DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-10103-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40691239
تاريخ النشر: 2025-07-21
المؤلف: Antonella Pedergnana وآخرون
الموضوع الرئيسي: علم الآثار والدراسات البيئية القديمة
نظرة عامة
تسلط الأبحاث الضوء على فعالية دمج تحليل النظائر المستقرة ودراسات البروتينات القديمة لإعادة بناء الأنظمة الغذائية البشرية الماضية، مع التركيز على عينات من موقعين أوروبيين من العصور الوسطى: دالهيم في ألمانيا وباار-فروبرغستراس في سويسرا. أشار التحليل النظائري للكولاجين من دالهيم إلى أن النظام الغذائي يتكون أساسًا من نباتات C3 وبروتينات حيوانية برية، بينما كشفت التحليلات البروتينية للترسبات السنية عن مجموعة أوسع من المصادر الغذائية، بما في ذلك البقوليات والأسماك، التي لم يتم تحديدها بوضوح من خلال الطرق النظائرية. تشير النتائج إلى أن كلا المنهجين يكملان بعضهما البعض، حيث توفر النظائر المستقرة نظرة عامة غذائية عامة، وتمكن البروتيوميات من تحديد مصادر الطعام المحددة.
على الرغم من النتائج الواعدة، تعترف الدراسة بالقيود مثل مشاكل حفظ العينات وتباين استرداد البروتين، مما يمكن أن يؤثر على موثوقية الإشارات النظائرية من الترسبات السنية. يدعو المؤلفون إلى تحسين المعايير في إجراءات التقييم وإجراء المزيد من الأبحاث متعددة التخصصات لتعزيز قوة إعادة بناء الأنظمة الغذائية القديمة. بشكل عام، تؤكد هذه الدراسة على إمكانية استخدام نهج مزدوج في دراسات الأنظمة الغذائية القديمة، مما يمهد الطريق لفهم أكثر دقة للأنظمة الغذائية وأنماط الحياة البشرية القديمة.
مقدمة
في هذه الدراسة، تم تحليل مجموعتين أنثروبولوجيتين: مجموعة دالهيم من معهد الطب التطوري (IEM) في جامعة زيورخ ومجموعة باار-فروبرغستراس من متحف ما قبل التاريخ في زوغ. تم التنقيب عن مقبرة باار، التي تعود إلى القرن السابع الميلادي، في عام 2000، بينما تم التنقيب عن مقبرة دالهيم الرهبانية، التي تعود إلى القرون التاسعة إلى الثانية عشر الميلادية، بين عامي 1989 و1990. لم يكن هناك حاجة للحصول على موافقة أخلاقية لهذه الأبحاث، ولكن تم الحصول على إذن من المؤسسات المعنية، مع الالتزام بقواعد الأخلاق الخاصة بـ IEM-UZH.
شملت الأبحاث جمع وتحليل الترسبات السنية من 24 فردًا من مقبرة دالهيم و28 من موقع باار-فروبرغستراس، ليصل إجمالي العينات إلى 52 عينة خضعت لتحليل بروتيني قديم. بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء تحليل النظائر على عينات من العظام (عدد = 11)، والعاج (عدد = 8)، والترسبات السنية (عدد = 8) من أحد عشر فردًا في مجموعة دالهيم. كانت الدراسات السابقة قد حددت بالفعل الجنس والعمر عند الوفاة لهؤلاء الأفراد، وتم التحقيق في الترسبات السنية لأربعة أفراد في دالهيم في وقت سابق.
طرق
يستعرض قسم “المواد والطرق” التصميم التجريبي والمواد المستخدمة والمنهجيات المعتمدة في الدراسة. يوضح المواد المحددة، بما في ذلك أي مواد كيميائية، معدات، وعينات بيولوجية، التي تم استخدامها لإجراء البحث. كما يصف القسم الإجراءات المتبعة، بما في ذلك أي بروتوكولات تجريبية، تقنيات جمع البيانات، والتحليلات الإحصائية التي تم تنفيذها لضمان صحة وموثوقية النتائج.
بالإضافة إلى ذلك، يتم تقديم الطرق بطريقة تسمح بإعادة الإنتاج، مما يوفر تفاصيل كافية حول إعداد التجربة والظروف. يشمل ذلك معلومات عن أحجام العينات، الضوابط، وأي عوامل بيئية ذات صلة قد تؤثر على النتائج. بشكل عام، يعد هذا القسم أساسًا حيويًا لفهم كيفية إجراء البحث ويدعم تفسير النتائج المقدمة في الأقسام اللاحقة.
نتائج
تشير نتائج تحليلات النظائر المستقرة للكولاجين من عينات العاج، العظام، والترسبات السنية من دفنات مختارة في دالهيم إلى جودة حفظ عالية للكولاجين، مع عوائد تتراوح من 6.8% إلى 17.7% للعاج ومن 7.4% إلى 15.8% للعظام. تدعم نسب الكربون إلى النيتروجين (C/N) التي تتراوح من 3.1 إلى 3.2 هذه النتيجة، مما يشير إلى عدم وجود تدهور كبير في البروتين الأصلي. تكشف القيم النظائرية أن كولاجين العظام له متوسط δ¹³C يبلغ -20.0 ± 0.2‰، وδ¹⁵N يبلغ 10.0 ± 0.7‰، وδ³⁴S يبلغ 9.4 ± 0.7‰، بينما يظهر كولاجين الأسنان قيم δ¹³C وδ¹⁵N مماثلة، مع متوسط δ³⁴S يبلغ 8.6 ± 1.0‰. من الجدير بالذكر أن عينات الترسبات السنية تظهر توقيعات نظائرية مميزة، مع متوسط δ¹³C يبلغ -22.4 ± 1.2‰، وδ¹⁵N يبلغ 10.6 ± 1.2‰، وδ³⁴S يبلغ 6.8 ± 4.9‰، مما يشير إلى اختلافات كبيرة في نظائر الكربون بين العاج، العظام، والترسبات (H = 16.067، p < 0.001). علاوة على ذلك، بينما لم يتم العثور على اختلافات كبيرة في قيم النيتروجين والكربون بين العاج والعظام، كانت هناك اختلافات كبيرة في قيم الكربون بين عينات العظام والترسبات (W = 80، p < 0.001). تسلط هذه النتائج الضوء على الملفات البيوكيميائية المميزة للترسبات السنية مقارنة بالعينات الكولاجينية، مما يوفر رؤى حول العوامل الغذائية والبيئية التي تؤثر على هذه السكان القدماء.
مناقشة
تسلط المناقشة الضوء على دمج تحليل النظائر المستقرة والبروتيوميات القديمة لإعادة بناء العادات الغذائية التاريخية، خاصة في السياقات الأثرية. يواجه تحليل النظائر المستقرة، على الرغم من قيمته، قيودًا في تحديد أنواع الطعام المحددة بدقة، خاصة فيما يتعلق بقيم δ¹⁵N التي تعقد تقدير مصادر البروتين الحيواني. تؤكد الدراسة أنه بينما يمكن تحديد الأسماك البحرية من خلال قيم δ¹⁵N وδ¹³C المرتفعة، فإن التمييز بين الحيوانات البرية والأسماك العذبة لا يزال يمثل تحديًا بسبب تداخل التوقيعات النظائرية. تشير النتائج إلى أن سكان دالهيم كانوا يستهلكون بشكل أساسي نباتات C₃ وبروتينات حيوانية برية، مع بعض الأدلة على استهلاك الأسماك العذبة، كما تشير البيانات النظائرية.
على النقيض من ذلك، قدمت البروتيوميات القديمة رؤى أكثر دقة حول مكونات النظام الغذائي، كاشفة عن مجموعة متنوعة من البروتينات النباتية والحيوانية. من الجدير بالذكر أنه تم تحديد بروتينات من عائلة الفاباسيا، بما في ذلك البازلاء الخضراء (Pisum sativum)، جنبًا إلى جنب مع بروتينات الألبان والأسماك. سمح النهج المزدوج الذي يجمع بين تحليلات النظائر المستقرة والبروتيوميات بفهم أكثر دقة للنظام الغذائي في العصور الوسطى، مؤكدًا الاعتماد على نباتات C₃ ومنتجات الحيوانات البرية، بينما يشير أيضًا إلى وجود بروتينات غذائية محددة. تعزز هذه المنهجية الشاملة إعادة بناء الأنظمة الغذائية القديمة، مما يوفر صورة أوضح عن تفاعلات البشر مع الحيوانات وتفضيلاتهم الغذائية في المجتمعات التاريخية.
DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-025-10103-0
PMID: https://pubmed.ncbi.nlm.nih.gov/40691239
Publication Date: 2025-07-21
Author(s): Antonella Pedergnana et al.
Primary Topic: Archaeology and ancient environmental studies
Overview
The research highlights the efficacy of integrating stable isotope analysis and ancient protein studies to reconstruct past human diets, focusing on samples from two medieval European sites: Dalheim in Germany and Baar-Früebergstrasse in Switzerland. Isotopic analysis of collagen from Dalheim indicated a diet primarily composed of C3 plants and terrestrial animal proteins, while proteomic analysis of dental calculus revealed a broader range of dietary sources, including legumes and fish, which were not clearly identified through isotopic methods. The findings suggest that both methodologies complement each other, with stable isotopes providing a general dietary overview and proteomics enabling the identification of specific food sources.
Despite the promising results, the study acknowledges limitations such as sample preservation issues and variability in protein recovery, which can affect the reliability of isotopic signals from dental calculus. The authors advocate for improved standardization in scoring procedures and further interdisciplinary research to enhance the robustness of paleodietary reconstructions. Overall, this work underscores the potential of a dual approach in paleo-dietary studies, paving the way for more nuanced understandings of ancient human diets and lifestyles.
Introduction
In this study, two anthropological collections were analyzed: the Dalheim collection from the Institute of Evolutionary Medicine (IEM) at the University of Zurich and the Baar-Früebergstrasse collection from the Museum of Prehistory of Zug. The Baar cemetery, dating to the seventh century CE, was excavated in 2000, while the Dalheim monastic cemetery, dating from the ninth to twelfth centuries CE, was excavated between 1989 and 1990. Ethical approval was not required for this research, but authorization was obtained from the respective institutions, adhering to the IEM-UZH code of ethics.
The research involved the collection and analysis of dental calculus from 24 individuals from the Dalheim cemetery and 28 from the Baar-Früebergstrasse site, totaling 52 samples subjected to ancient proteomic analysis. Additionally, isotope analysis was performed on samples from bone (n = 11), dentin (n = 8), and dental calculus (n = 8) from eleven individuals in the Dalheim collection. Previous studies had already established the sex and age-at-death of these individuals, and dental calculus from four individuals in Dalheim had been investigated earlier.
Methods
The “Materials and Methods” section outlines the experimental design, materials used, and methodologies employed in the study. It details the specific materials, including any reagents, equipment, and biological samples, that were utilized to conduct the research. The section also describes the procedures followed, including any experimental protocols, data collection techniques, and statistical analyses performed to ensure the validity and reliability of the results.
In addition, the methods are presented in a manner that allows for reproducibility, providing sufficient detail about the experimental setup and conditions. This includes information on sample sizes, controls, and any relevant environmental factors that could influence the outcomes. Overall, this section serves as a critical foundation for understanding how the research was conducted and supports the interpretation of the findings presented in subsequent sections.
Results
The results of the stable isotope analyses of collagen from dentin, bone, and dental calculus samples from selected burials in Dalheim indicate a high preservation quality of collagen, with yields ranging from 6.8% to 17.7% for dentin and 7.4% to 15.8% for bone. The molar carbon to nitrogen (C/N) ratios of 3.1 to 3.2 further support this finding, suggesting no significant degradation of the native protein. The isotopic values reveal that bone collagen has a mean δ¹³C of -20.0 ± 0.2‰, δ¹⁵N of 10.0 ± 0.7‰, and δ³⁴S of 9.4 ± 0.7‰, while dental collagen shows similar δ¹³C and δ¹⁵N values, with a mean δ³⁴S of 8.6 ± 1.0‰. Notably, dental calculus samples exhibit distinct isotopic signatures, with mean δ¹³C of -22.4 ± 1.2‰, δ¹⁵N of 10.6 ± 1.2‰, and δ³⁴S of 6.8 ± 4.9‰, indicating significant differences in carbon isotopes between dentin, bone, and calculus (H = 16.067, p < 0.001). Furthermore, while no significant differences in nitrogen and carbon values were found between dentin and bone, there were significant differences in carbon values between bone and calculus samples (W = 80, p < 0.001). These findings highlight the distinct biochemical profiles of dental calculus compared to collagenous samples, providing insights into dietary and environmental factors affecting these ancient populations.
Discussion
The discussion highlights the integration of stable isotope analysis and ancient proteomics to reconstruct historical dietary habits, particularly in archaeological contexts. Stable isotope analysis, while valuable, faces limitations in accurately identifying specific food types, especially regarding the δ¹⁵N values that complicate the estimation of animal protein sources. The study emphasizes that while marine fish can be identified through elevated δ¹⁵N and δ¹³C values, distinguishing between terrestrial animals and freshwater fish remains challenging due to overlapping isotopic signatures. The findings suggest that the population from Dalheim primarily consumed C₃ plants and terrestrial animal proteins, with some evidence of freshwater fish consumption, as indicated by the isotopic data.
In contrast, ancient proteomics provided more precise insights into dietary components, revealing a variety of plant and animal proteins. Notably, proteins from the Fabaceae family, including green pea (Pisum sativum), were identified, alongside dairy and fish proteins. The dual approach of combining stable isotope and proteomic analyses allowed for a more nuanced understanding of the medieval diet, confirming the reliance on C₃ plants and terrestrial animal products while also indicating the presence of specific dietary proteins. This comprehensive methodology enhances the reconstruction of ancient diets, offering a clearer picture of human-animal interactions and dietary preferences in historical populations.