspektroskopie zur Charakterisierung organischer Überreste in Fossilien leisten? TrAC Trends Anal. Chem. 82, 443–456. https://doi.org/10.1016/j.trac.2016.07.005 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Jiang, H. et al. Weit verbreitete Mineralisierung von Insekten mit weichem Körper in Bernstein aus der Kreidezeit. Geobiologie 20, 363–376. https://doi.org/10.1111/gbi.12488 (2022).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Stankiewicz, B. & Briggs, D. Tierkutikula. In Paläobiologie II, Kap. 10, (Hrsg. Briggs, D. & Crowther, P) 259–261 (Blackwell Scientific Publications, 2001).

Kertmen, A. et al. Calcit-Nanotuned-Chitin-Skelette des riesigen marinen Demoschwamms Ianthella basta. Int. J. Mol. Wissenschaft. https://doi.org/10.3390/ijms222212588 (2021).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Nowacki, K. et al. Elektrochemischer Ansatz zur Isolierung von Chitin aus dem Skelett der schwarzen Koralle Cirrhipathes sp. (Antipatharia). Mar. Drogen https://doi.org/10.3390/md18060297 (2020).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Tolesa, LD, Gupta, BS & Lee, MJ Chitin- und Chitosanproduktion aus Garnelenschalen unter Verwendung ionischer Flüssigkeiten auf Ammoniumbasis. Int. J. Biol. Makromol. 130, 818–826. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2019.03.018 (2019).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Machałowski, T. et al. Spinnenchitin: Eine ultraschnelle mikrowellengestützte Methode zur Chitinisolierung aus der Häutungskutikula von Caribena versicolor-Spinnen. Moleküle https://doi.org/10.3390/molecules24203736 (2019).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Fernando, LD et al. Struktureller Polymorphismus von Chitin und Chitosan in Pilzzellwänden anhand von Festkörper-NMR und Hauptkomponentenanalyse. Vorderseite. Mol. Biowissenschaften. https://doi.org/10.3389/fmolb.2021.727053 (2021).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Abidin, NAZ, Kormin, F., Abidin, NAZ, Anuar, NAFM & Bakar, MFA Das Potenzial von Insekten als alternative Quellen für Chitin: Ein Überblick über die chemische Methode der Extraktion aus verschiedenen Quellen. Int. J. Mol. Wissenschaft. 21, 1–25. https://doi.org/10.3390/ijms21144978 (2020).

Artikel CAS Google Scholar

Kaya, M. et al. Zur Chemie von \(\upgamma\)-Chitin. Kohlenhydrat. Polym. 176, 177–186. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2017.08.076 (2017).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Tsurkan, MV et al. Fortschritte in der Chitinanalytik. Kohlenhydrat. Polym. https://doi.org/10.1016/j.carbpol.2020.117204 (2021).

Artikel PubMed Google Scholar

Stankiewicz, BA, Briggs, DE, Evershed, RP, Flannery, MB & Wuttke, M. Konservierung von Chitin in 25 Millionen Jahre alten Fossilien. Wissenschaft 276, 1541–1543. https://doi.org/10.1126/science.276.5318.1541 (1997).

Artikel CAS Google Scholar

Weaver, PG et al. Charakterisierung organischer Stoffe im Einklang mit \(\upbeta\)-Chitin, konserviert im späteozänen Tintenfisch Mississaepia mississippiensis. PLoS ONE https://doi.org/10.1371/journal.pone.0028195 (2011).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Wysokowski, M. et al. Identifizierung von Chitin in 200 Millionen Jahre alten Eierkapseln von Schnecken. Paläobiologie 40, 529–540. https://doi.org/10.1666/13083 (2014).

Artikel Google Scholar

Cody, GD et al. Molekulare Signatur des Chitin-Protein-Komplexes in paläozoischen Arthropoden. Geologie 39, 255–258. https://doi.org/10.1130/G31648.1 (2011).

Artikel ADS CAS Google Scholar

Ehrlich, H. et al. Entdeckung von 505 Millionen Jahre altem Chitin im basalen Demosponge Vauxia gracilenta. Wissenschaft. Rep. https://doi.org/10.1038/srep03497 (2013).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Bonneville, S. et al. Molekulare Identifizierung von Pilzmikrofossilien in einem neoproterozoischen Schiefergestein. Wissenschaft. Adv. https://doi.org/10.1126/sciadv.aax759 (2020).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Bukejs, A., Biondi, M. & Alekseev, VI Neue Nachweise und Arten von Crepidodera Chevrolat (Coleoptera: Chrysomelidae) in eozänem europäischem Bernstein, mit einem kurzen Überblick über beschriebene fossile Käfer aus Bitterfelder Bernstein. Zootaxa 4193, 390–400, https://doi.org/10.11646/zootaxa.4193.2.13 (2016).

Artikel Google Scholar

Nadein, KA & Perkovsky, E. Neue Taxa von Chrysomelidae (Insecta: Coleoptera) aus Rowno Amber, Oberes Eozän. Acta Geologica Sinica 84, 772–782. https://doi.org/10.1111/j.1755-6724.2010.00259.x (2010).

Artikel Google Scholar

Bukejs, A. Eine neue Art der Gattung Crepidodera Chevrolat (Coleoptera: Chrysomelidae) aus baltischem Bernstein. Zootaxa 3815, 286–290. https://doi.org/10.11646/zootaxa.3815.2.8 (2014).

Artikel Google Scholar

Toplak, M., Read, ST, Sandt, C. & Borondics, F. Quasar: Einfaches maschinelles Lernen für die Biospektroskopie. Zellen 10, 2300. https://doi.org/10.3390/cells10092300 (2021).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Vergleichende Morphologie der Spermatheken bei Megalopodidae (Coleoptera, Chrysomeloidea). ZooKeys 47–64, 2017. https://doi.org/10.3897/zookeys.720.14088 (2017).

Artikel Google Scholar

Barth, A. Infrarotspektroskopie von Proteinen. Biochim. Biophys. Acta Bioenergetics 1767, 1073–1101. https://doi.org/10.1016/j.bbabio.2007.06.004 (2007).

Artikel CAS Google Scholar

Cárdenas, G., Cabrera, G., Taboada, E. & Miranda, SP Chitin-Charakterisierung durch SEM, FTIR, XRD und \(^{13}\)C-Kreuzpolarisations-/Massenwinkel-Spinning-NMR. J. Appl. Polym. Wissenschaft. 93, 1876–1885. https://doi.org/10.1002/app.20647 (2004).

Artikel CAS Google Scholar

Iconomidou, VA, Chryssikos, GD, Gionis, V., Willis, JH & Hamodrakas, SJ Sekundärstruktur des Proteins der weichen Kutikula, wie durch FT-Raman-, ATR-FT-IR- und CD-Spektroskopie aufgedeckt. Insektenbiochemie. Mol. Biol. 31, 877–885. https://doi.org/10.1016/S0965-1748(01)00033-9 (2001).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Hassainia, A., Satha, H. & Boufi, S. Chitin aus Agaricus bisporus: Extraktion und Charakterisierung. Int. J. Biol. Makromol. 117, 1334–1342. https://doi.org/10.1016/j.ijbiomac.2017.11.172 (2018).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Moussout, H., Ahlafi, H., Aazza, M. & Bourakhouadar, M. Kinetik und Mechanismus des thermischen Abbaus der Biopolymere Chitin und Chitosan mittels thermogravimetrischer Analyse. Polym. Degrad. Stechen. 130, 1–9. https://doi.org/10.1016/j.polymdegradstab.2016.05.016 (2016).

Artikel CAS Google Scholar

Zabel, RA & Morrell, JJ Die Eigenschaften und Klassifizierung von Pilzen und Bakterien. In Wood Microbiology, Kap. 3, 55–98 (Elsevier, 2020).

Gupta, NS, Michels, R., Briggs, DE, Evershed, RP & Pancost, RD Die organische Konservierung fossiler Arthropoden: Eine experimentelle Studie. Proz. R. Soc. B Biol. Wissenschaft. 273, 2777–2783. https://doi.org/10.1098/rspb.2006.3646 (2006).

Artikel CAS Google Scholar

Heingård, M., Sjövall, P., Schultz, BP, Sylvestersen, RL & Lindgren, J. Erhaltung und Taphonomie fossiler Insekten aus dem frühesten Eozän Dänemarks. Biologie https://doi.org/10.3390/biology11030395 (2022).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Langenheim, J. Pflanzenharze: Chemie, Evolution, Ökologie und Ethnobotanik (Timber Press, 2003).

Google Scholar

Henwood, A. Außergewöhnliche Erhaltung der Flugmuskulatur von Dipteren und der Taphonomie von Insekten in Bernstein. PALAIOS 7, 203–212 (1992).

Artikel ADS Google Scholar

Grimaldi, D., Bonwich, E., Delannoy, M. & Doberstein, S. Elektronenmikroskopische Untersuchungen mumifizierter Gewebe in Bernsteinfossilien. Bin. Museum Novitates 3097 (1994).

DeSalle, R., Gatesy, J., Wheeler, W. & Grimaldi, D. DNA-Sequenzen einer fossilen Termite in oligo-miozänem Bernstein und ihre phylogenetischen Auswirkungen. Wissenschaft 257, 1933–1936. https://doi.org/10.1126/science.1411508 (1992).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Modi, A. et al. Erfolgreiche Extraktion von Insekten-DNA aus jüngsten Kopaleinschlüssen: Grenzen und Perspektiven. Wissenschaft. Rep. https://doi.org/10.1038/s41598-021-86058-9 (2021).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Bailleul, AM & Li, Z. DNA-Färbung in fossilen Zellen jenseits des Quartärs: Neubewertung der Beweise und Aussichten für ein verbessertes Verständnis der DNA-Konservierung in tiefer Zeit. Erdwissenschaften. Rev. https://doi.org/10.1016/j.earscirev.2021.103600 (2021).

Artikel Google Scholar

Richter, A., Boudinot, B., Yamamoto, S., Katzke, J. & Beutel, RG Die erste Rekonstruktion der Kopfanatomie eines Kreideinsekts, Gerontoformica gracilis (Hymenoptera: Formicidae), und die frühe Evolution der Ameisen. Insektensystem. Taucher. https://doi.org/10.1093/isd/ixac013 (2022).

Artikel Google Scholar

Saitta, ET et al. Dinosaurierknochen aus der Kreidezeit enthalten neues organisches Material und bieten eine Umgebung, die mikrobiellen Gemeinschaften förderlich ist. eLife https://doi.org/10.7554/elife.46205 (2019).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

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Die Autoren danken dem Mitacs Accelerate-Programm für die finanzielle Unterstützung. Ein wichtiger Teil dieser Forschung wurde an der Canadian Light Source der University of Saskatchewan durchgeführt, und wir danken den Strahllinienmitarbeitern des BMIT und der Mittel-IR-Strahllinien für ihre Hilfe. Wir danken auch den Peer-Reviewern, die zur Verbesserung dieses Manuskripts beigetragen haben.

Fachbereich Physik, University of Regina, Regina, SK, S4S 0A2, Kanada

Jerit L. Mitchell & Mauricio Barbi

Royal Saskatchewan Museum, 2445 Albert St., Regina, SK, S4P 4W7, Kanada

Ryan C. McKellar

Fachbereich Biologie, University of Regina, Regina, SK, S4S 0A2, Kanada

Ryan C. McKellar

Abteilung für Ökologie und Evolutionsbiologie, University of Kansas, Lawrence, KS, 66045, USA

Ryan C. McKellar

Abteilung für Geologie, University of Regina, Regina, SK, S4S 0A2, Kanada

Ian M. Coulson

Institut für Biowissenschaften und Technologien, Universität Daugavpils, Vienîbas 13, Daugavpils, 5401, Lettland

Andris Bukejs

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JLM, RCM und MB haben das Experiment konzipiert und durchgeführt. JLM führte die CT-, FTIR- und EDS-analytische Vorbereitung und Analyse durch und verfasste das Manuskript. RCM analysierte die Nagelhautqualität in den REM-Bildern und half beim Manuskriptentwurf. IMC hat zu den SEM/EDS-Ergebnissen beigetragen. AB trug zur taxonomischen Analyse bei. Alle Autoren haben das Manuskript überprüft.

Korrespondenz mit Jerit L. Mitchell.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

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Nachdrucke und Genehmigungen

Mitchell, JL, McKellar, RC, Barbi, M. et al. Morphologische und organische spektroskopische Untersuchungen eines 44 Millionen Jahre alten Blattkäfers (Coleoptera: Chrysomelidae) in Bernstein mit endogenen Chitinresten. Sci Rep 13, 5876 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32557-w

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Eingegangen: 14. November 2022

Angenommen: 29. März 2023

Veröffentlicht: 11. April 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32557-w

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Morphologische und organische spektroskopische Untersuchungen einer 44