Arqueólogos españoles estudian las heces de neandertales para averiguar su dieta

El menú neandertal: Una nueva perspectiva mediante el uso de biomarcadores fecales
Ainara Sistiaga electrónico ,


Carolina Mallol,

Bertila Galván,

Roger Everett Citación

Publicado: 25 de junio 2014DOI: 10.1371/journal.pone.0101045
Artículo



Reconstrucciones de la dieta de los neandertales hasta la fecha, se han basado en pruebas indirectas y pueden subestimar la importancia de las plantas como fuente de alimento. Si bien los datos de isótopos estables zooarqueológicos y han tras*mitido una imagen de los neandertales como en gran parte carnívoros, los estudios sobre el cálculo dental y dispersa evidencia paleobotánica sugiere algún grado de contribución de las plantas a su alimentación. Sin embargo, ambos puntos de vista siguen siendo plausibles y no hay ningún indicio categórico de una dieta omnívora. Aquí presentamos evidencia directa de la dieta Neanderthal a través de biomarcadores fecales, una valiosa herramienta de análisis para la identificación de la procedencia de la dieta. Nuestro cromatografía gaseosa-espectrometría de masas resulta de El Salt (España), un sitio de citas Paleolítico Medio hasta ca. 50.000 años. BP, representa la identificación positiva más antigua de la materia fecal humana. Se demuestra que los neandertales, como los humanos anatómicamente modernos, tienen una alta tasa de conversión de colesterol en coprostanol relacionada a la presencia de bacterias necesarias en sus entrañas. Análisis de cinco muestras de sedimentos de diferentes lugares de ocupación sugiere que los neandertales consumían principalmente carne, como se indica por proporciones altas de coprostanol, pero también tenía una ingesta de plantas significativa, como se muestra por la presencia de 5β-estigmastanol. Este estudio destaca la aplicabilidad del enfoque de biomarcadores en los contextos del Pleistoceno como proveedor de información palaeodietaria directa y apoya la posibilidad de nuevas investigaciones sobre el metabolismo del colesterol durante la evolución humana.

Cifras




Citación: Sistiaga A, C Mallol, Galván B, Citación RE (2014) El hombre de Neandertal de comidas: Una nueva perspectiva El uso fecales Biomarcadores. PLoS ONE 9 (6): e101045. doi: 10.1371/journal.pone.0101045
Editor: Karen Hardy, ICREA en la Universitat Autònoma de Barcelona, ​​España
Recibido: 31 de enero 2014; Aceptado: 02 de junio 2014; Publicado: 25 de junio 2014
Copyright: © 2014 Sistiaga et al. Este es un artículo de acceso abierto distribuido bajo los términos de la licencia Creative Commons License , que permite el uso irrestricto, la distribución y reproducción en cualquier medio, siempre que el autor original y la fuente se acreditan.
Financiación: La investigación arqueológica en El Salt es un proyecto financiado por el Gobierno español I + D del proyecto (HAR2012-32703 MEC-FEDER), y una beca predoctoral del Gobierno de Canarias y el premio de viaje EAOG a medida que la investigación en el MIT fue apoyado por una beca (NNA13AA90A) de el Instituto de Astrobiología de la NASA para RES financiadores no tenía papel en el diseño del estudio, recogida y análisis de datos, decisión a publicar, o la preparación del manuscrito.
Conflicto de intereses: Los autores han declarado que no existen conflictos de intereses.
Introducción

Diferencias en la dieta entre los neandertales (especies extintas que vivieron en Eurasia entre ca hace. 230,000-40,000 años) y los humanos anatómicamente modernos han pretendido ser una de las posibles causas de su desaparición [1] . El complejo espectro de fuentes de alimentos explotados por este último pudo haber representado una ventaja adaptativa en comparación con una dieta de Neandertal más restringida basada en el alto consumo de carne.

Se ha avanzado mucho en la reconstrucción de la dieta de Neanderthal por la combinación de isótopos estables de carbono y nitrógeno [2] - [4] . Sin embargo, ya que estos datos sólo reflejan las principales fuentes de ingesta de proteínas, el papel de las plantas está subestimado y neandertales continúan siendo representado como carnívoros de primer nivel. La información de apoyo proviene de la alta incidencia de restos de fauna en sitios de neandertales que muestran que ellos eran expertos cazadores de grandes herbívoros con variabilidad presa corto [5] .

Nueva evidencia desafiar esta visión viene de análisis y cálculo dental microfósiles atrapadas en los dientes neandertales [6] - [8] . Estos datos presentan una imagen completamente diferente de los neandertales como una población que explota y cocinado una amplia gama de especies de plantas. Otra prueba proviene de restos paleobotánicos encontrados en yacimientos arqueológicos como Kebara Cueva o Cueva Amud [9] , [10] . Sin embargo, el potencial de preservación de restos vegetales es alta en el Medio Oriente, pero baja en el resto de la tierra habitada por neandertales. En suma, a excepción de la evidencia de microfósiles atrapadas y residuos orgánicos en los dientes neandertales, todas las reconstrucciones palaeodietary anteriores se han basado en pruebas indirectas que la preservación preferencial o selectiva juega un papel clave.

Hemos obtenido la primera evidencia directa de la ingesta de los animales y las plantas por los neandertales basado en la identificación de biomarcadores fecales humanos en los sedimentos arqueológicos. Este método ha demostrado ser una herramienta cada vez más valiosa en la identificación de la fuente probable de la materia fecal y la ha aplicado con éxito en contextos arqueológicos más recientes [11] - [16] . Esto proporciona evidencia directa de la fisiología digestiva y la dieta de los organismos fuente y proporciona datos críticos para evaluar el origen de los depósitos fecales [11] , [12] .

Nos centramos en los esteroles y estanoles; lípidos que se sabe que son relativamente estables a través de las cadenas alimentarias y durante los procesos diagenéticos tempranos [17] , [18] . Más específicamente, 5β-estanoles se pueden utilizar como biomarcadores fecales porque se forman únicamente en el tracto intestinal de la mayoría de los mamíferos superiores durante la reducción metabólica del colesterol y fitosteroles. Por otra parte, sus proporciones relativas son indicativos de las preferencias alimentarias [11] , [19] . Los principales actores de esta conversión microbiana todavía tienen que ser dilucidado [20] , pero algunas cepas que reducen el colesterol se han aislado [21] - [24] y sólo uno de heces humanas [24] . Los genes o las enzimas implicadas en este metabolismo son todavía desconocido [25] .

Análisis GC-MS se llevaron a cabo utilizando un método de detección sensible y selectiva, es decir, monitorización de reacción múltiple (MRM). Utilizamos precursor-producto tras*iciones de espectrometría de masas para los esteroles y estanoles en combinación con tiempos de retención de cromatografía de gases para determinar la composición de los lípidos esteroides aislados de las estructuras de combustión de El Salt Unidad X ( Apéndice S1 ).

Materiales y métodos

El entorno arqueológico de El Salt (Alicante, España), es un sitio al aire libre del Paleolítico Medio ( . Fig. 1A ) que ha dado evidencias de ocupación neandertal recurrente datado entre 60,7 ± 8,9 y 45,2 ± 3,4 Ka y está bajo investigación en curso [26 ] , [27] .

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Figura 1. El contexto arqueológico y micromorfológico.
A) El Salt sitio durante la excavación; B) fotografía del campo que muestra un detalle de la estructura expuesta H44 de combustión (sedimento blanco corresponde a la capa de ceniza de la parte superior). El sedimento neցro a la izquierda pertenece a una estructura de combustión suprayacente (H32). C) Fotografía de campo de bloque de sedimento que muestra las facies descritas en el texto en la sucesión microstratigraphic. D) Las microfotografías de un quemado ligeramente coprolite de origen humano frutativo identificado en El Salt estratigráfica Unidad X (muestra SAL-08-13). Las imágenes bajo luz polarizada plana muestran el tonalidad marrón pálido y estructura masiva de la coprolite, así como la presencia común de inclusiones, que son, posiblemente, bemoles de nematodos parásitos o esporas. Dictamen a tenor de fluorescencia de luz azul (fondo neցro) muestra autofluorescencia indicativo de alto contenido de fosfato.
doi: 10.1371/journal.pone.0101045.g001
Las muestras de sedimentos pertenecen a la unidad estratigráfica en excavación actual (SU X) y están asociados con restos arqueológicos y facies sedimentarias fueron excavadas, muestreados y documentados de acuerdo con una metodología orientada a la identificación de episodios de ocupación humana. Las características de combustión seleccionadas pertenecen a diacrónicos asociaciones de facies arqueológicos.

Nuestra evidencia para la ingesta animal y vegetal proviene de la parte superior de la capa blanca de combustión estructura H44 y su depósito suprayacente ( . Fig. 1C ). Esta capa de ceniza ha demostrado estar microestructuralmente bien conservado, no reelaborado por bioturbación, y está cubierta por un sedimento arcilloso arenoso (La8) con un contacto agudo. Varios coprolitos fosfatados milimétricas con características parecidas a micromorfológicos los reportados para coprolitos humanos [28] fueron identificados en las secciones delgadas fabricadas a partir de bloques orientados de sedimentos recogidos de unidad estratigráfica X, cerca de las muestras reportadas aquí. Estos coprolitos se autofluorescentes bajo luz azul, tener una masa basal masiva y contienen numerosas inclusiones, posiblemente los restos de bemoles de nematodos parásitos o esporas [29] , [30] . ( Fig.. 1D ).

Las muestras fueron recolectadas a mano durante la excavación superficial de El Salt Neanderthal sitio. Acerca de 10 g de sedimento se recogió a cabo utilizando herramientas de metal enjuagados en metanol (MeOH) y diclorometano (DCM), envueltos en papel de aluminio, introducidos en bolsas de plástico y almacenados en una habitación helada. En el laboratorio, un medio de las muestras se pulverizó para obtener un polvo fino utilizando un mortero de ágata y mano de mortero. Todos los equipos de laboratorio se enjuagó con acetona de alta pureza, MeOH y DCM entre muestras para evitar la contaminación cruzada. También se analizaron las heces de primates fresco como muestras de control para la identificación de biomarcadores. Toda la cristalería, papel de aluminio, sílice, lana de cuarzo y arena de cuarzo se quema a 500 ° C durante al menos 12 horas para eliminar la contaminación orgánica, mientras que las herramientas de metal se enjuagaron en MeOH y DCM. Acerca de 5 g de muestras de sedimentos homogeneizadas se liofilizaron y ultrasónicamente extrajo 4 veces con DCM / MeOH (3:1 v / v) a 40 ° C durante 20 minutos para obtener un extracto de lípidos totales (TLE).

El disolvente se eliminó de la TLE bajo una corriente de baja velocidad constante de N 2 de gas utilizando un Turbo Vap y muestras secas se almacenaron en atmósfera de nitrógeno en viales de vidrio con tapas de funda interna de teflón. A continuación, la TLE se derivatiza para permitir la identificación de esteroles a sus silil éteres trimetil (TMS) utilizando una mezcla de 25 l de piridina y 25 l de N, O-bis [trimetilsilil] trifluoroacetamida que contiene 1% de solución de trimetilclorosilano (BSTFA + 1% TCMS; SIGMA ).

Estanoles y estanoles se analizaron por GC-MRM-MS (Métodos suplementarios S1 en el Apéndice S1 ), utilizando reacciones precursoras de productos predeterminados (Tabla S1 en el Apéndice S1 ). MRM-MS es una técnica analítica sensible realizado en un espectrómetro de masas de sector magnético de doble enfoque y mide las reacciones de fragmentación que tienen lugar en la primera región libre de campo del analizador de masas. Este enfoque proporciona alta relación señal-ruido y elevada selectividad de clases de lípidos específicos, lo que permite la identificación de compuestos que normalmente están sin resolver o co-elución en mezclas complejas o muy biodegradados o en abundancias muy bajas [18] . Los esteroles en las muestras que analizamos co-produjeron con muchos otros compuestos en una mezcla compleja de picos superpuestos. El análisis GC-MRM-MS permitieron visualizar los compuestos como un conjunto de picos resueltos limpiamente desde el que podíamos determinar de forma fiable áreas de los picos en los niveles bajos de consumo de la muestra. GC solo nunca le daría la misma confianza para la identificación o cuantificación. No intentamos una comparación directa con más convencional GC-MS aunque es probable que podríamos haber identificado su presencia GC-MS en el modo Scan o SIM si más material había estado disponible para trabajar. Identificación de los compuestos se logró mediante la comparación con muestras de referencia y la literatura.

Hemos seguido un protocolo de geoquímica orgánica convencional consistente con nuestro objetivo. Como este estudio se dirige a los esteroles fecales, no incluimos contenido total de esteroles en nuestros resultados. Trabaja en forma independiente de este estudio ha confirmado que analiza nuestro GCMS, cuando se requiere la cuantificación, son reproducibles mejor que ± 5%.

Adscripción de las muestras a un origen humano se llevó a cabo sobre la base de índices estandarizados previamente [11] , [32] , [36] . Por lo tanto, ningún tratamiento estadístico fue necesario.

Declaración de Ética

Declaramos que no hay animales vivos se utilizaron en esta investigación. Las muestras de suelo utilizadas para biomarcadores y análisis micromorfológicos se obtuvieron de la zona arqueológica de El Salt, Alicante, España. El equipo de arqueólogos dirigido por B. Galván realizó las excavaciones bajo un permiso del gobierno y siguiendo la ley española patrimonio (N º 16/1985, de 25 de junio). Todo el material excavado incluyendo el material sedimentario se interpreta como material arqueológico así no se requieren más permisos para el estudio presentado.

Resultados

Nuestros resultados preliminares de cuatro de cinco muestras presentan una fracción de alcohol claramente dominado por coprostanol y su epicoprostanol producto diagenéticos, con alguna presencia de estigmasterol, sitosterol y colesterol ( . Fig. 2 ). Una quinta muestra (WL H44) también produjo proporciones más altas de colesterol y coprostanol. Sin embargo, la aparición significativa de metabolitos de fitosterol, a saber, 5β-estigmastanol y 5β-epistigmastanol, sin ambigüedades registrar la ingestión de plantas ( . Fig. 3 ). Análisis de hidrocarburos de la misma muestra no mostraron alcanos con impar sobre incluso predominio, de diagnóstico para la presencia de ceras hoja de la planta, excluyendo de este modo la vegetación circundante como una fuente directa de estos compuestos.

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Figura 2. esterol fracción histogramas.
Fracción de esteroles histogramas de las muestras reportadas aquí que arrojaron materia fecal. Concentraciones relativas se expresan como% del pico más grande en comparación con las áreas de pico en el TIC.
doi: 10.1371/journal.pone.0101045.g002
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Figura 3. Parcial cromatograma que muestra evidencia de consumo de la planta.
Cromatograma parcial de resumir tras*ición GC-MS para C 27 + C 28 + C 29 esteroles y estanoles de la muestra más antigua (WL H44). Picos de retención coincidían con las de las muestras de referencia de materia fecal fresca de primates y herbívoros.
doi: 10.1371/journal.pone.0101045.g003
El colesterol y los fitoesteroles se detectaron en los suelos muestreados de control dentro de una distancia de> 1 m de la estructura de la combustión. Sin embargo, no identificó la presencia de cualquier 5β-estanoles en estas muestras de control.

Debido a que el colesterol a coprostanol conversión no es exclusiva de los seres humanos [31] - [35] Se han propuesto varias relaciones utilizados originalmente como indicadores de la contaminación por aguas residuales para identificar el origen probable de la materia fecal [11] , [36] . Aquí hemos utilizado la relación propuesta por Bull y compañeros de trabajo [11] [coprostanol + epicoprostanol/5β-stigmasta nol + epi-5β-estigmastanol] con el fin de distinguir entre omnívoro, lechón / humano (> 1), y especies herbívoras (< 1). El valor obtenido utilizando esta relación (1.78) sugiere un origen humano.

Discusión y Conclusiones

A pesar de que algunos estudios [13] , [37] - [41] han informado de pequeñas concentraciones de coprostanol en suelos generados por la acción microbiana en condiciones reductoras, lo que representa una vía menor en colesterol conversión del medio ambiente, mientras que se tras*formará la gran mayoría de colesterol en colestanol. En cualquier caso, nuestras muestras de la misma y el nivel de prueba de muestreo vertical no mostraron una presencia regular de 5β-estanoles o colestanol, lo que indica que la presencia de biomarcadores fecales en nuestras muestras no es debido a la contaminación del medio ambiente.

Coprostanol se forma a través de la hidrogenación microbiana de su precursor de Δ 5 -esterol del colesterol por las bacterias específicas presentes en el tracto intestinal de mamíferos superiores. Se forma a partir tanto ingerido y de novo biosintetizada colesterol [11] , [41] . Los otros estanoles representan la entrada directa de la dieta de los esteroles vegetales, ya que los humanos no pueden sintetizarlos. La composición de esteroles de la dieta de un animal, y la cantidad de material vegetal, en particular, tiene un claro impacto en el perfil de estanol. Los análisis reportados para otros animales tales como perros y las aves contiene sólo cantidades traza de 5β-estanoles probablemente debido a la falta de bacterias de esterol-reducción [31] - [35] .

En los seres humanos, la conversión de colesterol a coprostanol es bimodal con una gran mayoría de los altos convertidores y una minoría de baja a los convertidores ineficientes (contenido coprostanol que representa menos de un tercio del contenido de esteroles fecal) [42] , [43] . La eficiencia de la conversión de colesterol depende principalmente de la abundancia de bacterias que reducen el colesterol [25] . Esta acción microbiana comienza en los seres humanos durante la segunda mitad del primer año de vida [44] y facilitaría la eliminación del exceso de colesterol del cuerpo, disminuyendo el riesgo de enfermedad cardiovascular [45] - [46] .

El predominio de coprostanol y una ausencia casi total de 5β-estigmastanol entre nuestras muestras indican que los neandertales de El Salt tenían una dieta de carne dominada. Sin embargo, esto debe ser visto desde la perspectiva de que los tejidos animales contienen mucho más altas abundancias de los esteroles precursores que hacen tejidos de la planta. Normalmente, el contenido de esteroles de la carne es 3 veces mayor, gramo por gramo, de plantas frescas como la col [47] , [48] . Sin embargo, una mayor ingesta de planta se indicó por la presencia de 5β-estigmastanol. Por ejemplo, el consumo de tubérculos produciría una proporción significativa de productos de digestión de esta planta. Esto está de acuerdo con la afirmación de parcialidad preservación obstaculizan nuestra capacidad para identificar el consumo de tubérculos (órganos subterráneos de almacenamiento) y otras plantas [6] . De hecho, la aparición en tándem de 5β-estigmastanol de la muestra más antigua (WL H44) apunta a algunos ingesta planta ( . Fig. 3 ). Según Buck y Stringer [49] , esto podría representar ya sea el consumo directo de las plantas o los contenidos estomacales de los animales que habían consumido las plantas.

Tomados en conjunto, estos datos sugieren que los neandertales de El Salt consumen carne y verduras, de acuerdo con las hipótesis recientes basados ​​en pruebas indirectas. Los estudios futuros en los sitios del Paleolítico Medio, utilizando el enfoque de biomarcadores fecal ayudarán a clarificar la naturaleza, la función y la proporción del componente vegetal en la dieta de Neandertal, y nos permitirá evaluar si los resultados reflejan el consumo ocasional o pueden ser representativos de su dieta básica. Además, estos datos representa la identificación positiva más antigua de la materia fecal humana, en un nivel molecular, utilizando métodos geoquímicas orgánicos.

Además de haber corroborado nuestro método y ha obtenido la primera evidencia de una dieta omnívora Neanderthal de las heces, nuestros resultados también tienen implicaciones en relación con los sistemas digestivos y la evolución de la microbiota intestinal. Acercarse a la evolución del sistema digestivo humano es difícil porque no hay registro fósil indica la preservación de los tejidos blandos. Nuestros resultados muestran que los neandertales, como los humanos anatómicamente modernos, tienen una alta tasa de conversión de colesterol en coprostanol debido a la presencia de bacterias capaces de hacerlo en sus entrañas. La investigación adicional nos permitirá explorar esta cuestión en el contexto de la evolución humana.

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butricio dijo:

Paso de leerme el tocho y pregunto directamente

¿que cosa es esa que no se descompone?

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Aixelà dijo:

Arqueólogos: las marujas de la cafetería de la esquina del barrio, metidas a profesionales altamente cualificadas y muy bien pagadas, por remover dos piedras y soltar cuatro insensateces. Especulan como cualquier Ana Mari de pueblo y al cabo de quince años, le dan la vuelta a todas sus conclusiones. Y aquí paz y después gloria.

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