Chemie v archeologii III Význam chemických metod •Doplnění závěrů makro- a mikroskopických metod • •Příčiny dekompozice pozůstatků, predikce jejich zachovalosti a možnosti konzervace • •Kontaminace pozůstatků (nutriční rekonstrukce, toxikologie) • •Detekce přítomnosti totálně rozložených nebo přemístěných pozůstatků, přítomnost rakve a org. artefaktů • •Průběh kremace (kosti, silikátové konkrece), autenticita pozůstatků Dekompozice měkkých tkání Biogenní rozklad, limitující faktory: 1) množství kyslíku (O2) 2) přítomnost vody 3) přítomnost mikroorganismů (bakterie, plísně) Fermentativní autolýza Emfyzém (bakterie) Ztráta tekutin Suchý rozklad (plísně) Skeletizace a disartikulace Mikrobiální rozklad těla Experimentální tafonomie Mathieu J. B. Orfila (1787 – 1853)‏ M. Orfila srovnával rychlost rozkladu lidského stehna v různých typech půd (různého složení) „Body farm“ William M. Bass Knoxville, Tennessee University of Tennessee Anthropological Research Facility Chemické biomarkery • = molekuly charakteristické pro nebo specifické pro určitý druh materiálu (tkáně). • Na základě jejich zjištění (nebo jejich metabolitů) lze usuzovat na přítomnost daného materiálu (tkáně). • 1.Přítomnost organického materiálu (VFA, fosfor, …) • 1.Přítomnost živočišné tkáně (cholesterol, …) • Hnilobné procesy a hnilobný emfyzém Nahromadění plynů v těle vede ke vzniku hnilobného emfyzému; jeho důsledkem může být např. „pohyb“ mrtvoly, abdukce končetin, u juvenilních jedinců rovněž rozestoupení lebečních švů. Nejvýznamnější produkty rozkladu: CH4, CO2, H2S, NH3, aj. Těkavé aminy (methylamin, ethylamin, dimethylamin, aj.) H2O Nižší karboxylové kyseliny (octová, propionová, máselná) Ptomainy (kadaverin, putrescin) Fenoly a indoly (fenol, kresol, indol, skatol) Sarggeburt (“porod v rakvi”) Proteiny Mikrobiální rozklad: Hydrolýza proteinů: peptidy, peptony, aminokyseliny Deaminace aminokyselin: amoniak + organické kyseliny (VFA) Ptomainy: kadaverin, putrescin, histamin Skatol, indol Rašeliniště: interakce proteinů s tříslovinami = omezená dekompozice Těkavé organické kyseliny ug/g izomáselná valerová izovalerová Duz 412 159 - Knin - - 11,5 Knin 9,3 - 7,3 Hřbitov v Duzu (Kosovo) a hromadný hrob v Kninu (Chorvatsko). Mikrobiální rozklad a deaminace proteinů Přítomnost dutého prostoru Přítomnost dutého prostoru Disartikulace kloubních spojení H. Duday http://www.theposthole.org/sites/theposthole.org/files/images/8/antorprehis.jpg “effet de parois” Pavlov Horní pole (KZP) Rebešovice (UK) Pompeje http://images.fineartamerica.com/images-medium-large/2-pompeii-plaster-cast-granger.jpg Oplontis (Pompeje) http://www.infohostels.com/immagini/news/466.jpg Pompeje Mumifikace • Voda je reakční prostředí pro řadu chemických i biochemických reakcí. Kůže obsahuje velmi malé množství vody (extrémní dehydratace), většina není vázaná (není součástí struktury tkáně). • • Volná voda může interagovat s prostředím, její obsah se výrazně mění vlivem vnějších podmínek. • • Vázaná voda je vázaná fyzikálně (sorpce, kapilární síly) a/nebo chemicky. • V suchém prostředí dochází k dehydrataci kolagenu. Molekuly vody uložené mezi molekulami kolagenu mají „změkčující účinek“, umožňují větší pohyblivost kolagenových vláken. Ztráta vody vyvolává uložení vláken ve svazcích do kompaktnější, méně pohyblivé struktury. Kůže tvrdnou a křehnou, jsou málo odolné vůči mechanickému namáhání. Voda Typ vody (% celk. hm.) noha hýždě Ötzi Recent Ötzi Recent Volná 16,50 52,70 13,59 48,07 Chemicky vázaná 1,43 18,56 2,34 16,00 Celková 17,93 71,26 15,93 64,07 Termická analýza kůže (pokožka + škára), mumie Ötzi a recent (pitevní materiál) Mumifikace „Ginger“ Palermo Inka Qilakitsoq Mumifikace Franklin „Lidé z bažin“ Muž z Tollundu (Dánsko) Muž z Lindow (Velká Británie) „Lidé z bažin“ Muž z Grauballe (Dánsko) Blue Man corpse „Brienzi“, jez. Brienz (Švýcarsko) cca 1700 n. l. Tomašica, hrom. hrob (Bosna a Hercegovina) 1992 Zmýdelnění (saponifikace) Hydrogenace kyseliny olejové na stearovou a linoleové na palmitovou Oxidace kyseliny olejové na hydroxystearovou a oxostearovou Vznik solí mastných kyselin (Na+, K+ a Ca2+ ) Zmýdelnění (saponifikace) Adipocire (mrtvolný vosk) St. Bees Man •- mrtvý je pravděpodobně rytíř Anthony de Lucy († 1368) Cimetiére des Innocents Adipocire poprvé charakterizoval chemik Antoine Francois comte de Fourcroy, který jej zjistil na pozůstatcích ze hřbitova Neviňátek v Paříži. Dlouholetý hřbitov byl 1780 z hygienických důvodů (kvůli nesnesitelnému zápachu) zrušen. Od roku 1785 je na místě hřbitova park. Mumifikace vs. balzamování Boráty natron Balzamování 19. století 20. a 21. století Embalming Becomes Common During Civil War - America Comes Alive Reakce s formaldehydem Reakcí volné aminoskupiny proteinu s formaldehydem vzniká Schiffova báze. Tato reakce se uplatňuje při konzervaci anatomických preparátů formalínem (35-40 % vodný roztok formaldehydu). Též mumifikace (USA) Reakce s glutaraldehydem Rozklad kosterních pozůstatků Transformace kostního minerálu V kyselém prostředí: hydroxyapatit (Ca10(PO4)6(OH)2 )  brushit (CaHPO4 . 2 H2O )‏ pH: 7, 0 – 7,5 (fyziologické) pH: 4,5 – 6,0 Kníže Walter Xaver Dietrichstein, 18. stol., Mikulov)‏ Kosterní pozůstatky příslušníků rodu Dietrichsteinů Mikulov IMGP0068 Vzorek 1. Fragment dlouhé kosti (kníže Ferdinand Josef) IMGP0116 Vzorek 3. Fragment obratle (kníže Walter Xaver) IMGP0073 Vzorek 2. Fragment lebky (kníže Leopold Ignác) Sample 1. (Ferdinand Josef) FJ Sample 2. (Leopold Ignác) LI Sample 3. (Walter Xaver) WX brushite Analýza spálených kosterních pozůstatků Hoření lidského těla W = A + P + F + M W je hmotnost těla A je hmotnost vody P je hmotnost proteinů F je hmotnost tuku M je hmotnost minerální složky. 1.Odpaření vody (endotermní reakce) 2.Spalování tuku (exotermní reakce) 3.Spalování proteinů (exotermní reakce) 4.Spalování paliva (exotermní reakce) Experimenty se spalováním kostí zbavených měkkých tkání mají pro interpretaci žárového ritu velmi omezenou hodnotu !! Průběh spalování •Spalování paliva • •Odpaření vody • •Spalování měkkých tkání • •Spalování kostí Teplotní (vlhkostní) gradient Knotový efekt Obsah obrázku oheň, krb, tmavé, život Popis byl vytvořen automaticky Obsah vody v těle a teplotní gradient Zpomalené hoření tkání s vysokým obsahem vody. Tkáň Obsah vody (%) kostra 22 tuková tkáň 30 kůže 70 svalstvo 75 mícha 70 bílá hmota mozková 70 šedá hmota mozková 86 krev 80 játra 70 ledviny 83 plíce 79 srdce 79 A B A forenzní případ B pohřebiště Endingen, merovejské období Během hoření knotu se svíčka se taví a vzniklá kapalina je nasávána do knotu, kde hoří. Lidské tělo obsahuje velké množství tuku, který se začne tavit, je nasáván oblečením, které tak funguje jako knot, a udržuje hoření. Knotový efekt Smrt hraběnky von Görlitz http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/f/fd/JustusLiebig.jpg Justus Liebig † 13.6.1847 , Darmstadt: v komnatách nalezeno ohořelé tělo Podezření na spontánní samovznícení (SHC), později prokázán kriminální čin. cremx05x forensic_cremation_recovery_and_analysis149 forensic_cremation_recovery_and_analysis059 Zbarvení kosti Přítomnost vody (fyzikálně i chemicky vázaná) Přítomnost organické složky (rezidua kolagenu) Změny krystalické mřížky kostního minerálu (uhličitan, β-trikalcium fosfát, aj.) ftir burn4 forensic_cremation_recovery_and_analysis065 Metoda FTIR Obsah obrázku text, mapa Popis byl vytvořen automaticky Metoda FTIR Žárové pohřebiště lužické kultury v Příboře‏ DSC_0048 100_0386 H 67 H 67 Spálené kosterní pozůstatky H 40 H 57 H 67 H 44 H 37 H 53 H 58 Pohřební ritus lužické kultury Lužická kultura: dobře organizovaná technická stránka kremace (snad spodní přívod vzduchu, omezení ztrát tepla do okolí), případně použití značného množství paliva (Chochol 1961). a = křídovité b = křídovité – dokonalé c = dokonalé d = téměř dokonalé e = nedokonalé pyre Experimentální hranice (McKinley1997), Lokálně teplota dosáhla až 1000 °C. Bez názvu 1 Etnografická analogie: kremace v Tibetu Charakteristika pohřebního ritu na pohřebišti v Příboře: Ustálená technologie kremace Teplota kremace okolo 800 - 900 °C s dobrým přístupem vzdušného kyslíku. • Obrázek CH Hradisko Chotěbuz-Podobora 01108889 Kráva v červené elipse, ovce/koza v oranžové elipse, prase ve žluté elipse a pes v modré elipse. Zbytky stáje DSC_0057 DSC_0053 DSC_0050 DSC_0052 Spálené kosti Kráva (hnědá kost) Prase Ovce/koza Kráva (bílá kost) Dokládal 1999 Holck 1997 Kráva (hnědá kost) Stupeň II (± 300°C) Stupeň 1 (cca 300°C) Kráva (černá kost) Stupeň II (± 400°C) Stupeň 2 (cca 400°C) Kráva (bílá kost), prase, ovce/koza Stupeň V (up to 750°C) Stupeň 3 resp. 4 (up to 800°C) Munro et al. 2007 Walker et al. 2007 Kráva (hnědá kost) 250 – 300 °C cca 250 °C Kráva (černá kost) cca 350 °C 350 – 400 °C Kráva (bílá kost), prase, ovce/koza > 700°C cca 900°C Stupeň spálení Zbarvení Kráva kr hn kr cer Hnědá kost Černá kost white kr bi Redukce OH pásu mezi 3600 -2600 cm-1 Vliv vysoké teploty Redukce uhličitanového pásu (1459-1410 cm-1) Nový pás β-trikalcium fosfátu cca 1090 cm-1 Nový pás β-trikalcium fosfátu cca 655 cm-1 Pásy odpovídající organické složce kosti: C-H (2920-2950 cm-1) a C=O (1700 cm-1), resp. pásy N-H a O-H (3600 -2600 cm-1) a C-O (1459-1410 cm-1; superpozice s pásy uhličitanu). Bílá kost kr bi Kráva (bílá kost) Ovce/koza Prase Teploty odhadnuté z infračervené spektrometrie odpovídají teplotám odhadnutým ze zbarvení a stupně spálení. Kráva: 800 - 900 °C Prase a ovce/koza: 900 – 1000 °C. chata1 „Mos teutonicus“ mos Pohřební praktika, používaná v případě, že panovník či šlechtic zemřel daleko od své vlasti. Mrtvé tělo rozsekáno a vařeno v kotli, měkké tkáně pohřbeny v místě úmrtí a kosti převezeny do místa pohřbu. Doklad „mos teutonicus“ (bazilika sv. Jiří, Pražský hrad). Jde patrně o pozůstatky knížete Konráda Oty Znojemského, který zemřel během tažení v Itálii. Racemizace aminokyselin chart_08 E:\Obrázky\racem\Age\Ogino1986!!!!4.tif Proteiny v tkáních živočichů jsou tvořeny výhradně L- formou aminokyselin. Po smrti organismu dochází k postupné spontánní racemizaci na formu D. Přeměnu lze urychlit vyšší teplotou, např. vařením. Racemizace kyseliny L-asparágové (Asp) v kosti jelena v závislosti na době vaření. „Mos teutonicus“ Rok umrtí D/L Asp Postup A (4 h, 110 °C) Postup B (4 h, 110 °C) Reichenza 1141 0,059 ± 0,002 0,028 ± 0,004 Lothar I. 1137 0,090 ± 0,001 0,056 ± 0,001 Jindřich Lev 1139 0,059 ± 0,002 0,029 ± 0,004 Z experimentální časové závislosti racemizace kyseliny L-asparágové (Asp) v kosti ve vroucí vodě bylo možno odhadnout i dobu vaření císařova těla na cca 6 h ± 30 min Königslutter Königslutter am Elm, Dolní Sasko, SRN Císař Lothar III. zemřel během návratu z tažení v Itálii při přechodu Alp. Jeho pozůstatky byly uloženy do hrobky v klášterním kostele v Königslutteru (cca 500 km od místa úmrtí).