Neue Technik zur Analyse archäologischer Knochen

Eine von einem italienischen Team entwickelte innovative Methode wird den Bereich der Archäologie und Radiokohlenstoffdatierung revolutionieren und unser kulturelles Erbe schützen. Die Forscher haben es mit überraschenden Ergebnissen an archäologischen Knochen eingesetzt und das „Unsichtbare“ sichtbar gemacht.

Diese wichtige Errungenschaft – veröffentlicht in der Zeitschrift Kommunikationschemie—ist das Ergebnis umfangreicher Forschungsarbeiten, die von Professorin Sahra Talamo koordiniert wurden und an denen Experten auf dem Gebiet der analytischen Chemie der Universitäten Bologna und Genua zusammengearbeitet haben.

Die Gruppe hat eine neue Technik zur Analyse archäologischer Knochen entwickelt, die es zum ersten Mal ermöglicht, das Vorhandensein von Kollagen, dem unsichtbaren Protein, das für die Herstellung von Radiokohlenstoffdaten und damit für den Erhalt neuer Informationen über den Menschen unerlässlich ist, mit hoher Auflösung zu quantifizieren und zu kartieren Evolution.

„Unsere Ergebnisse werden bedeutende Fortschritte für das Studium der menschlichen Evolution bieten“, sagt Talamo, Co-Autor der Studie und Direktor des Radiokohlenstoff-Datierungslabors BRAVHO an der Universität Bologna, „da wir in der Lage sein werden, die Zerstörung wertvoller Knochen zu minimieren Material, das unter dem Schutz und der Aufwertung des europäischen Kulturerbes steht, und uns somit ermöglichen, das wertvolle Objekt durch Angabe eines genauen Kalenderalters zu kontextualisieren.“

Viele der seltensten prähistorischen Knochen, die von Archäologen gefunden wurden, sind enorm wertvoll und gelten als Teil unseres kulturellen und historischen Erbes. Knochen können viele Informationen über das Leben der alten Völker liefern: was sie gegessen haben, ihre Fortpflanzungsgewohnheiten, ihre Krankheiten und die Wanderungen, die sie unternommen haben. Knochen können uns jedoch nicht alle Informationen liefern, die wir so begehren. Ihr Potenzial, Informationen zu vermitteln, wird dadurch begrenzt, wie viel Kollagen in ihnen konserviert ist.

Um die Notwendigkeit, die Unversehrtheit der Artefakte so weit wie möglich zu erhalten, mit der Notwendigkeit, Radiokarbonanalysen durchzuführen, zu kombinieren, entwickelten die Forscher daher eine innovative Methode, die es ihnen dank einer mit Nahinfrarot gekoppelten Kamera ermöglicht, die durchschnittlicher Kollagengehalt in den beobachteten Proben.

„Wir haben Bildgebungstechnologie verwendet, um das Vorhandensein von Kollagen in Knochenproben zerstörungsfrei zu quantifizieren, um die am besten geeigneten Proben (oder Probenregionen) auszuwählen, die einer Radiokohlenstoff-Datierungsanalyse unterzogen werden sollen“, sagt Cristina Malegori, Erstautorin des Artikels und Forscher am Institut für Pharmazie der Universität Genua.

„Hyperspektrale Nahinfrarot-Bildgebung (HSI) wurde zusammen mit einem chemometrischen Modell verwendet, um chemische Bilder der Verteilung von Kollagen in alten Knochen zu erstellen. Dieses Modell quantifiziert das Kollagen an jedem Pixel und liefert so eine chemische Kartierung des Kollagengehalts.“

Es ist äußerst schwierig, kostspielig und zeitaufwändig, alle an einer archäologischen Stätte vorhandenen Knochen auf Kollagenkonservierung zu analysieren; vor allem würde es zur Zerstörung wertvollen Materials führen. Tatsächlich werden menschliche Fossilien und/oder Knochenartefakte im Laufe der Zeit immer seltener und wertvoller.

Aufgrund der diagenetischen Veränderung des Kollagens im Laufe der Zeit sind große Ausgangsgewichte paläolithischer Knochen (≥ 500 mg Knochenmaterial) erforderlich, um ausreichend Kollagen für die Beschleuniger-Massenspektrometrie (AMS) 14C-Datierung zu extrahieren (mindestens 1 % Ausbeute). Darüber hinaus sind viele der wertvollsten archäologischen Knochen zu klein (In diesem Zusammenhang glänzt die in dieser Studie beschriebene Technik wirklich, weil sie es ermöglicht, Informationen sowohl über den Ort als auch über den Inhalt des noch in einer Knochenprobe vorhandenen Kollagens zu erhalten.

„Die in der vorliegenden Studie verwendete hyperspektrale Nahinfrarot-Bildgebungskamera (NIR-HSI) ist ein Zeilenscan-System (Push-Broom), das chemische Bilder aufnimmt, bei denen für jedes Pixel ein vollständiges Spektrum im Spektralbereich von 1.000 bis 2.500 nm vorhanden ist Bereich (nahes Infrarot) aufgezeichnet wird“, sagt Giorgia Sciutto, Co-Autorin des Artikels und Professorin für Chemie des Umwelt- und Kulturerbes an der Universität Bologna.

„Die NIR-HSI-Analyse ist völlig zerstörungsfrei. Die für die Analyse einer einzelnen Knochenprobe erforderliche Zeit beträgt nur wenige Minuten, und daher kann das System viele Proben an einem einzigen Tag untersuchen, um diejenigen zu finden, die für die Analyse geeignet sind, was Zeit spart und Geld und die unnötige Verschwendung von wertvollem Material, wodurch Zeit, Kosten und die Zerstörung wertvoller Proben erheblich reduziert werden.“

Es wird erwartet, dass diese Technik die Auswahl von Proben unterstützt, die einer Radiokohlenstoffanalyse an vielen Orten unterzogen werden sollen, an denen frühere Versuche wegen schlechter Konservierung nicht möglich waren.

„Diese neue Technik ermöglicht nicht nur die Auswahl der besten Proben, sondern auch die Auswahl des Probenahmepunkts in den ausgewählten Proben auf der Grundlage der vorhergesagten Kollagenmenge“, sagt Paolo Oliveri, Mitautor der Arbeit und Professor an der Fakultät für Pharmazie der Universität Genua.

„Diese Methode trägt dazu bei, die Anzahl der für die 14C-Analyse zerstörten Proben drastisch zu reduzieren, und innerhalb des Knochens hilft es, die Auswahl von Bereichen zu vermeiden, die möglicherweise eine für die Datierung unzureichende Kollagenmenge aufweisen. Dies erhöht die Erhaltung wertvoller archäologischer Materialien .“

„Das Potenzial der in der vorliegenden Studie vorgeschlagenen Methode liegt in der Art und Menge der Informationen, die das Vorhersagemodell liefert und zwei grundlegende und sich ergänzende Fragen zur Charakterisierung von Kollagen in Knochen beantwortet: wie viel und wo“, sagt Cristina Malegori Autor des Artikels.

Somit kann dieser experimentelle Ansatz quantitative Informationen in Bezug auf den durchschnittlichen Kollagengehalt liefern, der in der gesamten zur Untersuchung eingereichten Probe vorhanden ist. Die Untersuchung kann nicht nur in kleinen und lokalisierten Bereichen (wie bei der Einzelpunktanalyse) durchgeführt werden, sondern kann auch die gesamte Oberfläche der Probe berücksichtigen, wodurch eine höhere und viel aussagekräftigere Datenmenge erzeugt wird.

Darüber hinaus ermöglichte die Kombination des HSI-Systems mit der PLS-Regression erstmals an Proben alter Knochen nicht nur die Bestimmung des Gesamtkollagengehalts, sondern auch dessen Lokalisierung mit hoher räumlicher Auflösung (ca. 30 um), wodurch eine quantitative Chemikalie erhalten wurde Karten.

„Was Radiokohlenstoff betrifft, könnten wir Knochen von hohem Erbwert strategisch untersuchen. Wenn wir beispielsweise die genaue Menge an Kollagen kennen, die in einem bestimmten Bereich des Knochens konzentriert ist, können wir nur diesen Teil schneiden“, sagt Talamo. „Wenn die Kollagenvorhersage zeigt, dass der Knochen schlecht erhalten war, können wir außerdem entscheiden, eine sanfte 14C-Vorbehandlung durchzuführen, um den Kollagenverlust während der Extraktion zu minimieren.“

Insgesamt liefert diese innovative und prägnante Kombination aus NIR-HSI-Spektroskopie-Vorscreening und der Radiokohlenstoffmethode zum ersten Mal detaillierte Informationen über das Vorhandensein von Kollagen auf archäologischen Knochen, reduziert die Laborkosten, indem nur für 14C geeignete Materialien datiert und die Anzahl erhöht wird archäologische Knochen, die konserviert werden können und daher für zukünftige Forschungen zur Verfügung stehen.