reconstrucción paleoambiental y análisis forenserriquelm/04_paleo_cursoisotopes2017.pdf ·...

ReconstrucciReconstruccióónn paleoambientalpaleoambiental y y ananáálisislisis forenseforenseJuan Pedro Ferrio

Dpto. Botánica, Universidad de Concepción

ReconstrucciReconstruccióón n paleoambientalpaleoambiental y any anáálisis forenselisis forense

Isótopos

en anillos

de crecimiento• carbono• oxígeno• nitrógeno

Isótopos

en restos

fósiles

/ subfósiles

de vegetales

• Evolución climática• Disponibilidad hídrica y nutricional

en agricultura

IsIsóótopos en anillos de crecimientotopos en anillos de crecimiento

Un anillo

es

una

capa

de madera

producida

en una

estación

de crecimientoAnillos

anchos

se asocian

a condiciones

favorables, anillos

estrechos

a

condiciones

desfavorables: limitación por agua, radiación, nutrientes…

Dendrocronología

/ dendroclimatología

DataciDatacióón cruzadan cruzada

Datación cruzada

permite reconstruir series largas (hasta 8000 años) Schweingruber 1988

IsIsóótopos en anillos de crecimientotopos en anillos de crecimiento

Datación cruzada(pino carrasco)

madera de primavera/otoño(roble)

PreparaciPreparacióón de muestras (n de muestras (1818O)O)

Separación

anillos

Eliminación

ceras, azúcares

móviles,

Lignina hemicelulosas

Análisis isotópico

Triturado

del material

Purificación

celulosa: ácido

acético, ácido

nítrico, hidróxido

sódico

Pasos sucesivos

Brendel et al. 2000, Gaudinski et al. 2005

PreparaciPreparacióón de muestras (n de muestras (1515N)N)

Separación

anillos

Ceras, aceites

y resinas

Análisis isotópico

Triturado

del material

Mezcla

Etanol‐Tolueno

1:1

Agitador

ultrasónico

por 25 minutos

Macerar

por

la noche

Lavado

con agua

desionizada

Secado

a 60 ˚C.

Lopez et al., 2011 Rapid Communication in Mass Spectrometry

De la De la hojahoja al al anilloanillo

Gessler et al. 2014


Destilación agua

Hoja XilemaDiscos corteza Suelo

Extracción WSOMExudado floema

HPLC IRMS

Muestreo quincenal

DOY100 150 200 250 300

Sm

ooth

ed R

elat

ive

grow

th (%

)

0

20

40

60

80

100 beechoak

EndStart Earlywood (oak)

Rodajas madera (40m) datadas a partir de crecimiento radial

beech 3000 m

oak 3000 m

Final de temporadaTestigos de madera

(Contenido azúcares) (Isótopos estables)

18O

24

26

28

30

32

34

36

leaf somphloemtree coreOAK

18O

24

26

28

30

32

34

36

leaf somphloemtree coreBEECH

Day of Year90 120 150 180 210 240 270 300

RG

(%)

0255075

100

beechoak

End

Start Earlywood

Hoja - floema


ROBLE: -

18O

madera ≈

floema > hoja

HAYA: -

18O

madera ≈

floema >> hoja

Beech 3000 m

Oak 3000 m

Offermann et al. 2011; Ferrio et al. (in prep)

13C

-30

-29

-28

-27 leaf somphloemtree core

OAK

13C

-32

-31

-30

-29

-28

-27

-26 leaf somphloemtree core

BEECH

90 120 150 180 210 240 270 300

C lo

ad p

hloe

m

100

150

200

250

300

350

400

450

OAKBEECH

ROBLE: -

18O

madera ≈

floema > hoja

-

13C

madera ≈

floema ≈

hoja-Carga variable floema≈

rápido transporte

y poco almacenaje

HAYA: -

18O

madera ≈

floema >> hoja

-

13C

madera ≈

floema >> hoja-

Constant floema load≈

transporte lento

y alto almacenaje

Day of year


Hoja - floema

Allen et al. (2010)

‘Evitación

de sequía’

‐

fuerte

control estomático

como

prevención

de fallo

hidráulico:especies

isohídricas(mortalidad

por

‘hambre’)

‘Tolerancia

a sequía’

‐

bajo

control estomático

y elevada

transpiración

:especies

anisohídricas

(mortalidad

por

‘sed’)

EstudioEstudio retrospectivoretrospectivo del del decaimientodecaimiento

DecaimientoDecaimiento

de de pinopino

albaralbar

en la sierra de en la sierra de GGúúdardar

((TeruelTeruel))

2002 present

Atlantic

Ocean

Mediterranean Sea

Spain

Europe

Africa

Gúdar

Range

Decaimiento

selectivoSin diferencias

aparentes

entre

sanos

y decaídos

Decaimiento

selectivoSin diferencias

aparentes

entre

sanos

y decaídos



Material vegetal y Material vegetal y estrategiaestrategia

de de muestreomuestreo

Edad a 1.30m (y)Healthy 93.8% (±7.52) Declining 79.8% (±7.51)

P=0.380

Edad en ápice (y)Healthy 27.0% (±2.76) Declining 33.0% (±4.18)

P=0.394

DBH (cm)Healthy 14.4% (±0.41)Declining 15.8% (±1.92)

P=0.535

Defoliación (%)Healthy 11.7% (±8.66) Declining 65.0% (±4.41)

P=0.003


1974 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002 2006

Radial growth (m

m)

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0HealthyDeclining

Dieback

b = ‐0.05 mm yr‐1

b = ‐0.02 mm yr‐1

DiferenciasDiferencias

prepre‐‐decaimientodecaimiento::

crecimientocrecimiento

Reducción

en crecimiento, pero

a distinto

ritmo

1974 1978 1982 1986 1990 1994 1998 2002 2006

Diffe

rence

healthy‐de

clining (m

m)

‐1.50

‐1.25

‐1.00

‐0.75

‐0.50

‐0.25

0.00

0.25

0.50

0.75Dieback

b = 0.02 mm yr‐1

R2 = 0.44; p < 0.01

Until

mid

90s, declining

trees

grew

faster…but more erratic

1.30 m


SANOS DECAÍDOS

13C (‰)

13.0 13.5 14.0 14.5 15.0 15.5 16.0 16.5

18 O

(‰)

30

31

32

33

34

35

36

13C (‰)

13.0 13.5 14.0 14.5 15.0 15.5 16.0 16.530

31

32

33

34

35

36

r = ‐ 0.48p < 0.05

r = ‐ 0.17n.s.

ISISÓÓTOPOS ESTABLES (1,30m)TOPOS ESTABLES (1,30m)

Control estomático

de las pérdidas

de

agua


1975 1980 1985 1990 1995 2000 200526

28

30

32

34

36

1975 1980 1985 1990 1995 2000 2005

18 O

(‰

)

26

28

30

32

34

36

13 C

(‰

)

13

14

15

16

17

13

14

15

16

17

Dieback DiebackSanos Decaídos

!¿! Reducción

en EUA y temperatura

foliar !?!

Baja 18O

Alta 13C

RespuestaRespuesta

postpost‐‐decaimientodecaimiento::

1313C y C y 1818OO

1.30 m

Decaimiento

bosque costero

tras

tsunami

(Miyagi, Japón)

Aeropuerto de Sendai

López et al. (enviado)

Parcela de bosque costero en IshinomakiSin daños físicos debido al tsunami

Pero rápido descenso en crecimiento

¿Daño por intrusión marina?

-Estrés salino-Pérdida de nutrientes-Debilitación y ataque patógenos

Cambios isotópicos tras tsunami en Japón

C (‰

)

O (‰

)

Sin cambios en 15N

N (‰

)

Cambios isotópicos tras tsunami en Japón

Rápido aumento en 13C

Rápido descenso en 18O

Carbones

en el sedimento, Tell Halula, Siria

(J.L.Araus, Univ. Barcelona)

Restos

arqueobotánicos

Sistema

de flotación

(Grup

d’Investigació

Prehistòrica, Univ. Lleida)

Restos

arqueobotánicos

Semillas

carbonizadas

de cebada

en Ciutat de Lleida (N. Alonso) carbones

de Pino

carrasco

de

Tossal de les Tenalles (J.P. Ferrio)

Restos

arqueobotánicos

13C en madera determinada por la cantidad de precipitación

Ferrio et al. 2003 Oecologia

Restos

arqueobotánicos: clima

La señal climática de 13C se preserva en carbones fósiles

Ferrio et al. 2006 GCB

Restos


Pan

(m

m)

100200300400500600700800

Calendar Year (x1000)-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

Cha

nges

in P

an (%

)

-75-50-25

0255075

100

Ferrio et al. 2006. Global Change Biology

Estima de precipitación annual de los últimos 4,000 years:• Pasado= 450-520 mm• Presente= 350-400 mm

En promedio, 20-40% más precipitación

en el pasado

Pino carrasco, Depresión Central Ebro (NE Spain)

Restos


Respuesta ambiental y Respuesta ambiental y paleoreconstruccipaleoreconstruccióónn

Precipitation (mm)200 400 600 800 1000 1200

Woo

d

13C

(‰)

15

16

17

18

19

QuercusPinus

Water inputs (mm)0 50 100 150 200 250

Gra

in

13C

(‰)

12

14

16

18

20

WheatBarley

Pan

(mm

)

200

300

400

500

600

700

800

Calendar Year (x1000)-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

Cer

eal W

I (m

m)

0

40

80

120

160BarleyWheat

B)

A)

Aleppo pine

Clima últimos 4000 años (Lleida)

Ferrio et al. 2005; 2006

Trigo y cebada

Pino y encina

Pino

Trigo y cebada

13C (‰) control-29 -28 -27 -26 -25 -24

13C

(‰) c

harre

d gr

ains-29

-28

-27

-26

-25

-24Barley, oxidisingBarley, reducingWheat, oxidisingWheat, reducing

Y= 1.09 + 1.05*Xr2= 0.99***, N=17

• 13C in cereal grains reflects water inputs during the period of grain filling (WI) (aprox. April and ½ May)*

13Cbarley

= 9.9 + 1.5*ln

(WI) r2=0.73***

N=25

13Cwheat

= 8.5 + 1.8*ln

(WI) r2=0.73***

N=22

Water inputs (mm)0 50 100 150 200 250

Gra

in

13C

(‰)

12

14

16

18

20

WheatBarley

Araus et al. 1997. Global Change BiologyAraus et al. 1999. Global Change BiologyFerrio et al. 2005. Veg. Hist. & Archaebotany

Restos

arqueobotánicos: cultivos

Clima y condiciones de cultivoClima y condiciones de cultivo

Precipitation (mm)200 400 600 800 1000 1200

Woo

d

13C

(‰)

15

16

17

18

19

QuercusPinus

Water inputs (mm)0 50 100 150 200 250

Gra

in

13C

(‰)

12

14

16

18

20

WheatBarley

Pan

(mm

)

200

300

400

500

600

700

800

Calendar Year (x1000)-2.0 -1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5 2.0

Cer

eal W

I (m

m)

0

40

80

120

160BarleyWheat

B)

A)

Aleppo pine

Clima últimos 4000 años

Ferrio et al. 2005; 2006

Trigo y cebada

Pino y encina

Pino

Trigo y cebada

Sostenibilidad en los orígenes de la agricultura

Ferrio et al. 2011

¿Hasta qué punto era sostenible la agricultura del pasado?

1

Próximo oriente

Tell Halula, Neolítico, Eúfrates medio (10.000-8.000 BP)

Tell

Halula, Yacimiento neolítico

Halula, poblado actual (región de Alepo, NO Siria)

Sostenibilidad

en el origen

de la agricultura

Rendimiento

a partir

de 13C y tamaño

del grano

13C y rendimiento13C y rendimiento

13C y rendimiento13C y rendimiento

Rendimiento

a partir

de 13C y tamaño

del grano

M-PPNB L-PPNB PN Present

Est

imat

ed G

Y (K

g ha

-1)

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

Wheat Barley Emmer

Tell Halula (Neolítico) Halula (presente)rendimiento Descenso en

Rendimiento de trigo (según 13C)

Descenso

en producción

de grano

M-PPNB L-PPNB PN Present

Est

imat

ed G

Y (K

g ha

-1)

600

700

800

900

1000

1100

1200

1300

Wheat Barley Emmer

Tell Halula (Neolítico) Halula (presente)rendimiento

Descenso

en la diversidad

M-PPNB L-PPNB E-PN L-PN

Spe

cies

rich

ness

(S)

15

20

25

30

Sha

nnon

's d

iver

sity

(H)

2.0

2.5

3.0

3.5

Even

ness

(H')

0.8

0.9

1.0

SH H'

diversidad Aumento de malashierbas de cereal

Descenso enDiversidad

Descenso enRendimiento de trigo (según 13C)

Aumento demográfico

Descenso15N

Gran expansión agrícola (número de yacimientos)

(aumento de la presión demográfica)

Descenso en la fertilidad del suelo (baja 15N)

Descenso

en fertilidad

a largo plazo

Ideas principalesIdeas principales

Anillos

de crecimiento: Integra cambios a largo plazo, a menudopretratamiento (eliminación resinas, lignina)

Reconstrucción cambios climáticos y patronesfisiológicos (p.ej. decaimiento)

Restos

arqueobotánicos: carbonizados, reconstrucción clima y cultivos

ReconstrucciReconstruccióón n paleoambientalpaleoambiental y any anáálisis forenselisis forense

Reconstrucción

dietaria

y migración• Nivel trófico• Migración altitudinal

Certificación

de origen

y autenticidad• Fraude alimentario (adulteraciones)• Origen y alimentación animales

Somos

lo que

comemos: nivel

trófico

y dieta

Salazar-García 2009

Somos lo que comemos: movilidad

Tornero et al. (en prensa)

Somos lo que comemos: movilidadVariación isotópica de carbono en pastosDomina el gradiente altitudinal

Variación isotópica del aguaDomina la evolución estacional

Somos lo que comemos: movilidad

Tieszen et al (1979)

Ratio C3

/C4

varía

según

gradiente

climático

Pastos de C4

Pastos de C3Mte. Kenya

Transiciones de dieta C3 / C4Transiciones de dieta C3 / C4

De Tapia & Adriano-Morán 2012

Dieta humana refleja transiciDieta humana refleja transicióón a cultivo man a cultivo maíízz

Jahren et al. 2014

Cambio a dieta dominada por C4 (maiz)Indica la transición a la agriculturaen poblaciones indígenas (Florida)

Brooks et al. (2002)

%C4

(maiz)

InvestigaciInvestigacióón forense: n forense: ¿¿cebada o macebada o maííz?z?Cebada/trigo Maiz

Brooks et al. (2002)

Reinheitsgebot(1516)Ley de pureza alemana“cebada, agua y lúpulo”

%C4

(maiz)

InvestigaciInvestigacióón forense: n forense: ¿¿cebada o macebada o maííz?z?Cebada/trigo Maiz

IdentificaciIdentificacióón de fraude alimentarion de fraude alimentario

Recio et al. 2005

Azúcaresañadidos

Bellota (lípidos C3 )

Pienso(Carbohidratos C3 y C4 )

Marqués Macías, 1994

InvestigaciInvestigacióón forense: jamn forense: jamóón de bellotan de bellota

Ideas principalesIdeas principales

Dieta: Nivel trófico enriquece, Migraciones y cambios de dietaTransiciones C3/C4

Certificación: Distintos orígenes o consumo de alimentosdeterminan la señal isotópicaAdulteraciones cambian la señal

reconstrucción paleoambiental y análisis forenserriquelm/04_paleo_cursoisotopes2017.pdf ·...

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