Климатические факторы изменчивости изотопного состава азота и углерода (δ 13 С, δ 15 N) коллагена костной ткани человека эпохи бронзы северо-западного Кавказа и сопредельной степи

Анализ состава стабильных изотопов азота и углерода в коллагене костной ткани уже более 30 лет остается одним из основных методов исследования системы питания древнего человека ( Schoeninger et al. , 1983). Ключевой проблемой

• ¹    Работа выполнена при финансовой поддержке РНФ, грант №25-28-00585.

интерпретации таких данных является определение причин их вариаций, которыми в разной степени могут служить изменения в рационе питания, климатические и физико-географические факторы. Вариации в изотопных отношениях могут отражать смену пищевых предпочтений и носить характер выбора продуктов питания, т. е. быть субъективными, с точки зрения потребителя, но могут и не зависеть от него, находясь под воздействием других причин.

Ключевым фактором при интерпретации изотопных вариаций азота и углерода в природных и, соответственно, археологических объектах являются палеоэкологические условия. Поскольку природное соотношение растений с разной формой фотосинтеза зависит от степени аридности климата и солености почв, то чем суше регион, выше уровень засоленности почв и среднегодовые температуры, тем больше в растительном покрове растений типа С4, изотопный состав азота и углерода которых отличается от таких же показателей у растений С3 ( Collins, Jones , 1986; Tieszen et al. , 1979). Не намного, но, тем не менее, заметно при недостатке влаги может меняться и δ¹³С в растениях типа С3 ( Flohr et al. , 2011).

Соотношение изотопов азота (δ¹⁵N) относительно изотопов углерода (δ¹³С) в первую очередь отражает уровень животного или человека в трофической цепи. Чем выше соотношение, тем выше трофический уровень ( Hedges, Reynard , 2007). С понижением уровня осадков и ростом солености почв величина изотопа азота повышается. Таким образом, в разных климатических условиях одни и те же растения могут иметь разную величину изотопа азота (δ¹⁵N) ( Britton et al. , 2008; Heaton , 1987; Ambrose, Sikes , 1991; Hollund et al. , 2010; Schwarcz et al. , 1999; Liu et al. , 2014).

Это отражается и на изотопном составе азота и углерода консументов следующих уровней: растения – дикие/домашние животные – человек. Даже при сохранении состава и баланса основных продуктов питания величина изотопных соотношений азота и углерода в костной ткани отдельных индивидов может заметно различаться в зависимости от природных и геохимических условий региона, откуда такие продукты происходили.

Достоверность интерпретации изотопных данных и основанной на них реконструкции системы питания узколокальной группы индивидов (например, погребенных из одного могильника) можно оценить на фоне сравнительных данных, выходящих за пределы одной и даже нескольких природно-климатических зон.

При сопоставительном анализе изотопного состава азота и углерода в основных консументах пищевой цепи (от растений до животных/рыб/птиц) и, соответственно, человека с учетом условий их среды обитания степень важности природных факторов очень высока. Для такого анализа необходимо располагать значительной совокупностью культурно и хронологически упорядоченных изотопных данных, которые в идеале формируют подобие пунктирной трансекты, пересекающей при картировании образцов сменяющие друг друга ландшафтные и климатические зоны.

Наконец, при сравнительном анализе данных, относящихся к значительным по продолжительности хронологическим периодам, следует принимать в расчет возможность резких климатических изменений и соответствующее им смещение границ ландшафтных зон ( Motuzaite-Matuzeviciute et al. , 2016).

Такой подход к интерпретации различий изотопного состава азота и углерода в коллагене костных тканей представителей культур эпохи бронзы Северного Кавказа особенно важен с учетом его исключительных физико-географических условий. Особенности рельефа Предкавказской равнины и северного макросклона Большого Кавказского хребта в сочетании с различиями в уровне солнечной радиации и спецификой системы атмосферной циркуляции создают в этом регионе большое разнообразие климатов и ландшафтов. С учетом таких физико-географических факторов, как уровень осадков, температурный режим, характер почв, состав флоры и фауны, на Северном Кавказе выделяют 6 физико-географических провинций, каждая из которых включает несколько округов с различающимися между собой районами ( Чупахин , 1974. С. 104, 105. Табл. 3). Природные различия между основными физико-географическими провинциями настолько велики, что даже в условиях современного индустриального сельского хозяйства они определяют его локальную специализацию ( Батова , 1966). Естественно, что в эпоху бронзы едва видимые границы между физико-географическими провинциями оказывались для культур разной сложности пространственными барьерами в зависимости от характера традиционного хозяйственного уклада и уровня адаптивности к изменениям окружающей среды. Это отчасти объясняет сохранение культурных различий в пределах основных физико-географических провинций Северного Кавказа на протяжении всей эпохи бронзы и даже за ее пределами. С другой стороны, характер распространения памятников майкопской культуры эпохи ранней бронзы – через все физико-географические провинции узкой подгорной полосой от Азовского моря до Каспийского – сигнализирует о существовании в этой культуре тонко настроенной системы жизнеобеспечения, избирательно адаптированной к стабильному сочетанию ограниченного количества физико-географических условий.

Другой особенностью майкопской культуры является ее относительное типологическое единообразие в пределах всего ареала, за исключением его северо-западной окраины, где сформировался новосвободненский локальный вариант, с оригинальным комплексом керамики и мегалитических погребальных сооружений. У этого локального варианта есть и специфическая физико-географическая характеристика. В то время как большинство памятников майкопской культуры находятся сегодня на открытых пространствах подгорной равнины, новосвободненские курганы и единственное из известных поселение расположены в зоне широколиственных лесов западно-кавказского низкогорья.

До сих пор остается неясным, в какой степени локальное археологическое и физико-географическое своеобразие новосвободненского варианта отражает различия в образе жизни, включая систему питания, этого горного населения от жителей майкопских поселений на Предкавказской равнине. Работа над комплексным сравнительным анализом систем питания «майкопского» населения различных ландшафтных зон еще не завершена.

В этой статье на примере изотопного состава коллагена костей погребенных в могильнике эпохи ранней бронзы Клады (Адыгея, Северо-Западный Кавказ) рассматриваются возможные подходы к оценке степени влияния климатического фактора на вариабельность изотопного состава азота и углерода (δ13С, δ15N) в костных тканях человека майкопской культуры.

Образцы, сравнительная база данных, подходы, методика

Курганный могильник Клады располагается в низкогорной области Северо-Западного Кавказа в окрестностях станицы Новосвободная и относится к числу эталонных памятников майкопской культуры. Памятник был открыт в 1898 г. Н. И. Веселовским и практически полностью раскопан в 80-е гг. прошлого века А. Д. Резепкиным (Отчет ИАК за 1898 г., 1901; Резепкин , 2012). С 2013 по 2023 г. на памятнике проводились дополнительные исследования совместной экспедиции ИИМК РАН и ГИМ. Из сохранившегося антропологического материала могильника доступными для изотопного анализа оказались только 11 костей человека. Кроме этого, база изотопных данных, привлеченная к сравнительному анализу, включает результаты измерений 45 археологических образцов костей диких (кабан, олень, косуля) и домашних (крупный и мелкий рогатый скот) животных из погребений могильника Клады, захоронений эпохи бронзы в предкавказской степи и из слоев эпохи энеолита – бронзы поселения Гуамский грот; людей из погребений майкопской (26 образцов), дольменной (25 образцов), ямной, новотитаровской и катакомбной (57 образцов) культур второй половины IV – III тыс. до н. э., а также костей современных домашних и диких животных (12 образцов) из ключевого региона исследования – низкогорной зоны в районе могильника Клады.

В целом, для Северо-Западного Кавказа и сопредельной с ним степи создана база данных, включающая около 200 измерений изотопного состава азота и углерода в археологических и современных фоновых образцах (полностью база данных будет опубликована в отдельной работе).

Археологические образцы представляют основные региональные культуры V–II тыс. до н. э. от Калмыкии и Нижнего Дона до Черноморского побережья. Несмотря на территориальную неравномерность распределения археологических и фоновых образцов, они покрывают по 300-километровой линии север – юг основные климатические и физико-географические зоны, включая засушливые районы степи, Прикубанскую низменность, предгорные, среднегорные и приморские районы Северо-Западного Кавказа (рис. 1).

В основе общего методического подхода исследования лежит предположение, согласно которому одновременное изменение изотопного состава азота и углерода в коллагене костей диких и домашних животных и костях человека

Рис. 1 (с. 294). Северный Кавказ и сопредельная степь. Локализация археологических памятников, выбранных для анализа состава стабильных изотопов δ13С, δ15N

1 – Кудахурт; 2 – Кисловодск, Три Камня; 3 – Занозина балка; 4 – Нежинская; 5 – За-манкул; 6 – Горячеводский 2; 7 – Шепси; 8 – Шепси, поселение; 9 – Иноземцево; 10 – Гно-копсе; 11 – Колихо; 12 – Гуамский грот; 13 – Мешоко, грот; 14 – Лиманов Кут; 15 – Хаджох; 16 – Клады (Новосвободная); 17 – Костромская, 1897; 18 – Растегаев; 19 – Марченкова Гора; 20 – Мысхако; 21 – Синюха; 22 – Псенафа; 23 – Уашхиту; 24 – Б. Петропавловский; 25 – Чекон; 26 – Пластуновский 1; 27 – Кирпили-11; 28 – Олений 1; 29 – Лебеди 1; 30 – Зо-лотаревка 1; 31 – Манджикины 1; 32 – Айгурский 2; 33 – Ипатово 3; 34 – Шарахалсун 6; 35 – Анапская 1; 36 – Батуринская 1; 37 – Приазовская 1; 38 – Яшкуль; 39 – Чикалда; 40 – Темрта 4; 41 – Песчаный 5; 42 – Сухая Термиста 1; 43 – Улан 4

одной региональной культуры, с одной стороны, и климатических условий области происхождения образцов, с другой, будут свидетельствовать в пользу существования объективной зависимости между ними.

Согласно рабочей гипотезе, если изменения климатического фактора будут коррелировать только с изменением изотопных соотношений азота и углерода в костях животных, а изменения изотопного состава азота и углерода в костях человека будут следовать другой траекторией, то такой тренд будет, скорее всего, отражать изменения в системе питания человека и, таким образом, указывать на определяющую роль культурного фактора. Если станет очевидной зависимость между изменениями изотопного состава азота и углерода в костях животных и человека и климатическими вариациями, тогда ведущим драйвером таких изменений будет природный фактор.

При таком подходе составляющие природного регионального контекста и динамика его изменений становятся важными при интерпретации анализируемых изотопных данных. Учитывая, что годовой уровень осадков в различные археологические эпохи в разных областях Северо-Западного Кавказа и сопредельной степи реконструирован крайне фрагментарно, за основу были приняты результаты статистической обработки метеорологических наблюдений на этой территории за последние 100 лет (Научно-прикладной справочник…, 1990). В анализ были включены показатели уровня годовых осадков для всех микрорайонов происхождения образцов, в которых было измерено соотношение стабильных изотопов углерода и азота, а также ряд сопутствующих физико-географических характеристик, включая среднегодовую температуру, высоту над уровнем моря и климатическую зону по Кеппену – Гейгеру ( Köppen, Geiger , 1961).

Мы исходили из того, что общее соотношение распределения осадков между различными природно-климатическими зонами (в отличие от их количества) в древности соответствовало или было близко к современному. Такое допущение не влияет на выявление общих трендов корреляции, но позволяет определить отклонения от нормы, сигнализирующие о возможных климатических или пищевых изменениях.

Таким образом, общий алгоритм работы включал определение изотопного состава азота и углерода 11 индивидов майкопской культуры из могильника Клады и сравнительный анализ результатов измерения соотношения стабильных изотопов углерода и азота в археологических и современных образцах костей животных (овец) и человека других культур из общей сравнительной базы данных на фоне основного климатического фактора – годового уровня осадков.

Две трети образцов были исследованы в геохимических лабораториях ГЕОХИ РАН и ИИМК РАН. Атомарное соотношение стабильных изотопов углерода и азота в коллагене всех образцов, включенных в базу данных, соответствует приемлемому диапазону 2,9–3,6 ( DeNiro , 1985). Часть результатов заимствована из публикаций ( Hollund et al. , 2010; Knipper et al. , 2020; Reinhold et al. , 2024).

Результаты анализа

Результаты измерений количества стабильных изотопов углерода и азота в костных образцах 11 человек из 9 погребений могильника Клады (Адыгея, Северо-Западный Кавказ) приведены в табл. 1. Соотношение изотопов углерода и азота вычислены для всех образцов, кроме № 4 и 6, где количество изотопов азота не установлено.

Таблица 1. Могильник Клады (Адыгея, Северо-Западный Кавказ). Результаты измерений изотопного состава азота и углерода (δ13С, δ15N) в костных тканях погребенных

№	Памятник	Пол, возраст	Образец	δ13С, ‰	δ15N, ‰	С/N
1	Клады, Царская, к. 1, п. 3, инд. 2?	взр.	кость трубч.	-18,06	11,98	3,0
2	Клады, Царская, к. 1, п. 3, инд. 1	М, взр.	кость трубч.	-19,2	12,15	3,2
3	Клады, Царская, к. 1, п. 3, инд. 1	М, взр.	кость трубч.	-17,5	12,15	3,1
4	Клады, Царская, к. 2	взр.	кость трубч.	-17,8
5	Клады, к. 28, п. 1	М, взр.	зуб М1	-18,4	13,1	3,1
6	Клады, к. 29	взр.	кость трубч.	-19,2
7	Клады, Царская, к. 1, п. 4, инд. 1	М, взр.	кость трубч.	-19,7	10,4	3,2
8	Клады, Царская, к. 1, п. 4, инд. 2	М, взр.	кость трубч.	-20,2	10,1	3,2
9	Клады, к. 11, п. 43	Ж, взр.	кость трубч.	-20,0	8,3	2,9
10	Клады, к. 11, п. 48	М, взр.	кость трубч.	-19,9	9,7	3,1
11	Клады, к. 11, п. 50	М, взр.	кость трубч.	-20,2	8,8	3,1
12	Клады, к. 11, п. 54	М, взр.	кость трубч.	-20,2	9,2	3,2

Результаты измерений демонстрируют довольно близкие количественные показатели изотопов углерода и менее однородные – изотопов азота. Интервал вариаций изотопного состава углерода δ13С составил от -17,5 до -20,2 ‰, азота δ15N от 8,3 до 13,1 ‰.

Сравнительный анализ этих данных с изотопным составом азота и углерода в коллагене костей индивидов майкопской культуры из сопоставительной базы данных показывает, что индивиды из могильника Клады близки к самой северной группе майкопских погребений из Ставропольского края и Ростовской области ( Шишлина и др. , 2015). При этом следует отметить, что диапазон колебаний изотопа углерода δ¹³С у всех представителей майкопской культуры относительно невелик: от -16,1 до -20,5 ‰, что почти вдвое меньше диапазона колебаний изотопа азота δ¹⁵N: от 6,6 до 15,2 ‰. При сортировке результатов измерений с учетом широтной географической локализации образцов проявляется заметная тенденция относительно равномерного роста количества изотопов азота с изменением широтной локализации с юга на север (рис. 2).

EfST 'T ^нияижйне|/\| 8T-3 '9 нЛэи-exedem 3T-Z '9 HAaBBXEdEm

£-g '9 HADBExedErn 9T-ZZ 'Z MMBDdAjMV ST-ZZ 'Z MMxadAjMV

9-V 'g оао±Еии

S8T-Z '£ оаохвии

E8T-Z '£ оаснвии П-SZ 'T BxaadEioBog 8-E 'Z nMxotfoaahBdoj 9-E 'Z HMxaWoaahBdoj g-£ 'Z иияэta^loaэhвdoJ £-£ 'Z MMBOtfoaahBdoj £-£ 'Z MMBot/oaahBdoj pt 'вяввд ЕНИЕОНВ£ gy-g 'ввяэнижэн e9Z-Z 'АхихтЕД OZ-T 'вЛянвиее OZ-T 'i/AxHBWBg

ЗТ-Т 'ехсяниэ 3T-T 'ехснниэ t u 'idAxBtfA»

VS 'и 'TT 'я 'iqtfEi/}| OS ’u 'и -я 'iqtfEi/» 8V ‘U 'тт я 'iqtfEBH £V 'u 'ТТ я 'iqtfEB^ dj v‘u 'l 'я 'BExodstl 'iqWEBN dj v’u 'l 'я 'BExadBh 'iqWEir»

Z V E’u 'I VE’u 't tfE'u 'T

63 -Я 'аУев»

I -u '83 я 'и^вв» •я 'веяэбеУ] 'iqtfEB^ •я 'веяэбе'п 'aWeb» •я 'BeBodeft 'aWeb^ ■я 'вEяэdE^lп 'аУевя

VT '±Ая аонвшщ/ иэиэт

Рис. 2. Изменение изотопного состав азота и углерода (δ¹³С, δ¹⁵N) в коллагене костных образцов людей эпохи ранней бронзы с учетом широтной локализации образцов с юга на север. Северо-Западный Кавказ, майкопская культура ( красной прямоугольной рамкой выделены образцы из могильника Клады)

Рис. 3. Изменение состава стабильных изотопов азота и углерода (δ13С, δ15N) в коллагене костной ткани овец эпохи бронзы с учетом широтной локализации образцов с юга на север: Северный Кавказ и предкавказская степь

Такая же тенденция прослеживается по результатам измерений стабильных изотопов азота и углерода в коллагене костей мелкого рогатого скота эпохи бронзы (рис. 3): диапазон колебания изотопа углерода δ¹³С составляет от -20,36 до -15,1 ‰ при отсутствии тренда к изменению в широтном направлении, тогда как изотопный состав азота демонстрирует постепенное увеличение по мере более северной локализации образцов: δ¹⁵N от 5,45 до 14,7 ‰ ( Шишлина и др. , 2015).

Сохранение близких соотношений изотопов углерода и постепенный рост δ15N в коллагене мелкого рогатого скота по мере их удаления к северу от нижне-горий Северо-Западного Кавказа, где расположен могильник Клады, имеет вид четко выраженного тренда. Это отчетливо отражается в графическом представлении при широтном распределении всех результатов измерений соотношения изотопов углерода и азота в костных образцах людей эпохи бронзы с территории Северного Кавказа и сопредельной степи (рис. 4).

Рис. 4. Изменение изотопного состав азота и углерода (δ13С, δ15N) в коллагене костных образцов людей эпохи ранней бронзы с учетом широтной локализации образцов с юга на север. Северный Кавказ и предкавказская степь

В конкретных физико-географических условиях этих регионов изменения в широтной локализации образцов соответствуют изменениям их климатической зоны, для которых одной из главных характеристик является уровень годовых осадков. Влажность снижается от предгорий к засушливым прикаспийским степям и полупустыням, причем на Северо-Западном Кавказе и Азово-Кубанской равнине уровень осадков выше, чем в других районах Северного Кавказа за счет близости Черного моря (рис. 5) ( Занина , 1961; Чупахин , 1974; Staneva, Stanev , 1998).

Если на график распределения результатов измерения стабильных изотопов азота и углерода с учетом их широтной локализации наложить график распределения количества годовых осадков, соответствующих локализации образцов, то нетрудно заметить, что на фоне заметного сокращения уровня осадков (от 1270 до 255 мм в год) в направлении с юго-запада на северо-восток отмечается постепенный рост δ15N при значительно меньших и нерегулярных колебаниях δ13С (рис. 6).

Интерпретация результатов и заключение

Сравнительный анализ вариаций соотношения изотопов углерода и азота в коллагене костей людей и мелкого рогатого скота из могильника майкопской культуры Клады в предгорьях северо-западного и других регионов Северного Кавказа и сопредельной степи на фоне широтных изменений годового уровня осадков в разных природно-климатических зонах выявил положительную корреляцию между изменением величин δ¹⁵N и региональными изменениями годового уровня осадков. Было установлено, что с уменьшением уровня осадков приблизительно от 1270 до 255 мм в год δ¹⁵N резко увеличивается от 7 до 17 ‰, в то время как углерод δ¹³С демонстрирует слабо выраженную тенденцию к уменьшению – приблизительно от -20 до -18,5 ‰. Эти количественные показатели изменения изотопного состава азота и углерода отражены на диаграмме (рис. 6) и в целом соответствуют крайним значениям на графических линиях трендов δ¹⁵N и δ¹³С (рис. 6). Такая корреляция, вероятнее всего, отражает известную тенденцию увеличения δ¹⁵N у всех субъектов пищевой цепи в аридной среде обитания по сравнению с лесной или лесостепной зонами ( Ambrose, Sikes , 1991; Heaton , 1987; Hollund et al. , 2010; Shishlina et al. , 2012; Knipper et al. , 2020). В образцах костей человека эта тенденция проявляется заметнее, чем в костях овец, что, вероятно, связано с более высоким трофическим уровнем человека.

В соответствии с уровнем осадков выделяются четыре относительно однородных по показателю δ¹⁵N группы образцов из разных природно-климатических зон (рис. 6):

– Черноморского побережья;

– северного и южного склонов западной части Кавказского хребта;

– степного Прикубанья;

– Ставропольской возвышенности, Кумо-Манычской впадины и Прикаспийской низменности.

Вместе с тем, в каждой из групп есть одиночные показатели, аномально отклоняющиеся от среднего группового уровня количества изотопов. Интерпретация таких отклонений не всегда может быть однозначной и во многом зависит

Рис. 5. Карта распределения годовых осадков на Северном Кавказе и сопредельной степи (адаптировано по: Чупахин , 1974)

Рис. 6. Зависимость между распределением результатов измерения стабильных изотопов азота и углерода с учетом их широтной локализации и распределением количества годовых осадков, соответствующих локализации образцов

E -st        СМ         О         00         CO         ^        CM от хронологического, культурного и природно-климатического контекста образца. Наиболее очевидными отклонениями от средних групповых значений выглядят высокие показатели δ15N в костях погребенных из могильника Клады (локальный вариант майкопской культуры) – от 8,3 до 13,1 ‰. Это можно было бы интерпретировать как результат употребления пока неизвестных нам продуктов с высоким содержанием d15N. Как показало исследование изотопного состава современных и археологических плодов (желудь, воробейник, лещина, грецкий орех, груша, фезалис, каштан) эпохи бронзы и раннего железного века из предгорий северного и южного Кавказа и восточного побережья Крыма изотопные соотношения азота в таких продуктах могут быть высокими: δ15N = 10,60 ± 5,76 (Шишлина и др., 2021). Но следует принять во внимание, что вариабельность этого показателя чрезмерно велика для надежной интерпретации.

Однако отсутствие в радиоуглеродных измерениях образцов костей человека и животного из одного и того же комплекса признаков «резервуарного эффекта» ( Трифонов и др. , 2017) противоречит предположению о рыбном компоненте в системе питания, а регулярное потребление растительных продуктов с высоким азотом не согласуется со значительно более низким уровнем изотопов азота в образцах из той же природно-климатической зоны, где расположен могильник Клады. Можно было бы предположить миграцию из более засушливых областей, но этому противоречит изотопный состав стронция в зубах людей с «высоким азотом», указывающий на их местное происхождение. Возможной причиной «азотной аномалии» могут быть не столько изменения в рационе питания, сколько климатические изменения и сдвиг ландшафтных границ. Согласно па-леопочвенным анализам, в конце IV тыс. до н. э. могильник Клады располагался не в лесной, как сегодня (рис. 7), а в лесостепной зоне с годовым уровнем осадков на 150–200 мм ниже современного ( Калинин и др. , 2017). Таким образом, причиной высокого содержания изотопа азота в коллагене костей погребенных майкопской культуры из могильника Клады могут быть именно аридные условия окружающей среды, а дополнительным фактором – потребление пока неустановленных (возможно, диких) растительных продуктов с высокими соотношениями изотопа азота.

В целом, отмеченную корреляцию и, вероятно, зависимость между сокращением уровня годовых осадков и повышением в костной ткани человека и животных величины изотопа азота при одновременном незначительном изменении содержания изотопов углерода, следует учитывать в прикладных исследованиях систем питания древнего человека. Конкретно для Кавказского региона это может означать, что, несмотря на выявленные вариации содержания азота, система питания людей в предгорьях могла быть такой же, как у населения на северной окраине предкавказской степи. Таким образом, анализ данных подтверждает выдвинутую рабочую гипотезу о необходимости учета влияния природно-климатических факторов на изотопный состав консументов разного уровня.

KPACHOJ

СТЛВРГМОЛЬ

(ГОВОРОВ клады, зг

ЧЕРКЕСР

ШЛИ

СОЧИ

РОСТОВ-на-ДОН'!

200 км

Рис. 7. Современные границы ландшафтных зон на Северо-Западном Кавказе (адаптировано по: Чупахин , 1974)