2 Isotopenanalyse
Forscher wie Michael DeNiro, Margaret Schoeninger, Stanley Ambrose und andere führten die Analyse leichter stabiler Isotope in den späten 1970er und frühen 1980er Jahren erstmals in die Anthropologie ein, um die Ernährung in archäologischen menschlichen Überresten zu rekonstruieren. Kontrollierte Fütterungsstudien an Ratten (Ambrose und Norr, 1993; Jim et al., 2004), Vieh (Tieszen et al., 1983; Warinner und Tuross, 2009) und menschlichen Freiwilligen (Fuller et al., 2004) bildeten eine Grundlage, auf der Bioarchäologen die Isotopensignatur der wichtigsten Klassen von Nahrungsressourcen, aus denen sich die individuelle Ernährung zusammensetzte, direkt schätzen konnten. Die Charakterisierung stabiler Kohlenstoff- (δ13C) und Stickstoff- (δ15N) Isotope in Hartgewebesubstraten hat Bioarchäologen in die Lage versetzt, alte Völker direkter in lokale Nahrungsnetze einzuordnen (Schoeninger, 2014; Schwarcz und Schoeninger, 2012). Sie hat es den Forschern auch ermöglicht, regionale und Fern-Austausch-Netzwerke besser zu charakterisieren und die Ausbreitung von Subsistenzveränderungen über Zeit und Raum zu dokumentieren (Hastorf, 1990; Lightfoot et al., 2012; Tykot und Staller, 2002).
Die letztgenannte Anwendung wurde durch die Einführung der Analyse stabiler Sauerstoff-Isotope (δ18O) in der Anthropologie im gleichen Zeitraum verstärkt. Die Einbeziehung der Analyse schwerer Isotope, nämlich von radiogenem Strontium (87Sr/86Sr) und Blei (206Pb/204Pb, 207Pb/204Pb, 208Pb/204Pb), einige Jahre später, brachte diese Untersuchungen ebenfalls voran (Gale und Stos-Gale, 1989; Price et al., 1994). Diese zusätzlichen Isotopenparameter ermöglichten es den Forschern, die geologischen Regionen und Klimazonen abzuschätzen, in denen Individuen zu verschiedenen Zeitpunkten ihrer Lebensspanne lebten (Sealy et al., 1995). Auf diese Weise können Bioarchäologen Ernährungsschwankungen innerhalb von Individuen und Skelettserien besser interpretieren (Richards et al., 2003), Herdenbewegungen von domestiziertem Vieh rekonstruieren (Oelze et al., 2011; Szpak et al., 2016) und die Bewegungen von Menschen und Gütern in antiken Tauschsystemen besser verstehen (Toyne et al., 2014; White et al., 2004; Wright, 2012). Diese Forschung ist nicht ohne erhebliche Kritik und Debatten vorangeschritten, aber diese Herausforderungen haben Forscher ermutigt, sich mit spezifischeren Fragen der Umweltbedingungen, der Konservierung und der Komplexität der Isotopenverteilung während der Gewebebildung zu befassen (Lee-Thorp, 2008; Sillen et al., 1989; Szostek, 2009).
Mehrere Studien haben sich mit den Auswirkungen systematischer Pathologie auf die Isotopenwerte in Skelettgeweben befasst, was Auswirkungen auf die Paläopathologie hat. Ein hervorragendes Beispiel für diese Perspektive ist Reitsemas (2013) kritischer Überblick über die Isotopenforschung in der Humanbiologie, Biomedizin, Primatologie und verwandten Bereichen, in dem δ13C- und δ15N-Werte von Gewebe verwendet werden, um auf veränderte Stoffwechselprozesse im Zusammenhang mit Krankheit und Unterernährung zu schließen. Eine kürzlich erschienene Sonderausgabe von Bioarchaeology International fördert diese Diskussion über „eine neue ‚Gesundheits‘-Grenze in der Isotopenforschung“ (Reitsema und Holder, 2018: 63), ebenso wie der jüngste internationale Workshop „Paleodiet meets Paleopathology“, der die beiden Disziplinen „offiziell einführen“ soll (López-Costas et al., 2015).
Experimentelle Forschung hat ebenfalls wesentlich zur Verbindung von Isotopen- und Paläopathologie beigetragen. So zeigt beispielsweise eine kontrollierte Fütterungsstudie an Ratten (Robertson et al., 2014), dass eine kombinierte Abnahme von δ13C im Knochenkarbonat-Apatit und eine Anreicherung von δ15N im Knochenkollagen den Katabolismus von Körperfett und magerem Gewebe widerspiegeln kann, der durch eine schwere oder lang anhaltende Makronährstoff-Mangelernährung hervorgerufen wird.
Diese Ergebnisse spiegeln ähnliche Studien zu δ15N bei Vögeln (Hobson et al., 1993) und einer Vielzahl anderer Tiere wider. Sie stimmen auch mit Arbeiten von Fuller und Kollegen (2005) überein, die erhöhte δ15N-Werte bei schwangeren Frauen nachwiesen, die unter Ernährungsstress im Zusammenhang mit Hyperemesis gravidarum (schwere Schwangerschaftsübelkeit) litten, sowie mit Arbeiten von Katzenberg und Lovell (1999) an modernen Individuen, die bekanntermaßen an Auszehrungskrankheiten gestorben waren. Ein faszinierendes zukünftiges Vorhaben, das Britton (2017) identifiziert hat, ist die Anwendung der Isotopenanalyse zur genaueren Untersuchung der Entwicklung und Variation des menschlichen Mikrobioms durch ihr einzigartiges Potenzial zur Rekonstruktion der menschlichen Kulturökologie in der Antike.
Ein Forschungsbereich, in dem Isotopenverhältnisse seit langem verwendet werden, um auf Muster von physiologischem Stress zu schließen, bezieht sich auf das Stillen, die Nahrungsergänzung und das Abstillen von Säuglingen und Kleinkindern. Die Überreste von Säuglingen und jungen Subadulten weisen δ15N- und δ18O-Werte auf, die im Vergleich zu den Geweben älterer Subadulter und Erwachsener um 1-3‰ angereichert sind (Bocherens und Drucker, 2003; Jenkins et al., 2001). Dies spiegelt den Verzehr von Muttermilch durch die subadulten Tiere wider; Säuglinge, die ausschließlich gestillt werden, sind im Wesentlichen Apex-Karnivoren, die Isotopenverhältnisse aus dem mütterlichen Gewebe und dem Körperwasser aufnehmen. Im Alter von etwa sechs Monaten nach der Geburt benötigen Säuglinge zusätzliche Nahrungsquellen und werden mit anderen Nahrungsmitteln und Flüssigkeiten ernährt, obwohl sie noch Monate oder Jahre lang Muttermilch zu sich nehmen können. Die Einführung von Zusatznahrung und die eventuelle Beendigung des Stillens führen häufig zu Veränderungen des δ13C-Gehaltes im Gewebe und zu einer Abnahme des δ15N-Gehaltes im Gewebe, da die Ernährung mehr der von älteren Kindern (Turner et al., 2017) und/oder Erwachsenen (Balasse et al., 2001; Katzenberg, 1993; Katzenberg et al., 1996) entspricht. In ähnlicher Weise können Veränderungen im Wasserkonsum im Zusammenhang mit der Ergänzung durch andere Flüssigkeiten als Muttermilch und der eventuellen Beendigung des Muttermilchkonsums zu einer Abnahme des δ18O-Gehalts im Gewebe führen (Wright und Schwarcz, 1998, 1999). Wichtig ist, dass die Tatsache, dass Zahnschmelz und primäres Dentin nach der Kronenbildung metabolisch inert sind, bedeutet, dass Entwöhnungstendenzen bei Individuen unabhängig von ihrem Alter zum Zeitpunkt des Todes untersucht werden können.
Die Ernährung von Säuglingen und Kleinkindern ist weithin als kritische Variable für kurz- und langfristige Gesundheitsergebnisse anerkannt (Oddy, 2002), während der Zeitpunkt des Zufütterns und der Beendigung des Stillens sowie die Zusammensetzung der Entwöhnungsnahrung ebenfalls relevante Variablen in verschiedenen menschlichen Kulturen sind (McDade und Worthman, 1998). Ihr sich entwickelndes Immunsystem muss mit einem Zustrom von Mikroben in neuen Nahrungsmitteln und Flüssigkeiten fertig werden, und sie profitieren nicht mehr von der passiven Immunität, sobald sie von der Muttermilch abgestillt werden. Isotopenstudien an archäologischen Populationen haben Verschiebungen in δ13C und δ 15N gezeigt, die es den Forschern ermöglicht haben, den Zeitpunkt und die Art der eingeführten Zusatznahrung abzuschätzen (Dupras und Tocheri, 2007; Herring et al., 1998; Katzenberg et al., 1996; Schurr, 1997).
Ein wichtiger Beitrag der Isotopenanalyse zur Abschätzung des Zeitpunkts der Nahrungsergänzung und der Entwöhnung besteht jedoch darin, dass es keinen eindeutigen Zusammenhang zwischen den Veränderungen der Isotopenverhältnisse von Knochen- oder Dentinkollagen und dem Auftreten von LEH im permanenten Zahnschmelz gibt. Im Wesentlichen sind die getrennten Prozesse der Nahrungsergänzung und der Entwöhnung variabel und haben möglicherweise keine nachteiligen Auswirkungen auf die Gesundheit von Säuglingen und Kindern (Katzenberg et al., 1996). Kürzlich führten Garland et al. (2018) eine integrierte Analyse von Schmelzmikrodefekten und inkrementellem Dentin-Kollagen δ13C und δ15N bei Personen aus der spanischen Kolonialzeit an der Küste Georgiens durch. Ihre Ergebnisse deuten auf einen Zusammenhang zwischen Schmelzdefekten, abnehmendem δ15N und leicht ansteigendem δ13C im Alter von 2,5 bis 4,5 Jahren hin, was die Autoren auf den Stress der Entwöhnung und die Abhängigkeit von Mais und Meeresfrüchten zurückführen. In den Niederlanden fanden Waters-Rist und Hoogland (2018) signifikante Assoziationen zwischen Kollagen δ13C und δ15N und skelettalen Anzeichen von Rachitis bei Personen, die vor dem siebten Lebensjahr starben, aber nicht bei denen, die später starben, was auf eine wichtige Rolle der Ernährung im Säuglingsalter und in der frühen Kindheit für die Rachitisbildung hindeutet. Diese Studien unterstreichen das Potenzial von gepaarten Isotopen- und paläopathologischen Studien zur Erforschung der variablen Natur von Belastungen, die mit Prozessen in der frühen Kindheit in verschiedenen kulturellen und zeitlichen Kontexten verbunden sind, und der potenziellen nachgeschalteten Effekte dieser Prozesse über die Lebensspanne.
Die vorangegangene Diskussion hebt kurz den wichtigen Beitrag hervor, den leichte und schwere Isotopenanalysen zu Studien der Paläopathologie leisten können. Dieser Beitrag ist umso wichtiger in kulturellen Kontexten, in denen schriftliche Aufzeichnungen spärlich, unzuverlässig oder gar nicht vorhanden sind, in denen Bewegung und Austausch zwischen Regionen üblich waren, in denen die lokale Subsistenz und die Krankheitsökologie sehr variabel sind und die Gesellschaften sehr komplex waren. Die Zentralanden erfüllen alle diese Kriterien, was bedeutet, dass die Interpretation von Gesundheit, Stress und Wohlbefinden im Altertum der Anden auf unabhängige Bewertungen der Ernährung und der geologischen und ökologischen Herkunft angewiesen ist. Mithilfe eines Metadaten-Ansatzes zur Untersuchung früherer Forschungen bieten wir eine detaillierte Untersuchung der Veröffentlichungstrends in der Bioarchäologie der Zentralanden, wobei wir uns auf die Charakterisierung von Isotopenverhältnissen in archäologischen menschlichen Geweben konzentrieren. Bei der Erörterung der Ergebnisse dieser Analyse heben wir auch Isotopenstudien hervor, die ausdrücklich Beziehungen zwischen Isotopenverhältnissen und pathologischen Zuständen untersucht haben. Schließlich nutzen wir diese Perspektive als Sprungbrett, um nicht nur die Auswirkungen von Isotopenanalysen in der Bioarchäologie der Zentralanden zu bewerten, sondern auch Empfehlungen zu geben, wie zukünftige Studien für Anwendungen in der Paläopathologie gestaltet werden könnten.