VARGAH « campements temporaires », un projet de pointe en archéologie biomoléculaire

Le projet VARGAH (2021-2023), qui signifie « campements éphémères » en persan, est un projet de recherche qui a été financé par les actions Marie Sklodowska-Curie (Individual fellowship ; DOI: 10.3030/101024503). Le projet visait à étudier les sociétés pastorales mobiles et sédentaires établies autour des montagnes du Zagros en Iran entre le VIIe et le VIe millénaire avant notre ère d’un point de vue économique et chronologique.

Avec l’émergence de l’agriculture et du pastoralisme, les modes d’alimentation des populations humaines ont radicalement changé, leur impact étant encore visible de nos jours. Plus particulièrement, la domestication des ruminants a offert la possibilité d’exploiter le lait de ces animaux et d’introduire les produits laitiers dans l’alimentation humaine.

Le Zagros (chaîne de montagne localisée principalement en Iran, au nord-est de l’Iraq et au sud-est de la Turquie ; Fig. 1), habitat naturel de la chèvre sauvage et du mouton oriental, est un centre avéré de la domestication des caprins et de la diffusion de l’agriculture vers l’est. Les premières populations sédentaires de la région, depuis le IXe millénaire avant notre ère, étaient en grande majorité des groupes de pasteurs gérant des troupeaux de caprinés impliquant des mobilités de populations. Cette tradition est encore visible à notre époque avec des groupes de pasteurs mobiles contemporains (entre villages dans les plaines et campements de montages) dont le mode de subsistance principal repose sur les produits laitiers transformés comme le fromage et le yaourt ou kashk (pâte de caséine déshydratée). La région du Zagros et les zones plus à l’est ont été peu explorées sur la question de l’introduction et de l’ancienneté d’une économie laitière, contrairement à la partie Nord du Levant et de l’Anatolie, centre de domestication des bovins et de diffusion de l’agriculture à l’ouest.

Fig. 1 : Carte de l’Iran et localisation des sites étudiés lors du projet VARGAH

Afin de mieux comprendre l’émergence et le développement du pastoralisme et d’une économie laitière sur le Plateau Iranien, les objectifs spécifiques du projet VARGAH sont de :

  1. Reconstituer les modes de subsistance des premiers groupes pastoraux ;
  2. Résoudre la chronologie des sites étudiés ;
  3. Comparer les données socio-économiques des groupes de pastoralisme mobile et sédentaire.

Pour atteindre ces objectifs, des méthodes de pointe de l’archéologie biomoléculaire ont été employées, dont certaines n’existaient pas encore en France et nécessitaient leur mise en œuvre dans le cadre du projet VARGAH. Les premières méthodes sont centrées sur l’étude de résidus anciens de nourriture préservés dans le tartre dentaire des humains (protéines) et dans les céramiques archéologiques (lipides), afin de reconstruire les régimes alimentaires des groupes étudiés. La chronologie est résolue grâce à la méthode de datation par le radiocarbone appliquée à des microéchantillons et à des molécules cibles, nécessaires vis-à-vis des problématiques de certains sites qui présentent un manque notable de matériaux classiques, comme les os, les charbons ou les graines, pour réaliser ces datations.

Les méthodes d’archéologie biomoléculaire employées dans le projet

Les méthodes chromatographiques, de spectrométrie de masse et de spectrométrie de masse isotopique

Les techniques d’analyses employées dans le projet VARGAH se basent sur trois grands principes : la chromatographie, la spectrométrie de masse et la spectrométrie de masse isotopique qui peuvent fonctionner en couplage (Colombini et Modugno, 2009). Ces grands principes sont explicités afin de mieux appréhender les applications décrites ci-après.

La chromatographie est une technique d’analyse séparative. Elle permet de séparer les composés d’un mélange (ici protéines ou lipides) en se basant sur leur volatilité, leur masse ou encore leur polarité. Deux instruments sont utilisés ici : la chromatographie en phase gazeuse (GC) et la chromatographie en phase liquide (LC).

La spectrométrie de masse (MS) est une technique d’analyse d’identification qui permet de mesurer la masse et de fragmenter les composés analysés afin de remonter à leur structure. Cette technique d’identification peut venir à la suite d’une chromatographie et peut être utilisée en tandem (MS/MS) au besoin (cas de la paléoprotéomique).

La spectrométrie de masse isotopique (IRMS) est une technique d’analyse qui permet la mesure des diverses masses des éléments (isotopes), comme par exemple les masses des isotopes stables du carbone, reportées sous une forme de ratio δ13C=13C/12C. Cette technique permet d’obtenir des informations sur la source et l’environnement des molécules mesurées. La spectrométrie de masse isotopique par accélérateur (AMS) est plus particulièrement dédiée ici à la mesure de l’isotope instable du carbone (14C) qui est peu abondant et difficilement séparable des isotopes stables du carbone avec des IRMS classiques. L’AMS est utilisé pour résoudre les questions de chronologie avec la mesure du carbone 14.

Le volet régime alimentaire
  • La paléoprotéomique sur tartre dentaire humain

Des protéines issues de denrées alimentaires peuvent être piégées lors de leur consommation dans la matrice minérale du tartre dentaire humain qui se forme en quelques jours (Fig. 2). La paléoprotéomique sur tartre dentaire vise à identifier ces protéines alimentaires qui ont été directement consommées par les humains (Warinner et al., 2022 ; Warinner et al., 2015). Cette méthode, développée et utilisée pour la première fois il y a moins d’une dizaine d’années, est en plein essor, particulièrement concernant la question de la consommation du lait des animaux ruminants.

Fig. 2 : Examen sous Dinolite des spécimens archéologiques humains pour la recherche de tartre dentaire par E. Casanova, dans le but de réaliser des analyses de paléoprotéomique sur les restes de nourriture piégés dans le tartre dentaire. ©M. Mashkour

L’identification de consommation de lait se fait à partir de deux protéines : l’α-caséine et la β-lactoglobuline. Les différences (peu nombreuses) dans la structure des protéines issues de diverses espèces permettent d’identifier ces protéines au niveau de l’espèce comme la chèvre ou le mouton (Warinner et al., 2015).

Les protéines alimentaires préservées dans le tartre dentaire humain sont de faible abondance et sujettes à la dégradation avec le temps et selon le milieu d’enfouissement. De plus, la plus grande partie des protéines dans le tartre dentaire sont liées au microbiome oral et complexifient la détection des protéines alimentaires de plus faible abondance.

La préparation des échantillons nécessite l’extraction des protéines et leur analyse par LC-MS/MS. Afin de pouvoir détecter les protéines d’intérêt, il faut réaliser des recherches ciblées dans des banques de données contenant les protéines alimentaires qui sont intéressantes pour l’étude afin de maximiser les chances de détection. Le traitement et l’interprétation des données pour l’identification des protéines nécessitent d’être réalisés avec précaution et un regard critique impliquant des critères de qualité élevés pour éviter les faux-positifs.

Réalisée avec rigueur, cette approche offre l’avantage de travailler directement sur les restes humains et de donner un niveau de précision élevé des denrées consommées au niveau de l’espèce.

Employée dans le projet VARGAH, la paléoprotéomique avait but d’identifier une potentielle consommation laitière par les populations humaines et, si possible, sa source (entre chèvre (Capra hircus), mouton (Ovis aries) et vache (Bos taurus)).

  • L’analyse de résidus organiques préservés dans les céramiques archéologiques par lipidomique et isotopie

Les céramiques jouent un grand rôle dans la préparation, le transport et le stockage de denrées alimentaires et peuvent préserver des traces (graisses) de leur utilisation dans leur matrice argileuse. L’étude des lipides est utilisée sur les restes de nourriture préservés dans les céramiques archéologiques depuis maintenant une trentaine d’années mais connaît, encore aujourd’hui, des avancées majeures vers la détection de molécules en faible abondance, comme des lipides issus de céréales (Fig. 3) (Roffet-Salque et al., 2017 ; Cramp et al., 2023). Pour l’analyse des résidus lipidiques, ceux-ci doivent être extraits de la matrice argileuse des céramiques puis analysés par GC, GC-MS et GC-IRMS.

Fig. 3 : Sélection de céramiques archéologiques d’un site du plateau Iranien par E. Casanova pour l’étude de leurs résidus lipidiques de nourriture.
©M. Mashkour

Dans un contexte archéologique, certaines classes de molécules dont les lipides (graisses) constituant la nourriture vont être préférentiellement dégradées par l’action de l’eau ou de l’activité microbienne. L’étude des profils lipidiques permet de distinguer de grandes familles de nourriture (plantes, graisses de ressources aquatiques) mais celles-ci vont dans la plupart des cas perdre leurs spécificités au niveau de l’espèce (par exemple Bos vs Sus) ou du produit (par exemple lait vs fromage) en raison de leur dégradation dans le milieu archéologique.

Les résidus les plus couramment retrouvés dans les céramiques sont les graisses animales caractérisées par la présence d’acides gras palmitique (C16:0) et stéarique (C18:0) issus de la dégradation de triglycérides. Ces acides gras sont communs à toutes les graisses animales et les informations sur leur abondance relative, ou des molécules additionnelles permettant de distinguer les produits frais, sont perdues avec la dégradation dans le contexte archéologique. En revanche, les valeurs des isotopes stables du carbone (δ13C) des acides gras individuels (Fig. 4), dont l’origine est basée à la fois sur l’environnement, l’alimentation et le métabolisme des animaux, permettent de distinguer des familles d’animaux, par exemple ruminants vs non-ruminants, mais également des sous-produits dans la famille des ruminants : produits de carcasse et produits laitiers (Roffet-Salque et al., 2017 ; Cramp et al., 2023). Ce dernier point est particulièrement important concernant la question de l’exploitation du lait des caprinés.

Fig. 4 : Chromatographie en phase gazeuse couplée à un spectromètre de masse à ratio isotopique pour la mesure du δ13C sur molécules individuelles. Instrument de la plateforme de service spectrométrie de masse isotopique du Muséum national d’histoire naturelle de Paris. ©E. Casanova

Le couplage des données lipidiques et isotopiques permet donc de préciser, jusqu’à un certain point, la source des denrées alimentaires préparées dans les céramiques archéologiques. Ces résultats ne fournissent en aucun cas des « recettes de cuisine » anciennes, mais des données sur les aliments consommés par les populations anciennes. Pour plus de précisions, des couplages avec les données archéozoologiques et archéobotaniques permettent d’affiner les identifications par rapport aux ressources disponibles sur le site archéologique.

Dans le projet VARGAH cette méthode a été employée pour mettre en lumière une potentielle exploitation laitière, mais aussi les autres produits, issus d’animaux terrestres, aquatiques et de plantes, qui étaient exploitées dans les céramiques.

Le volet chronologie – La datation carbone 14 sur composés spécifiques

La datation par la méthode du carbone 14 est essentielle pour ancrer temporellement des événements de l’histoire de l’humanité sur les 50000 dernières années (Bowman, 1990). Mise en place dès les années 1950, elle repose sur le principe de la mesure de l’isotope radioactif (instable) du carbone, appelé carbone 14, qui sert de chronomètre pour remonter jusqu’à la mort des organismes cibles. Les matériaux classiques en datation de restes archéologiques sont des matériaux d’origine organique : le collagène des os, des charbons ou encore des restes carpologiques (Bowman, 1990). Cependant, de nombreux sites sur le plateau Iranien ne présentent pas ces matériaux classiques ou, alors, avec une matière organique très dégradée, limitant ainsi les mesures du carbone 14 et la résolution chronologique.

Les céramiques archéologiques sont très abondantes sur les sites Iranien à partir du VIIe millénaire avant notre ère. Leur datation par le carbone 14 est maintenant possible en ciblant les restes lipidiques spécifiques préservés dans leur matrice (Casanova et al., 2020). Cette approche permet de dater la période d’utilisation des céramiques, de raffiner les chronologies relatives établies par la typologie, de dater directement l’exploitation de denrées alimentaires spécifiques comme le lait, mais également de dater des sites archéologiques en l’absence de matériaux classiques.

Cette méthode dite de datation sur composés spécifiques est centrée plus particulièrement sur les acides gras (C16:0 et C18:0) issus de graisses animales. Ces graisses sont purifiées par chromatographie en utilisant un GC couplé à un collecteur de fraction permettant d’isoler et de collecter ces fractions cibles pour leur mesure par le carbone 14 (Fig. 5). Les composés spécifiques récoltés sont en général en quantité limitée à quelques dizaines ou centaines de microgrammes de carbone, ce qui nécessite de travailler sur de petites tailles. Alors que les approches de datation sur composés spécifiques existent depuis une vingtaine d’années sur des matrices environnementales, les applications archéologiques, dont les céramiques, ne sont que très récemment entrées dans les cibles possibles, grâce notamment aux avancées sur les spectromètres de masse par accélération (Synal et al., 2007) comme l’ECHoMICADAS présent au LSCE permettant la mesure de microgrammes d’échantillons en routine.

Fig. 5 : Chromatographie en phase gazeuse préparative, équipée d’un collecteur de fraction et de tubes sans solvants, utilisée pour la purification de molécules spécifiques en amont de leur datation par la méthode du carbone 14. Instrument la plateforme PANOPLY (Paris, Saclay).
©E. Casanova

La mesure du carbone 14, associée à l’utilisation des céramiques, a été plus particulièrement appliquée aux restes laitiers, permettant ainsi de dater directement l’exploitation du lait de ruminant tout en précisant les périodes d’occupation des sites archéologiques.

Mise en œuvre et bilan du projet

Le projet VARGAH a été hébergé au Muséum national d’Histoire naturelle de Paris de 2021 à 2023 au sein de l’UMR 7209 « Archéozoologie et Archéobotanique : sociétés, pratiques, environnement », à titre principal, avec un détachement régulier à l’UMR 8212 « Laboratoire des Sciences du Climat et de l’Environnement ». Des collaborations scientifiques avec des chercheurs en archéologie, géochimie, géochronologie et protéomique et des institutions scientifiques et muséales ont été établies à travers le monde.

Ainsi, au cours du projet, environ 500 céramiques et une vingtaine de dents humaines provenant de fouilles anciennes et récentes d’une douzaine de sites (Fig. 1) ont pu être analysées par les méthodes de l’archéologie biomoléculaire présentées ici. De plus, une vingtaine de nouvelles dates radiocarbones ont été générées. Ces analyses conséquentes ont permis de mettre en avant qu’une exploitation laitière était établie au sein des sociétés agropastorales du Zagros, durant le VIIe et VIe millénaire avant notre ère. Les résultats détaillés seront publiés prochainement.

Remerciements

Le projet a été supervisé par Marjan Mashkour (Directrice de recherche au CNRS, UMR 7209) et mené avec le soutien de l’équipe de pilotage composé d’Antoine Zazzo (Directeur de recherche au CNRS, UMR 7209), Séverine Zirah (Maitre de conférences au MNHN, UMR 7245), Christine Hatté (Chercheuse au CEA, UMR 212) et Jérémy Jacob (Directeur de recherche au CNRS, UMR 8212).

Les collaborations avec le centre de recherche archéologique d’Iran (M. Hesari), le Musée National d’Iran (J. Nokandeh, F. Biglari, O. Ghafoori), le Laboratoire de bioarchéologie, Laboratoire central de l’Université de Téhéran (H. Davoudi), l’Université de Tsukuba (A. Tsuneki), l’Université libre de Berlin (R. Bernbeck, S. Pollock), l’université de Chicago (A. Alizadeh, H. McDonald) ont été essentielles pour accéder au matériel d’étude. Un stage de M2 (A. Bocco) co-financé par l’UMR 7209 et les actions transversales du MNHN a également permis de doubler le nombre de céramiques archéologiques étudiées.

L’accès aux plateformes scientifiques : service spectrométrie de masse isotopique du MNHN (SSMIM), plateforme de spectrométrie de masse bio-organique (PtSMB), plateforme de spectrométrie de masse biologique et protéomique de l’ESCPI (SMBP) et plateforme analytique géosciences de Paris Saclay (PANOPLY), a également été un point clé pour la mise place des méthodes analytiques en France au MNHN et au LSCE pour la réalisation du projet.

Bibliographie

Bowman, S., 1990. Radiocarbon dating. Vol. 1. Univ of California Press.

Casanova, E., Knowles, T.D.J., Bayliss, A., Dunne, J., Barański, M.Z., Denaire. A, Lefranc, P. et al., 2020. Accurate compound-specific 14C dating of archaeological pottery vessels. Nature 580, 7804: 506-510.

Colombini, M.P &Modugno F., 2009. Organic mass spectrometry in art and archaeology. John Wiley & Sons.

Cramp, L.J.E, Bull, I.D, Casanova, E., Dunne, J., Roffet‐Salque, M., Whelton, H.L, Evershed, R.P., 2023. Lipids in Archaeology. Handbook of Archaeological Sciences, vol 1, pp 529-556.

Roffet-Salque, M., Dunne, J., Altoft, D.T., Casanova, E., Cramp, L.J.E, Smyth, J. Whelton, H.L, Evershed, R.P., 2017. From the inside out: Upscaling organic residue analyses of archaeological ceramics. Journal of Archaeological Science: Reports 16, 627-640.

Synal, H., Stocker, M., & Suter, M., 2007. MICADAS: A new compact radiocarbon AMS system. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research Section B: Beam Interactions with Materials and Atoms 259/1, 7-13.

Warinner, C., Richter K & Collins, M.J., 2022. Paleoproteomics. Chemical Reviews 122/16, 13401–13446.

Warinner, C., Speller, C. & Collins, M.J., 2015. A new era in palaeomicrobiology: prospects for ancient dental calculus as a long-term record of the human oral microbiome. Philosophical Transactions of the Royal Society B: Biological Sciences 370, 1660: 20130376.

L’autrice

Emmanuelle Casanova est post-doctorante au sein de l’UMR 7209 Archéozoologie et Archéobotanique : sociétés, pratiques et environnements, du Muséum national d’Histoire naturelle de Paris.



Citer ce billet
Emmanuelle Casanova (2023, 6 octobre). VARGAH « campements temporaires », un projet de pointe en archéologie biomoléculaire. Bioarchéologies. Consulté le 19 juin 2024, à l’adresse https://doi.org/10.58079/vwdg

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