Enamel growth lines in deciduous teeth: Life history reconstruction in ancient populations

Abstract

L’esmalt dental de les dents decidues conserva registres biològics de la vida prenatal i postnatal primerenca, oferint un arxiu valuós per reconstruir les històries de vida en poblacions antigues. Aquesta tesi investiga les línies de creixement de l’esmalt i la distribució d’elements traça en dents decidues humanes per refinar els mètodes d’estimació d’edat i millorar la comprensió dels patrons de mortalitat infantil en contextos arqueològics. La hipòtesi central planteja que combinar la histologia dental amb l’anàlisi d’elements traça augmenta la precisió per identificar l’esdeveniment del naixement mitjançant la Línia Neonatal (LNN), fins i tot en mostres alterades arqueològicament. Els objectius principals van ser avaluar l’eficàcia de la histologia en l’estimació d’edat, reconstruir els patrons de mortalitat infantil, validar la microfluorescència de raigs X de sincrotró (SR-µXRF) per a la identificació de la LNN, i examinar la preservació d’elements traça en l’esmalt arqueològic. Es van analitzar 68 dents decidues de contextos moderns (col·lecció osteològica de Granada) i arqueològics (jaciments de l’Edat del Ferro i medievals). Cada dent es va seccionar i observar amb microscòpia de llum polaritzada i transmesa per identificar els marcadors de creixement i calcular el temps de formació de la corona. El període de formació de la corona prenatal (pCFT), que abasta des de l’inici de la formació fins al naixement, es va comparar amb valors establerts per confirmar la presència de la LNN. A més, 18 dents es van analitzar per SR-µXRF als sincrotrons ALBA i ESRF. Els resultats histològics van demostrar una alta precisió en les estimacions d’edat en mostres modernes, confirmant la seva aplicabilitat arqueològica. En tots els individus que van sobreviure al naixement, la LNN era present i els valors de pCFT concordaven amb els límits per a nadons a terme, reforçant la validesa de la LNN com a marcador de naixement viu. En dents amb esmalt en formació, les estimacions d’edat coincidien gairebé exactament amb les edats registrades, amb subestimacions mínimes (≤2 dies). En individus amb la corona completada, el càlcul del temps postnatal va subestimar la supervivència, reflectint una limitació dels mètodes basats només en l’esmalt. En les mostres arqueològiques, l’anàlisi histològica va establir l’edat cronològica de 38 infants procedents de poblats ibers, amb edats que oscil·laven des de la setmana 30 de gestació fins al segon mes postnatal. La distribució d’edats indica un patró de mortalitat attricional, amb gairebé la meitat dels infants morts en el període perinatal, incloent-hi els parts prematurs. Aquests resultats donen suport a la hipòtesi que la mortalitat es devia principalment a causes naturals. Geoquímicament, els perfils elementals de Ca, P i Zn des de la superfície externa de l’esmalt fins a la unió amelodentinària (EDJ) en dents modernes van ser similars als de les mostres arqueològiques recents, indicant una bona preservació. La LNN mostrava lleuger augment de Zn i una disminució de P. El Zn seguia un patró dependent de la maduració: era pla en dents deciduous d'infants amb menys de 37 dies de vida, però mostrava enriquiment prop de la superfície en dents d’infants amb un any de supervivència. Aquest perfil, amb màxim a la LNN, reflectia una sobreimpressió progressiva durant la maduració. Altres elements com Fe, Mn, Cu i Ba eren més abundants en mostres arqueològiques, senyal de canvis diagenètics a l’esmalt extern i la dentina. No obstant això, l’esmalt intern mantenia el senyal biogènic original. La integració de l’anàlisi histològica i geoquímica millora les estimacions d’edat i ofereix informació crucial sobre les condicions de vida i salut infantil en el passat, aportant eines útils per a la bioarqueologia, la paleodemografia i l’antropologia forense.

El esmalte dental de los dientes deciduos conserva registros biológicos de la vida prenatal y postnatal temprana, ofreciendo un archivo valioso para reconstruir las historias de vida en poblaciones antiguas. Esta tesis investiga las líneas de crecimiento del esmalte y la distribución de elementos traza en dientes deciduos humanos para refinar los métodos de estimación de edad y mejorar la comprensión de los patrones de mortalidad infantil en contextos arqueológicos. La hipótesis central plantea que combinar la histología dental con el análisis de elementos traza aumenta la precisión para identificar el evento del nacimiento mediante la Línea Neonatal (LNN), incluso en muestras alteradas arqueológicamente. Los objetivos principales fueron evaluar la eficacia de la histología en la estimación de edad, reconstruir los patrones de mortalidad infantil, validar la microfluorescencia de rayos X de sincrotrón (SR-µXRF) para la identificación de la LNN, y examinar la preservación de elementos traza en el esmalte arqueológico. Se analizaron 68 dientes deciduos de contextos modernos (colección osteológica de Granada) y arqueológicos (yacimientos de la Edad del Hierro y medievales). Cada diente fue seccionado y observado con microscopía de luz polarizada y transmitida para identificar los marcadores de crecimiento y calcular el tiempo de formación de la corona. El período de formación prenatal de la corona (pCFT), que abarca desde el inicio de la formación hasta el nacimiento, se comparó con valores establecidos para confirmar la presencia de la LNN. Además, 18 dientes fueron analizados mediante SR-µXRF en los sincrotrones ALBA y ESRF. Los resultados histológicos demostraron una alta precisión en las estimaciones de edad en muestras modernas, confirmando su aplicabilidad arqueológica. En todos los individuos que sobrevivieron al nacimiento, la LNN estaba presente y los valores de pCFT concordaban con los límites para recién nacidos a término, reforzando la validez de la LNN como marcador de nacimiento vivo. En dientes con esmalte en formación, las estimaciones de edad coincidían casi exactamente con las edades registradas, con subestimaciones mínimas (≤2 días). En individuos con la corona completada, el cálculo del tiempo postnatal subestimó la supervivencia, reflejando una limitación de los métodos basados solo en esmalte. En las muestras arqueológicas, el análisis histológico estableció la edad cronológica de 38 infantes procedentes de poblados iberos, con edades que oscilaron desde la semana 30 de gestación hasta el segundo mes postnatal. La distribución de edades indica un patrón de mortalidad atricional, con casi la mitad de los infantes fallecidos en el periodo perinatal, incluyendo partos prematuros. Estos resultados apoyan la hipótesis de que la mortalidad se debió principalmente a causas naturales. Geoquímicamente, los perfiles elementales de Ca, P y Zn desde la superficie externa del esmalte hasta la unión esmalte-dentina (EDJ) en dientes modernos fueron similares a los de muestras arqueológicas recientes, indicando buena preservación. La LNN mostró un ligero aumento de Zn y una disminución de P. El Zn seguía un patrón dependiente de la maduración: era plano en dientes deciduos de infantiles con menos de 37 días de vida, pero mostraba enriquecimiento cerca de la superficie en dientes de infantes con un año de supervivencia. Este perfil, con un máximo en la LNN, reflejaba una sobreimpresión progresiva durante la maduración. Otros elementos como Fe, Mn, Cu y Ba eran más abundantes en muestras arqueológicas, señal de cambios diagenéticos en el esmalte externo y la dentina. Sin embargo, el esmalte interno mantenía la señal biogénica original. La integración del análisis histológico y geoquímico mejora las estimaciones de edad y ofrece información crucial sobre las condiciones de vida y salud infantil en el pasado, aportando herramientas útiles para la bioarqueología, la paleodemografía y la antropología forense.

Deciduous tooth enamel preserves biological events from prenatal and early postnatal life, offering a valuable archive for reconstructing life histories in ancient populations. This dissertation investigates enamel growth lines and trace element distributions in human deciduous teeth to refine age estimation methods and improve our understanding of infant mortality patterns in archaeological contexts. The central hypothesis posits that combining dental histology with trace element analysis enhances the precision of identifying the birth event via the Neonatal Line (NNL), even in archaeologically altered samples. The research objectives were to assess the accuracy of histological age estimation methods, reconstruct infant mortality patterns in ancient populations, validate synchrotron micro X-ray fluorescence (SR-µXRF) for NNL identification, and examine trace element preservation in archaeological enamel. The study analyzed 68 deciduous teeth from modern (Granada osteological collection) and archaeological contexts (Iron Age and medieval sites). Each tooth was sectioned and examined under polarized and transmitted light microscopy to identify growth markers and calculate crown formation timing. Prenatal crown formation time (pCFT), corresponding to the interval from the start of enamel formation to birth, was compared with established ranges to confirm NNL presence. Additionally, 18 teeth were selected for SR-µXRF trace element analysis at ALBA and ESRF synchrotron facilities. Histological analysis demonstrated high accuracy in age estimation when tested against modern samples, confirming its applicability to archaeological contexts. In all modern individuals who survived birth, the NNL was present, and pCFT values fell within expected full-term birth ranges, reinforcing the NNL’s validity as a live birth marker. Age estimates closely matched recorded ages in individuals with still-forming enamel, with minor underestimations (≤2 days). For those with completed crowns, postnatal CFT underestimated survival time, revealing limitations of enamel-based estimation beyond crown formation. In archaeological samples, histological analysis established the chronological age of 38 infants from Iberian settlements, ranging from the 30th gestational week to the 2nd postnatal month. The age distribution indicates an attritional mortality pattern, with nearly half dying perinatally, including preterm births. These results support the hypothesis that mortality was mainly due to natural causes. Geochemically, the elemental profiles of Ca, P, and Zn from the outer enamel surface (OES) to the enamel-dentine junction (EDJ) in modern teeth closely resembled those of more recent archaeological samples, indicating good elemental preservation. Across all samples, the NNL showed a slight Zn increase and P decrease. Zn distribution revealed a dynamic, maturation-dependent pattern. In early postnatal stages (in deciduous incisors from individuals with a survival between 10 and 37 days), Zn profiles were flat. By one year of survival, Zn enrichment was evident at both the NNL and near the OES. Teeth that had not completed enamel secretion lacked this enrichment, suggesting that Zn incorporation at the OES occurs during enamel maturation. At one year, a diffusion-like Zn profile extended from the EDJ to the OES, peaking at the NNL and reflecting progressive overprinting during maturation. Other trace elements such as Fe, Mn, Cu, and Ba were more concentrated in archaeological than modern samples, indicating diagenetic changes primarily in the outer enamel and dentin. However, the inner enamel retained its original biogenic signal, supporting the reliability of trace element analysis for developmental studies. Overall, integrating histological and geochemical approaches enhances age-at-death estimations and yields critical insights into early life conditions in ancient populations. These findings offer valuable tools for bioarchaeology, paleodemography, and forensic anthropology, enriching our understanding of past human development, health, and survival.