Анализ стабильных изотопов углерода и азота в раковинах наземных брюхоногих моллюсков из мезолитических слоев пещеры двойная на Северо-Западном Кавказе

Естественно-научные методы получают все более широкое применение в археологических исследованиях. Одним из методов реконструкции экологических условий прошлого является анализ стабильных изотопов, особенно при исследованиях культурных напластований, насыщенных остатками добычи древнего человека. Анализ стабильных изотопов углерода 13C/12C (обычно выражаемых в виде S13C) и азота 15N/14N (S15N) в коллагене костей из археологических памятников и погребений давно используется для реконструкции диеты. Установлено, что коллаген костей хищников и травоядных животных различается по изотопному составу, так же как и коллаген костей морских и наземных хищников (Kelly, 2000; Hedges et al., 2006). Разный изотопный состав имеют также остатки растительноядных животных, диета которых содержит растения с разным типом фотосинтеза. Согласно исследованиям, ткани растений, имеющих С4 и CAM пути фотосинтеза, более обогащены тяжелым изотопом углерода 13C относительно С3-растений (O’Leary, 1988). Такие растения произрастают преимущественно в засушливых (аридных) местообитаниях. Закономерность между изотопным составом растительности, условиями увлажнения и содержанием δ13С в раковинах выявлена и для наземных брюхоногих моллюсков. Так, в более засушливых условиях в их рационе преобладают С4-растения, в результате чего происходит обогащение раковин 813С. А в более влажных условиях, наоборот, обеднение (Googfriend, 1988; Googfriend, Ellis, 2000). Такая же закономерность установлена между количеством осадков и содержанием δ15N в тканях растений - в более засушливых условиях содержание S15N увеличивается, а в более влажных уменьшается (Swap et al., 2004; Hartman, Danin, 2010). Таким образом, данный метод позволяет реконструировать динамику режима увлажненности.

Цель данной работы заключается в реконструкции динамики режима увлажненности на основе анализа стабильных изотопов углерода и азота в раковинах наземных брюхоногих моллюсков из мезолитических слоев пещеры Двойная.

Описание памятника

Пещера Двойная находится в 9 км к западу-юго-западу от станицы Барака-евской Мостовского района Краснодарского края и расположена на левом берегу р. Губс (левый приток р. Ходзь), на высоте 46 м над уровнем воды в реке (803 м над у. м.). Пещера состоит из двух соседних полостей - малой (восточной) и большой (западной), не соединяющихся между собой. Пещера открыта П. У Аутлевым в 1962 г. ( Аутлев , 1962; Аутлев, Любин , 1994. С. 13), им был заложен шурф перед восточным гротом, где были найдены артефакты, относящиеся к каменному веку. Полученные данные не были опубликованы, со временем забыты, коллекции утеряны. В 2007 г. во вновь обнаруженной пещере Е. В. Беляевой был поставлен шурф в центре западного грота, где частично вскрыты культурные отложения эпохи мезолита, залегавшие «in situ» под мощным горизонтом обвала ( Леонова , 2011).

Начиная с 2008 г. раскопки ведутся в западном гроте пещеры Двойная под руководством Е. В. Леоновой. Площадь раскопа составляет примерно 20 м². К настоящему моменту на памятнике выделено три культурных слоя, имеющих свои структурные особенности и отличия в комплексах каменного инвентаря, хотя полностью толща еще не исследована ( Леонова и др. , 2013).

Выявлена следующая стратиграфия (рис. 1):

• 1.    Рыхлая толща современных и, вероятно, позднесредневековых отложений, представляющих собой многочисленные тонкие золистые, углистые, супесчаные прослойки, небольшие линзы глины и извести, отложившиеся в результате неоднократного посещения пещеры, которая, вероятно, использовалась как временное убежище от непогоды охотниками, в качестве загона скота и т. п. Мощность слоев – 0,4–1 м. Под линией входа в пещеру в профилях читаются следы столбовых ямок.

• 2.    Темно-коричневый суглинок с единичными расщепленными кремнями, костями животных и раковинами моллюсков Helix spp. Представлен локально: на западном профиле у выхода и на восточном профиле (центральной оси пещеры) отсутствует. Верхняя граница маркируется тонкой прерывистой углистой прослойкой (0,01–0,02 м) с неровными нижней и верхней границами. Мощность слоя – от 0,08 до 0,25. В центральной части пещеры (северный профиль) мощность резко уменьшается до 0,04 м, и слой здесь залегает непосредственно на монолитной глыбе известняка.

• 3.    Завал из крупных блоков известняка (ближе к входу в пещеру более мелкие обломки и щебень, в центральной части – крупный монолитный блок) – от 0,2 до 0,95 м. На контакте с подстилающим слоем 4 – более мелкие обломки известняка с коричневым суглинком и большим количеством раковин моллюсков Helix spp.

• 4.    Более темный, чем нижележащий слой, коричневый суглинок с щебнем и большим количеством раковин моллюсков Helix spp. и отдельными угольками – 0,1–0,6 м (верхний мезолитический слой). Ближе к выходу зафиксировано несколько линз с раковинами моллюсков Helix spp. мощностью до 0,2 м.

• 5.    Более светлый, чем перекрывающий и подстилающий слои коричневого суглинка, слой со щебнем и большим числом осколков костей и костного тлена, отдельными угольками, с тончайшими углисто-золистыми и белесыми (разложившийся известняк?) прослойками. Общая мощность слоя – от 0,05 до 0,25 м. Верхняя и нижняя границы частично маркированы небольшими углистыми прослойками мощностью до 0,01–0,02 м.

• 6.    Слой серо-коричневого суглинка со щебнем, отдельными угольками, раковины Helix spp. немногочисленны, в центральной части у выхода слой 6 пока не обнаружен. Максимальная мощность слоя – до 0,25 м. От нижележащего слоя отделен тонкой прослойкой мелкого щебня, в северной части раскопа эта прослойка превращается в белесый суглинок (разложившийся известняк?), а южнее, ближе к выходу, залегают крупные обломки известняка.

• 7.    Серо-коричневый тонкослоистый суглинок, чередуются более светлые и более темные прослойки. Видимая мощность слоя – до 0,3 м.

Верхний (первый) культурный позднемезолитический слой ассоциируется с четвертым и пятым литологическими слоями, второй раннемезолитический слой сопряжен с шестым литологическим слоем, третий культурный верхнепалеолитический слой соотносится с седьмым литологическим слоем. Ориентировочно позднемезолитический слой.

Наибольшее количество раковин брюхоногих моллюсков Helix spp . залегает в нижней части слоя 3 среди обломочного материала и в слое 4, где зафикси-

Рис. 1. Профиль раскопа в пещере Двойная с проекциями глубин отбора образцов рованы в привходовой части пещеры скопления раковин моллюсков Helix spp., некоторые из них насчитывали более 5 000 раковин на площади 1,5 м2. В слоях 5 и 6 количество раковин немного уменьшается, а в слое 7 было обнаружено всего 3 раковины моллюсков Helix spp. Ориентировочно возраст слоев может быть намечен несколькими радиоуглеродными датировками. Из отложений, залегающих сразу под слоем обвала, было получено три даты в пределах 10,2–8,3 тыс. лет назад (Леонова, Александрова, 2012. С. 26), указать в настоящий момент конкретные слои, согласно приведенной стратиграфии, затруднительно, поскольку образцы были отобраны из шурфа, заложенного в центре пещеры Е. В. Беляевой в 2007 г., который пока не соединен с раскопом. Для второго мезолитического слоя (слой 6) получено три даты в диапазоне от 11,8 до 8,3 тыс. лет назад (Леонова и др., 2013. Рис. 1).

Материал и методы

Субфоссильные раковины Helix spp. были отобраны из литологических слоев 3–6 пещеры Двойная. Раковины собирались в процессе последовательных зачисток раскопа поквадратно, мощность снятий не превышала 2–3 см, но диапазон глубин залегания в пределах одного образца составляет до 30, что связано с естественными перепадами древних поверхностей (рис. 1). Для сравнения в непосредственной близости от памятника были собраны раковины современных виноградных улиток в августе 2012 и 2013 гг.

Для изотопного анализа была выделена органическая часть раковин, для одной пробы отбиралось по 20–25 раковин. Всего было исследовано 10 мезолитических и 2 современных образца.

Раковины были очищены от загрязнений в дистиллированной воде с использованием мягкой щетки. Выделение белка проводилось по модифицированной методике Лонджина ( Longin , 1971) и ДеНиро ( DeNiro, Epstein , 1978). Для выделения органического матрикса раковины выдерживали в 1М-растворе соляной кислоты НСl при 4 °С до полного растворения карбоната. Осадок переносили в пластиковую пробирку (объемом 50 мл) и отмывали от кислоты дистиллированной водой до pH 4,6–4,7. Затем к осадку добавляли 25 мл раствора соляной кислоты НСl (с pH 2,5) и выдерживали при 85 °С в течение суток. После центрифугирования жидкость с растворенным белком аккуратно сливали в стеклянные пробирки и помещали в термостат до полного высыхания. Навески сухого белка были сделаны в тройной повторности; средний вес навески составил 1500 мкг. Анализ стабильных изотопов углерода и азота проводили на масс-спектрометре Thermo Finnigan Delta V Plus на IRMS в сочетании с элементным анализатором Thermo Flash 1112 (ИПЭЭ РАН, Москва). Содержание изотопов углерода и азота выражено в δ (‰) и представляет собой отклонение от международного стандарта (атмосферный азот или VPDB):

SX (%) = [(R1бразец/Rстaндaрт) - 1] X 1000, где Х – это элемент (азот или углерод), а R представляет собой отношение более тяжелого изотопа к более легкому. Анализ образцов проводился относи- тельно референтного газа (N2 и CO2), откалиброванного относительно стандартов МАГАТЭ (глутаминовая кислота USGS 40, δ15N = –4,5; δ13C = –26,389 и глутаминовая кислота USGS 41, δ15N = +47,6; δ13C = +37,626). В качестве рабочего лабораторного стандарта использовали ацетанилид (δ15N = –4,75; δ13C = –26,78). Стандартное отклонение δ13C и δ15N в USGS 40 (N = 8) составило менее 0,2‰. Во всех образцах было определено изотопное соотношение 13C/12C и 15N/14N, а также атомное соотношение C/N.

Результаты и обсуждение

Согласно исследованиям ДеНиро, посвященным изучению степени сохранности белка в костях из археологических памятников ( DeNiro , 1985), белок хорошей сохранности имеет атомное соотношение C/N в интервале от 2,9 до 3,6. Атомное соотношение C/N наших образцов варьировало в диапазоне 3,2–6,7 для субфоссильных раковин. Атомное соотношение C/N в белке из современных раковин, собранных в августе 2012 г., составило 4,9 (табл. 1), что отражает не очень хорошую сохранность белка. Это можно объяснить тем, что в тот полевой сезон были собраны посмертные раковины моллюсков. В августе 2013 г. удалось обнаружить одного живого моллюска. Атомное соотношение C/N в белке из этой раковины составило 3,3.

Согласно результатам изотопного анализа, все древние образцы раковин моллюсков более обогащены тяжелым изотопом углерода ¹³С, чем раковины современных моллюсков (рис. 2). Наибольшее количество δ¹³С зафиксировано в образцах № 3 (скопление раковин при входе в пещеру), 5 (низ десквама-ционного горизонта между слоями 4 и 5 и верхняя часть слоя 5) и 8 (нижняя часть слоя 5): – 19,43‰, – 19,4‰ и – 19,33‰ соответственно. Самым облегченным по δ¹³С из субфоссильных образцов оказался образец № 6 (22,66‰), отобранный из слоя 5.

Образец № 3 обозначен на графике, но не включен в общую кривую, так как сложно достоверно определить стратиграфическую позицию раковин из скопления при входе в пещеру уже за капельной линией. Скопление (полностью не раскрыто) представляет собой линзу (видимая мощность до 40 см), состоящую из светло-коричневого суглинка, щебня и раковин моллюсков Helix spp., без внутренней стратификации. На наш взгляд, оно образовалось в результате периодической эвакуации мусора из пещеры и\или частичного переотложения культурных остатков в результате эрозии. Последний фактор мог привести к обратной стратиграфии в пределах линзы, когда более древние отложения перекрывают более молодые.

В целом схожий график получился по данным содержания δ15N. Наименее обогащенные изотопом азота δ15N оказались современные образцы (2,95‰ и 5,3‰), а также образцы № 2 (низ слоя 4), 6 (слой 5) и 9 (низ слоя 5?): 4,12‰, 3,38‰, 4,24‰ соответственно (рис. 3). Максимальное содержание изотопа азота δ15N зафиксировано в образце № 8 (14,65‰), отобранном в нижней части слоя 5.

Рис. 2. Динамика содержания δ13С в органическом матриксе раковин субфоссильных и современных виноградных улиток

Как отмечалось выше, атомное соотношение C/N у семи из десяти субфос-сильных образцов было выше 3,6 (табл. 1). Для полноты картины на графиках мы приводим все полученные данные, параллельно построив две кривые: одну, включающую данные всех образов, и другую с хорошей сохранностью белка. В целом общая динамика колебаний режима увлажненности, реконструируемая по всей совокупности данных и по образцам с атомным соотношением C/N в пределах от 2,9 до 3,6, совпадает (рис. 2, 3).

Несмотря на отличие в атомном соотношении C/N (3,3 и 4,9), значения δ¹³С двух современных образцов очень близки – – 24,01 и – 24,59 ‰ соответственно. Значения δ¹⁵N этих современных образцов различались гораздо сильнее (5,30 и 2,95 ‰ соответственно). Мы предположили, что в этом случае динамика δ¹³С достовернее отражает изменение условий увлажнения исследованного микрорегиона в период 11,8–8,3 тысяч лет назад. Как было сказано выше, существует обратная зависимость между количеством осадков и содержанием δ¹³С и δ¹⁵N. На основе динамики значений δ¹³C можно предположить, что формирование изученных на данный момент отложений происходило в более засушливых условиях (относительно современных). По количеству осадков Мостовской район относится к зоне избыточного увлажнения, по данным European Climate Assessment and Dataset ( http://eca.knmi.nl ; Klein Tank et al. , 2002),

Рис. 3. Динамика содержания δ15N в органическом матриксе раковин субфоссильных и современных виноградных улиток

Таблица 1. Содержание стабильных изотопов углерода и азота в раковинах виноградных улиток (образцы приведены в хронологической последовательности)

№ образца Слой δ13С, ‰ ± SD δ15N, ‰ ± SD Атомное соотношение C/N Современные сборы 2013 г. –24,01 ± 0,01 5,3 ± 0,02 3,3 Современные сборы 2012 г. –24,59 ± 0,09 2,95 ± 0,07 4,9 1 Низ слоя 3 + верх слоя 4 (к. с. 1) –21,44 ± 0,20 6,26 ± 0,20 4,2 2 Слой 4 –22,25 ± 0,06 4,12 ± 0,10 3,6 3 Слой 4 (прирезка) –19,43 ± 0,12 5,95 ± 0,07 3,2 4 Слой 4, низ –21,79 ± 0,05 11,5 ± 0,69 6,7 5 Слой 4, низ –19,36 11.3 6,1 6 Слой 5 –22,66 ± 0,21 3,28 ± 0,46 5,1 7 Слой 5 –21,65 ± 0,21 11,4 ± 0,05 5,2 8 Слой 5, низ –19,33 14,65 5,4 9 Ниже слоя 5 (в завале) –20,93 ± 0,28 4,24 ± 0,45 3,5 10 Слой 6 –21,30 ± 0,02 6,25 ± 0,02 4,5 современная среднегодовая сумма осадков в исследуемом регионе составляет 762 мм (Майкоп).

При этом формирование 4-го и 5-го слоев происходило при несколько большем количестве осадков, а наиболее засушливые условия фиксируются на уровне контакта четвертого и пятого, а также пятого и шестого слоев.

Отчасти полученные данные подтверждаются стратиграфией. Реконструируемые на основе изотопного анализа наиболее засушливые условия сопряжены с горизонтами десквамации (образцы № 1, 5, 9 (рис. 1)).

Таким образом, анализ стабильных изотопов позволил наметить несколько осцилляций влажностного режима в раннем голоцене в предгорьях Северо-Западного Кавказа на протяжении примерно трех тысяч лет. Применение этого вида анализа представляется перспективным для изучения материалов первобытности и реконструкции природной среды. Накопление новых данных позволит скорректировать полученные результаты, а расширение географических рамок – проследить более общие закономерности взаимосвязи развития и смены культур на фоне климатических изменений.