Experiment vid Department of Energys Lawrence Berkeley National Laboratory (Berkeley Lab) kastar ett nytt ljus på egyptisk jord och gamla mumifierade benprover som kan ge en rikare förståelse för det dagliga livet och miljöförhållandena för tusentals år sedan.

I en två månader lång forskningsansträngning som avslutades i slutet av augusti, två forskare från Cairo University i Egypten tog med 32 benprover och två jordprover för att studera med röntgen- och infrarödljusbaserade tekniker vid Berkeley Labs Advanced Light Source (ALS). ALS producerar olika våglängder av starkt ljus som kan användas för att utforska den mikroskopiska kemin, strukturera, och andra egenskaper hos prover.

Deras besök möjliggjordes av LAAAMP – ljuskällorna för Afrika, Amerika, Asien och Mellanöstern-projektet – ett anslagsstödt program som är avsett att främja större internationella vetenskapliga möjligheter och samarbete för forskare som arbetar i den regionen av världen.

Prover representerar fyra dynastier, två gravplatser

Proverna inkluderade benfragment av mumifierade mänskliga kvarlevor som går tillbaka 2, 000 till 4, 000 år, och jord som samlats in från platserna för de mänskliga kvarlevorna. Resterna representerar fyra olika dynastier i Egypten:Mellersta kungariket, Andra mellanperioden, Sen period, och grekisk-romerska.

De besökande forskarna, Cairo University docent Ahmed Elnewishy och postdoktorn Mohamed Kasem, ville särskilja om kemiska koncentrationer i benproverna var relaterade till individernas hälsa, diet, och vardagen, eller om kemikalierna i jorden hade förändrat benens kemi över tid.

Deras arbete är viktigt för Egyptens kulturarv och även för en bättre förståelse av antikvitetsbevarande och de potentiella vägarna för kontaminering av dessa lämningar. Proverna återfanns från två egyptiska platser - Saqqara, platsen för en gammal begravningsplats; och Aswan, platsen för en gammal stad på Nilens strand en gång känd som Swenett – av arkeologer från Kairos universitet.

"Benen fungerar som ett arkiv, sa Kasem, som har studerat forntida benkemi sedan sin doktorsexamen. studier, går tillbaka till 2011. Han har använt en kemisk analysteknik som involverar laserablation, där en kort laserpuls spränger bort en liten volym material från ett prov. Sedan, det emitterade ljuset från denna lilla explosion analyseras för att bestämma vilka element som är närvarande.

"Vi har hittat bly, aluminium, och andra element som ger oss en indikation på miljön och den tidens toxicitet, " sade han. "Den informationen är lagrad i benen."

Differentiering av jord kontra benkemi

Det som är knepigt är att reda ut hur elementen hamnat i benet. "Det kan vara viss spridning av element från utsidan till insidan av benen, och effekter från bakterier, fuktighet, och andra effekter. Det är svårt att separera detta — att veta om det kommer från den omgivande jorden. Så vi har provat olika tekniker."

Kasem lade till, "Så många faktorer påverkar konserveringen. En av dem är hur länge benet har varit nedgrävt i jord och även benets tillstånd och de olika jordtyperna." Skillnader i balsameringstekniker kan också påverka bevarandet av benet och den kemi de hittar i röntgenstudierna. "Det finns olika kvaliteter i materialen, som tyget och hartset de använde för att balsamera, " han sa.

Medan de gamla egyptierna inte använde aluminium vid metallbearbetning, forskare har funnit att de använde kaliumalun, en kemisk förening som innehåller aluminium, för att minska grumlighet i dricksvatten. Och koncentrationerna av bly berodde troligen på blyet som egyptierna använde för att polera keramik.

De senaste studierna är fokuserade på prover inklusive skivor från huvudet av lårbensbenen och från lårbensskaften för att se om en provtyp kan vara mer benägen att förorenas från omgivande jord än den andra typen, till exempel. Lårbensbenen är de starkaste benen i människokroppen och löper från knäna till höfterna. Huvudet, överst på lårbenet, har svampigare benmaterial än skaftets kärna.

Forskarna arbetade med ALS-forskarna Hans Bechtel och Eric Schaible för att utföra experiment på tre olika strållinjer. Schaible hjälpte forskarna med en teknik som kallas small-angle röntgenspridning (SAXS), som de använde för att analysera nanoskala mönstring av kollagen, ett rikligt mänskligt protein.

Röntgenundersökningar avslöjar kollagenmönster

En enda skanning av benets tvärsnitt, som mätte upp till 3 till 5 centimeter i diameter och ungefär en halv millimeter i tjocklek, tog två till sex timmar att slutföra och gav en detaljerad 2D-karta som visar hur kollagenet var organiserat i benet.

Dessa bilder kan jämföras med moderna ben för att bättre förstå om och hur kollagenet bryts ned över tiden, och kan eventuellt berätta om en individs hälsa.

"Kollagen är en av kroppens viktigaste byggstenar, "Sade Schaible. "Det finns i huden, ben, inre organ, ögon, öron, blodkärl – det är en av de viktigaste sakerna vi är gjorda av. När vi lyser röntgenstrålar genom kollagenet, röntgenstrålarna är spridda och spridningsmönstret som de gör kan berätta mycket om hur välbevarat och välorganiserat kollagenet är."

Även om det finns mycket analys framför oss för att tolka data som tagits från proverna, Schaible sa att kollagenaggregaten i allmänhet inte är lika välordnade i de gamla proverna som i friska moderna ben.

"Det är väldigt spännande att få vara med i det här projektet, och för att lära dig om resan dessa mumier har varit på, i livet och efter döden, " han sa.

Infrarött ljus visar benkemi, mineralkoncentrationer

De infraröda studierna vid ALS visar den kemiska fördelningen och koncentrationen av de mineraler och organiska material som finns i benen.

"Ett av de största hindren var hur man förbereder proverna, " sa Elnewishy. Det är svårt att skära tunna tvärsnitt från så ömtåligt material.

Schaible kontaktade ett specialiserat labb vid UC Berkeleys Earth and Planetary Science Department, vilket hjälpte till att skära proverna. För de tunnaste sektionerna och de ömtåligaste proverna, benet suspenderades i epoxiharts och skivades sedan.

Planer för nya experiment

Elnewishy sa att det finns planer på att även genomföra relaterade experiment vid SESAME (Synchrotron-light for Experimental Science and Applications in the Middle East), en vetenskaplig ljuskälla i Jordanien som öppnade upp för experiment 2017. SESAME byggdes genom ett samarbete mellan forskare och regeringar i regionen.

Han noterade att det som teamet lär sig om kulturarv och bevarande av prover genom sina experiment potentiellt skulle kunna gynna samlingarna på Grand Egyptian Museum i Giza, som förväntas öppna 2020 och kommer att vara värd för fler än 100, 000 egyptiska artefakter.