Editat de Richard G. Klein, Universitatea Stanford, Stanford, CA și aprobat pe 25 iulie 2019 (primit pentru examinare 28 iunie 2019)

producția

Semnificaţie

Am găsit o modalitate necunoscută anterior de a produce gudron de mesteacăn. În loc să creeze structuri exigente din punct de vedere cognitiv (subterane sau în containere), această metodă constă în arderea pur și simplu a scoarței aproape de pietricele dintr-o vatră. Gudronul se depune pe pietre și poate fi răzuit pentru utilizare. Această abordare a interpretării gudronului timpuriu rezolvă misterul complexității tehnice timpurii asociate și încă neînțelese și oferă o cale „descoperibilă” către una dintre cele mai vechi pirotehnologii. Aceste rezultate au implicații pentru interpretarea noastră a gudronului de mesteacăn în evidența arheologică: Gudronul de mesteacăn din contextele arheologice timpurii nu mai poate indica prezența cunoașterii moderne și/sau a comportamentelor culturale în neandertalieni.

Abstract

Rezultate

Am efectuat experimente sistematice folosind condiții în aer liber care se produc ușor. În primul rând, am testat dacă se formează gudron în timpul arderii în timp ce scoarța de mesteacăn este încă atașată de lemn în spațiul porilor dintre scoarță și tulpină - când ramurile sunt doar parțial aprinse sau când scoarța desprinsă este plasată pe jar. Nu s-a observat nicio formare de gudron în aceste condiții, subliniind faptul că gudronul de mesteacăn nu este un produs secundar al focurilor de lemn de mesteacăn în aer liber.

Am testat apoi dacă gudronul se va forma atunci când arde coaja de mesteacăn (Betula pendula) singură, adică desprinsă din lemn. Această situație ar fi fost probabil frecventă în trecut, deoarece scoarța de mesteacăn este 1) o tind naturală (19) (care arde bine, chiar și atunci când este udă) și 2) ușor de colectat atât din copaci, fie (chiar mai ușor) din podelele pădurilor, unde scoarța de mesteacăn tinde să rămână recunoscută și utilizabilă pentru o perioadă de timp după ce miezul de lemn a putrezit deja.

Arderea scoarței de mesteacăn pe o suprafață de piatră nu a dat cantități de gudron recunoscute. Apoi, am ars coaja de mesteacăn pe partea laterală a unei pietre, adică lângă o suprafață dură subverticală. În această situație, s-a format un depozit negru strălucitor la interfața dintre piatră și flăcări (am folosit o varietate de pietricele de râu diferite cu suprafețe plane în timpul alergărilor succesive, inclusiv cuarț, calcar și nămol). Arderea scoarței de mesteacăn lângă astfel de pietre ar fi apărut frecvent în trecut și, de asemenea, am obținut rezultate similare folosind os în loc de piatră. Substanța aderentă a fost imediat lipicioasă la atingere și a rămas lipicioasă atunci când a fost răzuită de pe suprafața caldă. Din aceasta deducem că primul nostru obiectiv a fost deja atins: producția de gudron poate fi un rezultat accidental, și chiar posibil, al activităților de zi cu zi pentru orice grup care creează incendii cu mesteacăn.

Din această observație, am stabilit un protocol minim complex care să acumuleze materialul lipicios pe mai multe evenimente de ardere. Fiecare eveniment a repetat tehnica de bază, și anume, o bucată de scoarță de mesteacăn (care se rostogolește în mod natural) a fost aprinsă și arsă lângă o piatră de râu (flăcările scoarței de ardere au fost măsurate la 600 până la 700 ° C folosind un termocuplu). Pietrele au fost puse pe pământ pentru a oferi o suprafață plată, rotunjită, ușor deasupra scoarței de ardere, în cazul nostru formând unghiuri între ∼60 ° și ∼80 ° cu solul (Fig. 1 A și B). După repetarea acestei proceduri de ardere de 2 sau 3 ori, piatra a fost ridicată și materialul (negru și lipicios) (de acum înainte gudron) a fost răzuit de pe pietruită cu un instrument de piatră (un fulg mic produs independent, o abilitate care poate fi luată pentru Neanderthals) înainte ca procesul să fie repetat (Fig. 1C).

Fabricarea experimentală a gudronului de mesteacăn cu tehnica condensării. (A) Desen schematic al instalației experimentale: o piatră (1) cu o suprafață înclinată care depășește o bucată de scoarță de mesteacăn (2) este utilizată ca suport pentru condensarea gudronului de mesteacăn direct deasupra scoarței de ardere (3). (B) Fotografie făcută în timpul experimentării folosind configurația prezentată în A. (C) Fotografie a suprafeței pietruite unde gudronul poate fi răzuit și instrumentul de piatră utilizat pentru răzuire. (D) Fotografia unei bucăți de gudron de 0,62 g produsă într-o singură sesiune de 3 ore (inclusiv colectarea scoarței).

Se poate produce gudron cu scoarță tăiată din mesteacăn viu și/sau scoarță moartă preluată de pe podeaua pădurii. Pentru a evalua productivitatea acestei din urmă metode în ceea ce privește randamentul gudronului, am colectat scoarță de mesteacăn moartă (deoarece se acumulează mai ușor decât scoarța proaspătă) dintr-un transect de 20 m lungime cu o lățime de 4 m într-o zonă de pădure de mesteacăn de 80 m 2). Aceasta a dat 600 g de scoarță moartă într-un timp de colectare de 27 de minute. Când s-a ars cu tehnica de condensare, fiecare 100 g de scoarță moartă a dus la 0,18 g de gudron (calculat în medie din 3 măsurători: 0,11, 0,08 și 0,13 g de gudron de la 57,7, 59,5 și respectiv 60,2 g de scoarță). Într-un alt experiment, am obținut 0,1 g de gudron din scoarță moartă aproximativ la fiecare 25 de minute, folosind 1 pietrică în acel moment (în total s-au făcut 0,62 g în timpul acestui experiment; vezi Fig. 1D). În timp ce randamentul gudronului prin tehnica noastră de condensare este de 5 1/2 ori mai mic decât cu tehnica scoarței arse sub cenușă și jăratic - probabil cea mai simplă dintre cele mai complexe tehnici de condiții de reducere (2) - este totuși produsă cantități utile de gudron (vezi și mai jos) într-o perioadă de timp comparabilă. (Fabricarea gudronului cu tehnica condensării a fost filmată și poate fi văzută în filmul S1.)

Pentru a evalua adecvarea reală a metodei noastre de condensare pentru producția de gudron (și cantitățile produse în intervale de timp sensibile), am folosit gudronul nostru pentru a face un fulg de silex baltic și am efectuat 2 experimente folosind instrumentul, mai întâi într-un controlat, asistat de robot setarea (răzuirea lemnului) (Fig. 2A) și, ulterior, într-una actualistă (curățarea oaselor) (Fig. 2B). Pentru aceste experimente, am folosit 0,6 g gudron pur (neamestecat) care a fost produs prin metoda condensării (acumulată într-o singură sesiune de 3 ore, inclusiv timpul de colectare a materiei prime). Dispozitivul de împingere a constat într-un bit de piatră introdus și fixat de gudronul de mesteacăn (încălzit cu o flacără și picurat pe poartă) într-un cilindru de lemn (31,5 mm în diametru, 75 mm lungime) cu o fantă de 12 mm adâncime pe 1 capăt (7 mm lățime).

Analiza gudronului de mesteacăn produs prin tehnica condensării. (A) configurare experimentală folosind brațul robotului pentru răzuirea lemnului în condiții controlate. (B) Experiment de curățare actualist folosind același instrument cu mâner ca în A. (C) Trei fotografii făcute dintr-o singură probă în momente diferite în timpul unui test de forfecare, (stânga) 93,3 MPa înainte de deformarea plastică a gudronului; (Mijloc) 90,7 MPa la începutul deformării plastice; și (Dreapta) după eșecul gudronului. (D) Cromatograma gudronului produsă prin tehnica de condensare care prezintă biomarkeri și markeri ai tratamentului termic: 1 = lupa-2,20 (29) -dienă; 2 = α-betulină I; 3 = lupă-2,20 (29) -dien-28-ol; 4 = lupeol; 5 = betulin. RT, timpul de retenție.

Am programat brațul robotului (KUKA LWR 14) pentru a trage instrumentul cu mâner peste un panou de lemn sub sarcină verticală constantă (Fig. 2A). După fiecare lovitură, brațul a repoziționat instrumentul prin aer în același punct de plecare (Film S2). Am ales o lungime a cursei de 19 cm și o forță descendentă de 100 N și un unghi de lucru de 60 °. Întregul experiment al robotului a durat ∼19 min, cu un total de 170 de lovituri trase de brațul robotului; nu am observat nicio slăbire a legăturii adezive dintre piatră și bara acesteia.

Ulterior, același instrument cu mâner a fost reutilizat într-un experiment de tăiere manuală, desfăcând un fragment de femur de vițel lung de aproximativ 30 cm (spec. Bos). Scopul a fost de a îndepărta carnea și periostul rămas. Răzuirea transversală și mișcările de tăiere longitudinală, precum și piratarea au fost efectuate folosind presiunea maximă necesară pentru a finaliza defilarea. Obiectivul experimental a fost atins la ∼20 min, după care am curățat și inspectat critic manșonul. Nu am observat nicio detașare sau slăbire a gudronului care leagă instrumentul de piatră de mânerul său (experimentul a fost filmat și poate fi văzut în filmul S3). Astfel, gudronul produs cu tehnica de condensare este perfect utilizabil atât în ​​condiții de lucru controlate de laborator, cât și în condițiile de lucru din lumea reală, prezentând în același timp proprietățile adezive așteptate.

Discutie si concluzie

Se crede de multă vreme că producția de gudron de mesteacăn are loc exclusiv sub excluderea oxigenului (2), adică în condiții complexe tehnologic și/sau improbabile. Mediile de reducere permit conservarea mai multor componente chimice care altfel s-ar putea arde (5). Acest lucru i-a determinat pe mulți cercetători să propună producția de gudron de mesteacăn folosind sisteme de încălzire care creează condiții anaerobe în containere sau în subteran (de exemplu, „castel de lut”, coajă de ou, suporturi de cenușă, recipiente ceramice etc.; referințele 2, 8 și 27). Cu toate acestea, am constatat că se formează cantități utilizabile de gudron de mesteacăn în medii complet oxigenate, pur și simplu ca redispoziție pe o suprafață, în ceea ce numim metoda condensării. Procesul chimic de bază este probabil distilarea uscată ca și în cazul tehnicilor care utilizează condiții de reducere, deoarece componentele chimice ale gudronului tranzitează printr-o fază gazoasă înainte de condensarea la suprafață. Dacă este vorba de epuizarea oxigenului datorată arderii din apropiere sau pur și simplu de oxidare lentă - cinetica reacției care împiedică arderea gudronului nu poate fi decisă fără analize suplimentare.

Astfel, deși experimentele noastre nu elucidează chimia asociată cu producția de gudron prin metoda noastră de condensare, ele arată că crearea de sisteme anaerobe așa cum au fost descrise de autorii anteriori (a se vedea, de exemplu, ref. 5) nu sunt necesare pentru fabricarea gudronului. Identificarea gudronului de mesteacăn la siturile arheologice nu mai poate fi considerată ca un proxy pentru comportamentul uman (complex, cultural) așa cum sa presupus anterior (de exemplu, referințele 3, 14 și 28). Cu alte cuvinte, descoperirea noastră schimbă gândirea manualului (29, 30) despre ceea ce înseamnă producția de gudron.

După cum arată rezultatele noastre, producția de gudron nu necesită o cunoaștere complexă și nici o profunzime ridicată a planificării și poate proveni din simpla juxtapunere a 2 obiecte de zi cu zi pentru neanderthalieni (scoarță de mesteacăn și suprafețe de piatră sau os) derivate de la fabricarea/îngrijirea focului. În timp ce unele părți (producerea/îngrijirea focului - vezi dezbaterea actuală cu privire la faptul dacă neanderthalienii au fost capabili să producă focul [31, 32] - și, probabil, împiedicarea în sine) pot fi sau nu indicatori buni ai unei cunoașteri complexe, moderne, asemănătoare omului, tehnica condensării în sine nu este: o simplă repetare a aducerii a două obiecte în imediata apropiere și adunarea unei resurse se află în puterea cognitivă chiar și a maimuțelor neumane (33, 34). Deci, inteligența naturală (în loc de culturală) a neanderthalienilor ar fi putut să fie suficientă pentru ca metoda condensării să fie 1) inovată, posibil chiar de mai multe ori și 2) să fie păstrată în populații printr-un proces de „reinovații seriale mediate social” (35) . Acesta din urmă este în mod clar un caz de cultură minimă (36). Cu toate acestea, deoarece cultura minimă este foarte răspândită în regnul animal, aceasta se află nu numai în limitele abilităților asumabile ale neandertalienilor, ci și în cazul celor mai vechi hominini (37).

O întrebare mai distinctă este, totuși, dacă fabricarea gudronului de mesteacăn poate fi utilizată ca un proxy pentru capacitatea lui Neanderthal de a arăta „cultura cumulativă” (38). În cultura cumulativă, transmiterea culturală, prin copierea propriu-zisă a tehnicilor, mai degrabă decât prin reinnoirea mediată social, duce în mod necesar la trăsături dependente de cultură (39) - trăsături care nu pot sau sunt puțin probabil să fie reinnoite. Probabil că acest lucru nu este cazul producției de gudron folosind o metodă la fel de simplă ca metoda de condensare (vezi mai sus).

Această constatare este importantă, deoarece cultura umană modernă se bazează însuși pe trăsături dependente de cultură și se discută în prezent care hominine (și când și cât de des) au avut astfel de trăsături dependente de cultură (37, 40, 41). Pentru a arunca o lumină asupra acestor incertitudini încărcate cu implicații asupra evoluției umane, avem nevoie de o abordare bazată pe date a descoperirilor arheologice pentru a determina care și când prezintă semne că au fost dependente de cultură. În ceea ce privește producția de gudron, prezența gudronului numai în evidența arheologică nu mai poate fi considerată drept un caz sigur pentru trăsăturile dependente de cultură în hominini, deoarece metoda de condensare pe care o descriem pare chiar a fi metoda probabilă - potențial întotdeauna reinnovată serial, mai degrabă decât copiat - prin care neanderthalienii produceau gudron.

O perspectivă viitoare care ar permite să se facă lumină suplimentară asupra acestei ipoteze este compararea artefactelor cunoscute asociate cu gudronul de mesteacăn paleolitic cu materialul produs de propria noastră fabricare experimentală a gudronului. Într-adevăr, la Inden-Altdorf s-a găsit o piatră de gresie acoperită cu un gudron negru (care încă nu este confirmat că derivă din mesteacăn). Deși pietrișul este interpretat în prezent ca un recipient pentru colectarea gudronului într-o structură subterană (6), observăm asemănarea izbitoare cu pietrișurile acoperite cu gudron pe care le-am produs cu propria noastră tehnică de condensare (comparați fig. 1 B și C cu figura 3 în ref. 42). Astfel, deocamdată, datele arheologice disponibile nu contrazic ipoteza noastră și prezicem că viitoarea analiză detaliată a noilor descoperiri ar trebui să ne întărească interpretările despre fabricarea timpurie a gudronului de mesteacăn.

Descoperirile noastre nu conduc neapărat la concluzia că neanderthalienii nu au fost capabili să efectueze proceduri complexe și nici că nu au fost capabili de gândire abstractă sau de profunzimi înalte de planificare. De fapt, modernitatea neanderthaliană a fost argumentată în mod convingător, bazată pe o întreagă suită de comportamente (de exemplu, ref. 1). Observăm doar că, în știința arheologică în general, argumentarea pentru concepte abstracte precum modernitatea sau cunoașterea complexă în populațiile din trecut nu ar trebui să se bazeze doar pe modele extrem de interpretative ale căilor de producție ale descoperirilor materiale specifice. Ar trebui să se bazeze mai degrabă pe interpretarea etapelor efectiv efectuate, după cum se dovedește prin date arheologice directe. Dacă acest lucru nu este posibil, ca în cazul gudronului de mesteacăn, unde lipsesc încă dovezi directe ale tehnicii folosite de neanderthalieni, rezultatele noastre evidențiază faptul că singura interpretare viabilă a implicațiilor materialelor rămase este de a admite calea cea mai simplă posibilă prin care pot fi produse. Prin urmare, nu mai este posibil să se utilizeze fabricarea timpurie a gudronului de mesteacăn ca un proxy pentru comportamentele culturale complexe din neanderthalieni.

Metode

Brațul robotului.

Un braț robot industrial (KUKA LWR 14) a fost programat pentru a trage instrumentul cu curse drepte de 19 cm lungime peste un panou de lemn. După fiecare cursă, instrumentul a fost repoziționat prin aer în același punct de plecare. Forța descendentă a fost menținută la 100 N, iar unghiul de lucru între subteran și ridicare a fost menținut la 60 °. În total, au fost executate 170 de lovituri, ceea ce corespunde unei durate de ± 19 min.

Experimente de tăiere manuală.

Un femur de vițel lung de 30 cm, achiziționat de la un măcelar local după îndepărtarea preliminară a cărnii, a fost supus mișcărilor de tăiere și tăiere de către un bărbat în vârstă de 39 de ani, de 75 kg, care locuia în oraș (RI), cu scopul a îndepărtării restului de carne și a periostului în cel mai scurt timp posibil. Inițial, o tăietură longitudinală de-a lungul periostului a fost făcută folosind instrumentul longitudinal, urmată de mișcări de răzuire folosind instrumentul transversal. Pentru a detașa în cele din urmă periostul, a fost necesară o mișcare ușor violentă de hacking, mai ales că marginea instrumentului a fost estompată de experimentul anterior.

Încercări mecanice.

Testele de forfecare au fost efectuate folosind o mașină de testare universală Instron 4502 cu mâneruri de tracțiune suspendate cardanice, unde ture au fost montate vertical și trase în afară cu o viteză de 1 mm min -1. Turele au fost tăiate și măcinate cu precizie din spec. Populus cu grosimea de 4 mm. lemn de poli masurând 100 × 25,5 mm. Zonele de contact de măsurare de 25,5 × 12,5 mm (319 mm 2) au fost abrazate cu șmirghel de 100 gr. Testele au fost repetate de 10 ori.

Analiza chimica.

Pregătirea probelor și analizele GC și GC - MS au fost efectuate folosind metoda descrisă de ref. 22 și 43. Pe scurt, proba a fost măcinată și apoi extrasă în diclormetan de calitate HPLC (1 mg mL -1). Analizele GC și GC - MS au fost efectuate folosind un cromatograf din seria GC System Agilent Technologies 7890B, incluzând un kit de separare cu trei căi Agilent Technologies Capillary Flow-Technology, cuplat la un Agilent Technologies 5977A MSD și FID.

Mulțumiri

V. Schmid, S. Wolf și F. Lauxmann au contribuit la experimente și suntem datori lui B. Schürch. Mulțumim, de asemenea, lui R. L. Kelly pentru comentariile sale asupra manuscrisului.

Note de subsol

  • ↵ 1 Cui îi poate fi adresată corespondența. E-mail: patrick.schmidtuni-tuebingen.de .