Biochemie Forschungsgruppe
 

Die Forschungsgruppe Biochemie setzt biochemische und isotopische Techniken ein, um die Vergangenheit zu charakterisieren und zu verstehen. Die Forschungsthemen umfassen die Rückverfolgung des Handels mit Aromaten, der Charakterisierung der Ernährungsweise von Homininen und der Tierwelt der Vergangenheit sowie die Rekonstruktion vergangener Klimazonen und dem Verständnis der Rolle domestizierter Tiere bei der Entwicklung früher komplexer Gesellschaften. Um diese Forschungsfragen zu beantworten, werden verschiedene Biomoleküle aus archäologischen und Umweltmaterialien nachgewiesen:

  • Lipidrückstände in archäologischer Keramik und Bestimmung ihrer stabilen Kohlenstoffisotopenverhältnisse
  • Sekundärmetaboliten wie Terpene und Alkaloide in archäologischen Artefakten
  • Fäkalien-Biomarker aus biogeochemischen Aufzeichnungen von Böden und Seen
  • Stabile Kohlenstoff- und Stickstoffisotopenverhältnisse einzelner Aminosäuren aus alten und modernen Proben

Diese Analysen sind dank unserer Einrichtungen für Nasschemie möglich, zu denen ein Reinraum sowie Geräte wie ein Gaschromatographie-Massenspektrometer (Agilent 8890), ein Flüssigkeitschromatographiesystem mit einem Triple-Quadrupole-Massenspektrometer (Shimadzu LCMS 8050) und ein Gaschromatographie-Verbrennungsisotopenverhältnis-Massenspektrometer (elementar isoprime visION System) gehören. Um archäologische Fragen mit den in unserem Labor erzeugten großen Datenmengen zu beantworten, wenden wir univariate und multivariate statistische Analysen an. Für statistische Berechnungen und Datenvisualisierungen wird die R-Programmierung verwendet.

Die Daten der Biomolekulare können eine reichhaltige Quelle für Informationen über die Vergangenheit sein, wenn sie nicht isoliert betrachtet werden. Aus diesem Grund werden auch Informationen über die Matrix und die Provenienz, in der die Proben gefunden wurden, sowie über ihre Verbindung zu anderen archäologischen Proben und Informationsquellen gesammelt. Zudem sind archäologische Kontextinformationen bedeutend für die Erstellung von Alterschronologien und die Beurteilung des Grades, in dem biochemische Aufzeichnungen möglicherweise degradiert wurden.

Um die Interpretation biochemischer Daten aus alten Proben zu verbessern, erstellen wir Daten aus überwachten Laborstudien, um zu verstehen, wie Biomoleküle unter verschiedenen Umweltbedingungen abgebaut und synthetisiert werden. Um weitere Ausgangsdaten zu erfassen und die Reaktionen von Organismen auf schnelle Umweltveränderungen besser zu verstehen, werden zusätzlich Studien an heutigen Tieren und deren Umgebungen durchgeführt.

Um darüber hinaus weitere Daten zu sammeln und deren Aussagekraft zu erhöhen, arbeitet unsere Gruppe mit den Forschungsgruppen für stabile Isotope und Archäoinformatik zusammen.

Forschungsprojekte

Historische Stoffwechselprodukte

Globalisierung von Düften und Gewürzen: Durch biomolekulare Archäologie dem Handel mit Aromastoffen auf der Spur

Projektleiterin: Barbara Huber

Der Fernhandel von Waren spielte eine wichtige Rolle bei der Herausbildung politischer Strukturen und der Weitergabe soziokultureller Praktiken zwischen den großen Zentren der antiken Zivilisation in der Alten Welt. Einige der wertvollsten Produkte, die auf den antiken Handelsrouten transportiert wurden, waren keine gehaltvollen, kalorienreichen Lebensmittel, sondern Harze, Pulver, Extrakte und obskure getrocknete Pflanzenbestandteile, die jedoch einen beträchtlichen Geschmack und ein starkes Aroma besaßen. Diese Substanzen hatten nicht nur die Fähigkeit, die Küche zu verändern und Menschen und Räume zu parfümieren, sondern spielten oft auch eine wichtige Rolle in wirtschaftlichen, kulturellen, medizinischen und rituellen Zusammenhängen.

Ziel dieses Projekts ist es, die globalen Dimensionen der Verbreitung der so genannten Gewürze in Asien und Ostafrika zu untersuchen. Dabei geht es nicht nur um die Verbreitung von Waren, sondern auch um die Weitergabe der mit ihrer Verwendung verbundenen soziokulturellen Praktiken. Um diese oft "unsichtbaren" Substanzen in der archäologischen Überlieferung aufzuspüren, versucht Barbara, ihre organischen Überreste mit Hilfe biochemischer und biomolekularer Ansätze zu untersuchen. Dabei kommen Chromatographie, Massenspektrometrie und Bioinformatik zum Einsatz, um seltene Moleküle (sekundäre Metaboliten, Lipide und Proteine), die in alten "Duftarchiven" aufbewahrt werden, zu gewinnen und zu analysieren. Bei diesen Archiven kann es sich um archäologische Artefakte handeln, wie z. B. Räuchergefäße, Parfümflaschen, Kochtöpfe oder Vorratsgefäße, die an verschiedenen Orten entlang der antiken Handelsrouten gefunden wurden. Andere Merkmale wie Zahnstein, mumifizierte Überreste oder Bodenoberflächen können ebenfalls als Archive dienen. Die wichtigste Eigenschaft solcher Duftarchive besteht darin, dass sie die Überreste der in der Vergangenheit verwendeten aromatischen Substanzen enthalten, die beprobt, analysiert und identifiziert werden können.

Auf diese Weise lassen sich individuelle Aromastoffe an bestimmten Punkten wie dem Ursprungsort, den verschiedenen Stationen auf den Handelsrouten sowie deren Bestimmungsort ausfindig machen. Diese Informationen erlauben nicht nur Rückschlüsse auf die Rekonstruktion des Handels in der Antike und die Verbreitung der Austauschsysteme, sondern auch auf vergangene Netzwerke und deren Verbindungen.

Erforschung von Ritualien zur Bestattung und Einbalsamierung, anhand von Stoffwechselprofilen im alten Ägypten

Projektleiterin: Barbara Huber

Bei der altägyptischen Mumifizierung wurde ein Cocktail aus Pflanzenmischungen verwendet, die umgangssprachlich als Einbalsamierungsflüssigkeiten bezeichnet werden und speziell dazu dienten, den Körper und die menschlichen Organe für das Leben nach dem Tod zu konservieren. Die Einbalsamierungsrituale wurden während des größten Teils der ägyptischen Geschichte praktiziert und setzten sich bis in die römische Zeit fort, was sie zu einem charakteristischen Merkmal der ägyptischen Gräberarchäologie macht. Die in diesem Prozess verwendeten Zutaten sind jedoch nur unzureichend bekannt, und ihre Identität wird von Historikern und Archäologen kontrovers diskutiert.

In dieser Studie integrieren wir komplementäre Ansätze der metabolomischen Profilerstellung und der Analyse von Lipidrückständen, um die Identität der bei der Mumifizierung verwendeten Inhaltsstoffe zu klären. Darüber hinaus können die Praktiken für die Behandlung der Körper und der Vorbereitung der Verstorbenen auf das Leben nach dem Tod, von denen in alten Texten berichtet wird, durch die tatsächlichen Substanzen und Heilmittel ergänzt werden, die zur Konservierung dieser Organe verwendet wurden.

Domestizierung von Tieren

Die Rolle von domestizierten Tieren bei der Entwicklung früher komplexer Gesellschaften in Nordwest-Südasien

Projektleiter: Kalyan Sekhar Chakraborty

Das Modell der Revolution der sekundären Produkte (Secondary products revolution model) besagt, dass die Ausbeutung sekundärer tierischer Produkte wie Milch, Wolle und die Zugkraft der Tiere durch den Menschen einer der entscheidenden Faktoren für die Entwicklung komplexer Gesellschaften während des Holozäns war. Die Forschungsgruppe testet dieses Modell im Kontext Südasiens, einem der bevölkerungsreichsten Teile der heutigen Welt. In diesem Kontext untersucht die Gruppe die Interaktionen zwischen Mensch und Tier sowie deren Einflüsse auf soziale, politische und wirtschaftliche Aspekte auf die Indus-Kultur, eine der frühesten Zivilisationen Südasiens. Ziel der Forschung ist es, zu untersuchen, wie Tiere gezüchtet, getauscht und genutzt wurden, und diese Erkenntnisse mit archäologischen Beobachtungen kultureller, politischer und sozialer Veränderungen in Verbindung zu setzen.

Es ist inzwischen erwiesen, dass die Viehzucht und die Nutzung domestizierter Tiere sowohl für die Ernährung als auch für andere Zwecke von entscheidender Bedeutung für die Indus-Bevölkerung waren. Die Rolle des Pastoralismus und des zunehmenden Konsums sekundärer Tierprodukte auf die Entwicklung und Ausbreitung dieser Zivilisation ist jedoch noch nicht ausreichend erforscht. Dieses Projekt untersucht mit Hilfe von δ 13C von Karbonat, δ 13C -Fingerprinting von Aminosäuren und Sr-Isotopenverhältnissen von tierischen und menschlichen Überresten sowie δ 13CFA von Keramikrückständen die Intensivierung der Hütepraktiken und den Anstieg des Verzehrs primärer und sekundärer tierischer Produkte vor, während und nach der Indus-Zeit. Die meisten der untersuchten Siedlungen sind bereits datiert. Im Rahmen dieses Projekts werden jedoch alle diese Siedlungen mit Hilfe von AMS und Bayesscher Statistik datiert, um eine sichere radiometrische Chronologie zu entwickeln.

Archäologische und ökologische Anwendungen der Analyse fäkaler Biomarker

Projektleiterin: Yiming Wang

Der Einfluss des Menschen auf den Planeten wird oft mit dem europäischen Kolonialismus und der industriellen Revolution in Verbindung gebracht, aber ein zu enger Fokus auf diese jüngsten Veränderungen übersieht, wie der Mensch die Ökosysteme in der Vergangenheit verändert hat, insbesondere im Zusammenhang mit unserer Geschichte der Domestizierung von Tieren und der Kultivierung des Bodens.

Die Suche nach den wichtigsten Grenzwerten der Auswirkungen des Menschen auf die Erdsysteme der Vergangenheit wurde durch den Mangel an geeigneten, global anwendbaren Markern für anthropogene Veränderungen behindert.

In diesem Projekt soll eine Methode entwickelt werden, mit der menschliche und tierische Fäkalien aus archäologischen und natürlichen Sedimentansammlungen extrahiert und gemessen werden können, um Veränderungen der menschlichen Präsenz und deren Umweltauswirkungen zu verstehen.

Um die Anwesenheit verschiedener Taxa und deren Paläodemografie im Laufe der Zeit zu bestimmen werden zunehmend für Menschen und verschiedene Tiere spezifische Profile von Fäkalien-Biomarkern verwendet. Fäkalien enthalten einzigartige biochemische Marker, die unter günstigen Bedingungen über Jahrtausende hinweg erhalten bleiben können. Um jedoch ein besseres Verständnis über die Erhaltungsprozesse, den Transport von Biomarkern in Fäkalien und deren landschaftlichen Variationen in der Fäkalienakkumulation zu erlangen, ist es unerlässlich, moderne Basisdaten für spezifische geografische, klimatische und anthropologische Kontexte zu entwickeln. Ein Großteil dieser Grundlagenarbeit muss erst noch in einem anthropologischen Kontext durchgeführt werden, was bedeutet, dass die Interpretation solcher Proxies in den archäologischen Aufzeichnungen vorläufig bleibt. Derzeit entwickeln wir in enger Zusammenarbeit mit verschiedenen lokalen Gemeinschaften innovative Grundlagenstudien in einer Vielzahl von klimatischen Umgebungen, um festzustellen, wie fäkale Biomarker in modernen anthropogenen Landschaften, insbesondere in Weidelandschaften, erhalten und präsentiert werden.

Parallel dazu beginnen wir mit einer Reihe von Projekten, die die Demografie von Wild- und Haustieren als Reaktion auf die menschliche Jagd und Domestizierung anhand von Biomarkern aus Fäkalien (Gallensäure und Stanole) untersuchen, die aus gut datierten Sedimenten gewonnen wurden. Wir werden diese Methoden in Gebieten anwenden, in denen die Abteilung für Archäologie aktive archäologische Forschung betreibt und in denen wir über solide Kenntnisse über die Präsenz von Jägern und Sammlern, Viehzüchtern und Bauern in verschiedenen Regionen im Laufe der Zeit verfügen. Zu einem bestimmten Zeitpunkt werden wir je nach Verfügbarkeit von Proben und den regionalen und zeitlichen Interessen der Mitglieder der Abteilung auch unseren Umfang erweitern.

Ökologie

Auswirkungen von Klimawandel und Ressourcenstress auf arktische Ökosysteme

Projektleiter: Thomas Larsen

Der Klimawandel hat offensichtliche und schwerwiegende Auswirkungen auf die Polarregionen. Die Arktis erwärmt sich derzeit mehr als doppelt so schnell wie andere Teile der Erde, was zu beispiellosen Veränderungen in der Meeresumwelt der Region führt. Das Ökosystem des Arktischen Ozeans reagiert besonders empfindlich auf die Erwärmung, da es auf das Meereis angewiesen ist - von den Algen, die auf seiner Unterseite wachsen, bis hin zu großen Raubsäugetieren, die auf der Eisoberfläche jagen und leben. Darüber hinaus sind die größten Raubtiere in den arktischen Ökosystemen in zunehmendem Maße organischen Verunreinigungen aus anthropogenen Quellen ausgesetzt.

Das Projekt LOMVIA, das gemeinsam vom deutschen Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) und dem britischen Natural Environment Research Council (NERC) unterstützt wird, untersucht die Auswirkungen des Klimawandels und der Belastung durch organische Schadstoffe auf zwei, in Island brütende, eng verwandte Seevogelarten. Island ist eine Schlüsselregion für das Verständnis der anthropogenen Einflüsse in arktischen Gebieten, da es sowohl gemäßigte als auch arktische Tierarten beherbergt, die durch die sich zunehmend verändernde Umwelt und der Exposition gegenüber Schadstoffen bedroht sind. Durch den Einsatz biochemischer Methoden und Telemetrie vergleicht die Studie die Nahrungsgebiete und die Nahrungsgrundlage der arktischen Brünnichgans (Uria lomvia) und der boreal-temperierten Trottellumme (Uria aalge). Es wird einerseits geprüft, ob der Wettbewerb zwischen den Arten um Nahrungsressourcen die Auswirkungen des Klimawandels verschärft und ob andererseits die Überwinterungsstrategien der Seevögel die Anhäufung von "ewigen" Chemikalien wie Perfluoralkylsubstanzen (PFAS) beeinflussen.

Untersuchung der Auswirkungen katastrophaler Ereignisse auf marine biogeochemische und ökologische Prozesse.

Projektleiterin: Yiming Wang

Durch den globalen Wandel verursachte Extremereignisse wirken sich zunehmend auf den biogeochemischen Kreislauf der Ozeane und die Funktionsfähigkeit der Ökosysteme aus. Unser derzeitiges Verständnis darüber, wie sich biogeochemische Störungen auf die Trophodynamik auswirken, ist jedoch begrenzt, da es schwierig ist, die Reaktionen des Nahrungsnetzes auf rasche Störungen des Lebensraums zu untersuchen. In diesem Projekt haben wir eine einzigartige Gelegenheit genutzt, um zu verstehen, wie Spezialisten und Generalisten in einem hydrothermalen Schlotgebiet auf drastische biogeochemische Störungen reagieren und sich anpassen. Im Jahr 2016 wurden die flachen Hydrothermalquellen auf der Insel Kueishantao (KST) im Ostchinesischen Meer von zwei aufeinanderfolgenden Extremereignissen - einem Erdbeben und einem Taifun - heimgesucht, wodurch die Quellen für zwei Jahre nahezu stillgelegt wurden.

Durch den Einsatz mehrerer geochemischer Tracer soll erstmals die zeitliche Variabilität des Schlot-Systems, seine Reaktionen auf große geophysikalische und meteorologische Störungen sowie die Auswirkungen auf lokale biogeochemische und ökologische Prozesse untersucht werden. Außerdem werden stabile Isotope (d13C, d 15N und d 34S) sowie verbindungsspezifische Isotopenverhältnisse einzelner Aminosäuren verwendet, um die Verschiebungen im benthischen Nahrungsnetz nach den extremen Störungen zu verstehen. Die katastrophalen KST-Ereignisse sind vergleichbar mit den vom Menschen verursachten Störungen von Küsten- und Tiefseeökosystemen, z. B. durch Industrieeinleitungen, Mineralienabbau oder Ausbaggern des Meeresbodens. Die Quantifizierung ihrer Auswirkungen auf marine Ökosysteme könnte daher Aufschluss über das Management solcher anthropogenen Störungen geben.

Paläoklima und Paläozeanographie

Paläoklima und Umweltveränderungen in tropischen Monsunregionen

Projektleiterin: Yiming Wang

Die Erforschung und Vorhersage zukünftiger Veränderungen des tropischen Monsuns bei anhaltender globaler Erwärmung ist von entscheidender Bedeutung für die Ernährungssicherheit und das sozioökonomische Wohlergehen von 40 Prozent der Weltbevölkerung. Trotz der weitreichenden Folgen bleibt die Vorhersage des Verhaltens des tropischen Monsuns unter den Szenarien der Klimaerwärmung eine zentrale Herausforderung für globale und regionale Klimamodelle. Diese Wissenslücke schränkt unsere Erkenntnisse des Ausmaßes ein, in dem die ISM-Intensität auf sich schnell verändernde Klimafaktoren - wie steigende Meeresoberflächentemperaturen, erhöhte Treibhausgaskonzentrationen in der Atmosphäre, veränderte Vegetationsbedeckung und abnehmende Eisschilde und Meereisbedeckung - und deren interaktive Dynamik in einem sich erwärmenden Klima reagiert.

Die Forschungsgruppe nutzt verbindungsspezifische Analysen stabiler Isotope erdgebundener Biomarker, spezifisch n-Alkane aus Blattwachs von Meeressedimenten, um Veränderungen der Monsunregenfälle und der Vegetation in Ostafrika und Südasien zu rekonstruieren. Zusätzlich wird eine Reihe anorganischer und organischer Proxies, darunter das Calcium-Magnesium-Verhältnis und d18O von Foraminiferen sowie den Alkenon- Ungesättigtkeit´s Index UK'37 verwendet, um vergangene ozeanografische Bedingungen (z. B. Veränderungen der Meeresoberflächentemperatur und des Salzgehalts) im Indischen Ozean zu rekonstruieren, die einen wichtigen Einfluss auf das angrenzende kontinentale Hydroklima ausüben. Neben der Erstellung neuer Klimaaufzeichnungen arbeitet die Gruppe auch mit Modellierern des Klimas zusammen, um ein besseres Verständnis der Mechanismen zu erlangen, die die klimatischen und ozeanografischen Bedingungen steuern. Die Rekonstruktionen des Paläoklima liefern den regionalen Klima- und Umweltkontext der Informationen, die sich auf die Demografie und die sozialen Veränderungen des Menschen beziehen.

Ressourcennutzung in der Vergangenheit

Menschheitsgeschichte auf der Insel Madagaskar

Projektleiter: Sean Hixon

Madagaskar, eine große Insel vor der Südostküste des afrikanischen Kontinents, ist ein wichtiger Standort für die Erforschung vergangener menschlicher Migrationen, Anpassungen an den Klimawandel und anthropogener Einflüsse auf die Umwelt. Das Land ist weltweit mit einigen der schwersten Bedrohungen in Bezug auf das Artensterben, die Zerstörung von Lebensräumen und der wirtschaftlichen Stabilität konfrontiert.

Während vieles noch unklar ist, scheint es, dass die Menschen in der Vergangenheit von verschiedenen Orten aus nach Madagaskar kamen, wobei sich zu den frühen Ankömmlingen aus Afrika Seefahrervölker gesellten, deren Verbindungen bis nach Südostasien reichten. Diese vielfältige Besiedlungsgeschichte hat sowohl ein reiches sprachliches und kulturelles Erbe als auch verschiedenste Formen der Landnutzung und Gattungen hervorgebracht.

Zur Erforschung der Geschichte des Menschen auf der Insel Madagaskar nutzt dieses Projekt eine Kombination aus Feldforschung, z. B. Vermessungen, Ausgrabungen, Entnahme von Sedimentkernen und der Sammlung moderner Pflanzen- und Tierproben, und Laboranalysen, z. B. Inventarisierung von Mikrofossilien und chemische Analyse von Pflanzen und Knochen. Die Forschung widmet sich folgenden langfristigen Fragen:

  • Wann kamen die Menschen auf Madagaskar an? Wie unterscheiden sich die verschiedenen Ankunftsimpulse in Bezug auf ihre materielle Kultur und wirtschaftlichen Strategien?
  • Welche Formen der Landnutzung und welche Arten brachten die verschiedenen Gruppen von Menschen mit?
  • Wie reagierten die verschiedenen Menschengruppen, von Jägern und Sammlern bis zu Hirten, von Dorfbewohnern bis zu Stadtbewohnern, auf die im Laufe des Holozäns dokumentierten Klimaveränderungen?
  • Wie haben die verschiedenen Menschengruppen ihrerseits die Umwelt auf Madagaskar beeinflusst? Welche Spuren haben frühere Aktivitäten bei den heute in der Region lebenden Gemeinschaften hinterlassen?

Das Projekt verbindet eine Vielzahl von Laboreinrichtungen innerhalb und außerhalb des Fachbereichs Archäologie und beinhaltet eine enge Zusammenarbeit mit madagassischen Mitarbeitern im Rahmen von Feldforschung und politischen Auswirkungen.

Stabile Isotopenverhältnisse von Aminosäuren als Indikatoren für trophische Positionen und Nahrungsquellen

Projektleiter: Thomas Larsen

Seit langem ist es ein Ziel der paläoanthropologischen und archäologischen Forschung die Ernährungsweise von Homininen und der Fauna sowie deren Umwelt zu verstehen. Während herkömmliche Methoden wie die Untersuchung von Pflanzen- und Tierresten aus der Vergangenheit sowie die Analyse stabiler Isotope aus archäologischen Geweberesten zwar wichtige Erkenntnisse über die Ernährung in der Vergangenheit erbracht haben, sind die mit diesen Methoden verbundenen Interpretationen der Ernährungsgewohnheiten teilweise zweifelhaft. Diese Unsicherheiten können durch die Analyse stabiler Isotope einzelner Aminosäuren, den Bausteinen der Proteine, teilweise ausgeräumt werden. Die Forschung zeigt, dass die stabilen Isotopenverhältnisse von Kohlenstoff und Stickstoff unabhängig von den Umweltbedingungen Aufschluss über die trophische Ebene und die Nahrungsquellen geben können. Die einzigartigen Stoffwechselfunktionen und -eigenschaften von Aminosäuren machen sie zu einem wertvollen Marker für die Ernährungsweise. Die zahlreichen abgeleiteten Daten aus der Analyse von Aminosäuren können in statistische Modelle eingefügt werden, um eine neue Auflösung der Nahrungsquellen zu erforschen.

Obwohl die Vorteile der Anwendung stabiler Isotopenverhältnisse von Aminosäuren für die Rekonstruktion der Paläodiät überzeugend sind, sind wir uns der methodischen Herausforderungen und Wissenslücken in der Interpretation bewusst, die mit dieser Methode verbunden sind. Aus diesem Grund ist unsere Gruppe aktiv daran interessiert zu verstehen, wie die Faktoren der Nahrungszubereitung, der Verdauungs- und Stoffwechselprozesse sowie die Qualität der Nahrung die Isotopenverhältnisse der Aminosäuren beeinflussen. Die Forschungsgruppe setzt sich auch dafür ein, die Methode weniger kostspielig zu machen und die Vergleichbarkeit der Daten zwischen den Laboren zu verbessern. Wenn Sie mehr über diese Themen erfahren möchten, finden Sie unseren kürzlich veröffentlichten Leitfaden über die optimale Verwendung stabiler Isotopenverhältnisse von Aminosäuren unter folgenden Link (Text in englischer Sprache): https://doi.org/10.1093/biosci/biac028

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