ZooMS – een fragmentarisch verhaal compleet maken

Jordy Aal (BAAC) en Youri van den Hurk

Bij veel archeologisch veldonderzoek in Nederland worden dierlijke resten gevonden. Soms wel honderden of duizenden fragmenten bot, tand en/of gewei. Omdat dieren al sinds het ontstaan van de mens een prominente rol spelen in ons leven, is het niet verwonderlijk dat we zo veel dierlijke resten vinden. Toch zijn die vondsten niet altijd vanzelfsprekend; de omstandigheden moeten gunstig zijn. Bij een hoge grondwaterspiegel en in een kleiige bodem blijven deze resten over het algemeen beter bewaard dan elders. Soms zijn de conserveringsomstandigheden zelfs zó gunstig dat ook fragiele dierlijke resten zoals hoorn, ivoor, balein, leer, schildpad en zelfs haar bewaard blijven; iets waarop ze in veel andere landen jaloers zijn. Naast de conserveringsgraad is bij veld- en materiaalonderzoek ook de fragmentatiegraad een belangrijke factor voor de kwaliteit en dus de informatiewaarde van het vondstmateriaal. Dierlijke resten zijn in vrijwel iedere archeologische context te verwachten. En hoewel een deel van de assemblage mogelijk (groten)deels compleet is, leert de ervaring dat het gros – door invloed van verscheidene tafonomische processen – sterk is gefragmenteerd. Binnen het traditionele zoöarcheologische onderzoek leveren zulke fragmenten slechts een beperkte kennis op. Maar met nieuwe natuurwetenschappelijke methoden is toch meer informatie te verkrijgen dan vroeger het geval was. Eén van deze nieuwe methoden is ZooMS.

 

Wat is ZooMS?

ZooMS (Zooarchaeology by Mass Spectrometry) is een natuurwetenschappelijke methode om diersoorten te identificeren aan de hand van de proteïne collageen type 1, één van de voornaamste bouwstoffen van bot, tand en gewei. Collageen bestaat uit een driedelige helix van collageenstrengen. In zoogdieren en vogels zijn twee van deze drie strengen identiek (tweemaal type COL1A1 en éénmaal type COL1A2) en bij vissen zijn alle drie de strengen uniek (éénmaal type COL1A1a, éénmaal type COL1A1b, en éénmaal type COL1A2). Deze collageenstrengen zijn opgebouwd uit een lange keten aan aminozuren en voor de meeste diersoorten is de volgorde van deze aminozuren steeds net een beetje anders.  In een laboratorium wordt het collageen uit de monsters gewonnen. Vervolgens worden deze collageenstrengen in kleinere peptiden ‘geknipt’ met het enzym trypsine. Het gewicht van de aminozuren in de peptiden verschilt. Hierdoor kan met massaspectrometrie het gewicht worden berekend van de verschillende peptiden. Doordat de volgorde van de aminozuren en het gewicht van de peptiden per diersoort verschilt, heeft iedere diersoort dus als het ware een unieke, moleculaire vingerafdruk (Brown et al., 2021; Buckley & Collins, 2011). De diersoort kan worden geïdentificeerd door de onderzoeksgegevens te vergelijken met referentiegegevens. Voor ZooMS is het bestanddeel collageen dus essentieel. Maar gelukkig zit dat in vrijwel alle dierlijke materialen en producten, ook in archeologisch vondstmateriaal. Doordat deze methode zo goed als non-destructief is (per monster is slechts 15-30 mg materiaal of 1 mg collageen nodig), zijn zelfs de allerkleinste fragmenten geschikt. Het onderzoek zelf is relatief goedkoop; afhankelijk van de afname en het laboratorium, variëren de kosten per monster van €30 tot €150.

 

 (On)mogelijkheden van ZooMS

ZooMS klinkt dus als de ideale oplossing voor het onderzoeken van sterk fragmenteerde en/of bewerkte dierlijke resten. Maar zoals bij elke methode zijn er een aantal kanttekeningen. Het kan voorkomen dat de conserveringsomstandigheden van de dierlijke resten dermate slecht zijn, dat ze geen of te weinig collageen bevatten. Dan levert het ZooMS-onderzoek geen resultaat op. Bij verbrand materiaal is dit altijd het geval. Verbrande dierlijke resten bevatten namelijk geen collageen. Verder: met behulp van ZooMS kan de diersoort worden bepaald, maar het is geen DNA-onderzoek. ZooMs levert geen informatie op over de genetische relatie/afkomst van dieren. De peptidensequenties van nauw verwante diersoorten (zoals oerrund/rund, wild zwijn/varken en wolf/hond) zijn helaas niet van elkaar te onderscheiden. Als vuistregel geldt dat (met de nodige uitzonderingen) twee diersoorten met ZooMS van elkaar kunnen worden onderscheiden als deze minimaal 5 tot 6 miljoen jaar geleden evolutionair van elkaar zijn afgesplitst.  Van het gros van de Europese zoogdiersoorten zijn de referentiegegevens bekend. Andere dierklassen (zoals vogels, reptielen, amfibieën en vissen) zijn tot nog toe minder onderzocht, maar het aantal in kaart gebrachte diersoorten neemt steeds meer toe. Het is dus verstandig om regelmatig bij de desbetreffende ZooMS-specialist (of geïnformeerde zoöarcheoloog) te vragen naar ontwikkelingen binnen het vakgebied.

 

De talrijke toepassingen van ZooMS

Inmiddels heeft ZooMS een (kleinere of grotere) bijdrage geleverd aan een handvol Nederlandse archeologische projecten. De geïnformeerde lezer herinnert zich wellicht de spectaculaire bevindingen van het onderzoek naar enkele Mesolithische benen spitsen uit de Noordzee (Dekker et al., 2021). Dergelijke artefacten zijn wijdverspreid en talrijk binnen het Noordzeegebied (voormalig Doggerland), maar ze zijn over het algemeen te veel bewerkt om op het oog de diersoort te kunnen bepalen. Voorheen dachten archeologen dat men willekeurig de botten van grotere zoogdieren (zoals oerrunderen, wilde paarden, elanden, edelherten en reeën) gebruikte, maar met ZooMS konden zeven spitsen worden geïdentificeerd als van edelhert en twee als van mens. Op basis van deze resultaten beamen de onderzoekers dat er wellicht culturele invloeden en specifieke gebruiken waren gemoeid met de vervaardiging van dergelijke artefacten, en dat het dus niet zo willekeurig gebeurde als eerst vaak werd aangenomen. Een tweede voorbeeld is het onderzoek naar walvisbotten. Doordat walvisbotten uit archeologische contexten vaak sterk zijn gefragmenteerd en de resten van verschillende soorten walvissen erg op elkaar lijken, is ZooMS hiervoor ook een uitstekende onderzoeksmethode. Recent ZooMS-onderzoek naar archeologische walvisbotten uit Europa (met een sterke focus op Nederland) heeft ertoe geleid dat van veel van deze vondsten de specifieke walvissoort bekend is. Voorheen waren de vondsten simpelweg beschreven als walvis(achtigen). Ook bleek uit de resultaten van dit onderzoek dat de grijze walvis (Eschrichtius robustus) – een walvissoort die momenteel alleen nog voorkomt in de noordelijke Stille Oceaan – tot in de middeleeuwen ook in grote aantallen in Nederlandse wateren voorkwam (Van den Hurk et al., 2023). Dit onderzoek is daardoor niet alleen relevant voor de archeologie, maar ook voor de historische ecologie van ons land.

 

ZooMS als aanvulling op traditioneel zoöarcheologisch onderzoek

Bovengenoemde onderzoeken zijn slechts twee voorbeelden van hoe ZooMS kan leiden tot verassende nieuwe inzichten – die overigens in eerste instantie zelfs soms meer vragen dan antwoorden opleveren. Ook de hieronder beschreven onderzoeken die zijn uitgevoerd in het kader van Archeologische Monumentenzorg tonen de enorme potentie aan van ZooMS als aanvulling op traditioneel zoöarcheologisch onderzoek. Bij deze twee projecten gaat het om grootschalige, archeologische veldonderzoeken naar vroeg-neolithische Swifterbant vindplaatsen. De opgravingen zijn uitgevoerd in Nieuwegein, provincie Utrecht (BAAC/RAAP-samenwerking) en in Angeren, provincie Gelderland (ADC/Archol/BAAC-samenwerking). Hoewel de veldwerkzaamheden van deze onderzoeken inmiddels zijn afgerond, waren de uitwerkingen tijdens het schrijven van deze bijdrage nog in volle gang. Daarom komen hier alleen de voorlopige resultaten aan bod.

 

Afbeelding 1: Compilatie van de niet-tot-op-diersoort gedetermineerde artefacten uit Nieuwegein met bijbehorende ZooMS-resultaten (© BAAC/RAAP).

Afbeelding 2: Compilatie van de niet-tot-op-diersoort gedetermineerde artefacten uit Angeren die in aanmerking komen voor ZooMS (© ADC/Archol/BAAC).

Van botfragmenten tot materiële cultuur

Tussen de ruim honderdduizend dierlijke resten die zijn gevonden tijdens het veldonderzoek naar Swifterbant vindplaatsen in Nieuwegein, bevinden zich de fragmenten van enkele tientallen artefacten. De grotere vondsten zijn op het oog tot-op-diersoort gedetermineerd (zoals artefacten vervaardigd uit botten van (oer)runderen of uit geweien van edelherten), maar het gros is hiervoor te sterk gefragmenteerd. Na het initiële zoöarcheologische onderzoek bleven dan ook twee belangrijke vragen onbeantwoord: Welke diersoort(en) werden in het verleden geschikt geacht voor de vervaardiging van artefacten? En werden voor ogenschijnlijk gelijkvormige artefacten altijd dezelfde diersoorten gebruikt? Voor een antwoord op deze vragen zijn alle niet-tot-op-diersoort gedetermineerde artefacten opgestuurd naar het BioArCh-laboratorium in York (Engeland) en bemonsterd voor ZooMS. In afbeelding 1 staan diericonen weergegeven naast de artefacten, als resultaat van het ZooMS-onderzoek (soms bieden de ZooMS-resultaten geen uitsluitsel, waardoor meer dan één diersoort mogelijk is). Het onderzoek levert enkele zeer interessante conclusies op. Niet alleen is de diversiteit in de gevonden diersoorten veel groter dan verwacht (oerrunderen/runderen, schapen, geiten, wilde zwijnen/varkens, herten en bevers werden gebruikt), ook blijkt dat artefacten die op het oog vrijwel identiek lijken, vervaardigd zijn van materiaal van totaal verschillende diersoorten. Een bijkomstige ontdekking van dit onderzoek is het hoge aantal artefacten dat is vervaardigd uit botten van schapen of geiten. De ZooMS-resultaten laten maar liefst zeven schapen, twee mogelijke schapen en één geit zien. Dit zijn de eerste vroeg-neolithische vindplaatsen in Nederland waar zowel vondsten van schapen als geiten met absolute zekerheid zijn aangetoond. Archeologische overblijfselen van deze diersoorten zijn (zeker wanneer sterk gefragmenteerd) niet of nauwelijks tot-op-diersoort te determineren, vandaar dat op andere vindplaatsen in Nederland schapen en geiten vrijwel altijd onder dezelfde noemer zijn geschaard (Esser et al., 2023; Oversteegen et al., 2001; Zeiler, 1997 etc.).

 

Verborgen diersoorten onthullen

Tijdens het veldonderzoek naar de Swifterbant-vindplaatsen in Angeren zijn ongeveer honderdduizend dierlijke resten gevonden, waartussen enkele artefacten. De zes niet-tot-op-diersoort gedetermineerde artefacten uit Angeren (zie afbeelding 2) liggen op het moment van schrijven in het BioArCh-laboratorium in York (Engeland), waar ze worden bemonsterd voor ZooMS. Van de dierlijke resten uit Angeren zijn niet uitsluitend artefacten geselecteerd voor ZooMS. De dierlijke resten van deze vindplaatsen zijn dusdanig sterk gefragmenteerd dat slechts 1.350 vondsten op het oog tot-op-diersoort zijn gedetermineerd.  Wilde zwijnen en varkens vormen het gros van de tot-op-diersoort gedetermineerde vondsten. De botten en tanden van wilde zwijnen en varkens verschillen morfologisch gezien zodanig van die van andere diersoorten, dat deze (zelfs wanneer sterk gefragmenteerd) tot-op-diersoort zijn te determineren. Sterk gefragmenteerde overblijfselen van andere veelvoorkomende zoogdieren (zoals (oer)runderen, schapen, geiten, herten en paarden) zijn op het oog vrijwel onmogelijk van elkaar te onderscheiden. Het onderzoek naar ongeveer vijfhonderd aanvullende ZooMS-monsters dient dus twee doelen. Enerzijds kan dit meer grip opleveren op het diersoortenspectrum (en dus indirect op de bestaans- en voedseleconomie) en anderzijds kan het nieuwe inzichten bieden in eventuele over- en/of ondervertegenwoordiging van diersoorten door tafonomische processen. Een vergelijkbare aanpak is enkele jaren geleden toegepast tijdens een onderzoek naar een paleolithische vindplaats in Les Cottés (Frankrijk), waarbij de aanvullende determinaties door middel van ZooMS nieuwe inzichten gaven in de diversiteit van de aanwezige diersoorten (Welker et al., 2015).

 

Hoe verder?

De genoemde voorbeelden beschrijven maar een paar mogelijke bijdragen van ZooMS aan archeologisch onderzoek. ZooMS kan relatief eenvoudig worden toegepast binnen de huidige Archeologische Monumentenzorg: zowel de benodigde hoeveelheid materiaal als de kosten zijn zeer beperkt en de resultaten zijn meestal vrij eenduidig. Daarom is de potentiële bijdrage van dit onderzoek enorm.  Met deze methode kunnen archeologen beter dan ooit tevoren talloze innovatieve en uitdagende onderzoeksvragen formuleren om ons begrip van het verleden te versterken. Niet alleen biedt ZooMS uitkomsten voor grootschalige onderzoeksvragen (zoals bijvoorbeeld gesteld in de Nationale Onderzoeksagenda Archeologie), maar ook incidentele toepassingen van ZooMS zijn van onschatbare waarde. Denk hierbij aan één of enkele niet-tot-op-diersoort te determineren artefacten of sterk gefragmenteerde dierlijke resten uit een bijzondere context (zoals een graf of depositie). Verder is het belangrijk om te beseffen dat ZooMS kan worden toegepast op alle dierlijke materialen en producten die collageen bevatten, dus ook leer en zelfs dierlijke aankoeksels op vaatwerk (zie o.a. (Wilkin et al., 2023). Dat ZooMS – als aanvullend onderzoek in zowel grote als kleine onderzoeken binnen de Archeologische Monumentenzorg – een belangrijke rol kan vervullen, valt niet te betwisten. Maar het is nu aan ons (de archeologen) om de bijpassende en inspirerende onderzoeken te bedenken die de verhalen die we willen delen over het verleden nog meer tastbaar maken.

 

Contact

Dr. Youri van den Hurk is als postdoctoraal onderzoeker verbonden aan de afdeling Archéozoologie, Archéobotanique - Sociétés, Pratiques et Environnements (AASPE) - Muséum National d'Histoire Naturelle (MNHN) in Parijs (Frankrijk). Al sinds zijn promotieonderzoek naar walvissen in middeleeuws Europa verdiept hij zich in de mogelijkheden van ZooMS (en verwante paleoproteomische methoden). Daarmee is hij een van de vooraanstaande Nederlandse wetenschappers op dit gebied. Zijn huidige onderzoeken richten zich onder andere op walvisachtigen van over de hele wereld en Zuid-Amerikaanse kameelachtigen. Voor vragen over ZooMS is hij te benaderen via het e-mailadres yourivandenhurk@gmail.com.

 

Het BioArCh-laboratorium in York (Engeland) staat open voor commerciële opdrachten en is bereikbaar voor vragen over ZooMS en andere gerelateerde natuurwetenschappelijke methoden. Zie de onderstaande websites voor meer informatie: 

 

Literatuur

Brown, S., Douka, K., Collins, M., Richter, K., 2021. On the standardization of ZooMS nomenclature. Journal of Proteomics 235, 1–6.

 

Buckley, M., Collins, M., 2011. Collagen survival and its use for species identification in Holocene-lower Pleistocene bone fragments from British archaeological and paleontological sites. Antiqua 1, 1.

 

Dekker, J., Sinet-Mathiot, V., Spithoven, M., Smit, B., Wilcke, A., Welker, F., Verpoorte, A., Soressi, M., 2021. Human and cervid osseous materials used for barbed point manufacture in Mesolithic Doggerland. Journal of Archaeological Science: Reports 35, 1–9.

 

Esser, E., Van Neer, W., Wouters, W., Ten Anscher, T.J., Kootker, L.M., Zeiler, J.T., Van Hees, L., 2023. Dierlijke resten uit de Swifterbant-periode, in: Ten Anscher, T.J., Knippenberg, S., Van der Linde, C.W., Roessingh, W., Willemse, N. (Eds.), Doorbraken aan de Rijn: Een Swifterbant-gehucht, een Hazendonk-nederzetting en erven en graven uit de bronstijd in Medel-De Roeskamp, RAAP-Rapport/Archol Rapport/ADC Rapport/BAAC-rapport. RAAP/Archol/ADC ArcheoProjecten/BAAC, Weesp/Leiden/Amersfoort/Den Bosch, pp. 639–736.

 

Oversteegen, J.F.S., Van Wijngaarden-Bakker, L.H., Maliepaard, R., Van Kolfschoten, T., 2001. Zoogdieren, vogels, reptielen, in: Louwe Kooijmans, L.P. (Ed.), Archeologie in de Betuweroute: Hardinxveld-Giessendam De Bruin. Een kampplaats uit het Laat-Mesolithicum en het begin van de Swifterbant-cultuur (5500-4450 v.Chr.), Rapportage Archeologische Monumentenzorg. Rijksdienst voor het Oudheidkundig Bodemonderzoek, Amersfoort, pp. 209–297.

 

Van den Hurk, Y., Sikström, F., Amkreutz, L., Bleasdale, M., Borvon, A., Ephrem, B., Fernández-Rodríguez, C., Gibbs, H., Jonsson, L., Lehouck, A., Cedeira, J., Meng, S., Monge, R., Moreno, M., Nabais, M., Nores, C., Pis-Millán, J., Riddler, I., Schmölcke, U., Segschneider, M., Speller, C., Vretemark, M., Wickler, S., Collins, M., Nadeau, M., Barrett, J., 2023. The prelude to industrial whaling: identifying the targets of ancient European whaling using zooarchaeology and collagen mass-peptide fingerprinting. Royal Society Open Science 10, 1–16.

 

Welker, F., Soressi, M., Rendu, W., Hublin, J.-J., Collins, M., 2015. Using ZooMS to identify fragmentary bone from the Late Middle/Early Upper Palaeolithic sequence of Les Cottés, France. Journal of Archaeological Science 54, 279–286.

 

Wilkin, S., Hommel, P., Ventresca Miller, A., Boivin, N., Pedergnana, A., Shishlina, N., Trifonov, V., 2023. Curated cauldrons: Preserved proteins from early copper-alloy vessels illuminate feasting practices in the Caucasian steppe. iScience 107482, 1–13.

 

Zeiler, J.T., 1997. Hunting, Fowling and Stock-Breeding at Neolithic Sites in the Western and Central Netherlands. ArchaeoBone, Groningen.