Potenzielle Biomarker für südafrikanische Jäger

Scientific Reports Band 13, Artikelnummer: 11877 (2023) Diesen Artikel zitieren

852 Zugriffe

1 Altmetrisch

Details zu den Metriken

Die Erkennung komplexer Giftrezepte, die auf antike Jagdwaffen angewendet werden, kann wichtige Einblicke in traditionelle pharmakologische Wissenssysteme liefern. Dennoch kann es schwierig sein, Rezepte mit vielen Zutaten zu entschlüsseln, insbesondere bei älteren Proben, die biologisch abgebaut wurden. Wir präsentieren die Ergebnisse unseres Versuchs, Giftproben zu analysieren, die aus Pfeilspitzen aus dem südlichen Afrika des 19. und 20. Jahrhunderts sowie aus einer 1000 Jahre alten archäologischen Knochenspitze entnommen wurden. Die Pfeilgiftrückstände und Referenzproben wurden mittels abgeschwächter Totalreflexions-Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (ATR FTIR) und Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC-MS) analysiert. Die ATR FTIR-Analyse ist in erster Linie in der Lage, zwischen unterschiedlichen Rezepturen von Pfeilgiftbindern zu trennen. Die durch GC-MS-Analyse identifizierten Extraktstoffe bestehen aus einer Vielzahl von Komponenten sowohl von Bindemitteln als auch von Wirkstoffen, was die Ergebnisse der ATR-FTIR-Analysen bestätigt und ergänzt. Wir diskutieren die Ergebnisse im Hinblick auf mögliche Biomarker für Pfeilgifte in organischen Rückstandsanalysen archäologischer Artefakte; Dass auf kuratierten und ausgegrabenen Pfeilspitzen, die etwa 1000 bis 100 Jahre alt sind, Rückstände toxischer kardiotonischer Glykoside nachgewiesen werden können, dient als Konzeptnachweis für die Arbeit mit älteren Materialien in der Zukunft.

Eine der anhaltenden Faszinationen der Technologien von Jäger-Sammler-Gesellschaften sind ihre vergifteten Waffen1,2,3. Die San im südlichen Afrika sind dafür bekannt, vergiftete Pfeile zur Jagd auf eine Vielzahl von Tieren einzusetzen, die sie oft tagelang verfolgten, während das Gift seine Wirkung entfaltete4. Tatsächlich wären die leichten, dünnen Pfeile der San ohne den Einsatz von Gift bei größeren Tieren wahrscheinlich wirkungslos5,6. Wann genau die steinzeitlichen Jäger-Sammler-Vorfahren der San begannen, Gift als Hilfsmittel bei der Jagd einzusetzen, ist Gegenstand erheblichen Interesses und umstritten.

Basierend auf den Querschnittsflächen ihrer Spitzen spekulierte Lombard7, dass vergiftete Pfeilspitzen aus Knochen bereits vor 70.000 Jahren im südlichen Afrika verwendet worden sein könnten. Einer dieser Punkte wurde in etwa 61.000 Jahre alten Lagerstätten am Hauptstandort Klasies River in der Provinz Ostkap in Südafrika gefunden8. Es ist mit einem schwarzen Rückstand überzogen, der reich an organischen Bestandteilen ist. Die Platzierung dieser Rückstandsbeschichtung lässt auf eine Giftanwendung schließen, die genaue chemische Zusammensetzung der Rückstände ist jedoch noch nicht geklärt. In der Border Cave in KwaZulu-Natal, Südafrika, wurden giftige pflanzliche Verbindungen auf einem hölzernen Applikatorstab aus dem Jahr 24 ka9 identifiziert. Einige dieser toxischen Verbindungen, zu denen auch Ricinolsäure gehört, sind vermutlich oxidative Nebenprodukte des in Rizinusbohnen vorkommenden Toxins Ricin. Es ist jedoch möglich, dass diese Nebenprodukte von einer ähnlichen, aber nicht verwandten Pflanzenart stammen; die Pflanze Abrus precatorius, die in der Gegend natürlich wächst und genauso giftig ist, wenn nicht sogar noch giftiger10,11,12. In der Kuumbi-Höhle auf Sansibar wurden in der Kuumbi-Höhle auf Sansibar Knochenspitzen geborgen, die vermutlich mit Gift bedeckt waren. Es wurde jedoch keine chemische Bestätigung dieser Rückstände vorgenommen13.

Die Herausforderung bei der genauen Identifizierung der chemischen Signaturen organischer Verbindungen, die als archäologische Rückstände konserviert wurden, liegt gerade darin, dass sie im Laufe der Zeit in ihre Bestandteile zerfallen. Mit diesem Problem verbunden ist die Tatsache, dass es sich bei den meisten Pfeilgiften, zumindest denen, die wir aus ethnohistorischen Aufzeichnungen kennen, tatsächlich um komplexe Rezepte handelte, die viele Zutaten und Vorbereitungsschritte umfassten10,14,15 und die von Region zu Region unterschiedlich waren16,17 . Einige ungiftige Inhaltsstoffe wurden auch wegen ihrer Klebeeigenschaften hinzugefügt, oder weil man einfach annahm, dass sie bestimmte Wirkungen hervorrufen18,19,20. Beispielsweise wurden Falltürspinnen im Ganzen zerkleinert und mit anderen Zutaten vermischt21. Dies trug nicht zur Toxizität der Mischung bei22,23, sondern würde der Mischung viele Hundert Proteine ​​und Polypeptide hinzufügen. Sobald diese Mischungen biologisch abbaubar sind, wird es sehr schwierig, die Ausgangsverbindungen wiederherzustellen, insbesondere wenn mehrere solcher Verbindungen vorhanden sein können.

Aktuelle biochemische Erkenntnisse über afrikanische Pfeilgifte stammen aus Studien, die versucht haben, die Ausgangsstoffe aus frischen Zutaten zu charakterisieren11,14,22,23,24. Diese Untersuchungen konzentrierten sich zwangsläufig auf ethnohistorisch erfasste Jagdgifte, die im Falle des südlichen Afrikas auf die trockenen, westlichen Regionen des Subkontinents beschränkt sind. In den östlichen Bezirken gibt es viele giftige Pflanzen (und Tiere, z. B. den Rotband-Gummifrosch), die für die Jagd auf Gifte geeignet sind, für die wir jedoch keine Hinweise auf eine Verwendung haben10. In einer Studie von Shaw und Kollegen wurde festgestellt, dass Gift auf 80 Jahre alten Pfeilen immer noch pharmakologisch aktiv ist25. Es wurde angenommen, dass die Langlebigkeit dieser Gifte auf pflanzliche Inhaltsstoffe zurückzuführen ist und nicht auf das Diamphotoxin aus der Diamphidia-Grau, die den Hauptbestandteil darstellte. Trotz mehrerer neuerer chemischer Studien zu organischen Giften und Klebstoffrückständen, die überwiegend pflanzlichen Ursprungs sind9,18,26,27, bleibt noch viel zu tun, um die biologischen Abbauwege organischer Verbindungen und die Auswirkungen von Zubereitungsverfahren auf diese Wege zu erkennen.

Zu diesem Zweck präsentieren wir eine biochemische Untersuchung von Giftrückständen von Pfeilspitzen aus dem 19. und 20. Jahrhundert, die im Norden Namibias und in der Kalahari gesammelt wurden (Abb. 1). Es ist nützlich zu wissen, ob Menschen komplexe Giftrezepte als Jagdhilfe verwendeten, und letztendlich die zeitliche Tiefe einer solchen Innovation abzuschätzen, da sie direkt mit der Entwicklung komplexer Kognitionen beim Homo sapiens zusammenhängt28,29. Wir schließen ein einzelnes archäologisches Exemplar aus der Kruger-Höhle in der Magaliesberg-Region in Südafrika ein. Diese vergiftete Pfeilspitze ist etwa 1000 Jahre alt. Wir hoffen, dass wir durch die Analyse immer älterer Giftrückstände letztendlich besser verstehen, wie sich diese komplexen organischen Gemische zersetzen, um potenzielle Biomarker und chemische Fingerabdrücke identifizieren zu können, die zur Identifizierung von Pfeilgiften auf älteren archäologischen Proben verwendet werden können. Dazu führen wir zunächst eine allgemeine Charakterisierung der Pfeilgiftrückstände mittels Fourier-Transform-Infrarotspektroskopie (FTIR)30,31 durch. IR-Spektren von Proben wurden durch einen arithmetischen Datenpunkt-für-Datenpunkt-Vergleich verglichen, was zu einer Korrelationskoeffizientenmatrix (Pearson r) führte, die mithilfe einer hierarchischen Clusteranalyse auf Gruppenstruktur untersucht wurde31. Der Pearson-r wurde gewählt, da der verwendete Algorithmus (eine lineare Regression) Faktoren wie Basisliniendrift und Skalierungsunterschiede zwischen Stichproben berücksichtigt und Basislinienkorrekturen oder Normalisierungen unnötig macht. Da es sich bei den berechneten Übereinstimmungswerten um Korrelationskoeffizienten handelt, handelt es sich außerdem um absolute Werte mit statistischer Signifikanz und nicht um ein Maß für die relative beste Anpassung. Allerdings liefert diese Methode lediglich einen Hinweis auf die Gruppenstruktur und kein starres Modell der Daten32. Um ein solches Modell zu erhalten, wurden die Spektraldaten von Proben und Referenzmaterialien einer PCA (Hauptkomponentenanalyse) und einer DFA (Diskriminanzfunktionsanalyse) unterzogen. Der Zweck der PCA bestand darin, die Anzahl der Variablen (dh Wellenzahlen) zu reduzieren und die Struktur in den Absorptionsbeziehungen bei verschiedenen Wellenzahlen (dh chemische Bindungen und funktionelle Gruppen) zu erkennen. Die relevanten Hauptkomponenten der Referenzmaterialien wurden dann als Variablen in einem DFA verwendet, um ein Klassifizierungsmodell zu erstellen, das zur Klassifizierung der unbekannten Proben verwendet wurde. Anschließend wenden wir das Standardverfahren der organischen Rückstandsanalyse zur Untersuchung von Lipidrückständen an; ultraschallunterstützte Lösungsmittelextraktion und Gaschromatographie-Massenspektrometrie (GC–MS)33. Wir haben uns für dieses Verfahren entschieden, da Lipide und mit Lipiden biochemisch und funktionell verwandte Verbindungen in archäologischen Materialien über lange Zeiträume persistieren. Da die Zusammensetzung von Pfeilgift unbekannt ist, verfolgen wir einen explorativen, nicht zielgerichteten Ansatz und untersuchen, inwieweit sich mit diesem Verfahren Extraktstoffe aus Pfeilgiftrückständen identifizieren lassen.

Karte des südlichen Afrikas mit den Regionen, aus denen die Pfeilspitzen gesammelt wurden. Rechts eine Auswahl von Pfeilen, die zur Giftanalyse entnommen wurden. Einfache lanzettliche Knochenspitzen: (A) ET 3413; (B) MM 1-67-600. Knochenspitze mit Einsatz mit Metallspitze: (C) SMP 2528. Pfeilspitzen aus Metall mit Zapfen: (D) MA 1948-61; (E) ET 6577; (F) ET 5099/3; (G) MA 1948-6L. Pfeilspitzen aus Knochen mit Zapfen: (H) ET 5109/4; (I) ET 5113. Gift- und Klebestifte: (J) ET 15.9.1989; (K) MM 40-69-2805.

Da Pearson r ein Maß für Ähnlichkeit ist und die Clusteranalyse ein Maß für Unähnlichkeit benötigt, wurde es in (1 − r) umgewandelt und als Verknüpfungsabstand in der Clusteranalyse verwendet. Es ist unwahrscheinlich, dass unterschiedliche Stichproben Korrelationskoeffizienten über 0,95 aufweisen. Folglich wurde ein Verknüpfungsabstand von 1 − 0,95 = 0,05 als Grenzabstand für eine sinnvolle Gruppenstruktur gewählt; Daraus ergeben sich vier Gruppen mit jeweils zehn, dreizehn, sechs und zwei Proben sowie zwei Einzelproben (MM 1-67-600 und ET1989/15/9 schwarz), die keiner der anderen Proben zugeordnet werden können (Abb. 2). ). Das Ergebnis zeigt deutlich, dass in den Daten eine Gruppenstruktur vorliegt.

Baumdiagramm basierend auf einer Korrelationskoeffizientenmatrix unter Verwendung eines linearen Regressionsalgorithmus der IR-Spektren der Proben.

Die PCA der IR-Spektren von Referenzmaterialien und Proben zeigte, dass die ersten vier Hauptkomponenten in bestimmten Bereichen der Spektren hohe Beladungen (> + 0,7: < − 0,7) aufwiesen. Die erste Hauptkomponente erklärt 47,2 % der gesamten Variation im Datensatz und erklärt hauptsächlich die Variation in den Bereichen 1793–2487 und 3645–3992 cm−1 der Spektren, was Hintergrundvariationen zwischen Proben entspricht. Die zweite Hauptkomponente erklärt 21,4 % der Gesamtvariation im Datensatz mit einer starken positiven Ladung im Bereich von 1176–1215 und 1716 cm−1 der Spektren und einer starken negativen Ladung im Bereich von 3066–3529 cm−1. Die IR-Absorption im Bereich von 1176–1215 cm−1 kann verschiedene Quellen haben, die charakteristischsten sind jedoch die CC-Streckung, die CO-Streckung und die OH-Deformationsadsorption. Die Adsorption um 1716 cm−1 ist charakteristisch für die C=O-Streckung, und die breite Adsorption im Bereich von 3066–3529 cm−1 ist charakteristisch für die OH- und NH-Streckungsabsorption. Die dritte Hauptkomponente erklärt 12,3 % der Gesamtvariation mit einer starken positiven Ladung im Bereich von 1485–1523 cm−1, charakteristisch für O-H-Biegung und C-H-Verformungsadsorption, und einer starken negativen Ladung im Bereich von 868–984 cm −1-Region, charakteristisch für die Adsorption von CO32− und NO3−. Die vierte Hauptkomponente erklärt 6,3 % der Gesamtadsorption mit einer stark positiven Adsorption in den Regionen 2565–2873 und 2950–2989 cm−1, charakteristisch für C-H- und O-H-Streckadsorptionen, und einer stark negativen Adsorption im Bereich 598 –752 cm−1-Bereich, charakteristisch für die C-S- und N-O-Streckadsorption sowie die mit SO42− assoziierte Adsorption.

Da die erste Hauptkomponente mit der Hintergrundvariation verbunden war, wurde dieser Faktor aus dem DFA ausgeschlossen. In dem vom DFA erstellten Modell decken die ersten beiden Wurzeln 99,5 % der Variation in den drei Hauptkomponenten ab (Tabelle 1). Die erste Wurzel weist eine starke positive Ladung von PC 2 und 4 und eine mäßige negative Ladung von PC 3 auf, während die zweite Wurzel starke negative Ladungen von PC 2 und 3 aufweist.

Betrachtet man die spektralen Komponentenladungen aus der PCA, deutet dies darauf hin, dass Spektren mit ausgeprägter Adsorption durch C-H-, C-C- und C-O-Streckungsadsorption positive Werte in Wurzel 1 aufweisen sollten, während Spektren mit ausgeprägter Adsorption durch N-O- und N-H-Streckungsadsorption positive Werte aufweisen sollten sollten in Wurzel 1 einen negativen Wert haben. Spektren mit ausgeprägter Adsorption durch O-H-Streckung sollten in Wurzel 2 einen positiven Wert haben und Spektren mit ausgeprägter Adsorption durch C=O- und C-C-Streckung sollten in Wurzel 2 einen negativen Wert erhalten. Das Testen des Modells durch Vergleich der beobachteten mit der korrekten Klassifizierung zeigt, dass das Modell zu 93,2 % korrekt ist, und wie in Abb. 3 zu sehen ist, trennt es die Referenzmaterialien im Diagramm. Die proteinreichen tierischen Leime haben negative Werte für Wurzel 1 (N-O- und N-H-Bindungen) und das zunehmende Vorkommen von C-O-, C-H- und C-C-Bindungen in Kohlenhydraten, Lipiden und Harzen trennt jeweils das Pflanzengewebe. Fett- und wachsreiche Gewebe und Abstände mit hohen Werten entlang der gleichen Achse. Die OH-reichen Polysaccharide in natürlichem Gummi haben hohe Werte für Wurzel 2 und trennen sie von anderen Kohlenhydraten und kohlenstoffkettenreicheren Materialien wie Fetten und Harzen. Die fettreichen Diamphidien und die Bienenwachs-Referenzmaterialien liegen sehr dicht beieinander.

Streudiagramm der beiden Wurzeln aus der Diskriminanzfaktorenanalyse der Referenzmaterialien und der Proben. Probengruppierungen beziehen sich auf Gruppierungen in dieser Abbildung: Probencluster 1 = BC11-13M, ET63/33(f), ET 88/117/4, ET1973/76/2, ET4706, ET5107/5, MA1965-3876, MA4139(K ), MM40-69-445, MM40-69-458. Beispielcluster 2 = ET3420, ET5099/3, MA1948-61(I), MM40-69-357, MM40-69-2235, MM649_G, MM649_K, MM649_P, SMP2528a, SMP2528c, SMP2528d, SMP lose. Probencluster 3 = MM1-67-600. Probencluster 4 = ET1989/15/9 (hell), ET6577, ET6632, MA1942-256 (J), MM40-69-2805 (hell), MM40-69-2805 (transparent). Probencluster 5 = ET1989/15/9 (dunkel). Probencluster 6 = MM40-69-2607, MM40-69-2805 (schwarz).

Das Hinzufügen der Proben zum Streudiagramm, das in der hierarchischen Clusteranalyse nach Gruppen markiert ist (Probencluster, Abb. 2), zeigt, dass die meisten Proben zusammen mit den Referenzmaterialien des Pflanzengewebes dargestellt werden (Abb. 3). Dies wird noch deutlicher, wenn das DFA-Modell zur Berechnung von A-posteriori-Wahrscheinlichkeiten für die Proben in Bezug auf die verschiedenen Gruppen von Referenzmaterialien verwendet wird (Tabelle 2). Beachten Sie, dass das Referenzmaterial die gesamte „Realität“ für das Modell darstellt und es ziemlich unwahrscheinlich ist, dass das Modell für eine Probe eines Materials, das nicht im Modell enthalten ist, das Ergebnis „Keine dieser Gruppen“ liefert, es sei denn, dieses Material unterscheidet sich chemisch stark aus allen Referenzmaterialien. Außerdem handelt es sich bei den Referenzmaterialien um einzelne Substanzen, während es sich bei den Proben höchstwahrscheinlich um Gemische handelt, die zu Streuungen zwischen gut getrennten Gruppen von Referenzmaterialien führen können. Keine der Proben wird als Hautleim eingestuft, was nicht verwunderlich ist, da es unseres Wissens nach keinen Hinweis auf Hautleim im südafrikanischen Kontext gibt. Eine Probe (ET1989/15/9) wird als zwischen Bienenwachs und Diamphidien eingestuft. Vier Proben werden als überwiegend gummiartig eingestuft, während zwei weitere überwiegend aus Harzen bestehen. Die Probencluster 1–6 sind im Streudiagramm gut getrennt (Abb. 3). Probencluster 1 hat niedrigere Werte für Wurzel 2 und die meisten Pflanzenreferenzen, in deren Nähe sie verstreut sind, sind Euphorbien. Die Probencluster 2 und 3 streuen etwas höher auf Wurzel 2 und die meisten Pflanzenreferenzen, in deren Nähe sie streuen, sind Adenium. Probencluster 4 ist auf Wurzel 2 sogar noch höher und liegt nahe an den Gummi Arabicum-Referenzen. Die beiden Proben im Probencluster 6 weisen beide höhere Werte in Wurzel 1 auf und kommen den Harzreferenzen am nächsten (vgl. Tabelle 2), sind aber immer noch weit von denen in Abb. 3 entfernt, was darauf hindeutet, dass sie aus einer anderen Harzart als denen in bestehen Referenzmaterial oder dass sie mit etwas Kohlenhydratreicherem gemischt werden. Es scheint, dass die Proben in Probengruppe 4 Pflanzengummi als Hauptbestandteil enthalten, allerdings mit unterschiedlichem Mischungsgrad mit zellulosereicheren Materialien; die Exemplare in den Probenclustern 2 und 3 enthalten zellulosereichere Hauptbestandteile (z. B. Sansevieria zusätzlich zu Adenium); und die Exemplare im Probencluster 1 enthalten mehr wachsartige Pflanzen (wie Euphorbia) als Hauptbestandteile.

Die gaschromatographische Massenspektrometeranalyse (GC-MS) von Extrakten aus diesen Proben ergab einen ziemlich komplexen Datensatz. In den 31 Proben, die zu Ergebnissen dieser Analyse führten, wurden etwa 240 verschiedene Verbindungen nachgewiesen, die meisten davon als Trimethylsilylester oder -ether. Mithilfe der Software Masshunter und NIST Mass Spectral Search Program war es möglich, die meisten dieser Verbindungen einer Klasse und viele spezifischen Komponenten zuzuordnen, allerdings war es nicht möglich, alle Proben zu identifizieren (Tabelle 3). Zwei Proben stechen durch die Anzahl nicht identifizierter Komponenten hervor: ET1989/15/9 und MM40-69-2805 (transparent). MM40-69-2805 (transparent) ist ein Stück transparentes Material auf dieser Probe und auch die Probe mit der höchsten Menge an identifizierten Verunreinigungen und kann als Stück Lack oder Kleber ausgeschlossen werden. Die Probe ET1989/15/9 liegt in der FTIR-Analyse nahe bei Bienenwachs und Diamphidien (Abb. 3), wird aber nach den nicht identifizierten Verbindungen in der GC-MS-Analyse von einer Reihe pentazyklischer Triterpenoide dominiert (Tabelle 3).

Es ist offensichtlich, dass die 1000 Jahre alte Probe aus der Kruger-Höhle im Magaliesberg (BC11-13M, Abb. 4) sich von den anderen Proben dadurch unterscheidet, dass sie keine der wasserlöslicheren Verbindungsklassen enthält, wie in Tabelle 3 dargestellt ( Di- und Triole, kurzkettige organische Säuren und Kohlenhydrate). Die in der FTIR-Analyse als Pflanzengewebe und Zahnfleisch klassifizierten Proben (Probencluster 1, 2 und 4 in Abb. 2) sind auch die Proben, die die höchsten Mengen an Kohlenhydraten enthalten, und die Proben, die als Proben mit wachsartigeren Pflanzen klassifiziert wurden (Probencluster 1 in Abb. 2) sind auch diejenigen mit allgemein höheren Ausbeuten an Fettsäuren und verwandten Verbindungen. Kohlenhydrate sind eine in der Natur häufig vorkommende Klasse organischer Materialien, aber Kohlenhydrate weisen eine relativ geringe herkunftsabhängige Variabilität auf und sind daher eine relativ schlechte Informationsquelle in archäologischen Materialien34. Bei den nachgewiesenen Kohlenhydraten handelt es sich um eine Vielzahl von C3-C6-Monosacchariden und -Polyolen, Glyceringlycosiden und Disacchariden.

Gesamtionenchromatogramm der Probe BC11-13M (Datum: 1020 ± 70 BP). Die Probe besteht überwiegend aus Fettsäuren und enthält außerdem steroidale und terpenoide Bestandteile.

Lipidreste hingegen sind besser untersucht35. In den Lipiden dominieren freie Fettsäuren mit Kettenlängen von C9 bis C32, vor allem aber Palmitinsäure (C16) und Stearinsäure (C18). Das Vorhandensein von Zersetzungszwischenprodukten wie Mono- und Diacylglyciden, β-Hydroxyfettsäuren und mittelkettigen Dihydroxyfettsäuren zeigt, dass sich die Lipide zersetzen. Die meisten Proben (n = 21) weisen eine Fettsäureverteilung auf, die auf pflanzlichen Fett- oder Ölursprung schließen lässt und eindeutig von Palmitinsäure dominiert wird, was durch ein hohes Verhältnis von Palmitinsäure zu Stearinsäure (P/S > 1,3) veranschaulicht wird (Tabelle 4). . P/S ist das Verhältnis von Palmitinsäure zu Stearinsäure, das in Rückständen aus Pflanzenölen üblicherweise über 1,3 liegt, aber auch auf aquatische tierische Fette hinweisen kann. Obwohl das hier angegebene Verhältnis (P/S > 1,3) für Lipidrestverhältnisse von Fettsäuren gilt, die im Allgemeinen anfällig für Zersetzungsprozesse sind, sind sie einzeln nur ein Hinweis auf die Herkunft und müssen im Zusammenhang mit anderen Komponenten bewertet werden. Fünfzehn Proben enthalten auch kurzkettige Dicarbonsäuren (C8-10), Substanzen, die aus trocknenden Ölen gebildet werden, und insbesondere das Vorhandensein von Azelainsäure (Nonandisäure, C9) weist auf das Vorhandensein eines trocknenden Öls hin36,37,38. Azelainsäure ist ein häufiges Abbauprodukt ungesättigter Fettsäuren, insbesondere pflanzlicher Öle. Außerdem wurden Spuren der einfach ungesättigten Ölsäure (n = 22) und der zweifach ungesättigten Linolsäure (n = 6) nachgewiesen (vgl. Abb. 5). Linolsäure ist eine zweifach ungesättigte Fettsäure, die in mehreren Pflanzenölen vorkommt. Phytosterole sind von Pflanzen produzierte Sterole. Pflanzliche Wachsrückstände liegen vor allem in Form von Verteilungen langkettiger Fettsäuren, langkettiger Alkanole und einer Reihe pentazyklischer Triterpenoide vor. Ebenfalls vorhanden ist D-Pinitol, ein Cyclitol, das in Pflanzen der Familie Leguminosae und Pinaceae häufig vorkommt39.

Gesamtionenchromatogramm der Probe MA 4139K (Datum: vor 1936). Dies ist ein Beispiel für eine Probe, die überwiegend aus Lipiden besteht, die wahrscheinlich hauptsächlich aus Pflanzenölen stammen, sowie aus Mono- und Disacchariden.

Phytosterine wurden in vier Proben nachgewiesen. In drei Proben wurden Verteilungen langkettiger (C > 20) Fettsäuren und Alkanole festgestellt; Spuren pflanzlicher Nagelhautwachse40,41. Nur wenige Proben (n = 7) weisen Fettsäureverteilungen auf, die auf einen tierischen Ursprung schließen lassen und einen höheren Anteil an Stearinsäure im Vergleich zu Palmitinsäure aufweisen. In fünf Proben wurde Cholesterin nachgewiesen. Dabei handelt es sich überwiegend um tierisches Sterol, es ist aber auch ein Hauptbestandteil menschlicher Hautlipide und kann daher Spuren von Manipulationen hinterlassen42.

Bei den Terpenoiden dominieren Verbindungen der Triterpenklasse, pentazyklische Triterpene mit Ursan- oder Oleanan-Grundgerüsten. Diese Verbindungsklassen kommen in zehn Exemplaren vor (Tabelle 3, Spalte „Terpenoide“). Sie sind in der Natur weit verbreitet und kommen vor allem in den Nagelhautwachsen vieler Pflanzen vor. Da sie eher unspezifisch sind, deuten sie jedoch auf wachsartige Pflanzenmaterialien hin. Auch die meisten der nachgewiesenen kurzkettigen organischen Säuren wie Gallus-, Kaffee-, Spritzen-, Äpfel-, Zitronen- und Chinasäure sind pflanzlichen Ursprungs (vgl. Abb. 6).

Gesamtionenchromatogramm der Probe MM 40-69-2235 (Datum: 1920er Jahre). Dies ist ein Beispiel für eine Probe mit einer breiten Verteilung verschiedener Verbindungsklassen, von kurzkettigen organischen Säuren (z. B. Milch- und Spritzensäure) über langkettige Alkanole (Octacosanol) bis hin zu einem Pentamethoxyflavon (ein in vielen Pflanzen vorkommendes Naturprodukt).

Die Spalte „Steroide“ in Tabelle 3 enthält Verbindungen, die bei der nicht gezielten Suche Fragmentierungsmuster zeigten, die für Verbindungen charakteristisch sind, die ein tetrazyklisches Kohlenwasserstoffgerüst enthalten, das eine Steroidkernstruktur aufweist. Sterole sind hier nicht enthalten, sondern unter „Lipide“ (Tabellen 3 und 4). Einige der Komponenten wurden eindeutig identifiziert, z. B. Cholansäure und Allocholansäure (vgl. Abb. 4), während andere aufgrund charakteristischer Fragmente nur vorläufig möglichen molekularen Spezies zugeordnet werden, z. B. Androstan-, Cholan-, Pregnan- und Lanostan-abgeleitete Verbindungen Trimethylsilyl-Derivate43. Diese Gruppe von Komponenten verdient eine weitere Untersuchung in der zukünftigen Forschung.

In den meisten Proben (n = 29) in dieser Studie gibt es zahlreiche Mono- und Disaccharidkomponenten, die aus einem hydrolytischen Prozess stammen könnten und beispielsweise glukosidische Rückstände erzeugen würden. Herzglykoside basieren strukturell auf einer Steroid-Kernstruktur44. Meistens handelt es sich dabei um C23-Steroidverbindungen, aber es gibt Variationen, und alle haben eine von zwei Ringstrukturen, die mit Position 17 des Steroidkerns verbunden sind; eine Fünfringstruktur für Cardenolide und eine Sechsringstruktur für Bufadienolide. Am gegenüberliegenden Ende, an Position 3 der Steroidkernstruktur, befindet sich die Glykosylierungsstelle, an der eine oder mehrere Zuckerverbindungen gebunden sind. Diese sind für die Aktivität nicht notwendig, dienen aber dazu, die Wirksamkeit und Dauer der Wirkung zu verändern. Herzglykoside, die in bekannten Pfeilgiften verwendet werden, enthalten meist nur ein Zuckermolekül, was zu einer schnellen Verteilung im Herzen und einer kurzen Wirkungsdauer führt. Wenn ein solches Molekül zerfällt, könnte die Glykosidbindung der Zuckerverbindung durch Hydrolyse aufbrechen und kurzkettige Glukosidreste und einen Steroid-Cardenolidalrest zurücklassen (vgl. Abb. 7).

Die Hydrolyse des Herzglykosids Akovenosid A hinterlässt kurzkettige Glukosidreste und einen Steroid-Cardenolidalrest.

Diese kurzkettigen Rückstände weisen eine hohe Wasserlöslichkeit auf und würden bei der Ablagerung im Boden aus archäologischen Proben auslaugen. Außerdem sind die Cardenolidalreste aufgrund der an den Steroidkern gebundenen Hydroxylgruppen polar. In der einzigen archäologischen Probe dieser Studie (BC11-13M, Abb. 4) wurden steroidale Verbindungen identifiziert. Die Anwendbarkeit dieser Biomarker hängt von der Umgebung ab, sodass die allgemein trockenen Bedingungen im südlichen Afrika im Gegensatz zu feuchteren Bedingungen in anderen Regionen der Erhaltung solcher Biomarker förderlich sein können. Obwohl viele Arbeiten zu diesen Arten von Verbindungen mittlerweile mithilfe der Flüssigchromatographie-Massenspektrometrie durchgeführt werden, ist GC-MS immer noch das herausragende Entdeckungsinstrument auf dem Gebiet der Steroide, insbesondere in Kombination mit MS/MS-Techniken wie Q-TOF (Quadropole-Time Of). Flug MS)43. Die Lokalisierung der Hydroxylgruppen am Steroidkern wäre für die Identifizierung dieser Reste und die TMS-Derivatisierung von entscheidender Bedeutung, und viele der Fragmentionen dieses Derivats liefern detaillierte Informationen über die Position der Hydroxylgruppen, was gute Hoffnungen auf die positive Identifizierung verschiedener molekularer Spezies gibt.

Eine Zusammenfassung der Analyseergebnisse ist in Tabelle 5 dargestellt, in der wir unsere Interpretationen der FTIR- und GC-MS-Ergebnisse sowie Proben mit kardiotonischen Glykosiden hervorheben. Herz- oder kardiotonische Glykoside sind die aktiven Bestandteile vieler Pflanzenarten, die in ethnographisch dokumentierten Pfeil- und Pfeilgiften auf der ganzen Welt verwendet werden14,22. Triterpenoide und steroidale Saponine sowie einige Alkaloide sind herzwirksame Glykoside und können in allen Teilen bestimmter Pflanzen vorkommen. Bei den Wirkstoffen handelt es sich zumeist um Cardenolid-Derivate, das heißt, es handelt sich um Steroidderivate, an die üblicherweise an der 17-Position ein 5-gliedriger ungesättigter Lactonring gebunden ist, was jedoch bei manchen Pflanzen variieren kann. Bisset22 erörtert auch, dass neben Glukose viele ungewöhnliche Zucker, die anderswo nicht vorkommen, an der 3-Position des Steroidgerüsts vorhanden sind. Diese können methyliert sein und an der 2- und/oder 6-Position keine Hydroxylgruppen aufweisen. Es wird allgemein angenommen, dass der Rezeptor für Herzglykoside, der Digitalis-Rezeptor, ein membrangebundenes Enzym ist, das unter anderem als Pumpe zur Aufrechterhaltung des chemischen Gleichgewichts der intrazellulären Flüssigkeit fungiert45. Wenn die Herzglykoside an das Enzym binden, unterbrechen sie die normale Aktivität der „Pumpe“ und eine Überdosierung kann zu Herzrhythmusstörungen und Flimmern führen. Die Familie der Apocynaceae stellt die Pflanzengruppe dar, zu der die meisten Herzglykosid-Pfeilgiftpflanzen gehören. Zu den wichtigsten Gattungen gehören Acokanthera, Adenium, Beaumontia, Amaryllidaceae, Euphorbiaceae und Strophanthus22,46. Abgesehen von Beaumontia sind Taxa, die zu all diesen Familien gehören, im südlichen Afrika beheimatet und bekannte Bestandteile von San-Jäger-und-Sammler-Giften10. Zehn unserer Proben (Probencluster 1 in Abb. 3) könnten laut FTIR-Analyse Euphorbia als Hauptbestandteil enthalten.

Dreizehn Proben (Probencluster 2 und 3 in Abb. 3) könnten Adenium als Hauptbestandteil enthalten. Adeniumarten enthalten hochtoxische kardiotonische Glykoside22. Adenium miltiflorum (Impala-Lilie) ist in Afrika weithin als Quelle von Fisch- und Pfeilgift bekannt11, und Adenium boehmianum aus dem Norden Namibias ist als Quelle eines äußerst giftigen Pfeilgifts bekannt14. Adeniumgifte werden meist aus der Rinde, manchmal aber auch aus den Wurzeln hergestellt. In Ostafrika handelt es sich häufig um eine Zutat, die in Kombination mit anderen giftigen Inhaltsstoffen ein zusammengesetztes Gift bildet47. Neuwinger14 berichtet beispielsweise, dass Zusätze Euphorbia-Latex und/oder den Saft von Spirostachys africana oder Aloe-Arten enthalten könnten. Im südlichen Afrika wird es beispielsweise auch von Hei//om-, Herero- und Nama-Jägern in Namibia selbst zubereitet25, und Nadler23 berichtete, dass die Ju|wasi Adeniumsaft mit Eingeweiden von Diamphidien vermischten.

Viele Euphorbia-Arten werden in ganz Afrika in Pfeilgiftrezepten verwendet10,14. Die drei Arten, die im südlichen Afrika am häufigsten als Jagdgifte verwendet werden, sind E. ingens (E.Mey ex Boiss), E. virosa und E. arborescens25, von denen E. virosa als die virulenteste gilt11. Zu dieser Liste können E. Tirucalli (Linné) und E. coerulescens hinzugefügt werden, die beide starke Diterpenoide enthalten12,14,48,49. Der krebserregende Latex enthält verschiedene Serinproteasen50, Terpenoide, Lektine und mehrere Ester von Diterpenalkoholen14,50,51. Bei einigen Stämmen der Namib und Kalahari wird Euphorbia-Gift in seiner einfachsten Form verwendet, wenn der weiße milchige Latex zur Verdickung sonnengetrocknet und dann direkt auf Pfeile aufgetragen wird21. Der Latex wird jedoch häufig mit anderen Inhaltsstoffen gemischt, darunter Acokanthera11, Boophane21, Adenium- und Spirostachys africana-Exsudate52 sowie Diamphidien-Eingeweide53,54. Die Hei||om und Ju|wasi in der Nähe von Grootfontein in Namibia verwenden ein komplexes Rezept, bei dem Euphorbia-Exsudat mit Strychnos- und Boophane-Extrakten als Zusatz zu Schlangengift und Diamphidia-Gift gemischt wird55. Diese Mischung wird 10 Minuten lang in einem hohlen Stein gekocht, in den der Giftmacher während der Gesangspausen häufig spuckt. Wir verwenden dieses Beispiel, um die vielen erschwerenden Faktoren zu veranschaulichen, die bei der Analyse alter Gifte berücksichtigt werden müssen, und um hervorzuheben, dass die meisten Protokolle nicht in der Lage sind, alle Variablen zu testen, sodass die meisten Ergebnisse nur einen Teil dessen widerspiegeln, was möglicherweise verwendet wurde .

Sansevieria-Arten sind weltweit verbreitet, alle getesteten Taxa erwiesen sich als toxisch für Mäuse14 und nachfolgende Studien bestätigten das Vorhandensein von Triterpenen, Flavonoiden und Herzglykosiden56. Die zellulosereichen Blätter werden zur Faserproduktion verwendet. Es ist bekannt, dass Gifthersteller aus Namibia die Säfte eines erhitzten Blattes von Sansevieria aethiopica hinzufügen, um die Lebensdauer zu stärken und zu verlängern. Giftrezepte auf Diamphidienbasis, manchmal auch unter Einbeziehung anderer Pflanzenarten wie Protasparagus exuvialis, Swartzia madagascariensis14,23,57. Jäger im Norden Kenias schmieren einfach den Blattsaft von Sansevieria auf bereits vergiftete Pfeile, um das Gift aufzufrischen, wenn es zu trocken erscheint14. Die Verwendung von Sansevieria-Exsudaten in Pfeilgiften kann daher mehrere Zwecke haben, z. B. die Erhöhung der Toxizität, die Funktion als Bindemittel und Reaktivator.

Die Herausforderung bei der Identifizierung alter Giftbestandteile besteht, wie bei den meisten alten organischen Molekülen, darin, dass sie dazu neigen, in kleinere Molekülketten zu zerfallen. Es erfordert einige Arbeit, diese kleineren Ketten in die richtige Ausgangsverbindung umzuwandeln. Erschwerend kommt hinzu, dass die meisten Giftrezepte viele verschiedene Zutaten enthalten und mehrere Vorbereitungsschritte erfordern. Hier präsentierten wir die biomolekularen Ergebnisse unserer dreistufigen Analyse von 28 vergifteten Pfeilspitzen aus den letzten 100 Jahren. Darüber hinaus wurde ein 1000 Jahre altes archäologisches Beispiel einbezogen, um die Effizienz unserer Methode an viel älteren Exemplaren zu testen.

ATR-FTIR und Chemometrie erwiesen sich für das Screening und die allgemeine Charakterisierung als nützlich. Das angewandte Extraktions- und Derivatisierungsprotokoll liefert Daten über die Hauptbestandteile der Giftproben. Das resultierende Modell ist in erster Linie in der Lage, verschiedene Pfeilgiftbinder zu trennen und zu unterscheiden, obwohl die Extraktstoffe beider Fraktionen aus einer Vielzahl von Komponenten sowohl aus Bindemitteln als auch aus Wirkstoffen bestehen.

Unsere Ergebnisse zeigen, dass selbst bei der Gruppierung der Proben nach Regionen eine bemerkenswerte Vielfalt an Zutaten besteht, die in den Giftrezepten verwendet wurden. Dies bestätigt ethnografische und historische Beobachtungen10,17. Es ist jedoch erwähnenswert, dass die jüngeren Exemplare in unserer Probe tendenziell komplexere Mischungen aus Zuckern, Peptiden und Lipiden enthielten, während die älteren Exemplare, einschließlich des archäologischen Exemplars aus der Krüger-Höhle, überwiegend von Lipiden und Terpenoiden enthielten. Obwohl unsere Stichprobe relativ klein ist und zeitlich auf das späte 19. bis mittlere 20. Jahrhundert beschränkt ist, deutet dies darauf hin, dass sich die Rezepturen für Pfeilgifte im Laufe der Zeit verändert haben, wenn nicht sogar eine Folge der Zersetzung. Unsere Ergebnisse deuten darauf hin, dass Pflanzenextrakte das Giftmaterial dominieren, obwohl, wie bereits erwähnt, langkettige tierische Proteine ​​selbst in ihrem oxidativen Zustand mit GC-MS notorisch schwer nachzuweisen sind, was es schwierig macht, ihre Anwesenheit sicher auszuschließen unsere Proben. Eine weitere wichtige Erkenntnis ist, dass die oxidativen Nebenprodukte der Herzglykoside erhalten bleiben und in Form kurzkettiger Cardenolidreste nachweisbar sind. Die Identifizierung dieser Rückstände in der Probe aus der Krüger-Höhle bedeutet, dass diese Rückstände als Biomarker für Herzglykoside auf archäologischen Pfeilspitzen verwendet werden können, von denen angenommen wird, dass sie vergiftet sind.

Es bleibt noch viel zu tun, um die biologischen Abbauwege anderer organischer Verbindungen und die Auswirkungen von Herstellungsverfahren auf diese Wege zu erkennen. Zu diesem Zweck planen wir, unsere Forschung durch die Einbeziehung zusätzlicher Gifte aus südafrikanischen Pfeilen aus Kew Gardens, Großbritannien, und dem Etnografiska museet in Stockholm zu erweitern, mit dem Ziel, einen soliden methodischen Ansatz für die Analyse älterer archäologischer Proben zu schaffen. Wir planen auch zu testen, ob die Analyse einzelner stabiler Kohlenstoffisotope bestimmte tierische Gifte wie Diamphidia-Fett von pflanzlichen und tierischen Quellen unterscheiden kann.

Das ethnohistorische Material wurde im Museum Africa in Johannesburg, im Ditsong Culture History Museum in Pretoria und im KwaZulu-Natal Museum in Pietermaritzburg gesammelt (Tabelle 6). Den meisten dieser Sammlungen ist gemeinsam, dass es an detaillierten Provenienzinformationen mangelt. Die Pfeile wurden größtenteils zu Beginn des 20. Jahrhunderts von privaten Sammlern gesammelt und/oder den Museen gespendet. Das Material von Ditsong und Museum Africa stammt aus Nord- und Zentralnamibia sowie aus der nördlichen Kalahari, die den östlichen Teil Namibias und die westliche Hälfte Botswanas umfasst (Abb. 1). In den meisten Fällen werden die einzelnen Gruppen, von denen die Pfeile gesammelt wurden, nicht erwähnt – wobei „San“ oder „Bushman“ die allgemeine Bezeichnung ist –, aber aller Wahrscheinlichkeit nach wurden sie von den Ju/wasi hergestellt. Im Fall der Fourie-Sammlung (in Tabelle 6 durch das Präfix MM gekennzeichnet) wissen wir jedoch, dass die Pfeile bei den Hai//om im Norden Namibias gesammelt wurden, und wir verfügen im Gegensatz zu den anderen Sammlungen über zahlreiche Herkunftsinformationen diese Pfeile52,58,59.

Die Pfeile aus dem KwaZulu-Natal Museum stammen aus der sogenannten Vinnicombe Collection. Diese Pfeile wurden 1926 von Johannes Lombard in einem Lederköcher zusammen mit einer kompletten Jagdausrüstung in der Eland-Höhle in den Drakensbergen gefunden. Die Sammlung vergifteter Pfeile ist eine von nur zwei, die in der Drakensberg-Region gefunden wurden. Schließlich schließen wir eine Pfeilspitze aus vergiftetem Holz ein, die aus einem geschichteten Kontext mit einer Kohlenstoffdatierung auf 1020 ± 70 v. Chr. in der Krüger-Höhle61 geborgen wurde. Die Kruger-Höhle liegt im Magaliesberg in Südafrika (Abb. 1), einer Region, für die keine ethnohistorischen Informationen über Jagdgifte vorliegen. Diese Pfeilspitze und zwei weitere von der Fundstelle gehören zu den wenigen offensichtlich vergifteten Pfeilen, die aus archäologischen Funden geborgen wurden13.

Wir haben Giftproben aus vier Pfeilarten genommen (Abb. 1)62,63. Es wurden Pfeile ausgewählt, bei denen Giftpartikel abplatzten und die daher leicht zu entnehmen waren, ohne großen Schaden anzurichten. Von jeder Pfeilspitze wurde unter sterilen Bedingungen etwa 1 mg Material entfernt.

Die Proben von Pfeilgiftrückständen und Referenzproben wurden mittels abgeschwächter Totalreflexions-Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (ATR FTIR) analysiert. Diese Technik wurde gewählt, da sie die Analyse sehr kleiner Proben (< 0,1 mg) ermöglicht. Die Auswahl der Referenzmaterialien für das Modell erfolgte auf der Grundlage bekannter Pfeilgiftbestandteile und des Ergebnisses des Vergleichs von Probenspektren mit Referenzmaterialien in unserer Spektrendatenbank. Die Auswahl der bekannten Inhaltsstoffe basiert hauptsächlich auf südafrikanischen Quellen10, umfasst aber auch Materialien, die aus anderen Regionen bekannt sind14. Das endgültige Modell basierte auf 52 Referenzmaterialien, bestehend aus verschiedenen Pflanzengeweben (n = 24, einschließlich Adenium, Euphorbia und Sansevieria), Pflanzenharzen (n = 6), Gummi arabicum (n = 6) und Puppen des Pfeilgiftkäfers ( Diamphidien, n = 6), Bienenwachs (n = 4) und verschiedene Tierleime (n = 6). Die aus den ATR-FTIR-Analysen der Proben gewonnenen Spektraldaten wurden zunächst mithilfe einer hierarchischen Clusteranalyse31 auf Gruppierungen untersucht. Anschließend wurden die Daten mit einer Kombination aus PCA und DFA weiterverarbeitet. Die PCA wird hier als datenreduzierende Technik eingesetzt. Die spektrale Belastung der ersten Hauptkomponenten (PCs) wird untersucht, um ihre diagnostische Relevanz zu bestimmen. Anschließend werden relevante PCs verwendet, um ein DFA-Modell basierend auf den PCs aus den Referenzmaterialien zu erstellen. Die Genauigkeit des Modells wird getestet und dann zur Klassifizierung der Proben verwendet. Diese Verarbeitung wurde mit dem Softwarepaket Statistica 12 durchgeführt.

Das in dieser Studie verwendete ATR-FTIR-Gerät war ein Thermo Scientific Nicolet iS10 FTIR, das mit einem Diamantkristall-ATR-Zubehör ausgestattet war. Die IR-Spektren wurden zwischen 4000 und 525 cm−1 mit 32 Scans mit einer Auflösung von 4,0 cm−1 aufgenommen. Die resultierenden IR-Spektren wurden zur arithmetischen Analyse als CSV-Dateien exportiert.

Anschließend wurden die mit Lösungsmittel extrahierbaren Komponenten mittels GC-MS analysiert, wobei eine ultraschallunterstützte Lösungsmittelextraktion zum Einsatz kam. Proben der Pfeilgiftrückstände von wenigen Milligramm wurden durch Ultraschallbehandlung in einigen hundert Mikrolitern einer Mischung aus Chloroform und Methanol (2:1, v:v) homogenisiert. Der nicht extrahierbare Rückstand und die flüssige Phase wurden durch Zentrifugation (3000 U/min, 30 min) getrennt und die flüssige Phase gesammelt. Dieser Vorgang wurde dreimal wiederholt und die Extrakte wurden vereinigt.

Die Verwendung von Methanol als polarer Komponente in der Extraktionsmischung ist wichtig für die Effizienz dieser Methode, da sie die Solubilisierung von Lipidmolekülen verbessert64, aber auch die Extraktion vieler nicht-lipidischer polarer Verbindungen erleichtert. Infolgedessen können die Extrakte eine Vielzahl organischer Verbindungsklassen enthalten, sowohl apolare (z. B. Lipide, Terpene usw.) als auch polare (z. B. Zucker, Dicarbonsäuren usw.). Das Lösungsmittel wurde durch einen sanften Stickstoffgasstrom entfernt und die getrockneten Extrakte wurden unter Verwendung von N,O-Bis(trimethylsilan)trifluoracetamid (BSTFA) mit 10 % Chlortrimethylsilan bei 70 °C 20 Minuten lang behandelt. Dieses Verfahren blockiert protische Stellen sowohl auf polaren als auch auf apolaren Verbindungen und verbessert so deren Eigenschaften für die GC-MS-Analyse43. Das Zugangsreagenz wurde mit einem sanften Stickstoffgasstrom entfernt und die silylierten Komponenten wurden in 100 µl n-Hexan erneut gelöst und mittels GC-MS analysiert.

Die silylierten Komponenten aus der Lösungsmittelwäsche wurden mit einem HP 6890-Gaschromatographen analysiert, der mit einer SGE BPX5-Kapillarsäule (30 m × 220 µm × 0,25 µm) ausgestattet war. Die Injektion erfolgte mittels gepulster Splitless-Technik (Pulsdruck 25 Psi) bei 325 °C unter Verwendung eines Agilent 7683B Autoinjektors. Das verwendete Injektionsvolumen betrug 1,0 µl. Der Ofen wurde temperaturprogrammiert mit einer anfänglichen Isotherme von 2 Minuten bei 50 °C, gefolgt von einem Temperaturanstieg mit 10 °C pro Minute auf 360 °C, gefolgt von einer abschließenden Isotherme bei dieser Temperatur für 15 Minuten. Helium wurde als Trägergas verwendet und während der gesamten Analyse bei einem konstanten Fluss von 2,0 ml pro Minute gehalten. Der Gaschromatograph war über eine Schnittstelle mit einem HP 5973 Mass Selective Detector mit einer konstanten Temperatur von 360 °C verbunden. Die Fragmentierung der getrennten Verbindungen erfolgte durch elektronische Ionisation (EI) bei 70 eV. Die Temperatur an der Ionenquelle betrug 230 °C. Der Massenfilter wurde auf einen Scan zwischen m/z 50 und 700 eingestellt, was 2,29 Scans pro Sekunde liefert. Die Temperatur des Massenfilters betrug 150 °C. Die Ergebnisse wurden mit der MSD Chemstation-Software sowie der Masshunter 10-Software zusammen mit dem NIST Mass Spectral Search Program 2.3 und der NIST 2017-Bibliothek ausgewertet. Um die Proben mit einem nicht zielgerichteten Ansatz zu untersuchen, musste die Masshunter-Software verwendet werden, um Peaks in den Chromatogrammen zu identifizieren und vom Hintergrund subtrahierte Massenspektren aus diesen Peaks zu extrahieren. Diese Massenspektren wurden dann mit dem NIST Mass Spectral Search Program untersucht, um die Verbindungen zu identifizieren, die die Peaks und Massenspektren verursachen, zusammen mit einer umfassenden Übersicht über die Massenspektralfragmentierung von Trimethylsilylderivaten43.

Die für diese Studie generierten und analysierten Datensätze sind im schwedischen Nationalen Datendienst zu finden: Daten potenzieller Biomarker für Pfeilgifte südafrikanischer Jäger und Sammler, angewendet auf ethnohistorische und archäologische Proben | Schwedischer nationaler Datendienst (gu.se).

Theal, GM Geschichte Südafrikas unter der Verwaltung der Niederländischen Ostindien-Kompanie, 1652 bis 1795 (Swan Sonnenschein and Co., 1997).

Google Scholar

Borgia, V. Die Vorgeschichte der Giftpfeile. In Toxicology in Antiquity (Hrsg. Wexlar, P.) 1–12 (Academic Press, 2019).

Google Scholar

Wexlar, P. (Hrsg.) Toxicology in Antiquity (Academic Press, 2019).

Google Scholar

Marshall-Thomas, E. The Old Way (Picador, 2006).

Google Scholar

Marshall, L. !Kung Bushman-Bands. Afr. J. Int. Inst. 30, 325–355 (1960).

Artikel Google Scholar

Noli, HD Eine technische Untersuchung der materiellen Beweise für das Bogenschießen in den archäologischen und ethnografischen Aufzeichnungen im südlichen Afrika. Unveröffentlichte Doktorarbeit These. (Universität Kapstadt, 1993).

Lombard, M. Die Spitzenquerschnittsflächen vergifteter Knochenpfeilspitzen aus dem südlichen Afrika. J. Archaeol. Wissenschaft. Rep. 33, 102477 (2020).

Google Scholar

Bradfield, J., Lombard, M., Reynard, J. & Wurz, S. Weitere Beweise für die Bogenjagd und ihre Auswirkungen vor mehr als 60.000 Jahren: Ergebnisse einer Nutzungsspurenanalyse der Knochenspitze am Hauptstandort Klasies River , Südafrika. Quat. Wissenschaft. Rev. 236, 106295 (2020).

Artikel Google Scholar

d'Errico, F. et al. Frühe Zeugnisse der materiellen Kultur der San, dargestellt durch organische Artefakte in der Border Cave, Südafrika. Proz. Natl. Acad. Wissenschaft. 109, 13214–13219 (2012).

Artikel ADS PubMed PubMed Central Google Scholar

Bradfield, J., Wadley, L. & Lombard, M. Pfeilgiftrezepte aus dem südlichen Afrika, ihre Inhaltsstoffe und Auswirkungen auf die Steinzeitarchäologie. S. Afr. Humanit. 27, 29–66 (2015).

Google Scholar

Watt, JM & Breyer-Brandwijk, MG Die Heil- und Giftpflanzen im südlichen und östlichen Afrika (Oliver und Boyd, 1962).

Google Scholar

van Wyk, B.-E., van Geerden, F. & Oudtshoorn, B. Giftige Pflanzen Südafrikas (Briza Publications, 2002).

Google Scholar

Langley, MC et al. Giftpfeile und Knochenutensilien im späten Pleistozän Ostafrika: Beweise aus der Kuumbi-Höhle, Sansibar, Tansania. Azania Archaeol. Res. Afr. 51(2), 155–177 (2016).

Google Scholar

Neuwinger, H. African Ethnobotany: Poisons and Drugs (Chapman und Hall, 1996).

Google Scholar

Chaboo, C., Hitchcock, R., Bradfield, J. & Wadley, L. Käfer- und Pflanzenpfeilgifte des San-Volkes im südlichen Afrika. In Toxicology in Antiquity (Hrsg. Wexler, P.) 11–72 (Elsevier, 2019).

Kapitel Google Scholar

Chaboo, C., Biesele, M., Hitchcock, R. & Weeks, A. Käfer und Pflanzenpfeilgifte der Ju|hoan und Hai||om San-Völker in Namibia (Insecta, Coleoptera, Chrysomelidae; Plantae, Anacardiaceae, Apocynaceae , Burseraceae). ZooKeys 558, 9–54 (2016).

Artikel Google Scholar

Wadley, L., Trower, G., Backwell, L. & Derrico, F. Traditioneller Leim, Klebstoff und Gift, das Ju/'hoan San in Nyae Nyae, Namibia, für Verbundwaffen verwendet. Implikationen für die Entwicklung der Jagdausrüstung in der Vorgeschichte. PLoS ONE 10, e0140269 (2015).

Artikel PubMed PubMed Central Google Scholar

Borgia, V., Carlin, MG & Crezzini, J. Gift, Pflanzen und paläolithische Jäger. Eine analytische Methode zur Untersuchung des Vorhandenseins von Pflanzengift auf archäologischen Artefakten. Quat. Int. 427, 94–103 (2016).

Artikel Google Scholar

Bird, TL et al. Die Radnetzspinne Argiope (Araneidae) als einheimisches Pfeilgift der G/ui- und G//ana San-Jäger in der Kalahari. PLoS ONE 18, e0276557 (2023).

Artikel CAS PubMed PubMed Central Google Scholar

Philippe, G. & Angenot, L. Aktuelle Entwicklungen auf dem Gebiet der Pfeil- und Pfeilgifte. J. Ethnopharmacol. 100, 85–91 (2005).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Schapera, I. Pfeilgifte der Buschmänner. Bantu-Gestüt. 2, 190–214 (1925).

Google Scholar

Bisset, NG Pfeil- und Pfeilgifte. J. Ethnopharmacol. 25, 1–41 (1989).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Nadler, O. Die Pfeilgifte der !Kung-Buschleute (Oserna-africana-Verlag, 2005).

Google Scholar

Lewin, L. Ueber die Pfeilgifte der Buocbmanuer. Zuid Ethnologie 44, 831–837 (1912).

Google Scholar

Shaw, M., Woolley, P. & Rae, F. Pfeilgifte der Buschmänner. Cimbebasia 7, 2–41 (1963).

Google Scholar

Wooding, M. et al. Bericht über biochemische Nachweismethoden einiger pflanzlicher Pfeilgifte, die von Jägern und Sammlern der San im südlichen Afrika verwendet werden. S. Afr. J. Sci. 113, 1–10 (2017).

Google Scholar

Charrié-Duhaut, A. et al. Erste molekulare Identifizierung eines Haftklebers im späten Howiesons Poort im Diepkloof Rock Shelter (Westkap, Südafrika). J. Archaeol. Wissenschaft. 40, 3506–3518 (2013).

Artikel Google Scholar

Lombard, M. & Wadley, L. Jagdtechnologien während des Howiesons Poort in der Sibudu-Höhle: Was sie über die menschliche Wahrnehmung in KwaZulu-Natal, Südafrika, zwischen ca. 65 und 62 ka verraten. In Multidisciplinary Approaches to the Study of Stone Age Weaponry (Hrsg. Iovita, R. & Sano, K.) 273–286 (Springer, 2016).

Kapitel Google Scholar

Wynn, T. & Coolidge, FL Eine steinzeitliche Begegnung der Geister. Bin. Wissenschaft. 96, 44–51 (2007).

Artikel Google Scholar

Shillito, LM, Almond, MJ, Wicks, K., Marshall, LJR & Matthews, W. Die Verwendung von FT-IR als Screening-Technik für die Analyse organischer Rückstände in archäologischen Proben. Spektrochem. Acta Teil A 72, 120–125 (2009).

Artikel ADS Google Scholar

Isaksson, S. Vom Licht geführt. Die schnelle Charakterisierung alter organischer Materie durch FTIR, IR-Fingerprinting und hierarchische Clusteranalyse. Laborativ Arkeologi 12, 35–43 (1999).

Google Scholar

Bratchell, N. Clusteranalyse. Chemom. Intel. Labor. Syst. 6, 105–125 (1989).

Artikel Google Scholar

Dunne, J. Organic Residue Analysis and Archaeology: Guidance for Good Practice (Historisches England, 2017).

Google Scholar

Brown, T. & Brown, K. Biomolekulare Archäologie. Eine Einführung (Wiley-Blackwell, 2011).

Buchen Sie Google Scholar

Evershed, RP Analyse organischer Rückstände in der Archäologie: Die Revolution der archäologischen Biomarker. Archaeometry 50, 895–924 (2008).

Artikel CAS Google Scholar

Kumarathasan, R., Rajkumar, AB, Hunter, NR & Gesser, HD Autoxidation und Vergilbung von Methyllinolenat. Prog. Lipidres. 31, 109–126 (1992).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Casoli, A., Musini, P. & Palla, G. Gaschromatographisch-massenspektrometrischer Ansatz zum Problem der Charakterisierung von Bindungsmedien in Gemälden. J. Chromatogr. A 731, 237–246 (1996).

Artikel CAS Google Scholar

Isaksson, S., Olsson, M. & Hjulström, BD schmierten ihre Mägen ein. Spuren von Pflanzenöl in Keramik aus der späten Eisenzeit. The Ancient Friend 100, 179–191 (2005).

Google Scholar

Sánchez-Hidalgo, M. et al. D-Pinitol: ein Cyclitol mit vielseitigen biologischen und pharmakologischen Aktivitäten. Phytochem. Rev. 20, 211–224. https://doi.org/10.1007/s11101-020-09677-6 (2021).

Google Scholar

Charters, S., Evershed, RP, Quye, A., Blinkhorn, PW & Reeves, V. Simulationsexperimente zur Bestimmung der Verwendung antiker Keramikgefäße: Das Verhalten von epikutikulärem Blattwachs beim Kochen von Blattgemüse. J. Archaeol. Wissenschaft. 24, 1–7 (1997).

Artikel Google Scholar

Steele, V., Stern, B. & Stott, AW Olivenöl oder Schmalz?: Unterscheidung pflanzlicher Öle von tierischen Fetten in den archäologischen Aufzeichnungen des östlichen Mittelmeerraums mittels Gaschromatographie/Verbrennung/Isotopenverhältnis-Massenspektrometrie. Schnelle Kommuni. Massenspektrometer. 24, 3478–3484 (2010).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Hammann, S., Cramp, L., Whittle, M. & Evershed, R. Cholesterinabbau in archäologischer Keramik, vermittelt durch gebrannten Ton und Fettsäure-Prooxidantien. Tetraeder Lett. 59(50), 4401–4404 (2018).

Artikel CAS Google Scholar

Harvey, D. & Vouros, P. Massenspektrometrische Fragmentierung von Trimethylsilyl- und Alkylsilyl-Derivaten. Massenspektrometer. Rev. 39, 105–211 (2020).

Artikel ADS CAS PubMed Google Scholar

Dauncey, EA & Larsson, S. Pflanzen, die töten. Eine Naturgeschichte der giftigsten Pflanzen der Welt (Kew Publishing, 2018).

Google Scholar

Erdman, E. & Brown, L. Das kardiale Glykosid-Rezeptor-System im menschlichen Herzen. EUR. Heart J. 4, 61–65 (1983).

Artikel Google Scholar

Bally, P. R. O., Mohr, K. & Reichstein, T. Die Glykoside von Acokanthera longiflora. Helv. Chim. Acta 34, 1740–1761 (1951).

Artikel CAS Google Scholar

Verdcourt, B. & Trump, E. Häufige Giftpflanzen Ostafrikas (Collins, 1969).

Google Scholar

Morton, J. 1958. Zierpflanzen mit giftigen Eigenschaften. In Proceedings of the Florida State Horticultural Society vol. 71, 372–80 (1969).

Evans, F. Die reizenden Toxine der Blauen Euphorbia (Euphorbia coerulescens Haw.). Toxicon 16, 51–57 (1978).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Konno, K. Pflanzenlatex und andere Exsudate als pflanzliche Abwehrsysteme: Rollen verschiedener darin enthaltener Abwehrchemikalien und Proteine. Phytochemistry 72, 1510–1530 (2011).

Artikel CAS PubMed Google Scholar

Opferkuch, H. & Hecker, E. Neue Diterpenoid-Reizstoffe aus Euphorbia ingens. Tetraeder Lett. 3, 261–264 (1974).

Artikel Google Scholar

Fourie, L. Vorbemerkungen zu bestimmten Bräuchen der Hei-//om-Buschmänner. J. Südwest-Afr. Wissenschaft. Soc. 1, 49–63 (1926).

Google Scholar

Paterson W. Eine Erzählung von vier Reisen in das Land der Hottentotten und Caffraria. (J. Johnson, 1769).

Mossop, EE The Journal of Hendrik Jacob Wikar (1779) (Van Riebeeck Society, 1935).

Google Scholar

Hall, I. & Whitehead, R. Pharmakobakteriologische Untersuchung afrikanischer vergifteter Pfeile. J. Infizieren. Dis. 41, 51–69 (1927).

Artikel Google Scholar

Anbu, JSJ et al. Analgetische und fiebersenkende Wirkung der Blätter von Sanseviera trifasciata. Afr. J. Tradit. Ergänzen. Altern. Med. 6, 529–533 (2009).

PubMed PubMed Central Google Scholar

Robbins, L., Campbell, A., Brook, G., Murphy, M. & Hitchcock, R. Das Alter von Pfeil und Bogen in der Kalahari-Wüste: Knochenspitzen aus White Paintings Rock Shelter, Botswana. J. Afr. Archäol. 10, 7–20 (2012).

Artikel Google Scholar

Wanless, A. Die Stille der kolonialen Melancholie: Die Fourie-Sammlung von Khoisan Ethnologica. Unveröffentlichte Doktorarbeit. (Johannesburg, 2007).

Wanless, A. The Fourie Collection of Khoisan Ethnographica: Forming an Archive (University of the Witwatersrand Press, 2010).

Google Scholar

Vinnicombe, P. Eine Buschmann-Jagdausrüstung aus den Natal Drakensbergen. Ann. Natal Museum 20, 611–625 (1971).

Google Scholar

Mason, R. Kruger Cave (University of the Witwatersrand Press, 1988).

Google Scholar

Bosc-Zanardo, B., Bon, F. & Fauvelle-Aymar, F. Buschmännerpfeile und ihre jüngste Geschichte: Gegensätzliche Ansichten historischer, ethnologischer und archäologischer Quellen. Palethnologie 1, 341–357 (2008).

Google Scholar

Bradfield, J. Identifizierung von Pfeiltypen mit Knochenspitze in den archäologischen Aufzeichnungen des südlichen Afrikas: Der Beitrag von Studien zur Abnutzung. J. Afr. Archäol. 13, 135–147 (2015).

Artikel Google Scholar

Eggers LF & Schwudke, D. Flüssigkeitsextraktion. In Encyclopedia of Lipidomics (Hrsg. Wenk, M. R) (2016).

Referenzen herunterladen

Die Erlaubnis zur Probenahme wurde von der Wits University erteilt; Natal-Museum; Ditsong Museum für Kulturgeschichte; die Killie Campbell Collection, University of KwaZulu Natal; und das Nationalmuseum, Bloemfontein, im Rahmen der Genehmigungen Nr. 2023 der South African Heritage Resources Agency und SAH15/7370 der Amafa Heritage KwaZulu-Natal.

Open-Access-Finanzierung durch die Universität Stockholm.

Das Archäologische Forschungslabor, Abteilung für Archäologie und Klassische Studien, Universität Stockholm, Stockholm, Schweden

Sven Isaksson

Abteilung für Kulturwissenschaften, Fakultät für Geisteswissenschaften, Linnaeus-Universität, Kalmar, Schweden

Anders Högberg

Paläo-Forschungsinstitut, Universität Johannesburg, Johannesburg, Südafrika

Anders Högberg, Marlize Lombard und Justin Bradfield

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Sie können diesen Autor auch in PubMed Google Scholar suchen

Alle Autoren haben zur Konzeption und Gestaltung der Studie beigetragen. JB besichtigte die Museumssammlungen. SI entwarf die Experimente und führte alle biochemischen und statistischen Analysen durch. SI verfasste den ersten Entwurf des Manuskripts. AH, JB und ML haben Teile des Manuskripts geschrieben. Alle Autoren haben die eingereichte Version gelesen und genehmigt.

Korrespondenz mit Sven Isaksson.

Die Autoren geben an, dass keine Interessenkonflikte bestehen.

Springer Nature bleibt neutral hinsichtlich der Zuständigkeitsansprüche in veröffentlichten Karten und institutionellen Zugehörigkeiten.

Open Access Dieser Artikel ist unter einer Creative Commons Attribution 4.0 International License lizenziert, die die Nutzung, Weitergabe, Anpassung, Verbreitung und Reproduktion in jedem Medium oder Format erlaubt, sofern Sie den/die ursprünglichen Autor(en) und die Quelle angemessen angeben. Geben Sie einen Link zur Creative Commons-Lizenz an und geben Sie an, ob Änderungen vorgenommen wurden. Die Bilder oder anderes Material Dritter in diesem Artikel sind in der Creative Commons-Lizenz des Artikels enthalten, sofern in der Quellenangabe für das Material nichts anderes angegeben ist. Wenn Material nicht in der Creative-Commons-Lizenz des Artikels enthalten ist und Ihre beabsichtigte Nutzung nicht durch gesetzliche Vorschriften zulässig ist oder über die zulässige Nutzung hinausgeht, müssen Sie die Genehmigung direkt vom Urheberrechtsinhaber einholen. Um eine Kopie dieser Lizenz anzuzeigen, besuchen Sie http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/.

Nachdrucke und Genehmigungen

Isaksson, S., Högberg, A., Lombard, M. et al. Potenzielle Biomarker für Pfeilgifte südafrikanischer Jäger und Sammler, angewendet auf ethnohistorische und archäologische Proben. Sci Rep 13, 11877 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-38735-0

Zitat herunterladen

Eingegangen: 05. Mai 2023

Angenommen: 13. Juli 2023

Veröffentlicht: 23. Juli 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-38735-0

Jeder, mit dem Sie den folgenden Link teilen, kann diesen Inhalt lesen:

Leider ist für diesen Artikel derzeit kein gemeinsam nutzbarer Link verfügbar.

Bereitgestellt von der Content-Sharing-Initiative Springer Nature SharedIt

Durch das Absenden eines Kommentars erklären Sie sich damit einverstanden, unsere Nutzungsbedingungen und Community-Richtlinien einzuhalten. Wenn Sie etwas als missbräuchlich empfinden oder etwas nicht unseren Bedingungen oder Richtlinien entspricht, kennzeichnen Sie es bitte als unangemessen.