Как анализ липидов раскрывает древние пищевые привычки и кулинарные практики

Хроматография и изотопный анализ соединений в остатках липидов древней керамики многое рассказывают о древних пищевых привычках и кулинарных практиках. В последние два десятилетия этот метод успешно применялся для изучения древних пищевых практик на нескольких археологических памятниках мира. Недавно исследователи применили этот метод к керамике, собранной на нескольких археологических памятниках цивилизации долины Инда. Ключевым научным открытием стало преобладание жиров нежвачных животных в посуде для приготовления пищи, что подразумевает, что нежвачные животные (такие как лошади, свиньи, домашняя птица, кролики и т. д.) готовились в этой посуде в течение длительного периода. Это противоречит давно устоявшемуся мнению (основанному на данных о фауне), что жвачные животные (такие как крупный рогатый скот, буйволы, олени и т. д.) употреблялись в пищу жителями долины Инда.

Археологические раскопки важных памятников в прошлом столетии предоставили много информации о культуре и обычаях древних людей. Однако понимание рациона питания и способов жизнеобеспечения, распространенных в древних доисторических обществах, не имевших письменных свидетельств, было сложной задачей, поскольку от «пищи» практически ничего не оставалось из-за почти полного естественного разложения продуктов питания и биомолекул. В последние два десятилетия стандартные химические методы, такие как хроматография и анализ соотношения стабильных изотопов углерода, получили широкое распространение в археологических исследованиях, позволив исследователям точно определять источники липидов. В результате стало возможным изучать рацион питания и способы жизнеобеспечения с помощью молекулярного и изотопного анализа остатков усваиваемой пищи на основе значений δ13C и Δ13C.

Растения являются основными производителями пищи. Большинство растений используют C3-фотосинтез для фиксации углерода, поэтому их называют C3-растениями. Пшеница, ячмень, рис, овес, рожь, вигна, маниока, соя и т. д. — основные C3-растения. Они составляют основу рациона человека. C4-растения (такие как кукуруза, сахарный тростник, просо и сорго), с другой стороны, используют C4-фотосинтез для фиксации углерода.

Углерод имеет два стабильных изотопа: C-12 и C-13 (третий изотоп, C-14, нестабилен, следовательно, радиоактивен и используется для датирования органических археологических находок). Из двух стабильных изотопов более легкий C-12 преимущественно поглощается в процессе фотосинтеза. Фотосинтез не является универсальным процессом; он способствует фиксации C-12. Кроме того, растения C3 поглощают более легкий изотоп C-12 в большей степени, чем растения C4. И растения C3, и растения C4 избирательно поглощают более тяжелый изотоп C-13, но растения C4 избирательно поглощают его не так сильно, как растения C3. Иными словами, в процессе фотосинтеза как растения C3, так и растения C4 предпочитают изотоп C-12 изотопу C-13, но растения C3 предпочитают C-12 больше, чем растения C4. Это приводит к различиям в соотношении стабильных изотопов углерода у растений C3 и C4, а также у животных, питающихся растениями C3 и C4. У животного, питавшегося растениями C3, будет больше легких изотопов, чем у животного, питавшегося растениями C4, то есть молекула липида с более легким изотопным соотношением, скорее всего, произошла от животного, питавшегося растениями C3. Это концептуальная основа изотопного анализа липидов (или любых других биомолекул), который помогает идентифицировать источники остатков липидов в керамике. Вкратце, растения C3 и C4 имеют разные изотопные соотношения углерода. Значение δ13C для растений C3 легче и находится в диапазоне от −30 до −23‰, тогда как для растений C4 это значение находится в диапазоне от −14 до −12‰.

После извлечения остатков липидов из образцов керамики первым ключевым шагом является разделение различных липидных компонентов с помощью метода газовой хроматографии-масс-спектрометрии (ГХ-МС). Это позволяет получить липидную хроматограмму образца. Липиды со временем деградируют, поэтому в древних образцах обычно обнаруживаются жирные кислоты (ЖК), особенно пальмитиновая кислота (C16 ₎ и стеариновая кислота (C18 ₎ . Таким образом, этот метод химического анализа помогает идентифицировать жирные кислоты в образце, но не дает информации об их происхождении. Необходимо дополнительно установить, происходила ли конкретная жирная кислота, обнаруженная в древней посуде, из молочных продуктов, мяса животных или растений. Остатки жирных кислот в керамике зависят от того, что готовилось в сосуде в древние времена.

Растения С3 и С4 имеют разное соотношение стабильных изотопов углерода из-за преимущественного поглощения более легкого изотопа С12 в процессе фотосинтеза. Точно так же животные, которых кормят растениями C3 и C4, имеют разные соотношения, например, домашний крупный рогатый скот (жвачные животные, такие как корова и буйвол), которого кормят пищей C4 (например, просом), будут иметь другое соотношение изотопов, чем более мелкие домашние животные, такие как козы, овцы. и свиньи, которые обычно пасутся и питаются растениями C3. Кроме того, молочные продукты и мясо, полученные от жвачных животных, имеют разное соотношение изотопов из-за различий в синтезе жиров в молочной железе и жировой ткани. Установление происхождения конкретной жирной кислоты, выявленной ранее, осуществляется путем анализа соотношений стабильных изотопов углерода. Для анализа соотношения изотопов идентифицированных жирных кислот используется метод масс-спектрометрии газовой хроматографии-сгорания-изотопного отношения (GC-C-IRMS).   

Важность анализа соотношения стабильных изотопов углерода в липидных остатках в археологических исследованиях доисторических памятников была продемонстрирована в 1999 году, когда исследование археологического памятника в валлийском пограничье (Великобритания) позволило четко различить жиры нежвачных (например, свиных) и жвачных (например, овечьих или бычьих) животных¹ ^. Этот подход мог предоставить убедительные доказательства первого появления молочного животноводства в зеленой Сахарской Африке в пятом тысячелетии до нашей эры. Северная Африка тогда была покрыта зеленой растительностью, и доисторические жители Сахарской Африки уже переняли практику молочного животноводства. Этот вывод был сделан на основе значений δ¹³C и Δ¹³C основных алкановых кислот молочного жира, обнаруженных в керамике² ^. Аналогичные анализы предоставили самые ранние прямые доказательства переработки и потребления молочных продуктов пастушескими неолитическими обществами в Восточной Африке³ ^и в раннем железном веке в Северном ^{Китае⁴}.

В Южной Азии свидетельства одомашнивания животных восходят к 7- ^му тысячелетию до нашей эры. К 4- ^{му тысячелетию до нашей эры одомашненные животные, такие как крупный рогатый скот, буйволы, козы, овцы и т. д., присутствовали на различных археологических памятниках долины Инда} . Были предположения об использовании этих животных в пищу для получения молочных и мясных продуктов, но убедительных научных доказательств в поддержку этой точки зрения не было. Анализ стабильных изотопов липидных остатков, извлеченных из фрагментов керамики, собранных в поселениях долины Инда, предоставляет самые ранние прямые свидетельства переработки молочных продуктов в Южной Азии⁵ . В другом недавнем, более подробном, систематическом исследовании липидных остатков из фрагментов горшков, собранных на нескольких археологических памятниках долины Инда, исследователи попытались установить тип пищевых продуктов, используемых в сосудах. Изотопный анализ подтвердил использование животных жиров в сосудах. Ключевым научным открытием стало преобладание жиров нежвачных животных в сосудах для приготовления пищи⁶, ^что подразумевает, что нежвачные животные (такие как лошади, свиньи, птица, кролики и т. д.) готовились в сосудах в течение длительного периода и употреблялись в пищу. Это противоречит давно устоявшемуся мнению (основанному на данных о фауне), согласно которому жители долины Инда употребляли в пищу жвачных животных (таких как крупный рогатый скот, буйволы, олени, козы и т. д.).

Ограничениями данного исследования являются недоступность современных местных эталонных жиров и возможность смешивания растительных и животных продуктов. Для преодоления возможных последствий смешивания растительных и животных продуктов и для получения целостного представления в анализ липидных остатков был включен анализ крахмальных зерен. Это позволило готовить растения, злаки, бобовые и т. д. в одной посуде. Это помогает преодолеть некоторые из ограничений ⁷.

Ссылки:  

1. Дадд С.Н. и др. 1999. Доказательства различных моделей использования продуктов животного происхождения в различных доисторических гончарных традициях на основе липидов, сохранившихся на поверхности и абсорбированных остатках. Журнал археологических наук. Том 26, выпуск 12, декабрь 1999 г., страницы 1473-1482. DOI: https://doi.org/10.1006/jasc.1998.0434 

2. Dunne, J., Evershed, R., Salque, M. et al. Первое молочное производство в зеленой Африке Сахары в пятом тысячелетии до нашей эры. Природа 486, 390–394 (2012). DOI: https://doi.org/10.1038/nature11186 

3. Грилло КМ и др. al 2020. Молекулярные и изотопные данные о молоке, мясе и растениях в доисторических пищевых системах пастухов восточной Африки. ПНАС. 117 (18) 9793-9799. Опубликовано 13 апреля 2020 г. DOI: https://doi.org/10.1073/pnas.1920309117 

4. Хан Б., и др. 2021. Анализ остатков липидов в керамических сосудах из городища Людзява в Руи (ранний железный век, север Китая). Журнал четвертичных наук (2022) 37 (1) 114–122. DOI: https://doi.org/10.1002/jqs.3377 

5. Чакраборти, К.С., Слейтер, Г.Ф., Миллер, Х.М.Л. и другие. Специфический изотопный анализ остатков липидов дает самое раннее прямое свидетельство переработки молочных продуктов в Южной Азии. Научный представитель 10, 16095 (2020). https://doi.org/10.1038/s41598-020-72963-y 

6. Сурьянараян А., и др. 2021. Остатки липидов в глиняной посуде цивилизации Инда на северо-западе Индии. Журнал археологических наук. Том 125, 2021,105291, XNUMX. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jas.2020.105291 

7. Гарсия-Гранеро Хуан Хосе, и др. 2022. Интеграция анализов липидов и крахмальных зерен из гончарных сосудов для изучения доисторических способов питания в Северном Гуджарате, Индия. Границы экологии и эволюции, 16 марта 2022 г. Сек. Палеонтология. DOI: https://doi.org/10.3389/fevo.2022.840199 

Библиография  

1. Ирто А., и др. 2022. Липиды в археологической керамике: обзор методов их отбора проб и извлечения. Молекулы 2022, 27(11), 3451; DOI: https://doi.org/10.3390/molecules27113451 

2. Сурьянараян, А. 2020. Что готовится в цивилизации Инда? Исследование пищи Инда с помощью анализа остатков липидов в керамике (докторская диссертация). Кембриджский университет. DOI: https://doi.org/10.17863/CAM.50249 

3. Сурьянараян, А. 2021. Лекция - Остатки липидов в керамике цивилизации Инда. Можно купить в https://www.youtube.com/watch?v=otgXY5_1zVo