有機残留物分析

考古学において、有機残留物分析（ORA）とは、過去の遺物に閉じ込められたり付着したりした微細な残留物を研究することを指します。これらの有機残留物には、脂質、タンパク質、デンプン、糖類などが含まれます。これらの残留物を分析することで、ORAは古代の食習慣、農業慣行、住居組織、技術の進歩、貿易関係についての洞察を明らかにすることができます。^{[ 1 ]}さらに、古代社会における化粧品、芸術、工芸、医薬品、埋葬準備の使用に関する情報も提供します。

ORAの幅広い適用範囲は、ミイラ化に使用される物質、ペースト、接着剤、結合剤、着色剤など、さまざまな非晶質材料を網羅しています。これらの材料は、陶器、石器、骨の鉱物マトリックス、歯石、住居の床や穴などに保存されることがあります。ORAの独自の価値は、古代の人々が使用した材料や物質の直接的な証拠を提供できることにあり、他の考古学的手法では得られない洞察を提供することがよくあります。^{[ 2 ]}

例えば、陶器に残る有機残留物を分析することで、動物性脂肪や植物性脂肪といった特定の食品成分が明らかになり、古代の食習慣や食料源に関する知見が得られる。同様に、古代の接着剤や顔料の研究は、古代の美術工芸品に用いられた製造技術や材料についての理解を深めるのに役立つ。

さらに、ORAは古代の医学知識、化粧品の使用法、美術品や工芸品の制作過程を解明する上で重要な役割を果たしています。現代の化学分析技術を活用することで、ORAは考古学者に古代社会の日常生活、文化的慣習、技術進歩を直接的に探究し理解するための強力なツールを提供します。

有機残留物の構成は、陶器、地殻、木材、石などの釉薬のかかっていない多孔質材料に吸収、捕捉、または付着した有機成分に依存します。有機残留物の形成は、食品の準備、調理、保管、輸送、修復、封印など、堆積前および堆積後の幅広いイベント中に発生する可能性があります。^{[ 3 ] [ 4 ]}有機残留物の複雑さを考慮すると、組織、細胞、高分子（例：脂質、タンパク質、代謝物、DNA、デンプン）、分子（例：脂肪酸、アミノ酸）、原子（例：炭素、窒素、水素）の 5 つの入れ子構造のスケールで定義できます。特に、生体分子、特に脂肪と代謝産物のレベルの残留物には、保存状態の良さと考古学における重要性から特に関心があります。タンパク質に関する議論は、古タンパク質学のトピックで別のところで扱われています。

1950年代から1960年代にかけて、クロマトグラフィー法、特にガスクロマトグラフィー（GC）と質量分析法（MS）を組み合わせた方法の出現により、分子を分離・識別するための手法が確立されました。考古学的資料にGC分析を適用した初期の論文の1つは、Thorntonら（1970）によって発表され、古代の沼地バターの組成を調査しました。^{[ 16 ]}

科学者たちは、古代の陶器に付着した様々な物質を研究するために、様々な手法を開発してきた。これらの物質を取り出す一般的な方法の一つは、クロロホルムやメタノールといった特殊な液体を用いて、陶器にしっかりと付着していない脂肪分を抽出することである。その後、サンプルを分析のために準備する処理を施す。また、陶器の粉末を二度処理することで、強い化学結合によってよりしっかりと付着している脂肪分を取り出すこともできる。こうすることで、分解の仕方が異なる物質についてさらに詳しく知ることができる。これは、古代の人々がこれらの陶器に何を保存したり調理したりしていたのかを理解する上で役立つ。

直接酸性メタノール抽出法を用いて、「非結合」脂質と「結合」脂質の両方を抽出するハイスループットプロトコルが開発され、2014年に発表された。^{[ 17 ] [ 18 ]}この方法では、脂質の回収率が高くなる。TAGやワックスエステルなどの複合脂質の加水分解により、組成情報が失われる。

今日では、動物性脂肪[ ^{19 ] [ 20 ] [ 21 ] 、}植物ワックス^{[ 22 ] [ 23 ]}、樹脂^{[ 24 ]}、タール^{[ 25 ] [ 26 ]} 、ワイン^{[ 27 ] [} 28] 、蜜蝋^{[ 29 ] [ 30 ]}を識別する^ことが可能です。ジテルペルノイドとトリテルペルノイドからなる植物樹脂の最新の研究では^、これらの供給源を属レベル、場合によっては植物種まで確実に識別できることが示されています。^{[ 31 ] [ 32 ] [ 33 ] [ 23 ]}炭化水素、ケトン、アルコール、脂肪酸などの他の特定の植物脂質クラスも、資源の起源を明らかにすることができます。 ^{[ 34 ] [ 35 ] [ 36 ]}

選択イオンモニタリング（SIM）法を使用すると、GC-MSの感度を高めることができ、既知の化合物を検出できます^{[ 37 ]。}例えば、穀物バイオマーカー（アルキルレゾルシノール）^{[ 38 ] [ 39 ]}や特定の海洋バイオマーカー^{[ 40 ] [ 41 ]}などです。

アルキルレゾルシノール（AR）は、極性レゾルシノール（1,3-ジヒドロキシベンゼン）環に非極性の奇数個のアルキル側鎖が結合した両親媒性フェノール脂質です。^{[ 42 ]}  穀物の場合、アルキル鎖は15～25個の炭素原子からなります。^{[ 42 ] [ 43 ]}これらの穀物バイオマーカーは、スイスで発見された保存状態の良い青銅器時代の木製容器^{[ 38 ]}や、ヴィンドランダのローマ騎兵隊兵舎で発見された粗製土器^{[ 44 ]}で以前に発見されています。後者の研究では、ARの生存は調理方法と埋葬条件に大きく依存することが示されました。しかし、回収可能であれば、考古学的文脈におけるこれらのフェノール脂質の分析は、特定の地域における過去のコミュニティの穀物加工の採用と普及を説明するのに役立つため、価値があります。

α-(o-アルキルフェニル)アルカン酸（APAA）C18、C20、C22などの海洋資源の診断化合物は、最近、数多くの考古学的土器片で観察されており、不飽和脂肪酸の分解生成物である。^{[ 45 ] [ 46 ]}これらのバイオマーカーは、最近、東バルト海における後期中石器時代の海洋資源の利用を裏付けるナルヴァ陶器^{[ 47 ]}や、海洋資源から水生脂肪を精製するプロセスを示す韓国の狩猟採集民の土器^{[ 48 ]で検出された。}

動物性脂肪や植物油を扱う場合、識別はより複雑になります。それらの多くは多価不飽和脂肪酸で構成されており、考古学的記録に残ることはまれです。加水分解の分解過程を経て、診断に役立たないn-アルカン酸が生成されます。脂質バイオマーカーと個々の脂肪酸の化合物特異的同位体分析を組み合わせることで、反芻動物と非反芻動物の脂肪^{[ 49 ]}、反芻動物の乳^{[ 50 ] [ 51 ]}を区別することが可能になりますが、この方法は野生の反芻動物^{[ 52 ]} 、鶏^{[ 53 ] [ 54 ]}を区別したり、トウモロコシ^{[ 36 ] [ 55 ]}を検出したりするのに役立ちもします。

放射性炭素年代測定法は、物質中に含まれる炭素の種類を測定することで、物の古さを突き止める方法です。^{[ 56 ]}化合物特異的放射性炭素分析法（CSRA）は1990年代後半から開発されており^{[ 57 ] [ 58 ]}、最近では、年代測定に関するいくつかの疑問に、より信頼性をもって答えることや、年代評価の指標としての土器の重要性を明らかにすることに貢献するアプローチの開発がいくつか行われています。CSRAは、Casanovaら^{[ 59 ]}によって、ヨーロッパ、アフリカ、アナトリア、サハラアフリカのさまざまな新石器時代の遺跡に属する考古学的土器から抽出されたパルミチン酸（ _C16:0）とステアリン酸（_C18:0）脂肪酸の直接年代測定に適用されています。この研究では、陶器のCSRAが、陶器がいつ使用されたか、陶器の類型年代学の理解、有機残留物の年代など、複数の考古学的疑問に光を当て、特定の資源の消費開始について議論することを可能にすることが明らかになった。^{[ 59 ]}動物群集の分析と併用されたCSRAは、海洋産物の消費を調査するためにも適用されている。^{[ 60 ]}

考古学的および生態学的文脈は、有機残留物の保存とその解釈にとって極めて重要です。有機残渣は、保存および劣化プロセスだけでなく、自然の混合物によっても影響を受ける可能性があります。自然の混合物は、食品の調理やシーラントの使用など、人間の活動によって引き起こされる混合物に加えて発生する可能性があります。考古学的資料の使用、そしてその後の埋葬を通じて、生体分子は混合、炭化、加熱、微生物活動、および埋葬条件によって時間の経過とともに変化する可能性があります。^{[ 71 ] [ 12 ] [ 72 ] [ 73 ]}その結果、構造的に診断可能なバイオマーカーは断片としてのみ存在する可能性があり、^{[ 3 ]}そのため、腐敗の研究は根本的に重要です。さらに、遺跡と時代に関連する動物考古学、植物考古学、およびその他の考古学的証拠の証拠も考慮する必要があります^{。[ 74 ]}

分解プロセス

生体分子の中には、他のものよりも分解されやすいものがあります（安定性の低い順から高い順に：DNA > タンパク質 > アミノ酸 > 脂質/炭化水素）。さらに、保存状態は、有機化合物が由来する物質、例えば食品の皮、石灰化した堆積物、または陶器の基質によって影響を受けます。現在、発見カテゴリーとしての食品の皮がどれほど均質であるか、また、それらがすべて同じ方法で形成されるかどうかはまだ明らかではありません。しかし、一般的に食品の皮は食品の加熱とそれに続く炭化によって形成されると考えられており、有機物の保存状態は、埋葬環境への暴露による熱変化や微生物の作用によって影響を受ける可能性があります... ^{[ 75 ]}石灰化した堆積物は、陶器の容器に見られる別の形態の残留物であり、主に炭酸カルシウムなどのカルシウムを豊富に含む化合物で構成されています。^{[ 76 ]}研究では、これらの石灰化した堆積物から脂質とタンパク質の両方を抽出することに成功しており、少なくともタンパク質に関しては、より良い保存条件を提供しているようです。^{[ 76 ] [ 77 ]}しかし、この種の残留物はまだ頻繁に研究されておらず、その形成や生体分子の保存に対する正確な影響についてはほとんど知られていない。しかし、セラミックマトリックスは、例えば脂質の保存を促進する保護環境として機能する可能性が高い。^{[ 3 ] [ 11 ]}

主に、容器の埋没前に、劈開^{[ 78 ]} 、加水分解、酸化^{[ 79 ]} 、熱分解、ケトン脱炭酸^{[ 12 ] [ 80 ]}などの幅広いプロセスによって化学的変化が起こります。これらは、容器の使用、陶器の組成、土壌の化学、気候条件にも影響されます^{[ 71][11]。さらに、実験的研究により、これらのプロセスは急速に起こり得ることが示されています[81 ] [ 82 ]}。^{埋没後は、土壌の}通気性^{[ 83 ]} 、水の移動と含有量、土壌のpH、埋没温度などの地域の地質と気候が、微生物活動の程度^{[ 84 ]}、および結果として生じる脂質の保存に主に影響します^{[ 4 ] [ 85 ]} 。弱酸性の土壌と乾燥した安定した気候は、有機化合物の保存に最も効果的です。土壌が酸性すぎると、脂質は酸触媒によるエステル加水分解反応を起こし、アルカリ性が強すぎると脂質は鹸化反応を起こします。さらに、中性の土壌では、脂質は細菌や真菌の活動の影響を受けます。

形成過程

これまで、残留物の形成と保存につながるメカニズムや、残留物が陶磁器に蓄積する仕組みについてはほとんど知られていない。さらに、残留物の形成と保存に対する異なる陶磁器の生地の影響は十分に研究されていない。^{[ 63 ]}以前の研究で示されているように、陶磁器の生地に存在する一部の金属イオンはケトンの形成に影響を与える可能性がある。^{[ 86 ] [ 87 ]}しかし、Drieuらによる新しい研究では、ケトンは容器の密封中にも形成されることが示されている。鍋に長鎖ケトンが含まれている場合、食品の皮がないのに表面と縁が均一に黒ずんでいる場合は、熱変化したマーカーは調理ではなく、製造およびメンテナンスに関連する焼成後の処理に関連している可能性があると考慮する必要がある。^{[ 88 ]}

文献では、セラミックの空隙の大きさが保存条件に影響を与えるかどうかについてさらに議論されており^{[ 89 ]}、全体的な多孔性と小さな孔のレベルが高いことが脂質の保存に有利であることが実証されています^{[ 90 ]} 。したがって、孔のサイズに応じて、微生物がセラミックの組織に多かれ少なかれアクセスすることができ、分解プロセスを促進したり妨げたりします。

残留物の形成に関する新たな知見は、1年間にわたる調理実験から得られる可能性がある。^{[ 91 ]}回収された有機残留物が、調理された最終食品のみを表しているのか、それとも同じ容器内でのさまざまな調理イベントの蓄積を表しているのかが調査された。結果は非常に重要であり、この研究課題に取り組むための重要な出発点となる。ミラーらは、さまざまなサンプリング領域が容器内の特定の調理イベントを表していることを実証できた。(i) 炭化したマクロ残留物は最終食品を表し、(ii) 薄層のパティナ残留物は最終製品に偏った以前の調理イベントの混合物を表し、(iii) 吸収された脂質残留物は、時間の経過とともにゆっくりと置き換えられる多数の調理イベントに関連しており、最終レシピの材料の証拠はほとんどない。^{[ 91 ]}この実験は人工的な条件下で行われたことに注意する必要がある。

さらなる調理実験により、植物組織や動物組織の煮沸中の脂質の物理的挙動が明らかになった。^{[ 81 ] [ 92 ]}容器の異なる領域では脂質濃度が異なり、脂質は主に容器の肩部で移動してセラミックマトリックスに吸収された。

考古学的および民族誌的資料に脂質残留分析を適用する場合、解釈には限界があり、特定の食料資源がまだ「隠されている」可能性があることを常に念頭に置く必要があります。^{[ 74 ]}研究者は、保存される可能性が高い脂質のみが検出および識別できるという問題に直面しています。^{[ 3 ]}例えば、植物残留物は有機化合物の痕跡を残す可能性が低く、ハーブやスパイスなどの微量成分は検出できない可能性が高いです。^{[ 74 ]}植物と動物の両方の製品を加工するために使用された陶器では、動物製品が植物の特徴を「覆い隠す」可能性があることが研究で示されています。したがって、肉が野菜よりも優勢に見えるでしょう。^{[ 93 ]}

2019年、Dunne & Grilloらは、ケニア北部の現代サンブル族の牧畜民が製造・使用した陶器の脂質残渣の民族考古学的調査と化学分析および同位体分析を組み合わせた研究を発表した。 ^{[ 74 ]}過去50～100年の間にサンブル族が作った陶片（n =63）は、最近まで人が住んでいた野外遺跡や岩陰遺跡から収集された。この研究の目的は、抽出された脂質化合物が、社会、特に日常生活におけるさまざまな加工食品の相対的な重要性を表しているかどうかを調査することであった。さらに、著者らは、特定の慣習、食品消費のタブー、年齢や性別に関連する日常的な食品消費の慣習などの微妙なニュアンスが検出できるかどうか疑問を呈した。また、文化的な禁止事項に関して、容器の使用における違いが検出できるかどうかも疑問を呈した。興味深いことに、GC-C-IRMSの結果は、サンブル族の食生活は肉を主食としていないにもかかわらず、反芻動物の死骸の加工に重点が置かれていることを示している。牛乳はサンブル族の食生活や東アフリカの他の牧畜民の食生活において主食となっているが、牛乳はほとんどの場合、鍋ではなく木製の容器で調理または保存される。それにもかかわらず、結果はサンブル文化の社会的および儀式的活動における肉と脂肪の重要性を反映している^{[ 74 ]。}

ドリューら（2022）による同様の研究では、民族考古学的アプローチによる有機残留物の吸収パターンの多様性に焦点を当てた。セネガルの9つの陶器の分析と解釈はブラインドテストとして実施され、後に実際の使用と比較された。結果は、容器が調理や煮沸に使用された場合でも、脂質が陶器マトリックスに吸収される可能性が高く、それによって容器の使用を検出できることを示している。さらに、容器の機能を調査するための追加の分布基準が提案されている。ドリューらは、定量的脂質分析が容器の機能を再構築するための貴重なツールであることを示している。ただし、サンプル間の変動が観察されたため、壺間の濃度を比較する際にはより注意を払う必要がある。ドリューらはさらに、脂質シグナルが低いかまったくない壺の容器の内容物、ひいては使用を解釈する際の限界について言及しており、これは容器の使用に関する偏った理解をもたらす^{[ 94 ]。}

脂質残留物分析は、過去の人間の行動を偏った形で再構築するという難題に常に直面する。有機残留物分析では、例えば食事全体や薬の処方箋を再現することは決してできないが、DNAやタンパク質などの他の有機化合物に比べて脂質は残存する可能性が高いため、強力なツールとなる。