Spatial and temporal heterogeneity in human mobility patterns in Holocene Southwest Asia and the East Mediterranean

We present a spatiotemporal picture of human genetic diversity in Anatolia, Iran, Levant, South Caucasus, and the Aegean, a broad region that experienced the earliest Neolithic transition and the emergence of complex hierarchical societies. Combining 35 new ancient shotgun genomes with 382 ancient and 23 present-day published genomes, we found that genetic diversity within each region steadily increased through the Holocene. We further observed that the inferred sources of gene flow shifted in time. In the first half of the Holocene, Southwest Asian and the East Mediterranean populations homogenized among themselves. Starting with the Bronze Age, however, regional populations diverged from each other, most likely driven by gene flow from external sources, which we term “the expanding mobility model.” Interestingly, this increase in inter-regional divergence can be captured by outgroup-f$_3$-based genetic distances, but not by the commonly used F$_{ST}$ statistic, due to the sensitivity of F$_{ST}$, but not outgroup-f$_3$, to within-population diversity. Finally, we report a temporal trend of increasing male bias in admixture events through the Holocene

The paleopathological profile of porotic hyperostosis as an epidemiological outbreak in the early holocene societies in Greece: a biocultural approach

The shift in current bioarchaeological research focuses on new interpretative synthesis on the identity of the Greek prehistory and how it is shaped through the processes of phenomena during the Holocene, a chronological period (10000 B.C.-today) which signs the biocultural microevolution of societies. The Neolithic period (~7000-3200 B.C.) has been a field of hot debate, as the critical stage of the beginning of the agricultural economy with the consequent biological and socioeconomic implications, from the hunting-gathering stage of the preceding Mesolithic period (~9000-7000 B.C.) to the advent and intensification of farming and the development of the civil structures during the Bronze period (~3200-1200 B.C.). Within that conceptual framework, a significant number of scholars support the major impact of the Neolithic structures on the health status of societies due to the shift from the nutritious animal protein intake of the Mesolithic hunters to the low nutritional quality of carbohydrates and the lack of microelements of the Neolithic farmers, furthermore related to severe demographic events. Porotic hyperostosis and cribra orbitalia have been investigated as the most popular disorders in prehistoric archaeological samples identified as the epidemic/endemic events in the Neolithic period. The iron-deficiency anemia, as the cause agent of those diseases due to dietary behavioral patterns, has been established as the most popular theory in both Greek and European area. However, new data from the examination of archaeological collections and the revising of the sociocultural models in prehistoric contexts dispute the prevailing paradigm. Therefore, the established methodology of the traditional archaeology is tested to new experimental methods through an interdisciplinary approach and a logical dialectism in bioarchaeology. The present project aims to build up the clinical, biocultural and biogeographic profile of a disease group, that is, the porotic hyperostosis and cribra orbitalia with the occasionally co-occurring pathological finds in the endocranium and the postcranial skeleton. They are developed as porotic lesions in different degrees of severity and morphology on the cranial and orbital areas with occasional co-occurrence of endocranial and postcranial lesions. From 14 excavated prehistoric sites-units of various environmental and geomorphological settings in Greece, developing a stratigraphic sequence with chronological diachrony, human remains of 230 individuals, mainly of young ages (<30), were studied. In comparison to the routine macroscopic and radiological analysis, new analytical laboratory methods were applied such as, endoscopy, scanning electron microscopy-SEM and microscopic-histological analysis applying adjusted alternative technical protocols. The main objective of that attempt is to construct the clinical picture of those diseases using reliable methods for differential diagnosis and possible paleoepidemiological research in combination with the introduction of “know how” in order to build up a database of diseased ancient bone. As reference control groups, samples from prehistoric and medieval sites in central and northern Europe, Levant and northern America were examined both macroscopically and microscopically. By applying the new analytical laboratories techniques, the main variables of the outer table, the diplöe and the inner table of both cranial and orbital regions entered in the database include: the morphology of pitting/porosis, the frequency distribution pattern per anatomical area, the stage of severity of porosity, the morphology and pattern of angiosis/hypervascularity, osteoblastic and osteoclastic processes, features of lamellar and woven bone, the morphology and changes in the architecture and size of diploic trabeculae and lamellae, striation patterns, hypertophic and proliferate organizational zones of bone reaction, islands of remodeling and mixed structures, contact areas of the bone tissue, structures and stages of healing processes. The statistical analysis used raw data and categorical variables (chi-square) to assess significance of correlation of groups and variables. The testing of the selected parameters in the macroscopic examination did not provide either a consistent morphotype or a pattern of the distribution or stages of severity and prevalence of the lesions, except from the few cases exhibiting an advanced stage of porotic lesions. There was assessed a broad spectrum of variability in the relation of the variables with chronological period. Furthermore, no correlation between the prevalence of the lesions and age/gender was observed, while a significant variability on intra-, and inter-site level was evaluated. In contrast to the results from the macroscopic analysis, the combination of the new analytical methods provided sound criteria to enter to the database, to apply protocols and attain a reliable differential diagnosis, yet of major disease groups. Very few cases of porotic hyperostosis and cribra orbitalia were diagnosed as anemic episodes, yet of a mild degree and in a successfully healing process. The same finds stand for scurvy lesions which are identified in few individuals in a mild stage and/or a remodeling process of healing. The percentage of lesions on the outer table diagnosed as cranial periostitis and of the endocranial ones as non-specific infections, meningitis, leptomeningitis, pachymeningitis, tubercular meningitis, hemorrhagic events caused either from localized trauma or epidural, subdural hematoma or scurvy, mixed structures of inflammation-hemorrhage or hemorrhage-inflammation compose the clinical picture and differential diagnosis of porotic hyperostosis and cribra orbitalia, evaluated as morphological features of a multifactorial etiology. In a significant number of specimens the histological examination diagnosed the porotic lesions as diagenetic, identified as pathological in the macroscopic analysis. The statistical analysis of categorical variables showed a relationship of the prevalence of the lesions with the type of physical environment but it is not possible to assess a causal link per se. Furthermore, the epidemiological profile of the syndromes under investigation is not documented considering the continuous population movements in Greek prehistory with the genetic impact on their demographic profile. In the interpretative synthesis, the current research, under the new findings of the genetic background and polymorphism of the iron-deficiency anemia, megaloblastic anemia and scurvy, beyond their dietary cause, and the anemia of inflammation, needs to be incorporated. It is expected that some individuals may have suffered from different categories of anemias, with or without hyperplasia of marrow, such as, the genetic anemias, autosomal anemias, the sideroblastic anemias, the hemolytic anemias, the megaloblastic anemias, the anemia related with chronic leukemia, the anemia of chronic heart defects, hypoxia anemias, anemia of lead poisoning, idiopathic anemias of unidentified cause without the involvement of any erythropoietin dysfunction. In combination with the paleohistological examination, molecular and biochemical analysis for tracing immunological dysfunctional proteins on genetic anemias and scurvy, methods already successfully tested on ancient bone disease, will contribute to more reliable diagnosis. Furthermore, the application of spectroscopic techniques for the quantification and bioelementary analysis of porosis will provide new variables to the database and research on diagenesis, a new developing field in paleopathologyΗ στροφή στη σύγχρονη βιοαρχαιολογική έρευνα κατευθύνεται σε νέες ερμηνευτικές προσεγγίσεις για την ταυτότητα της Ελληνικής προϊστορίας και πώς αυτή διαμορφώθηκε μέσα από τις διαδικασίες φαινομένων και γεγονότων στο Ολόκαινο (10000 π.Χ.-σήμερα), περίοδο που σηματοδοτεί την μικροεξέλιξη των προϊστορικών κοινωνιών. Θερμό πεδίο έρευνας αποτελεί η Νεολιθική περίοδος (~7000-3200 π.Χ.), που σύμφωνα με την παραδοσιακή αρχαιολογική σκέψη, θεωρείται η απαρχή της γεωργικής οικονομίας με τις συνεπαγόμενες βιολογικές και κοινωνικο-οικονομικές αλλαγές από το κυνηγετικό-τροφοσυλλεκτικό στάδιο της προηγηθείσης Μεσολιθικής περιόδου (~9000-7000 π.Χ.) και ο προπομπός της εντατικοποίησης της γεωργίας και της εμφάνισης των αστικών δομών της εποχής του Χαλκού (~3200-1200 π.Χ.) που ακολούθησε. Μέσα σε αυτό το πλαίσιο της προβληματικής, σειρά επιχειρημάτων στη βιβλιογραφία υποστηρίζει την επίδραση των Νεολιθικών σχημάτων στην υγεία των κοινωνιών με κύριες σταθερές την πτωχή διατροφική ποιότητα με έλλειψη ιχνοστοιχείων και πρωτεϊνών, περαιτέρω σχετιζόμενη με δημογραφική έκρηξη. Η πορώδης υπερόστωση και τα cribra orbitalia πιθανά αποτελούν τα πλέον ερευνηθέντα νοσήματα στα αρχαιολογικά δείγματα και θεωρούνται τα επιδημικά/ενδημικά γεγονότα της Νεολιθικής περιόδου. Η σιδηροπενική αναιμία, ως η αιτία αυτών των νοσημάτων λόγω διατροφικών συμπεριφορών, αποτελεί το δημοφιλέστερο επιχείρημα στον Ελλαδικό και ευρύτερο Ευρωπαϊκό χώρο. Τα νέα δεδομένα από τις μελέτες αρχαιολογικών συλλογών και η επαναξιολόγηση του κοινωνικοπολιτισμικού μοντέλου των προϊστορικών σταθερών, αμφισβητούν το προαναφερθέν παράδειγμα. Κατά αυτόν τον τρόπο, η επικρατούσα μεθοδολογία της παραδοσιακής αρχαιολογίας μεταλλάσσεται σε νέες πειραματικές μεθόδους μέσα από διεπιστημονική προσέγγιση και λογικό διαλεκτισμό της βιοαρχαιολογίας. Η παρούσα εργασία μελετά το κλινικό, βιοπολιτισμικό και βιογεωγραφικό προφίλ νοσολογικών ομάδων, της πορώδους υπερόστωσης και των cribra orbitalia με τα κατά περίπτωση συνοδά ευρήματα στο ενδοκράνιο και το μετακρανιακό σκελετό. Κλινικά εκφράζονται ως πορωτικές οστεολύσεις, διαφόρου βαθμού σοβαρότητας και μορφολογίας, που αναπτύσσονται στον κρανιακό θόλο και στα οφρυικά πέταλα με πιθανή συνανάπτυξη στο ενδοκράνιο και στα επιμήκη οστά. Από 14 ανασκαφείσες προϊστορικές θέσεις-ορίζοντες του Ελλαδικού χώρου, με στρωματογραφική χρονολογική διαδοχή προϊστορικών περιόδων, που αναπτύσσονται σε διαφορετικά φυσικά περιβάλλοντα, εξετάσθηκαν ανθρώπινα κατάλοιπα από 230 άτομα, κατά πλειονότητα νεαρών ηλικιακών ομάδων (<30). Σε συνδυασμό με τις επικρατούσες μακροσκοπικές και ακτινολογικές μεθόδους, εφαρμόσθηκαν νέες αναλυτικές μέθοδοι όπως, η ενδοσκόπηση, η σάρωση ηλεκτρονικού μικροσκοπίου και η ιστολογική μελέτη με χρήση συγκεκριμένων εναλλακτικών πρωτοκόλλων. Σκοπός της έρευνας είναι η δόμηση της κλινικής εικόνας των νοσημάτων μέσα από την δοκιμή αξιόπιστων μεθόδων για περαιτέρω διαφορική διάγνωση και πιθανή παλαιοεπιδημιολογική μελέτη καθώς και η υιοθέτηση τεχνογνωσίας για την δημιουργία βάσης δεδομένων νοσούντος αρχαίου οστού. Ως συγκριτικές συλλογές, εξετάσθηκαν δείγματα, μακροσκοπικά και μικροσκοπικά, από προϊστορικές και μεσαιωνικές θέσεις της Κεντρικής και Βόρειας Ευρώπης, Εγγύς Ανατολής και της Βόρειας Αμερικής. Στα κλιμακούμενα αναλυτικά επίπεδα, στην έξω τράπεζα, στη διπλόη και στην έσω τράπεζα μελετήθηκαν μεταβλητές όπως, η μορφολογία και η συχνότητα κατανομής σε ανατομική περιοχή και βαθμού σοβαρότητας της πορότητας, η παρουσία και ο βαθμός αγγειογένεσης, οστεοβλαστικές και οστεοκλαστικές διαδικασίες, η μορφολογία και οι αλλοιώσεις στην αρχιτεκτονική και στο μέγεθος των δοκίδων και των ελασματοειδών δομών, υπερτροφικές και πολλαπλασιαστικές ζώνες οργάνωσης οστικής αντίδρασης, νησίδες μικτών δομών, ζώνες επαφής περιοχών οστίτη ιστού, στάδια επουλωτικών διεργασιών. Η στατιστική ανάλυση χρησιμοποίησε ανεπεξέργαστα και επεξεργασμένα δεδομένα (chi-square) με σκοπό την εκτίμηση σχέσων ομάδων και ποιοτικών κατηγορικών μεταβλητών. Η εφαρμογή των επιλεγμένων παραμέτρων στην μακροσκοπική μελέτη δεν προσέφερε ένα μορφότυπο κατανομής και επικράτησης των νοσημάτων, εκτός από τις ελάχιστες περιπτώσεις σοβαρού βαθμού έκφρασης των λύσεων. Παρατηρήθηκε ευρύ φάσμα ποικιλομορφίας στις μεταβλητές ανά χρονολογική περίοδο. Επίσης δεν ανιχνεύθηκε σχέση μεταξύ της επικράτησης των λύσεων με τις δημογραφικές παραμέτρους της ηλικίας και του φύλου, αλλά αντίθετα διαπιστώθηκε ευρεία ποικιλότητα σε αυτή τη σχέση μεταξύ θέσεων και εντός της ίδιας θέσης. Αντίθετα, ο συνδυασμός των νέων αναλυτικών μεθόδων έδωσε ικανοποιητικά κριτήρια για εισαγωγή στη βάση δεδομένων, εφαρμογή πρωτοκόλλων, δόμηση του ιστοπαθολογικού μορφότυπου της πορώδους υπερόστωσης και των cribra orbitalia για αξιόπιστη διαφορική διάγνωση κυρίως μείζονων νοσολογικών ομάδων αλλά σπανιότερα συγκεκριμένου νοσήματος. Σε πολύ μικρό αριθμό δειγμάτων διαγνώσθηκαν λύσεις αναιμικών επεισοδίων, κυρίως ήπιου βαθμού και σε στάδιο οργανωμένης επουλωτικής διαδικασίας. Τα ίδια κλινικά ιστολογικά ευρήματα αναγνωρίσθηκαν και σε δείγματα με λύσεις σκορβούτου σε ήπιο βαθμό επούλωσης. Το ποσοστό των εξωκρανιακών λύσεων που αναγνωρίσθηκαν ως χαρακτηριστικά κρανιακής περιοστίτιδας και των ενδοκρανιακών λύσεων ως υπολείμματτα άτυπων μολύνσεων, μηνιγγίτιδας, λεπτομηνιγγίτιδας και παχυμηνιγγίτιδας, φυματιώδους μηνιγγίτιδας, αιμορραγικών επεισοδίων που προκαλούνται από εντοπισμένα τραύματα, επισκληρίδιο και υποσκληρίδιο αιμάτωμα ή σκορβούτο καθώς και οι μικτές μορφές φλεγμονής-αιμορραγίας ή αιμορραγίας-φλεγμονής συνθέτουν την κλινική εικόνα και την διαφορική διάγνωση της πορώδους υπερόστωσης, των cribra orbitalia και των ενδοκρανιακών λύσεων που συνεκτιμώνται ως μορφολογικά χαρακτηριστικά πολυπαραγοντικής αιτιοπαθογένειας. Η ιστολογική ανάλυση διέγνωσε σαφείς διαγενετικές λύσεις σε μεγάλο αριθμό δειγμάτων που μακροσκοπικά είχαν αναγνωσθεί ως παθολογία. Η στατιστική ανάλυση επεξεργασμένων στοιχείων με κατηγορικές μεταβλητές έδειξε σημαντική σχέση της επικράτησης των λύσεων και του φυσικού περιβάλλοντος αλλά ο αιτιακός χαρακτήρας δεν αποδεικνύεται per se. Επιπλέον, το επιδημιολογικό προφίλ της πορώδους υπερόστωσης και των cribra orbitalia με τις συνοδές ενδοκρανιακές οστεολύσεις δεν τεκμηριώνεται δεδομένων και των γενετικών και βιοαρχαιολογικών ευρημάτων που σαφώς δείχνουν πληθυσμιακές μετακινήσεις και ανακατατάξεις του δημογραφικού προφίλ των ομάδων. Ο σημαντικός αριθμός δειγμάτων που αναπτύσσουν οστεολύσεις φλεγμονώδους αιτιολογίας σε όλες τις προϊστορικές περιόδους υποστηρίζει ένα ευρύ φάσμα συλλειτουργίας κοινωνικο-οικολογικών και βιοπεριβαλλοντικών συνιστωσών. Στην ερμηνευτική σύνθεση πρέπει να ενσωματωθούν οι πρόσφατες έρευνες που έχουν τεκμηριώσει το γενετικό υπόβαθρο και τον πολυμορφισμό της σιδηροπενικής και μεγαλοβλαστικής αναιμίας και του σκορβούτου, πέρα από την ταύτισή τους ως διατροφικά νοσήματα, καθώς και της αναιμίας της φλεγμονής. Άλλες κατηγορίες αναιμιών, με ή άνευ υπερπλασίας διπλόης και μυελού, όπως γενετικές, αυτοάνοσες, σιδηροβλαστικές, αιμολυτικές, μεγαλοβλαστική αναιμία, αναιμία σχετιζόμενη με χρόνια λευχαιμία, αναιμία από χρόνια καρδιακά νοσήματα, αναιμία από δηλητηρίαση με μόλυβδο, ιδιοπαθείς αναιμίες μη διευκρινήσιμης αιτίας και άνευ δυσλειτουργίας στην ερυθροποιητική διαδικασία πιθανά προσέβαλαν κάποια άτομα. Νέες μοριακές αναλύσεις για τη θαλασσαιμία και μεσογειακή αναιμία καθώς και βιοχημικές αναλύσεις για ανίχνευση ανοσολογικών πρωτεϊνών αναιμίας και σκορβούτου, εξετάσεις που ήδη έχουν με επιτυχία εφαρμοσθεί σε παθολογία αρχαίου οστού, παρέχουν ακριβή διάγνωση. Περαιτέρω, η εφαρμογή σε μακροσκοπικό επίπεδο, φασματοσκοπικών μεθόδων για την ποσοτικοποίηση της πορότητας και τη σημειακή στοιχειοθετική ανάλυση παθολογικού οστού θα συνεισφέρει στη δόμηση βάσης δεδομένων με επεξεργασία μεταβλητών από όλα τα αναλυτικά επίπεδα και στην εντατικοποίηση της έρευνας στη διαγένεση, ένα νέο πεδίο στην παλαιοπαθολογία

An Integrated Study of the Mesolithic Skeleton in Theopetra Cave, Greece: From the Skeleton Analysis to 3D Face Reconstruction

Skeletal evidence dating back to the Mesolithic period is scarce and should be studied under a multidisciplinary perspective. The primary objective of the study was to carefully assess the skeleton of a young woman from this era, named “Avgi,” to compile its bioarchaeological profile, analyze its paleopathology and dental pathology, and deploy a 3D reconstruction and modeling method in order to reveal her face. Both demographic and pathological information were drawn from macroscopically observing the bones, long bone X-rays, skull CT and X-rays, 3D modeling and printing of the skull, and panoramic dental X-rays. The Manchester method was used for the 3D facial reconstruction. On analysis, we determined that Avgi was a female adolescent, aged around 17–19 years at death, and likely suffering from iron deficiency anemia and Class III dental malocclusion. Notably, Harris lines and a hair-on-end pattern were identified in the long bones and skull radiographs, respectively. Various less significant skeletal lesions reflected potential minor pathologies. Our findings suggest that multidisciplinary collaborative approaches should be followed in the modern study of lesser-known past eras. Multiple scientific perspectives, as well as social structures, geographical aspects, settlements, population movements, and social networks should all be taken into account when assessing lifestyle characteristics and paleopathological signs in skeletal remains.</jats:p

Spatial and temporal heterogeneity in human mobility patterns in Holocene Southwest Asia and the East Mediterranean

We preŞent a spatiotemporal picture of human genetic diversity in Anatolia, Iran, Levant, South Caucasus, and the Aegean, a broad region that experienced the earliest Neolithic transition and the emergence of com-plex hierarchical societies. Combining 35 new ancient shotgun genomes with 382 ancient and 23 preŞent-day published genomes, we found that genetic diversity within each region steadily increased through the Holo-cene. We further observed that the inferred sources of gene flow shifted in time. In the first half of the Holo-cene, Southwest Asian and the East Mediterranean populations homogenized among themselves. Starting with the Bronze Age, however, regional populations diverged from each other, most likely driven by gene flow from external sources, which we term the expanding mobility model.Interestingly, this increase in in-ter-regional divergence can be captured by outgroup-f3-based genetic distances, but not by the commonly used FST statistic, due to the Şensitivity of FST, but not outgroup-f3, to within-population diversity. Finally, we report a temporal trend of increasing male bias in admixture events through the Holocene.Wenner-Gren Foundation Dissertation Fieldwork grant; H2020 ERC Consolidator grant; EMBO Scientific Exchange grant [9573]; H2020-WIDESPREAD-05-2020 TWINNING grant [772390 NEOGENE]; TUBITAK of Turkey [8883]; Klaus-Tschira Foundation [952317 NEOMATRIX]; German Research Foundation (DFG) [117Z229]; National Genomics Infrastructure in Stockholm - Science for Life Laboratory; Knut and Alice Wallenberg Foundation [SCHA 889/4-4]; Swedish Research Council; SNIC/Uppsala Multidisciplinary Center for Advanced Computational (UPPMAX) projects; operational programme Competitiveness, Entrepreneurship and Innovation (NSRF 2014-2020); European Union (European Regional Development Fund) [uppstore20180102, SNIC 2018/8-293, SNIC 2018/8-88, SNIC 2021-2-17]; Hacettepe University Scientific Research Projects Coordination Unit [MIS 5002735, MIS 5002478]; [16769]; [14528]We thank Orhan Efe Yavuz, Anna-Sapfo Malaspinas, Flora Jay, Ayshin Ghali-chi, Yesxim Ayd?n Son, Can Alkan, HamitIzgi, Asl?han Ilgaz, Maja Krzewinska, and all colleagues at the METU CompEvo, Hacettepe Human_G and Center for Palaeogenetics (CPG) for their support, suggestions, and/or comments. We also thank three anonymous reviewers for their constructive criticism. The authors acknowledge support from Wenner-Gren Foundation Dissertation Fieldwork grant (no. 9573 to D. Koptekin); H2020 ERC Consolidator grant (no. 772390 NEOGENE to M.S.); EMBO Scientific Exchange grant (no. 8883 to D. Koptekin); H2020-WIDESPREAD-05-2020 TWINNING grant (no. 952317 NEOMATRIX to M.S.); TUBITAK of Turkey (no. 117Z229 to M.S.); Klaus-Tschira Foundation; German Research Foundation (DFG, grant no. SCHA 889/4-4 to A. Schachner); the National Genomics Infrastructure in Stockholm funded by Science for Life Laboratory, the Knut and Alice Wallenberg Foundation, and the Swedish Research Council; SNIC/Uppsala Multidisciplinary Center for Advanced Computational (UPPMAX) projects uppstore20180102, SNIC 2018/8-293, SNIC 2018/8-88, and SNIC 2021-2-17; the projects HELLAS-CH (MIS 5002735), implemented under Action for Strengthening Research and Innovation Infrastructures, and POLITEIA-II (MIS 5002478), implemented under Action for the Strategic Development on the Research and Technological Sector, both funded by the operational programme Competitiveness, Entrepreneurship and Innovation (NSRF 2014-2020) and co-financed by Greece and the European Union (European Regional Development Fund); and Hacettepe University Scientific Research Projects Coordination Unit (nos. 16769 and 14528 to A.M.B.). Computations were performed at NEOGENE (Middle East Technical University) and UPPMAX resources