Application of isotopic analysis of insect and freshwater crustacean chitin from quaternary sediments and reconstruction of natural environments

Cover Page

Cite item

Full Text

Open Access Open Access
Restricted Access Access granted
Restricted Access Subscription Access

Abstract

An analysis of the isotopic composition of chitin (oxygen and nitrogen) was made for the terrestrial and freshwater Pleistocene arthropods for the first time for the same paleolocality, the Old Crow River in northwestern Yukon, representing layers from Middle Pleistocene to Holocene. About a hundred fragments of arthropods were tested among the fossils, including the weevils Lepidophorus lineaticollis (Coleoptera, Curculionidae), some ground beetles (Coleoptera, Carabidae), as well as the ephippia of freshwater crustacean Daphnia cf. pulex (Branchiopoda, Daphniidae). An isotope analysis of modern representatives of the same arthropods from different regions of the Yukon was made for comparison. Isotopic lines show differences between terrestrial and freshwater animals. The isotopic composition of freshwater crustaceans allows to see the difference between cold and warm time intervals. Herbivorous beetles show a more complex picture, possibly associated with the adaptation to different biotopes and host plants, which allowed the species to survive during climate and environment fluctuations.

About the authors

E. I. Izyumova

Severtsov Institute of Ecology and Evolution

Email: svkuz@yandex.ru
Russian Federation, Moscow, 119071

S. A. Kuzmina

Borisyak Paleontological Institute, Russian Academy of Sciences

Author for correspondence.
Email: svkuz@yandex.ru
Russian Federation, Moscow, 117647

D. S. Kopylov

Borisyak Paleontological Institute, Russian Academy of Sciences; Cherepovets State University

Email: svkuz@yandex.ru
Russian Federation, Moscow, 117647; Cherepovets, 162600

A. V. Tchabovsky

Severtsov Institute of Ecology and Evolution

Email: svkuz@yandex.ru
Russian Federation, Moscow, 119071

A. V. Tiunov

Severtsov Institute of Ecology and Evolution

Email: svkuz@yandex.ru
Russian Federation, Moscow, 119071

A. A. Kotov

Severtsov Institute of Ecology and Evolution

Email: svkuz@yandex.ru
Russian Federation, Moscow, 119071

References

  1. Берман Д.И., Алфимов А.В., Мажитова Г.Г. и др. Холодные степи Северо-Восточной Азии. Магадан: ИБПС ДВО РАН, 2001. 179 с.
  2. Кузьмина С.А. Макроэнтомологический анализ: методика, возможности и примеры применения для реконструкции климата и природной обстановки четвертичного периода северо-востока Сибири // Сибирский экол. журн. 2017. № 4. С. 381–398.
  3. Кузьмина С.А. Региональные списки насекомых, ископаемая летопись и история происхождения энтомофауны (на примере бассейна реки Олд Кроу, северо-западный Юкон, Канада) // Энтомол. обозрение. 2022. Т. 101. № 2. С. 353–374.
  4. Тиунов А.В. Стабильные изотопы углерода и азота в почвенно-экологических исследованиях // Изв. РАН. Сер. биол. 2007. Т. 4. С. 475–489.
  5. Berggren M., Bergström A.-K., Karlsson J. Intraspecific autochthonous and allochthonous resource use by zooplankton in a Humic Lake during the transitions between winter, summer and fall // PLoS ONE. 2015. V. 10. № 3. P. e0120575.
  6. Berggren M., Ziegler S.E., St-Gelais N.F. et al. Contrasting patterns of allochthony among three major groups of crustacean zooplankton in boreal and temperate lakes // Ecology. 2014. V. 95. № 7. P. 1947–1959.
  7. Bocherens H. Isotopic biogeochemistry and the palaeoecology of the Mammoth steppe fauna // Deinsea. 2003. V. 9. № 1. P. 57–76.
  8. Burgess S.D., Coble M.A., Vazquez J.A. et al. On the eruption age and provenance of the Old Crow tephra // Quatern. Sci. Rev. 2019. V. 207. P. 64–79.
  9. Clark I.D., Fontes J.-C. Paleoclimatic reconstruction in northern Oman based on carbonates from hyperalkaline groundwaters // Quatern. Res. 1990. V. 33. № 3. P. 320–336.
  10. Drucker D.G. The isotopic ecology of the Mammoth steppe // Ann. Rev. Earth Planet. Sci. 2022. V. 50. № 1. P. 395–418.
  11. Elias S.A. Quaternary insects and their environments. Washington, L.: Smithson. Inst. Press, 1994. 294 p.
  12. Elias S.A. Quaternary beetle research: the state of the art // Quatern. Sci. Rev. 2006. V. 25. № 15. P. 1731–1737.
  13. Elliott Smith E.A., Braje T.J., Gobalet K.W. et al. Archaeological and stable isotope data reveal patterns of fishing across the food web on California’s Channel Islands // The Holocene. 2023. V. 33. № 4. P. 446–458.
  14. Fox-Dobbs K., Leonard J.A., Koch P.L. Pleistocene megafauna from eastern Beringia: Paleoecological and paleoenvironmental interpretations of stable carbon and nitrogen isotope and radiocarbon records // Palaeogeogr., Palaeoclimatol., Palaeoecol. 2008. V. 261. № 1. P. 30–46.
  15. France R.L., Schlaepfer M.A. 13C and 15N depletion in components of a foodweb from an ephemeral boreal wetland compared to boreal lakes: putative evidence for microbial processes // Hydrobiologia. 2000. V. 439. № 1. P. 1–6.
  16. González-Guarda E., Domingo L., Tornero C. et al. Late Pleistocene ecological, environmental and climatic reconstruction based on megafauna stable isotopes from northwestern Chilean Patagonia // Quatern. Sci. Rev. 2017. V. 170. P. 188–202.
  17. Grosbois G., Vachon D., Del Giorgio P.A. et al. Efficiency of crustacean zooplankton in transferring allochthonous carbon in a boreal lake // Ecology. 2020. V. 101. № 6. P. e03013.
  18. Groß-Schmölders M., Sengbusch P.V., Leifeld J. et al. 13C and 15N as indictors for peatland hydrology // Geophys. Res. Abstr. 2019. V. 21. EGU2019-12247.
  19. Grossman E.L., Joachimski M.M. Oxygen isotope stratigraphy // Geologic Time Scale. V. 1. Elsevier, 2020. P. 279–307.
  20. Gu B., Schelske C.L., Brenner M. Relationship between sediment and plankton isotope ratios (δ 13 C and δ 15 N) and primary productivity in Florida lakes // Canad. J. of Fisheries and Aquatic Sci. 1996. V. 53. № 4. P. 875–883.
  21. Harington C.R. Quaternary Vertebrate Faunas of Canada and Alaska and Their Suggested Chronological Sequence. National Museums of Canada. Ottawa: Syllogeus, 1978. 114 p.
  22. Hodgins G.W.L., Thorpe J.L., Coope G.R. et al. Protocol development for purification and characterization of sub-fossil insect chitin for stable isotopic analysis and radiocarbon dating // Radiocarbon. 2001. V. 43. № 2A. P. 199–208.
  23. Hyodo F. Use of stable carbon and nitrogen isotopes in insect trophic ecology // Entomol. Sci. 2015. V. 18. № 3. P. 295–312.
  24. Kiselev S.V., Nazarov V.I. Late Cenozoic insects of northern Eurasia // Paleontol. J. 2009. V. 43. № 7. P. 723–850.
  25. Korobushkin D.I., Gongalsky K.B., Tiunov A.V. Isotopic niche (δ 13 С and δ 15 N values) of soil macrofauna in temperate forests // Rapid Commun. in Mass Spectrometry. 2014. V. 28. № 11. P. 1303–1311.
  26. Kotov A.A., Kuzmina S.A., Frolova L.A. et al. Ephippia of the Daphniidae (Branchiopoda: Cladocera) in Late Caenozoic deposits: untapped source of information for palaeoenvironment reconstructions in the Northern Holarctic // Invertebr. Zool. 2019. V. 16. № 1. P. 183–199.
  27. Kuzmina S.A. Quaternary insects and environment of northeastern Asia // Paleontol. J. 2015. V. 49. № 7. P. 679–867.
  28. Kuzmina S.A., Froese D.G., Jensen B.J.L. et al. Middle Pleistocene (MIS 7) to Holocene fossil insect assemblages from the Old Crow basin, northern Yukon, Canada // Quatern. Intern. 2014. V. 341. P. 216–242.
  29. Lischke B., Mehner T., Hilt S. et al. Benthic carbon is inefficiently transferred in the food webs of two eutrophic shallow lakes // Freshwater Biol. 2017. V. 62. № 10. P. 1693–1706.
  30. Matthews J.V. Insects and plant macrofossils from two Quaternary exposures in the Old Crow-Porcupine Region, Yukon Territory, Canada // Arctic and Alpine Res. 1975. V. 7. № 3. P. 249–259.
  31. Matthews J.V. A method for comparison of northern fossil insect assemblages // Géograph. physique et Quatern. 2007. V. 37. № 3. P. 297–306.
  32. Matthews J.V., Telka A. Insect fossils from the Yukon // Insects of the Yukon. Biological Survey of Canada, 1997. P. 911–962.
  33. Matthews J.V., Telka A., Kuzmina S.A. Late Neogene insect and other invertebrate fossils from Alaska and Arctic/Subarctic Canada // Invertebr. Zool. 2019. V. 16. № 1. P. 126–153.
  34. Michener R.H., Lajtha K. Stable isotopes in ecology and environmental science. 2nd ed. Malden, Mass.: Blackwell, 2008. 566 p.
  35. Miller R.F., Voss-Foucart M.-F., Toussaint C. et al. Chitin preservation in Quaternary Coleoptera: preliminary results // Palaeogeogr., Palaeoclimatol., Palaeoecol. 1993. V. 103. № 3–4. P. 133–140.
  36. Morlan R.E. Late and middle Pleistocene vertebrate fossils from Old Crow Basin, Locality CRH 15, northern Yukon Territory // Palaeoecology and Palaeoenvironments of Late Cenozoic Mammals. Toronto: Univ. Toronto Press, 1996. P. 483–521.
  37. Neretina A.N., Gololobova M.A., Neplyukhina A.A. et al. Crustacean remains from the Yuka mammoth raise questions about non-analogue freshwater communities in the Beringian region during the Pleistocene // Sci. Rep. 2020. V. 10. № 1. P. 859.
  38. Pillans B., Naish T. Defining the Quaternary // Quatern. Sci. Rev. 2004. V. 23. № 23–24. P. 2271–2282.
  39. Post D.M. Using stable isotopes to estimate trophic position: Models, methods, and assumptions // Ecology. 2002. V. 83. № 3. P. 703–718.
  40. Preece S.J., Pearce N.J.G., Westgate J.A. et al. Old Crow tephra across eastern Beringia: a single cataclysmic eruption at the close of Marine Isotope Stage 6 // Quatern. Sci. Rev. 2011. V. 30. № 17–18. P. 2069–2090.
  41. Quinby B.M., Creighton J.C., Flaherty E.A. Stable isotope ecology in insects: a review // Ecol. Entomol. 2020. V. 45. № 6. P. 1231–1246.
  42. R Core Team. The R Project for Statistical Computing. 2024. https://www.R-project.org/ (accessed on 02 February 2024).
  43. Schilder J., Tellenbach C., Möst M. et al. The stable isotopic composition of Daphnia ephippia reflects changes in 13C and 18O values of food and water // Biogeosciences. 2015. V. 12. № 12. P. 3819–3830.
  44. Schimmelmann A., DeNiro M.J., Poulicek M. et al. Stable isotopic composition of chitin from arthropods recovered in archaeological contexts as palaeoenvironmental indicators // J. Archaeol. Sci. 1986. V. 13. № 6. P. 553–566.
  45. Schweger C.E. The Old Crow and Bluefish basins, Northern Yukon: Development of the Quaternary history // Late Cenozoic History of the Interior Basins of Alaska and the Yukon. U.S. Geol. Surv. 1989. Circ. 1026. P. 30–33.
  46. Schweger C.E., Matthews J.V. The last (Koy-Yukon) interglaciation in the Yukon: Comparisons with Holocene and interstadial pollen records // Quatern. Intern. 1991. V. 10–12. P. 85–94.
  47. Sena‐Souza J.P., Houlton B.Z., Martinelli L.A., Bielefeld Nardoto G. Reconstructing continental‐scale variation in soil  15 N: a machine learning approach in South America // Ecosphere. 2020. V. 11. № 8. P. e03223.
  48. Toming K., Tuvikene L., Vilbaste S. et al. Contributions of autochthonous and allochthonous sources to dissolved organic matter in a large, shallow, eutrophic lake with a highly calcareous catchment // Limnol. & Oceanogr. 2013. V. 58. № 4. P. 1259–1270.
  49. Van Hardenbroek M., Chakraborty A., Davies K.L. et al. The stable isotope composition of organic and inorganic fossils in lake sediment records: Current understanding, challenges, and future directions // Quatern. Sci. Rev. 2018. V. 196. P. 154–176.
  50. Wang R.L., Scarpitta S.C., Zhang S.C. et al. Later Pleistocene/Holocene climate conditions of Qinghai–Xizhang Plateau (Tibet) based on carbon and oxygen stable isotopes of Zabuye Lake sediments // Earth Planet. Sci. Letters. 2002. V. 203. № 1. P. 461–477.
  51. Zachleder V., Vítová M., Hlavová M. et al. Stable isotope compounds – production, detection, and application // Biotechnol. Advances. 2018. V. 36. № 3. P. 784–797.
  52. Zalewski M., Dudek D., Godeau J.-F. et al. Stable isotopic research on ground beetles. Review of methods // Baltic J. Coleopterol. 2012. V. 12. P. 91–98.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download

Copyright (c) 2025 Russian Academy of Sciences

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».