Evidencia geoquímica orgánica de humanos

May 04, 2023

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 7119 (2023) Citar este artículo

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Entre las preguntas pendientes sobre el surgimiento del fuego controlado por el hombre está la recurrencia sistemática entre los restos geoquímicos del fuego y su preservación en el registro arqueológico, ya que el uso del fuego se considera un hito tecnológico, especialmente por su importancia en la cocción de alimentos, defensa estrategias y calefacción. Aquí informamos biomarcadores de lípidos fósiles asociados con la combustión incompleta de materia orgánica en el sitio de Valdocarros II, uno de los sitios achelenses europeos más grandes en España que data de la etapa isotópica marina (MIS) 8/7 (~ 245 kya) que permite un análisis multiproxy de humano -Uso controlado del fuego. Nuestros resultados revelan casos aislados de hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH) altamente concentrados y diversos y PAH alquilados (APAH), junto con triterpenoides derivados de coníferas de diagnóstico en dos estructuras arqueológicas similares a hogares. La presencia de subproductos de la combustión sugiere la presencia de incendios antropogénicos (controlados) en Valdocarros, una de las evidencias más antiguas del uso del fuego en Europa, en asociación con herramientas y huesos achelenses. Los homínidos posiblemente usaron el fuego para dos actividades principales, como medio de defensa contra los depredadores y para cocinar. Nuestros resultados ayudan a delinear mejor las principales lagunas en nuestro conocimiento actual sobre el fuego controlado por humanos en el contexto del Pleistoceno medio en Europa y sugieren que los ancestros humanos pudieron controlar el fuego antes de al menos 250 kya.

El fuego controlado es un hito tecnológico en la historia de la evolución humana. Nuestra comprensión del control de incendios tiene un impacto directo en lo que significa ser 'humano'. Distinguió a nuestra especie de otros animales porque nos llevó a extendernos a regiones mucho más frías, desarrollar poderosos implementos defensivos y aumentar la ingesta calórica frente a los alimentos cocinados1,2. Los hogares arqueológicos in situ, que pueden incluir carbón vegetal, biomasa o sedimentos alterados por el fuego, o características carbonizadas en artefactos, proporcionan evidencia directa de fuego controlado por humanos. Por lo general, los sitios arqueológicos ubicados en cuevas conservan mejor los artefactos y hogares en comparación con los sitios al aire libre, que están expuestos a condiciones meteorológicas que podrían erosionar la evidencia en llamas. Sin embargo, el estudio del fuego en medio de la evolución humana sigue siendo controvertido debido a las dificultades para identificar posibles residuos del hogar en el registro arqueológico debido a la diagénesis y la reelaboración espaciotemporal1.

La evidencia más antigua que relaciona a los homínidos con los incendios se descubrió en África con una edad estimada de 1,5 Ma en la cueva de Swartkrans (Fig. 1), Sudáfrica, donde se registraron 270 huesos quemados3. En GnJi 1/6 en Chesowanja 1,42 Ma, se identificaron arcillas termoalteradas, y en FxJj 20 Main en Koobi Foora (ca. 1,6 Ma) en Kenia, que contiene sedimentos oxidados. Sin embargo, el uso controlado del fuego en estos lugares ha sido ampliamente cuestionado4. Recientemente, en FxJj 20 AB en Koobi Foora, Kenia, (ca. 1,5 Ma), un estudio informó evidencia de fragmentos líticos, sedimentos y óseos alterados térmicamente utilizando análisis FTIR5. Otro sitio problemático es 8E Gadeb (1,45–0,7 Ma) en Etiopía, donde se registraron piedras con signos de alteraciones térmicas6. Más tarde, ca. 1 Ma, en la cueva Wonderwerk (Sudáfrica) la evidencia de fuego está indicada por la presencia de restos de plantas cenizas y huesos quemados asociados con herramientas achelenses7.

Cronología que muestra algunos de los sitios de incendios más informativos desde Europa hasta Asia. El código de colores muestra aproximadamente el continente/país y la extensión temporal del sitio arqueológico.

Fuera de África, la evidencia clara más temprana de incendios antropogénicos se ha registrado en el Cercano Oriente. En Israel, en el sitio achelense al aire libre de Gesher Benot Ya'aqov (790 ka) se registraron plantas carbonizadas y líticas térmicamente alteradas en varios niveles8. En la cueva de Quesem, que data de 420–200 ka, se identificaron cenizas de madera derivadas de una chimenea asociada con huesos quemados y líticos quemados9, y en la cueva de Tabun, que data de 357–324 ka, se registraron numerosos pedernales quemados10.

En Europa, entre MIS 13 y MIS 9, es ampliamente aceptado que el uso del fuego fue continuo11,12, y algunos autores relacionan el control del fuego con la expansión de la tecnología achelense en Europa, ca. 500–600 ka13. Se han descrito varios yacimientos con diferente evidencia: Vertesszollos (Hungría) cerca de 350 ka posibles fogones y huesos quemados14; Menez-Dregan 1 (Francia) con chimeneas asociadas a carbones y herramientas quemadas (alrededor de 465 y 380 ka)15,16; La Grande Vallée (Francia) con pedernal quemado17; Terra Amata (Francia) carbón vegetal y material quemado18; Bilzingsleben (Alemania) fechado entre 350-320 ka y 414-280 ka, con acumulaciones de restos calcinados formando áreas semicirculares19; y Schöningen (Alemania) con posibles fogones, sedimentos quemados y madera; Beeches Pit (Inglaterra) fechado en MIS 11 con pedernales quemados, huesos y sedimentos alterados térmicamente en áreas de ca. 1 m220, y Gruta da Aroeira (Portugal), fechada ca. 400 ka, con subproductos de la quema21.

Desde aproximadamente el MIS 9, se ha descrito una amplia evidencia del uso del fuego al aire libre y en cuevas22. En el este de Asia en Zhoukoudian, el nivel 4 con fecha de 292–312 ka (TL) contiene alguna evidencia del uso de fuego in situ23; Maastricht-Belvédère (Países Bajos), fechada en 250 ka y asociada a la industria del Paleolítico Medio24, concentró varios fragmentos alterados por calor en dos grupos que sugerían una estructura potencial para la combustión al aire libre, aunque Roebroeks25 propone un origen natural para tales concentraciones; en La Cotte de Saint Brelade (Jersey), con una cronología, ca. 230 ka, altas densidades de hueso quemado estaban presentes en las capas C y D aunque no hay evidencia de fogones26 con un conjunto lítico asociado al Paleolítico Medio Tardío26.

En la Península Ibérica, antes del MIS 13, se encontraron evidencias indirectas de incendios antropogénicos en el nivel TE19 G en el yacimiento de la Sima del Elefante (Atapuerca, Burgos), con una cronología inferior a 780 Ma, y consistía en fragmentos dispersos de carbón y industria lítica ausente27. En la Cueva Negra del Río Quípar (Murcia), fechada ca. 990–772 ka, se encontraron huesos alterados térmicamente y escamas y núcleos de pedernal rotos por calor con solo un hacha de mano28,29,30. La Gruta da Aroeira (Portugal) del Pleistoceno medio registró incendios controlados por humanos, que datan de ca. 400 ka, en asociación con el Tecnocomplejo Achelense21. La Cueva de Bolomor (Valencia) del Pleistoceno Medio-Tardío documenta un uso reiterado del fuego por la presencia de fogones en los niveles II, IV, XI y XIII, en este nivel los fogones datan del MIS 7c (228 ± 53 ka por AAR)31 . Dichos restos quemados y depósitos sedimentarios termoalterados se encontraban en la posición primaria y la tecnología lítica se enmarca dentro del Paleolítico Medio Antiguo, tecnocomplejo no achelense31. En el yacimiento Abrigo de la Quebrada (Valencia), niveles con industria del Paleolítico Medio, fechados entre 40.500 y 83.200 AP, se registró un alto porcentaje de fragmentos de carbón vegetal32.

El yacimiento de Valdocarros II (Madrid, España, Fig. 2A,B), está situado en la unidad estratigráfica II del Complejo Terraza de Arganda en el valle del río Jarama en la cuenca del Tajo, con evidencias de ocupación humana que datan de un rango entre 235 y 285 kya (MIS 7/8)33,34,35 y la racemización de aminoácidos (AAR) 254 ± 47 ka, 262 ± 07 ka) edades33,34,35 (Fig. 2E). El sitio es una de las pocas localidades del Pleistoceno medio que tiene asociaciones documentadas de huesos y herramientas de piedra achelense en diferentes niveles36. Previamente se identificó una secuencia de 19 terrazas en este valle37. Estas terrazas, de tipo escalonado y encaramado aguas arriba, se superponen con las más antiguas, dando lugar al Complejo Terraza de Arganda (en adelante CTA) (Fig. 2B) sobre el que se asienta la actual llanura de inundación35,37,38. El CTA se compone de secuencias fluviales sucesivamente apiladas, denominadas de abajo hacia arriba Arganda I, II y III (Fig. 2E), que coinciden con las terrazas + 30–32 m, + 23–24 m y + 18–20 m, respectivamente35 ,39. El sitio es una de las pocas localidades del Pleistoceno medio que tiene asociaciones documentadas de huesos y herramientas de piedra achelense en diferentes niveles36.

Área de estudio y ubicación de la muestra. (A) Ubicación geográfica de Valdocarros en España, Madrid. (B) Litología y geomorfología. (C) Vista aérea de la gravera del Complejo Terraza de Arganda (CTA) y solar de Valdocarros 2. (D) Evolución del paleomeandro de Valdocarros 2 en unidades overbank anteriores. (E) Estratigrafía, cronología y muestreo. Esta figura fue hecha usando ArcGis 10.6.1. https://www.esri.com/fr-fr/arcgis/products/arcgis-desktop/resources por David Uribelarrea.

La evidencia geológica en Valdocarros II muestra que estaba ubicado en un meandro abandonado que erosionó las unidades de desbordamiento anteriores (Valdocarros 1 o I) correspondientes a una llanura aluvial de cientos de metros de ancho (Fig. 2C). La estratigrafía paleomeandro (Valdocarros 2 o II, Fig. 2D)) consta de depósitos de carga de fondo (barra puntual) rellenos con cuatro unidades fluviales de limo y arcilla de baja energía, cada una de 30 a 50 cm de espesor. Cada capa de Valdocarros II entierra un nivel arqueológico achelense designado de abajo hacia arriba 1, 2, 3 y 4, respectivamente (Fig. 2E), lo que demuestra que Valdocarros II estuvo ocupado al menos cuatro veces. El pequeño tamaño de grano de sus sedimentos y la falta de estructuras de erosión indican un ambiente de muy baja energía. El nivel 2, que cubre la estructura de combustión, tiene una textura franco limosa compuesta por 26% arcilla, 33% limo, 25% arena muy fina, 6% arena fina y 8% arena media, por lo que se formó por decantación en aguas tranquilas. Por lo tanto, la asociación de micromamíferos refuerza también el entorno de baja energía. Los homínidos recolectaron huesos y cadáveres de vertebrados, así como herramientas líticas y materias primas para crear otras nuevas, y partes de cadáveres de grandes mamíferos fueron procesadas con dichas herramientas40. La industria achelense se caracteriza por la presencia de hachas de mano, hachas en lascas y picos triédricos, generalmente de pedernal y cuarcita36. La planicie de inundación concentra recursos hídricos y bióticos, y dentro de ella, la depresión formada por el meandro abandonado (Fig. 2D) y su bosque de galería ofrecen un ocultamiento extra. Grupos de humanos regresan repetidamente al mismo lugar, probablemente atraídos por la cercanía a un río que les proporciona recursos bióticos y abióticos y la protección de meandros de depresión refugio únicos en el paisaje36.

Trabajos previos en la cuenca del Jarama centrados en el tiempo de Valdocarros sugieren que los cambios en el clima y la vegetación documentados en ese período se correlacionan con el clima y la vegetación modernos característicos de la Meseta central de la Península Ibérica41,42. Según la herpetofauna del sitio, el clima durante Valdocarros fue oceánico en los períodos fríos y mediterráneo en los períodos cálidos, con una temperatura de + 3 °C y –1 °C respectivamente, con respecto al presente43. La malacofauna recuperada del sitio era moderadamente tolerante al frío y altamente tolerante a las condiciones semiáridas41, pero el contexto ecológico de este entorno sigue sin restricciones.

Presentamos aquí un análisis combinado de biomarcadores lipídicos de sedimentos de soleras del nivel 1 (Figs. 2E, 3A,B) en su mayoría y del nivel 2, así como 5 muestras representativas de cada unidad fluvial en Valdocarros II. Junto con las reconstrucciones climáticas existentes alrededor de la cuenca del Jarama y el análisis de la tecnología achelense, Valdocarros II proporciona una nueva perspectiva sobre el surgimiento del uso del fuego controlado por humanos y los patrones de uso local de la tierra y dinámicas de comportamiento de los homínidos en el contexto del Pleistoceno Medio. Nuestro análisis revela la presencia de subproductos de combustión (quema) que sugieren la presencia de incendios antropogénicos (controlados) en Valdocarros II (Fig. 3B), algunas de las evidencias más antiguas de uso del fuego en Europa. El material quemado consiste en madera y carbón. Estos hallazgos se realizaron en el meandro abandonado y dos horizontes de ocupación separados en asociación con huesos y herramientas achelenses.

Localización de muestras y hogares en Valdocarros II (V-II). (A) Mapa de Valdocarros II Capa sedimentaria 1 y distribución espacial de industria lítica, bifaces y huesos. (B) fotos tomadas durante el trabajo de campo de los hogares individuales (1,2,3,4,11,7,8). (Las fotos y distribución espacial fueron realizadas por Joaquín Panera y Susana Rubio-Jara).

Los biomarcadores vegetales se utilizan ampliamente para reconstruir la vegetación y el (paleo)clima en ambientes antiguos. Esta es la primera aplicación de biomarcadores en el yacimiento de Valdocarros en España. Todas las muestras de Valdocarros produjeron un número significativo de n-alcanos homólogos que se extendían entre C16 y C33 (Figs. 4A y 5). Todas las muestras muestran una distribución dominada por homólogos impares de cadena larga y cadena corta (ACL: longitud de cadena promedio44,45) = 29.5) (Fig. 5E,F), indicativa de entradas mixtas de plantas C3-C444,45, 46. El proxy biomolecular Paq (proporción de lípidos de macrófitos en relación con macrófitos y lípidos terrestres46, Fig. 5A) indica la proporción de macrófitos sumergidos y flotantes frente a macrófitos emergentes y plantas terrestres. Las muestras de Valdocarros tienen un índice Paq acuático entre 0,1 y 0,8 (Fig. 5A), que corresponden a macrófitas emergentes y flotantes como las del género Typha. Las muestras de Hearth-1 (H-1; muestras #27, 28, 19, 17, 16) muestran los valores más altos correspondientes a macrófitos sumergidos. Además, el Palg (proporción de lípidos de algas [nC17 + nC19] en relación con los lípidos de algas y plantas terrestres [nC17 + nC19 + nC29 + nC31]) indica las proporciones de entrada de algas, los valores más altos significan más entrada de algas. Las muestras de Valdocarros tienen un Palg ratio47 inferior a 1 (Fig. 5D) e indican una baja presencia de materia orgánica de algas, excepto las muestras de H-1 que muestran valores en torno a 0,8 que indican un mayor aporte de algas. Se ha indicado que la relación nC33/nC31 muestra cambios en la abundancia de pastos (valores más altos, más pastos)48,49. Nuestra relación muestra valores que van desde 0,1 a 0,6, los valores promedio más cercanos a 0,6 sugieren una menor abundancia de pasto48.

Histogramas que representan los principales lípidos identificados en los análisis de GC-MS de 3 fracciones de polaridad. (A), porcentajes de los n-alcanos; (B), porcentajes de n-alcanoles; (C), porcentajes de ácidos n-alcanoicos.

Parcelas proxies geoquímicas de Valdocarros II en el Valle del Jarama. (A) Paq, relación de lípidos macrófitos (n-C23 + n-C25) en relación con los lípidos macrófitos y terrestres (n-C23 + n-C25 + n-C29 + n-C31) (< 0,4 = sin macrófitos; 0,4 a 1 = macrófitos emergentes; > 1 = macrófitos flotantes). (B) Pr/Ph, pristano a fitano (valores más altos más condiciones óxicas). (C) C33/C31: Proporción de n-C33 a n-C31, (valores más altos, más pastos). (D) Palg: proporciones de lípidos de algas (n-C17 + n-C19) en relación con los lípidos de algas y plantas terrestres (n-C17 + n-C19 + n-C29 + n-C31) valores más altos, más entrada de algas). (E) ACL = ∑(Cn × n)/∑(Cn) Longitud de cadena promedio de abundancias de n-alcanos individuales. (F) CPI = [∑impar(C21-33) + ∑impar(C23-35)]/(2∑par C22-34) Índice de preferencia de carbono, indicativo de la abundancia de longitudes de cadena de carbono impares sobre pares (CPI más bajos a menudo indicativo de degradación microbiana o maduración de la muestra). (G) TARFA: proporción de ácidos n-alcanoicos terrestres y acuáticos que refleja la importancia de las fuentes terrestres y acuáticas (C24 + C26 + C28)/(C14 + C16 + C18) (valores más altos, mayor aporte terrestre). (H) API: el índice de conservación del alcohol utiliza solo n-hexacosanol y n-nonacosane (valores más altos más condiciones hipóxicas).

Se ha sugerido que la proporción de n-hexacosanol (n-alcohol C26) y n-nonacosano (n-alcano C29) (llamado índice de conservación del alcohol [API]) es indicativa de cambios en la oxigenación del agua de fondo50,51. Nuestros valores API oscilan entre 0,1 y 0,8 (Fig. 5H), los valores medios superiores a 0,4 sugieren condiciones hipóxicas y los valores inferiores a 0,2 condiciones óxicas50. Por lo tanto, interpretamos que Valdocarros era un ambiente intermitentemente anegado, situado cerca de un río perenne con meandros que cambiaban estacionalmente a lo largo de su planicie de inundación.

El pristano y el fitano se derivan de la cadena lateral del fitol de la clorofila45,52,53. Las condiciones redox influyen en la vía diagenética, promoviendo la conversión de fitol en fitano; mientras que las condiciones óxicas promueven la conversión de fitol a pristano53. Los valores de Pr/Ph de menos de uno (< 1) indican una deposición anóxica; por el contrario, valores de Pr/Ph por encima de uno indican deposición óxica. En Valdocarros, todos los sedimentos muestreados tienen relaciones Pr/Ph de 0 a 1 (Fig. 5B), además de la muestra #26 (carbón) que tiene un valor de 3.2. Interpretamos los bajos valores generales de Pr/Ph como evidencia molecular corroborativa de condiciones de formación de suelo frecuentemente anegadas en Valdocarros que también subrayan la intención (es decir, la previsión) requerida para mantener una quema continua, aunque la humedad del suelo puede haber sido utilizada paradójicamente para controlar la extensión del fuego54,55.

La fracción de polaridad intermedia de los extractos de Valdocarros muestra una distribución bimodal típica de ácidos n-alcanoicos de cadena media y larga (C16:0-C18:0 y nC24:0-nC32:0, respectivamente) (Fig. 4C) con un par -predominio demasiado impar, que es consistente con una mezcla de fuentes de plantas C3 acuáticas y terrestres. Los ácidos grasos de cadena más larga (nC26:0-nC32:0) se originaron en plantas superiores y su abundancia es relativamente baja. Las cadenas más cortas nC14:0, nC15:0, C16:0 y C 18:0 son producidas por todas las plantas y organismos, aunque son dominantes en algas/plantas acuáticas y bacterias56. La relación terrígena a acuática (TARFA) es la relación entre la concentración de ácidos grasos de cadena corta y de cadena larga y determina la materia orgánica acuática versus la terrestre57. Los valores más altos de TARFA indican un aumento de las fuentes terrígenas de materia orgánica lipídica en relación con las fuentes acuáticas. Nuestros valores TARFA (Fig. 5G) son bajos, lo que demuestra que en el sitio de Valdocarros el aporte de materia orgánica acuática/algal fue predominante57. Sin embargo, las abundancias relativas de C16:0 y C18:0 son muy bajas en comparación con las cetonas.

Se detectaron cetonas de cadena media (en el rango de C31 a C35) en sedimentos en Valdocarros. La presencia de estas moléculas está asociada con reacciones de descarboxilación cetónica en ambientes ricos en arcilla a temperaturas de 450 °C58,59,60,61. La presencia de estos compuestos ofrece evidencia directa de que la grasa se calienta a temperaturas relativamente altas62. Durante las reacciones de descarboxilación cetónica, dos grupos funcionales de ácido carboxílico se convierten en un grupo carbonilo, más dióxido de carbono y agua61. Curiosamente, estudios previos sobre la quema de madera de pino no han identificado componentes cetónicos en incendios sin huesos ni carne animal63. Las cetonas de cadena media también se encuentran en residuos moleculares de "incendios óseos", en los que el propio hueso sirve como combustible64,65,66.

La condensación de dos ácidos grasos C16:0 forma una cetona C31 (K31), y la condensación de dos ácidos grasos C18:0 forma una cetona con 35 carbonos (K35)62. La figura 6 muestra que en todos los casos la relación C16:0/C18:0 es menor que la relación K31/K35; demostrando así que las altas temperaturas fueron alcanzadas por la mayoría de las muestras de Valdocarros II, debido a que a mayor temperatura se forman cetonas de cadenas más largas por las reacciones de descarboxilación cetónica. Estos sugieren que en Valdocarros II se ha producido un calentamiento de los sedimentos. Los sedimentos mostraron enrojecimiento y oscurecimiento alcanzando hasta unos pocos centímetros de profundidad. Esta característica ha sido registrada a partir de múltiples estudios en paleofuego y experimentos de laboratorio63,64. Más evidencia molecular de fuego en Valdocarros, como diácidos de cadena más corta, a saber. el 9,10-dihidroxiestearato de metilo y el ácido undecanodioico también son indicadores de la combustión ósea64,67,68. Las muestras del Hogar-11 (n.º 9 y n.º 25) mostraron la relación K31/K35 más alta (Fig. 6), lo que probablemente indica que el Hogar-11 quizás se usó para cocinar carne. Las muestras de Hearth-7 mostraron una relación K31/K35 ligeramente alta en comparación con la relación C16:0/C18:0.

Histogramas que comparan la proporción de abundancia relativa de cetonas de cadena media (K31 y K35) y la proporción de abundancia relativa de ácidos grasos libres (C16:0 = ácidos palmíticos y C18:0 = ácido esteárico).

Previamente se han encontrado evidencias de la presencia de hidrocarburos aromáticos policíclicos (PAH) y PAH alquilados (APAH) en muestras de sedimentos arqueológicos asociados con actividades de quema69. Se detectaron PAH y APAH en diferentes cantidades en la mayoría de las muestras de Valdocarros II (Fig. 7). La fuente más prominente y ubicua de PAH y APAH es la combustión incompleta de biomasa (como madera y huesos)70. La mayoría de las muestras revelaron abundancia de PAH de 3 y 4 anillos y APAH de metil y dimetil de 2 y 3 anillos que son indicadores de quema de madera (Fig. 8). Se detectaron di- y metil-fenantrenos, di- y metil-antracenos, fenil-naftaleno, pireno y fluoreno. Todos estos compuestos son indicativos de la combustión de materia orgánica y su coexistencia es un indicador de procesos pirolíticos. No se detectaron antraceno ni fenantreno en ninguna muestra, probablemente debido a la combustión incompleta de la madera y los huesos71. Los APAH fueron más abundantes que los PAH, lo que es indicativo de un fuego de baja temperatura71 y probablemente es un indicador de quema incompleta debido a temperaturas que no superan los 350-500 °C, así como los APHA de 3 anillos son los más abundantes, que son características de fuego de baja temperatura que arde alrededor de 100–150 °C71. Las abundancias de PAH y APAH difieren entre las muestras debido al carácter heterogéneo de las muestras y la ubicación, las muestras de Hearth-1 y la muestra n.º 26 muestran las mayores abundancias tanto de APAH como de PAH. Nuestra evidencia de Hearth-1 y las muestras # 26 muestran que los homínidos llevaron a cabo actividades de quema en lugares específicos. Los sedimentos de fondo (L-1, L-2, L-3, L-4) no muestran la presencia de APAH ni de PAH (Figs. 7 y 8).

Histogramas que comparan las abundancias relativas de PAH y APAH de muestras recolectadas en Valdocarros II en la cuenca del Jarama.

Histogramas que comparan la suma de APAHs de muestras recolectadas en Valdocarros II en la Cuenca del Jarama.

Las muestras del Hogar-1 y la muestra n.º 26 mostraron la presencia de 18-norabieta-8,11,13-trieno, 10,18-bisnorabieta-5,7,9(10),11,13-pentaeno que son productos de degradación del diterpenoide ácidos que indican quema de madera de coníferas (Figs. 9, 10)72,73. Solo las muestras del hogar-1 y la muestra n.° 26 registraron abundancias altas de 10,18-Bisnorabieta-5,7,9(10),11,13-pentaeno, y los sedimentos de fondo mostraron abundancias muy bajas de dichos compuestos. Esta evidencia respalda que en Valdocarros II Hearth-1 los primeros homínidos estaban calentando madera de coníferas. También se ha identificado Friedelan-3-one en todas las muestras, y es característico de las plantas superiores74,75. La presencia de isómeros del ácido di-hidroxi-hexadecanoico (como el 16-hidroxi-hexadecanoato) es un componente importante en las acículas de coníferas y se ha identificado en muchas muestras de Valdocarros II76,77. Nuestros resultados sugieren que probablemente los homínidos estaban quemando madera de coníferas en Valdocarros II.

Histogramas que comparan las abundancias relativas de triterpenos de muestras recogidas en Valdocarros II en la cuenca del Jarama.

Resumen de la vía de degradación del ácido abiético producido por plantas gimnospermas. Esta figura fue realizada por Lavinia Stancampiano.

Además, la co-ocurrencia de n-ácidos saturados mayores de C18, n-alcanoles mayores de C17, diácidos, dihidroxiácidos, cetonas de cadena larga, n-alcanos, norabietanos y APAH y PAH demuestran que en Valdocarros II hubo fuegos controlados por humanos, y que en particular Hearth-1 era un fuego controlado por humanos probablemente hecho por la combinación de madera de coníferas y huesos/carne.

Hemos encontrado ergosta-5,22-dien-3-ol y ergosta-7,22-dien-3-ol en todas las muestras de Valdocarros II. Estudios previos identificaron dichos compuestos en el hongo de la descomposición de la madera (xilófago)78,79,80. Las abundancias más altas se encontraron en las muestras #28 (del hogar-1) y la muestra #9 (del hogar-11), lo que sugiere una presencia general de hongos en Valdocarros con una intensificación localizada en los hogares más grandes. Estos resultados sugieren que los primeros homínidos en Valdocarros estaban quemando material de árboles pre-caído y podrido por hongos, en lugar de recién cortado. A su vez, el uso de madera muerta por parte de los homínidos ofrece una visión única de las prácticas de alimentación para la selección de recursos y la utilización del paisaje, que de otro modo sería 'invisible'.

El análisis de la fracción lipídica polar aclara las condiciones paleoambientales en el yacimiento de Valdocarros II. Los principales n-alcoholes presentes en los extractos de lípidos son n-alcanoles de cadena larga que van desde C24 a C32 y muestran un fuerte predominio de longitudes de cadena de carbono uniforme (Fig. 4B). Las longitudes de cadena C24, 26, 28 y C30 con números pares más largas son típicas de los aportes acuáticos y terrestres (Fig. 4B), y se ha encontrado n-alcohol C24 en el fitoplancton de agua dulce81,82. Las microalgas producen alcoholes de cadena larga, los n-alcoholes C26 y C28 son producidos por Eustigmatophyceae82 de agua dulce. Nuestra evidencia de Valdocarros II muestra un fuerte aporte de materia orgánica acuática respaldado por la alta proporción de n-alcanoles de cadena larga que normalmente producen las algas. Esto es siguiendo los datos geológicos y sedimentológicos que indican un meandro abandonado36. Además, estudios de herpetofauna43, micromamíferos83 registraron la presencia de Castor fibre y Arvicola aff. Sapidus84,85 indica la presencia necesaria de agua corriente y humedad. Nuestros análisis de biomarcadores, combinados con estudios previos42,43,83, pueden inferir que el entorno de Valdocarros II probablemente estaba rodeado de bosques y vegetación de ribera, probablemente pocos arbustos y pocos pastos.

El uso del fuego, junto con la fabricación de herramientas de piedra, es uno de los desarrollos más importantes de toda la evolución humana11,12,86. Con esto en mente, el manejo del fuego implica múltiples facultades cognitivas y conductuales: conocimiento conceptual intensivo del entorno (p. ej., para obtener combustible relevante), predicción de los requisitos del fuego (p. ej., ubicación), la capacidad de (re)encender la combustión y la existencia de cooperación económica básica vía interacción social, ya que la obtención de combustible tiene un costo energético87,88,89.

Antes de MIS 13 (ca. 528 ka), la evidencia del uso del fuego es indirecta (por ejemplo, interpretación de patrones en la dispersión de fragmentos de carbón en la Sima del Elefante nivel TE19 G27; hueso y lascas alteradas por calor en Cueva Negra del Río Quípar28,29, 30) y no presenta indicios de incendios a largo plazo o uso repetido del hogar. En Europa, algunos autores sugirieron que entre MIS 13 y MIS 9 (ca. 528–334 ka) el uso del fuego controlado por humanos era común en toda la región ibérica11,12. Barsky13 sugiere además que el uso controlado del fuego se asoció con la expansión regional del tecnocomplejo de Acheulean, ca. 500–600 kya, aunque la mayoría de los sitios arqueológicos de Acheulean no muestran evidencia sólida de hogares.

En este marco, había huesos quemados agrupados en Vérteszöllöos (Hungría) en un nivel con proto-hachas de mano14, aunque James et al.6 consideraron que las características térmicas frente a las manchas minerales podrían deberse a la diagénesis inducida por el clima; chimeneas asociadas con carbones y herramientas quemadas en Menez-Dregan 1 (Francia), una cueva marina, fechada ca. 465 y 380 ka por ESR, con hachas de mano al menos en el nivel 715,16; pedernal quemado en La Grande Vallée (Francia)17, ca. 350 ka, junto con la producción de hachas de mano (unidad 5); acumulaciones de restos quemados formando áreas semicirculares en Bilzingsleben (Alemania), datadas entre 350–320 ka y 414–280 ka19, pero no se produjo evidencia de fuego por parte del ser humano89, y un nivel con cuchillos, cuchillos con lomo llamado Keilmesser, y puntas en forma de hacha de mano; posibles fogones, sedimentos quemados y madera en Schöningen (Alemania)70, aunque recientemente Stahlschmidt et al. (2015) realizaron varios análisis y consideraron que no había evidencias sólidas del uso humano del fuego y que las herramientas de piedra recordaban el conjunto lítico de Bilzingsleben con pequeños raspadores de gran resistencia; en Terra Amata (Francia) carbón y material quemado18 con una “evidencia creíble de fuego” según22 varias estructuras de combustión90 y la cronología del yacimiento, se sitúa entre 250 y 400, pero la TL data de 230 ka, y el conjunto de mamíferos lo sitúa entre MIS 9 o 1191 y la industria lítica se caracteriza por tajaderas, picos, hachas de mano y cuchillas hechas sobre guijarros pero no sobre lascas grandes; pedernal quemado, hueso y sedimentos alterados térmicamente interpretados como restos de hogares en La Beeches Pit, Inglaterra20 fechados por TL, serie U y AAR alrededor de 400 ka, pero también se han encontrado por OSL en 200 ka92, y con hachas de mano; productos de la quema, compuestos de hueso, carbón y posiblemente cantos rodados de cuarcita en Gruta da Aroeira, Portugal21, ca. 400 ka, con bifaces en lascas pero sin cuchillas en lascas93.

La temperatura es un criterio confiable para discriminar incendios forestales y hogueras o fogatas (NB, incendios controlados más grandes y más pequeños, respectivamente) ya que los primeros homínidos del Pleistoceno casi con seguridad no hacían fuegos con temperaturas superiores a 800 °C86,94. Por lo general, un incendio forestal se propaga rápidamente y alcanza temperaturas comparativamente altas en comparación con los incendios controlados (es decir, > 800 °C frente a < 450 °C, respectivamente) y se propaga rápidamente por todo el paisaje95. Por otro lado, las hogueras, que suelen estar compuestas de madera y hueso64, están contenidas en un lugar específico y restringido con fuego y calor en el mismo lugar. Con esto en mente, la distribución espacial de las características en el Hogar-1 en Valdocarros II parece consistente con un fuego controlado (hoguera) en lugar de un incendio forestal (Fig. 2A). El hogar-1 tiene unos 3 m de ancho con fragmentos ennegrecidos entrecruzados organizados en una organización circular con sedimento rojo oscuro en su centro, posiblemente un foco concentrado de calor63,64. De hecho, la estructura de Hearth-1 es únicamente indicativa de fuego controlado por humanos63. Los huesos y las herramientas de Valdocarros II muestran alteración térmica en los dos niveles (manuscrito En revisión), lo que podría indicar que los primeros homínidos no usaron tales objetos alrededor del fuego.

Valdocarros II se encuentra en un meandro abandonado, con muestras en Hearth-1 que presentan aportes proporcionalmente más altos de materia orgánica de agua dulce, correspondientes a una profundidad de agua más profunda mientras el meandro aún estaba activo antes de la ocupación de los homínidos. Esto sugiere que los homínidos han elegido preferentemente las partes más profundas del meandro abandonado, ya que habría proporcionado el mayor refugio contra el viento y otros depredadores. El uso controlado del fuego se ha asociado como fuente de calor y fuente de protección contra los depredadores también en el sitio principal de Koobi Fora FxJj 2096.

El Hogar-1 de Valdocarros II se parece mucho a una hoguera estructurada, con evidencia de un hogar definido de ~ 10 m2 formado por madera de pino dispuesta en un círculo y probablemente hogares más pequeños ubicados en el área para proteger a los homínidos de posibles depredadores97. Por ejemplo, los felinos (hienas y zorros) se asustan con el fuego y los homínidos podrían haber utilizado el fuego para mantenerlos alejados35,98,99. Los fogones de Valdocarros II probablemente sirvieron como defensa frente a amenazas externas, ya que se infiere97 que el uso del fuego por parte del hombre representa su predominio sobre otros mamíferos. Además, los indicadores de quema de huesos pueden explicar cómo el fuego podría usarse como neutralizador de toxinas. El asado puede tener un efecto conservante para minimizar la digestión oral de la carga bacteriana y parasitaria en la carne, aumentar la digestibilidad y la absorción de nutrientes100,101.

Los biomarcadores de Valdocarros se basan en reconstrucciones anteriores de la cuenca del Jarama33,41,42,43, lo que sugiere que las condiciones (paleo)ambientales y climáticas ejercieron una influencia directa en los comportamientos regionales de los homínidos. El propio Valdocarros II albergaba plantas leñosas grandes ocasionales, como coníferas, y según los espectros de polen, la mayoría de los árboles se encontraban en las orillas de los ríos42. Además, los espectros de polen existentes en Valdocarros sugieren que los taxones de bosques mediterráneos (dominados por Pinus con Cupressaceae nominales) tipifican el paisaje vecinal con hábitats intercalados ricos en vegetación acuática ribereña42. Los biomarcadores en Valdocarros II también muestran características de distribución de plantas acuáticas, como algas de agua dulce, macrófitas flotantes y sumergidas, que de otro modo no se representarían. Nuestros datos sugieren que los recursos críticos tenían una implicación directa en los comportamientos de los homínidos. La ocurrencia de plantas de distrito, o en su defecto, ambiente fluvial-meandroso sin vegetación, que integra un aporte de materia orgánica fluvial vecinal dominado por macrófitas.

Valdocarros II estuvo dominado por plantas acuáticas, pocos árboles y arbustos, y probablemente los primeros homínidos ocuparon el sitio también por su proximidad a las corrientes de agua donde obtener recursos bióticos y abióticos. Nuestros datos indican que los homínidos aprovecharon estratégicamente una ubicación en gran parte con vegetación además de las cuevas en la Península Ibérica, lo que sugiere que los homínidos tenían una comprensión estratégica del medio ambiente y el espacio. Este es el primer yacimiento al aire libre de la Península Ibérica que muestra evidencias del control del fuego a pesar de la posibilidad de inundaciones y meteorización que podrían haber erosionado tales evidencias. Especialmente la gran abundancia de bis-norabietanos indica que los homínidos quemaban madera recolectada de los bosques cercanos, que estaban dominados por Pinus42.

El yacimiento arqueológico de Valdocarros es uno de los mayores yacimientos achelenses excavados, junto con los yacimientos de Torralba y Ambrona (Soria) en la Península Ibérica y muestra numerosos conjuntos de restos faunísticos y artefactos achelenses en cinco niveles. Esto sugiere que el área debe haber sido ocupada por episodios repetidos para el consumo de cadáveres en una posible fogata.

Nuestros análisis interdisciplinarios y multiproxy de los subproductos de la combustión (quema) sugieren la presencia de incendios antropogénicos (controlados) en Valdocarros II. Este sitio es uno de los pocos ejemplos del Pleistoceno Medio de incendios antropogénicos registrados en Europa hasta la fecha; con un claro marco cronológico, es uno de los testimonios de uso del fuego en un yacimiento achelense al aire libre más antiguo de Europa junto con Terra Amata en Francia y el único en la Península Ibérica. El material quemado de Valdocarros II consiste en madera y carbón, HAP diversificados y de alta concentración junto con triterpenoides derivados de coníferas de diagnóstico. Los dos hogares presentaban una gran abundancia de PAH de tres anillos alquilados y derivados de norabietano, lo que sugiere que los dos hogares fueron incendios antropogénicos y que se utilizó madera de coníferas como combustible.

Estos hallazgos se realizaron en un meandro abandonado y en dos niveles contiguos en asociación con los huesos y la industria lítica achelense. Los resultados, escasos hasta la fecha, añaden nuevos datos al conocimiento del uso del fuego por parte de los homínidos durante el Pleistoceno Medio en Europa, y suponen una aproximación a la mente compleja de los grupos achelenses y sus interacciones con el entorno del Pleistoceno.

La excavación y toma de muestras se realizó siguiendo la estratificación geológica (litoestratigrafía) en Valdocarros II. Se recolectaron muestras de sedimentos representativas (~ 50 g; n = 28) con el uso de una cuchara de metal. Las listas de muestras y las ubicaciones se informan en la Tabla 1 y la Fig. 3A,B. Toda la cristalería utilizada se quemó a 450 °C durante 6 h.

Las muestras de sedimento se secaron por congelación y se pulverizaron con un mortero y una maja de ágata limpios de solventes. La extracción se realizó mediante un extractor de solventes acelerado (sistema Dionex ASE 350) con diclorometano (DCM) y metanol (MeOH) (4:1 vol/vol) en 3 ciclos a 100 °C (10,3 MPa) con un tiempo estático de 5 min102 . El extracto de lípidos totales (TLE) resultante se secó bajo una corriente suave de nitrógeno y luego se derivatizó mediante metanólisis ácida (HCl 0,5 M en metanol [MeOH] diluido con agua ultra limpia (agua mili-q lavada 3 veces con DCM) antes de la posterior eliminación del líquido). –aislamiento líquido en hexano: DCM (4:1 vol/vol) 47. Los TLE derivatizados se concentraron y se dividieron cromatográficamente en tres fracciones utilizando gel de sílice desactivado103 (2 % del peso total de H2O) por elución con hexano (F1), hexano: DCM ( 1:1 [F2]) y DCM:MeOH (4:1 [F3]) 47. Las fracciones polares (F3) se sililaron utilizando N,O-bis(trimetilsilil)trifluoroacetamida (BSTFA).

Los biomarcadores se identificaron mediante cromatografía de gases-espectrómetro de masas (GC-MS; modelo Thermo Scientific™ TRACE™ 1310 [GC] con ISQ LT [MS] acoplado) inyectando en modo splitless una alícuota de 1 ml de fracciones apolares y derivatizadas en un 60 m- Columna VF1 columna de sílice fundida (0,25 mm × 0,25 mm). El horno de GC se programó de la siguiente manera: inyección a 60 °C y mantenimiento durante 2 min, rampa de 10 °C min a 150 °C, rampa de 4 °C min a 300 °C seguido de mantenimiento isotérmico de 20 min. La línea de transferencia y la fuente están configuradas a 320 °C y 270 °C respectivamente. Se corrieron espacios en blanco de procedimiento para monitorear las interferencias de fondo. Los datos se adquirieron y procesaron en las condiciones descritas y cada muestra se procesó por duplicado. Las identificaciones de los compuestos se realizaron mediante la comparación con estándares auténticos (QTM PAH Mix Supelco, Supelco 37 component FAME mix y Mixture B4 [Schimmelmann Standards]) junto con la biblioteca espectral de ionización de electrones NIST 20.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado o en el archivo de información complementaria adjunto.

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LS desea agradecer a la Universidad Heriot-Watt ya EGIS por financiar su programa de educación de posgrado. Este estudio ha sido editado en el marco del Proyecto PGC2018-093612-B-100, financiado por MICIN/AEI/https://doi.org/10.13039/501100011033 y FEDER de España.

Lyell Center for Earth & Marine Science & Technology, Universidad Heriot-Watt, Edimburgo, Reino Unido

Lavinia M. Stancampiano y Clayton R. Magill

Centro Nacional de Investigación Sobre la Evolución Humana (CENIEH), Burgos, Spain

Susana Rubio-Jara

Instituto de Evolución en África (IDEA), Madrid, España

Susana Rubio-Jara, Joaquín Panera, David Uribelarrea & Alfredo Pérez-González

Universidad Complutense de Madrid, Madrid, Spain

Susana Rubio-Jara, Joaquín Panera & David Uribelarrea

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SRJ, JP, LMS, CRM concibieron el estudio. LMS y CRM llevaron a cabo la investigación de laboratorio, la metodología, el procesamiento y el análisis de datos. SRJ y JP realizaron excavaciones de campo y recolección de muestras. DU y APG realizaron trabajos geológicos. Todos los autores escribieron, revisaron y editaron el manuscrito.

Correspondencia a Clayton R. Magill.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Stancampiano, LM, Rubio-Jara, S., Panera, J. et al. Evidencia geoquímica orgánica de incendios controlados por humanos en el sitio achelense de Valdocarros II (España, 245 kya). Informe científico 13, 7119 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-32673-7

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Recibido: 28 de octubre de 2022

Aceptado: 31 de marzo de 2023

Publicado: 18 mayo 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-32673-7

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