Forskere udforsker egyptiske mumieknogler med røntgenstråler og infrarødt lys

Eksperimenter ved Department of Energy's Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) kaster nyt lys på egyptisk jord og gamle mumificerede knogleprøver, der kunne give en rigere forståelse af dagligdagen og miljøforholdene for tusinder af år siden.

I en to måneder lang forskningsindsats, der blev afsluttet i slutningen af ​​august, to forskere fra Cairo University i Egypten bragte 32 knogleprøver og to jordprøver til undersøgelse ved hjælp af røntgen- og infrarødt lys-baserede teknikker ved Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS). ALS producerer forskellige bølgelængder af stærkt lys, der kan bruges til at udforske den mikroskopiske kemi, struktur, og andre egenskaber ved prøver.

Deres besøg blev muliggjort af LAAAMP – lyskilderne for Afrika, Amerika, Asien og Mellemøsten-projektet - et tilskudsstøttet program, der har til formål at fremme større internationale videnskabelige muligheder og samarbejde for forskere, der arbejder i denne region af kloden.

Prøver repræsenterer fire dynastier, to gravsteder

Prøverne omfattede knoglefragmenter af mumificerede menneskelige rester, der dateres tilbage 2, 000 til 4, 000 år, og jord indsamlet fra steder af de menneskelige rester. Resterne repræsenterer fire forskellige dynastier i Egypten:Mellemriget, Anden mellemperiode, Sen periode, og græsk-romersk.

De besøgende videnskabsmænd, Cairo University lektor Ahmed Elnewishy og postdoc-forsker Mohamed Kasem, ønskede at skelne om kemiske koncentrationer i knogleprøverne var relateret til individernes helbred, kost, og hverdagen, eller om kemikalierne i jorden havde ændret knoglernes kemi over tid.

Deres arbejde er vigtigt for Egyptens kulturarv og også for en bedre forståelse af antikvitetsbevaring og de potentielle veje til forurening af disse rester. Prøverne blev fundet fra to egyptiske steder - Saqqara, stedet for en gammel gravplads; og Aswan, stedet for en gammel by på Nilens bred engang kendt som Swenett – af arkæologer fra Cairo University.

"Knoglerne fungerer som et arkiv, sagde Kasem, der har studeret gammel knoglekemi siden sin ph.d. studier, går tilbage til 2011. Han har brugt en kemisk analyseteknik, der involverer laserablation, hvor en kort laserimpuls blæser en lille mængde materiale væk fra en prøve. Derefter, udsendt lys fra denne lille eksplosion analyseres for at bestemme, hvilke elementer der er til stede.

"Vi har fundet bly, aluminium, og andre elementer, der giver os en indikation af miljøet og toksiciteten på den tid, " sagde han. "Den information er gemt lige i knoglerne."

Differentiering af jord vs. knoglekemi

Det, der er vanskeligt, er at finde ud af, hvordan elementerne kom ind i knoglen. "Der kan være en vis spredning af elementer fra ydersiden til inde i knoglerne, og virkninger fra bakterier, fugtighed, og andre effekter. Det er svært at adskille dette - at vide om det kommer fra den omgivende jord. Så vi har prøvet forskellige teknikker."

Kasem tilføjede, "Så mange faktorer påvirker konserveringen. En af dem er, hvor længe knoglen har været begravet i jord og også knoglens tilstand og de forskellige jordtyper." Forskelle i balsameringsteknikker kan også påvirke bevaringen af ​​knoglen og den kemi, de finder i røntgenundersøgelserne. "Der er forskellige kvaliteter i materialerne, som klædet og harpiksen de brugte til at balsamere, " han sagde.

Mens de gamle egyptere ikke brugte aluminium til metalbearbejdning, forskere har fundet ud af, at de brugte kaliumalun, en kemisk forbindelse indeholdende aluminium, at reducere uklarhed i drikkevand. Og koncentrationerne af bly skyldtes sandsynligvis det bly, som egypterne brugte til at polere keramik.

De seneste undersøgelser er fokuseret på prøver inklusive skiver fra hovedet af lårbensknoglerne og fra lårbensskaftet for at se, om en prøvetype kan være mere tilbøjelig til forurening fra omgivende jord end den anden type, for eksempel. Lårbensknogler er de stærkeste knogler i menneskekroppen og løber fra knæene til hofterne. Hovedet, øverst på lårbenet, har mere svampet knoglemateriale end skaftets kerne.

Forskerne arbejdede sammen med ALS-forskerne Hans Bechtel og Eric Schaible for at udføre eksperimenter ved tre forskellige beamlines. Schaible hjalp forskerne med en teknik kendt som small-angle X-ray scattering (SAXS), som de brugte til at analysere nanoskalamønstret af kollagen, et rigeligt humant protein.

Røntgenscanninger afslører kollagenmønstre

En enkelt scanning af knogletværsnittene, som målte op til 3 til 5 centimeter på tværs og omkring en halv millimeter i tykkelse, tog to til seks timer at færdiggøre og gav et detaljeret 2-D kort, der viser, hvordan kollagenet var organiseret i knoglen.

Disse billeder kan sammenlignes med moderne knogler for bedre at forstå, om og hvordan kollagenet nedbrydes over tid, og kan muligvis fortælle os om et individs helbred.

"Collagen er en af ​​kroppens vigtigste byggesten, " sagde Schaible. "Det findes i huden, knogler, indre organer, øjne, ører, blodkar – det er en af ​​de vigtigste ting, vi er lavet af. Når vi skinner røntgenstråler gennem kollagenet, røntgenstrålerne er spredt, og det spredningsmønster, de laver, kan fortælle os meget om, hvor velbevaret og velorganiseret kollagenet er."

Selvom der er mange analyser forude for at fortolke data taget fra prøverne, Schaible sagde, at kollagensamlingerne generelt ikke er så velordnet i de gamle prøver som i sunde moderne knogler.

"Det er meget spændende at være involveret i dette projekt, og for at lære om den rejse, disse mumier har været på, i livet og efter døden, " han sagde.

Infrarødt lys viser knoglekemi, mineralkoncentrationer

De infrarøde undersøgelser på ALS viser den kemiske fordeling og koncentration af de mineraler og organiske materialer, der er til stede i knoglerne.

"En af de største forhindringer var, hvordan man forbereder prøverne, " sagde Elnewishy. Det er svært at skære tynde tværsnit af så delikat materiale.

Schaible kontaktede et specialiseret laboratorium ved UC Berkeley's Earth and Planetary Science Department, hvilket hjalp med at skære prøverne i skiver. Til de tyndeste sektioner og de mest skrøbelige prøver, knoglen blev suspenderet i epoxyharpiks og derefter skåret i skiver.

Planer for nye eksperimenter

Elnewishy sagde, at der er planer om også at udføre relaterede eksperimenter på SESAME (Synchrotron-light for Experimental Science and Applications in the Middle East), en videnskabelig lyskilde i Jordan, der åbnede op for eksperimenter i 2017. SESAME blev bygget gennem et samarbejde mellem videnskabsmænd og regeringer i regionen.

Han bemærkede, at det, holdet lærer om kulturarv og bevaring af prøver gennem dets eksperimenter, potentielt kunne gavne samlingerne på det store egyptiske museum i Giza, som forventes at åbne i 2020 og vil være vært for mere end 100, 000 egyptiske artefakter.