Bone Diagenesis at Azokh Caves

Abstract

Bone diagenesis is a set of processes by which the organic and mineral phases and the structure of bone are transformed during fossilization. To understand how these processes have affected skeletal material recovered from Azokh Caves (particularly the organic preservation), we measured ‘diagenetic parameters’ of skeletal material from Holocene, Late Pleistocene and Middle Pleistocene deposits from Azokh Caves. Additionally, we used this study to further test the application of both nitrogen adsorption isotherm analysis and mercury intrusion porosimetry for measuring the porosity of fossil bone. The skeletal material from the Pleistocene layers of Azokh Caves can be characterized as generally poorly preserved (especially collagen preservation). Porosity values of the bones are lower than might be expected as many bones show evidence of extensive infilling of the pores with secondary minerals. The pore infilling in the Middle Pleistocene layers is most extensive and this type of preservation has not previously been described in archaeological material.

Резюме

Диагенез костей – это совокупность процессов, в результате которых органические и минеральные составляющие структуры кости трансформируются благодаря распаду и фоссилизации. Чтобы понять, как эти процессы воздействовали на скелетный материал, обнаруженный в Азохской пещере (и, в частности, оценить степень сохранности органических веществ в костях), были измерены определенные “диагенетические параметры” скелетного материала. Тридцать три кости из трех главных участков Азохской пещеры были исследованы для выяснения степени сохранности в зависимости от места находки и возраста образца. Голоценовый материал из Азох 2 был сопоставлен с костями из Азох 1 (подразделения II–III – поздний плейстоцен и средние горизонты подразделения V – средний плейстоцен).

Мы оценили количество коллагена, оставшегося в костях после деминерализации, и степень сохранности минералов с использованием метода FTIR (инфракрасная спектроскопия на основе преобразования Фурье). Изменения на поверхности костей и гистологическая структура поперечного сечения были исследованы с помощью обычного светового и сканирующего электронного микроскопов с электронной информационной системой (EDS). Степень гистологической сохранности была оценена с использованием шкалы Oxford Histological Index. Изменения в пористости костей были измерены с помощью изотермального анализа поглощения азота (NAIA) и ртутной интрузионной порометрии (HgIP), а результаты этих двух методов в дальнейшем были сопоставлены.

Согласно величинам “диагенетических параметров”, материал из Азох 2 представлял собой смесь из хорошо сохранившегося материала и костей, которые лишились коллагена химическим путем, а также некоторых костей, потерявших коллаген из-за микробного воздействия. Мы объясняем этот конгломерат различных типов сохранности как возможный результат смешения современного и ископаемого материала на поверхностных слоях Азох 2. Скелетный материал из плейстоценовых слоев Азох 1 в целом плохо сохранился. Содержание коллагена бедное, с большими изменениями в кристалличности структуры. Результаты гистологического исследования и анализа на пористость показывают, что во многих случаях кости лишились коллагена по причине химической деградации, хотя потеря коллагена, вызванная микробами, также может быть значительной, особенно в подразделениях II–III. Степень пористости костей оказалась ниже, чем ожидалось, учитывая показатели потери коллагена и микробного воздействия. Многие кости имеют обширную заполненность пор вторичными минералами. Содержание пор в среднеплейстоценовых горизонтах наиболее экстенсивное, и данный тип сохранности ранее не был описан в археологическом материале.

Обнаруженные уровни коллагена как показателя сохранности органического материала свидетельствуют о низком содержании древней ДНК (aDNA) в пещере; более того, сильно измененные минералы костей также оставляют мало надежд на сохранность aDNA.

Данное исследование представляет собой интересный пример сравнения двух методов измерения пористости. Оно показало, что поры диаметром ниже порога чувствительности метода HgIP, но исследованные с помощью NAIA (с диаметром пор меньше 0,1мкм), возникли по причине потери коллагена; они заполняются таким же образом, как и поры диаметром 0,01–0,1мкм.