Soft tissue preservation in amber

Abstract

This doctoral thesis deals with the limits of morphological and biomolecular preservation of fossils in amber and provides new information on their taphonomy. A particular focus lies on arthropod inclusions from Cambay and Zhangpu amber deposits, which both are chemically distinct from previously studied amber occurrences.<br /> For the first time, subcellular structures could be evidenced in fossils from Eocene Cambay amber from India with electron microscopic methods. An examination of arthropods from Miocene Zhangpu amber from China shows that the frequency and extent of internal tissue preservation is not randomly distributed, but impacted by a combination of organismal characteristics and original resin chemistry. Muscle tissue, tracheal remains, and nervous tissue are the most commonly preserved, whereas abdominal tissue is infrequently detectable. This pattern is explained by an infiltration of volatile resin compounds along the tracheal system of entrapped arthropods.<br /> Chemical analyses revealed that amber fossils can be exposed to mineral precipitations of calcite and quartz, which shows that the geological environment can have a strong influence on the potential of tissue or biomolecular preservation. This is further confirmed by a lizard bone from Dominican amber in which the original bioapatite was transformed into fluorapatite. Raman spectra of the same specimen showed an intense degradation of collagen into amorphous carbon compounds, indicating a lack of intact biomolecules.<br /> In contrast to this, original single amino acids are extracted from Cambay and Zhangpu amber fossils which still enable conclusions about their phylogeny. Previous studies and the results of this thesis suggest that amino acids represent the limit of peptide preservation in amber. With respect to DNA preservation in amber, it is shown that intact DNA can be retrieved from extant resin-embedded arthropods. This provides an initial basis for step-by-step approaches towards the DNA preservation limit in amber. Numerous details regarding fossilisation in amber have not yet been investigated and hold great potential for future studies.

Diese Doktorarbeit befasst sich mit den Grenzen der morphologischen und biomolekularen Erhaltung von Fossilien in Bernstein und liefert neue Informationen zu ihrer Taphonomie. Ein besonderer Schwerpunkt liegt auf Arthropodeneinschlüssen aus den Bernsteinvorkommen von Cambay und Zhangpu, welche sich chemisch von zuvor untersuchten Bernsteinablagerungen unterscheiden. Dabei konnten zum ersten Mal anhand elektronenmikroskopischer Methoden subzelluläre Strukturen in Fossilien aus dem eozänen Cambay-Bernstein aus Indien nachgewiesen werden. Eine Untersuchung von Arthropoden aus dem miozänen Zhangpu-Bernstein aus China zeigt, dass die Häufigkeit und das Ausmaß der Erhaltung der inneren Gewebe nicht zufällig verteilt sind, sondern in erster Linie durch eine Kombination von organismischen Eigenschaften und ursprünglicher Harzchemie beeinflusst werden. Muskelgewebe, Tracheenreste und Nervengewebe sind am häufigsten erhalten, wohingegen abdominales Gewebe seltener nachweisbar ist. Dieses Muster wird durch das Eindringen flüchtiger Harzverbindungen entlang des Tracheensystems eingeschlossener Arthropoden erklärt.<br /> Chemische Analysen ergaben, dass Bernsteinfossilien mineralischen Ausfällungen von Calcit und Quarz ausgesetzt sein können, was zeigt, dass die geologische Umgebung einen starken Einfluss auf das Potenzial der Erhaltung von Gewebe oder Biomolekülen haben kann. Dies wird weiter durch einen Eidechsenknochen aus Dominikanischem Bernstein bestätigt, in dem der ursprüngliche Bioapatit in Fluorapatit umgewandelt ist. Raman-Spektren derselben Probe zeigten einen intensiven Abbau von Kollagen zu amorphen Kohlenstoffverbindungen, was auf die Abwesenheit intakter Biomoleküle hinweist.<br /> Im Gegensatz dazu können ursprüngliche einzelne Aminosäuren von Fossilien aus Cambay und Zhangpu Bernstein extrahiert werden, die immer noch Rückschlüsse auf deren Phylogenie ermöglichen. Frühere Studien und die Ergebnisse dieser Arbeit legen nahe, dass Aminosäuren die Grenze der Konservierung von Peptiden in Bernstein darstellen.<br /> In Bezug auf DNA-Konservierung in Bernstein wird gezeigt, dass intakte DNA zumindest aus heutigen, in Harz eingebetteten Arthropoden gewonnen werden kann. Dies bietet eine erste Grundlage um schrittweise die Konservierungsgrenze von DNA in Bernstein zu ermitteln. Zahlreiche Details im Hinblick auf die Fossilisation in Bernstein sind noch nicht untersucht worden und beinhalten ein großes Potenzial für zukünftige Studien.