Out of the Shadows: Reconstructing Mammoth Paleoecology from Underrepresented Regions of the Western Siberian Plain and Estonia, Eastern Europe

Käesolevas väitekirjas uuritakse mammutileidude isotoopanalüüside märkimisväärset potentsiaali kahes piirkonnas, mis on isotoop-geokeemiliste andmete poolest alaesindatud: kolm suurimat hilispleistotseeni leiukohta/mammutite „kalmistut” Lääne-Siberi tasandiku kaguosas (SEWS) (Šestakovo, Krasnojarskaja Kurja ja Volchia Griva) ning Ida-Baltikumi alal. Vaatamata arvukatele igikeltsast pärinevate leidude uuringutele Põhja-Siberis ja Beringias, on isotoopandmed igikeltsata piirkondadest, nagu SEWS ja Ida-Baltikumi piirkond, endiselt vähesed.

Käesolevas uuringus kombineeritakse stabiilse hapniku, süsiniku ja lämmastiku isotoopide analüüs paleobotaaniliste andmestikega (taimede makrofossiilid ja õietolm), et rekonstrueerida keskkonnatingimusi ja mammutite toitumist igikeltsata aladel. Kokku valiti ja analüüsiti 31 proovi mammutite leiukohtadest Lääne-Siberi kaguosas. SEWS-i proovide vanusevahemik (ca 27,5–22 ka cal BP) hõlmab viimase jäätumise maksimumi Lääne-Siberi kaguosas. Lisaks koguti ja analüüsiti süsiniku ja lämmastiku isotoopide tarvis neli Eesti mammutihamba proovi, sealhulgas neist kaks pärinevad Euroopa noorimast mammutileiust.

Erilist tähelepanu pöörati luuleidude säilivusele: bioapatiidi säilimise kontrollimiseks kasutati δ18O tasakaalu ja ATR-FTIR spektroskoopiat ning C:N suhet, kollageeni saagist ja elementide sisaldust. ATR-FTIR spektroskoopia ei ole mammutite uurimisel bioapatiidi säilimise hindamise standardmeetod, kuid see võimaldab saada üksikasjalikku teavet proovide mattumisjärgse ajaloo kohta.

Selle uurimisprojekti peamised tulemused on:

• Põhjalik luuleidude säilivuse hindamine, üks projekti olulisemaid aspekte, näitas, et Volchia Griva proovide mineraalne ja orgaaniline osa on kannatanud nii mattumisjärgse muutuse, võimaliku karbonaatse osise kao, kui keemilise ja mikrobioloogilise lagunemise all. ATR-FTIR spektroskoopia abil suutsime kindlaks teha, et Krasnojarskaja Kurja ja Volchia Griva leidusid mõjutas karbonaatse osise kadu, mis tõi kaasa struktuurilisi muutuseid.
• Ida-Baltikumi piirkonnas viitasid Euroopa noorimate mammutite proovide C% ja %N väärtused ning C:N suhe, et leiud on tõenäoliselt olnud mõjutatud mattumisjärgsetest protsessidest.
• Hapniku isotoopanalüüsi tulemuste põhjal võib väita, et hilispleistotseeni talved SEWS piirkonnas olid külmemad ja suved soojemad kui tänapäeval. Hapniku isotoopide δ18Ow väärtused olid suuremad Shestakovo ja Krasnojarskaja Kurja (umbes 28–23 ka cal BP) leiukohtades kui nooremas, Volchia Griva (u 24–22 ka cal BP) leiukohas, mis viitab piirkonna järkjärgulisele soojenemisele.
• Volchia Griva proovid sisaldasid ebatavaliselt kõrgeid δ15N väärtusi vahemikus10–15‰, mis on tõenäoliselt kõrgeimad seni mammutileidudest mõõdetud lämmastiku väärtused. Meie hüpotees on, et kõrgete δ15N väärtuste tekkimisele võisid kaasa aidata kohalikud keskkonnatingimused, nagu sooldunud pinnas, tallamine ja võimalik, et ka koprofaagia.
• Holotseeni perioodi alguses muutus Ida-Baltikumi maastik avatud maastikust metsaseks, muutes keskkonna mammutitele ebasobivaks isegi Eesti põhjapoolseimas osas. Ida-Baltikumi mammutite sööda toiteväärtus langes, mis oli põhjuseks nende väljasuremisele Ida-Balti piirkonnas.
• Isotoopmeetodite kombineerimine õietolmu ja taimsete makrofossiilide analüüsiga annab põhjalikuma ülevaate keskkonnamuutustest, mis võisid viia Pleistotseeni megafauna väljasuremiseni.
• Uurimus tõstatab vajaduse täiendavate isotoopuuringute järgi vähemuuritud piirkondades ja tõestab, et hoolikalt valitud igikeltsata piirkonna leiud võivad olla väärtuslikuks teabeallikaks mineviku keskkonnamuutuste kohta.

Abstract

This dissertation explores the immense isotopic potential of mammoth remains from two regions underrepresented in terms of isotopic data: the three largest Late Pleistocene sites/mammoth “cemeteries” in the southeast of the West Siberian plain (SEWS) (Shestakovo, Krasnoyarskaya Kurya and Volchia Griva) and the Eastern Baltic. Despite the extensive isotopic research conducted in permafrost in Northern Siberia and Beringia, isotopic data from non-permafrost regions such as SEWS and the Eastern Baltic remain scarce.

This study integrates stable oxygen, carbon, and nitrogen isotope analysis with palaeobotanical proxies (plant macrofossils and pollen) to reconstruct environmental conditions and mammoth diet in non-permafrost contexts. In total, 31 samples from mammoth sites in the southeast of Western Siberia were selected and analysed. The time interval (ca. 27.5–22 ka cal BP) of the samples from SEWS covers the peak of LGM in the southeast of Western Siberia. In addition, four Estonian mammoth tooth samples, two from the youngest mammoth find in Europe, were collected and analysed for carbon and nitrogen isotopes. Special attention was given to the preservation of skeletal remains: using δ18O equilibrium and ATR-FTIR spectroscopy of bioapatite, and C:N ratios, collagen yield, and elemental content to check the preservation of collagen. ATR-FTIR spectroscopy is not a standard method for evaluating the preservation of bioapatite in mammoth research, but it can provide detailed insights into the post-depositional history of the samples.

The main outcomes of this research project are:

• Thorough preservation assessment, which was one of the most important aspects of the project, showed that the mineral and the organic part of samples from Volchia Griva have suffered from post-depositional alteration, potentially carbonate loss, chemical and microbial degradation. Using ATR-FTIR spectroscopy helped us identify that tusk specimens from Krasnoyarskaya Kurya and Volchia Griva specifically had suffered from carbonate loss and accompanying structural changes.
• In the Eastern Baltics, the C% and %N values and the C:N ratio of the samples from the European youngest mammoths indicated that the samples are likely to have been altered by post-depositional processes.
• Oxygen isotopic results showed that winters during the Late Pleistocene were colder and summers warmer than today. Within SEWS, oxygen isotope data show increasing δ18Ow values from Shestakovo and Krasnoyarskaya Kurya (ca. 28–23 ka cal BP) to Volchia Griva (ca. 24–22 ka cal BP), suggesting gradual warming in the region.
• Samples from Volchia Griva exhibited unusually high δ15N values in the range of 10–15‰, possibly the highest nitrogen values reported for mammoth remains so far. We hypothesise that local environmental conditions, such as saline soils, trampling, and possibly coprophagy, could have contributed to such high δ15N values.
• In the Eastern Baltics, at the beginning of the Holocene, the landscape shifted from an open to a forested one, making the environment inhospitable for mammoths even in northernmost Estonia. The mammoths in the Eastern Baltic declined.
• Combining isotopic methods with pollen and macrofossil analysis offers a more comprehensive understanding of the environmental changes that may have contributed to megafaunal extinction.
• This work demonstrates the need for further isotopic studies in underrepresented regions and confirms that non-permafrost materials, when carefully screened, can be a valuable source of paleoenvironmental information.