Experimenten in het Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) van het Department of Energy werpen een nieuw licht op Egyptische bodem en oude gemummificeerde botmonsters die duizenden jaren geleden een beter begrip zouden kunnen geven van het dagelijks leven en de omgevingsomstandigheden.

In een twee maanden durende onderzoeksinspanning die eind augustus werd afgerond, twee onderzoekers van de Universiteit van Caïro in Egypte brachten 32 botmonsters en twee grondmonsters om te bestuderen met behulp van op röntgen- en infraroodlicht gebaseerde technieken bij Berkeley Lab's Advanced Light Source (ALS). De ALS produceert verschillende golflengten van helder licht dat kan worden gebruikt om de microscopische chemie te onderzoeken, structuur, en andere eigenschappen van monsters.

Hun bezoek werd mogelijk gemaakt door LAAAMP – the Lightsources for Africa, Amerika, Asia and Middle East Project - een door subsidies ondersteund programma dat bedoeld is om meer internationale wetenschappelijke kansen en samenwerking te bevorderen voor wetenschappers die in die regio van de wereld werken.

Monsters vertegenwoordigen vier dynastieën, twee begraafplaatsen

De monsters bevatten botfragmenten van gemummificeerde menselijke resten die dateren van 2, 000 tot 4, 000 jaar, en grond verzameld op de plaatsen van de menselijke resten. De overblijfselen vertegenwoordigen vier verschillende dynastieën in Egypte:het Middenrijk, Tweede Tussenperiode, Late periode, en Grieks-Romeins.

De bezoekende wetenschappers, Universitair hoofddocent Ahmed Elnewishy van de Universiteit van Caïro en postdoctoraal onderzoeker Mohamed Kasem, wilde onderscheiden of chemische concentraties in de botmonsters gerelateerd waren aan de gezondheid van de individuen, eetpatroon, en dagelijks leven, of dat de chemicaliën in de bodem de chemie van de botten in de loop van de tijd hadden veranderd.

Hun werk is belangrijk voor het culturele erfgoed van Egypte en ook voor een beter begrip van het behoud van oudheden en de mogelijke besmettingsroutes van deze overblijfselen. De monsters zijn teruggevonden op twee Egyptische locaties:Sakkara, de plaats van een oude begraafplaats; en Aswan, de site van een oude stad aan de oever van de Nijl, ooit bekend als Swenett - door archeologen van de Universiteit van Caïro.

"De botten gedragen zich als een archief, " zei Kassem, die oude botchemie heeft gestudeerd sinds zijn Ph.D. studie, daterend uit 2011. Hij heeft een chemische analysetechniek gebruikt met laserablatie, waarbij een korte laserpuls een kleine hoeveelheid materiaal uit een monster blaast. Vervolgens, uitgestraald licht van deze kleine explosie wordt geanalyseerd om te bepalen welke elementen aanwezig zijn.

"We hebben lood gevonden, aluminium, en andere elementen die ons een indicatie geven van het milieu en de giftigheid van die tijd, ' zei hij. 'Die informatie wordt precies in de botten opgeslagen.'

Onderscheid maken tussen bodem- en botchemie

Wat lastig is, is om uit te zoeken hoe de elementen in het bot zijn gekomen. "Er kan enige diffusie zijn van elementen van buiten naar binnen in de botten, en effecten van bacteriën, vochtigheid, en andere effecten. Het is moeilijk om dit te scheiden - om te weten of het van de omringende grond komt. Dus we hebben verschillende technieken geprobeerd."

Kasem heeft toegevoegd, "Er zijn zoveel factoren die de conservering beïnvloeden. Een daarvan is hoe lang het bot in de grond is begraven en ook de toestand van het bot en de verschillende soorten grond." Verschillen in balsemtechnieken kunnen ook van invloed zijn op het behoud van het bot en de chemie die ze in de röntgenonderzoeken vinden. "Er zijn verschillende kwaliteiten in de materialen, zoals de stof en de harsen die ze gebruikten om te balsemen, " hij zei.

Terwijl de oude Egyptenaren geen aluminium gebruikten bij metaalbewerking, onderzoekers hebben ontdekt dat ze kaliumaluin gebruikten, een chemische verbinding die aluminium bevat, om troebelheid in drinkwater te verminderen. En de concentraties van lood waren waarschijnlijk te wijten aan het lood dat de Egyptenaren gebruikten om aardewerk te polijsten.

De nieuwste onderzoeken zijn gericht op monsters, waaronder plakjes van de kop van de femurbotten en van de femurschachten om te zien of het ene monstertype meer vatbaar is voor verontreiniging door de omringende grond dan het andere type, bijvoorbeeld. Dijbeenbotten zijn de sterkste botten in het menselijk lichaam en lopen van de knieën tot aan de heupen. Het hoofd, aan de bovenkant van het dijbeen, heeft sponsachtiger botmateriaal dan de kern van de schacht.

De onderzoekers werkten samen met ALS-onderzoekers Hans Bechtel en Eric Schaible om experimenten uit te voeren op drie verschillende bundellijnen. Schaible hielp de onderzoekers met een techniek die bekend staat als small-angle X-ray scattering (SAXS), die ze gebruikten om de nanoschaalpatronen van collageen te analyseren, een overvloedig menselijk eiwit.

Röntgenscans onthullen collageenpatronen

Een enkele scan van de botdoorsneden, die tot 3 tot 5 centimeter in doorsnee en ongeveer een halve millimeter dik waren, nam twee tot zes uur in beslag en leverde een gedetailleerde 2D-kaart op die laat zien hoe het collageen in het bot was georganiseerd.

Deze afbeeldingen kunnen worden vergeleken met moderne botten om beter te begrijpen of en hoe het collageen in de loop van de tijd is afgebroken, en kan ons mogelijk iets vertellen over iemands gezondheid.

"Collageen is een van de belangrijkste bouwstenen van het lichaam, "Zei Schaible. "Het wordt gevonden in de huid, botten, interne organen, ogen, oren, bloedvaten - het is een van de belangrijkste dingen waar we van gemaakt zijn. Als we röntgenstralen door het collageen laten schijnen, de röntgenstralen zijn verstrooid en het verstrooiingspatroon dat ze maken, kan ons veel vertellen over hoe goed bewaard en goed georganiseerd het collageen is."

Hoewel er veel analyse in het verschiet ligt om de gegevens uit de monsters te interpreteren, Schaible zei dat de collageenassemblages over het algemeen niet zo goed geordend zijn in de oude monsters als in gezonde moderne botten.

"Het is heel spannend om betrokken te zijn bij dit project, en om meer te weten te komen over de reis die deze mummies hebben gemaakt, in het leven en na de dood, " hij zei.

Infraroodlicht toont botchemie, minerale concentraties

De infraroodstudies bij de ALS tonen de chemische verdeling en concentratie van de mineralen en organische materialen die in de botten aanwezig zijn.

"Een van de belangrijkste obstakels was de voorbereiding van de monsters, " zei Elnewishy. Het is moeilijk om dunne dwarsdoorsneden te snijden van zulk delicaat materiaal.

Schaible nam contact op met een gespecialiseerd laboratorium van de afdeling Earth and Planetary Science van UC Berkeley, die hielpen bij het snijden van de monsters. Voor de dunste secties en de meest kwetsbare monsters, het bot werd gesuspendeerd in epoxyhars en vervolgens in plakjes gesneden.

Plannen voor nieuwe experimenten

Elnewishy zei dat er plannen zijn om ook gerelateerde experimenten uit te voeren bij SESAME (Synchrotron-light for Experimental Science and Applications in the Middle East), een wetenschappelijke lichtbron in Jordanië die in 2017 openstelde voor experimenten. SESAME is gebouwd door middel van een samenwerkingsverband tussen wetenschappers en overheden in de regio.

Hij merkte op dat wat het team via zijn experimenten leert over cultureel erfgoed en het bewaren van monsters, mogelijk ten goede zou kunnen komen aan de collecties van het Grand Egyptian Museum in Gizeh, die naar verwachting in 2020 zal openen en meer dan 100 zal herbergen, 000 Egyptische artefacten.