Stabilna analiza izotopa u arheologiji

Stabilna analiza izotopa je znanstvena tehnika koju arheolozi i drugi znanstvenici koriste kako bi prikupili informacije od kostiju životinje kako bi ih identificirali fotosinteza proces biljaka koje je konzumirao tokom svog životnog vijeka. Ove su informacije izuzetno korisne u širokom broju primjena, od utvrđivanja prehrambenih navika prehrane drevni preci hominida u potrazi za poljoprivrednim podrijetlom zaplijenjenog kokaina i ilegalno uhićenih nosoroga rog.

Čitavu zemlju i njenu atmosferu čine atomi različitih elemenata, poput kisika, ugljika i dušika. Svaki od ovih elemenata ima nekoliko oblika na temelju njihove atomske težine (broja neutrona u svakom atomu). Na primjer, 99 posto svega ugljika u našoj atmosferi postoji u obliku zvanom ugljik-12; ali preostali jedan postotni ugljik sastoji se od dva nekoliko različita oblika ugljika, nazvanih Carbon-13 i Carbon-14. Ugljik-12 (skraćeno 12C) ima atomsku masu od 12, koja se sastoji od 6 protona, 6 neutrona i 6 elektrona - 6 elektrona ne daje ništa atomskoj masi. Ugljik-13 (13C) još uvijek ima 6 protona i 6 elektrona, ali ima 7 neutrona. Ugljik-14 (14C) ima 6 protona i 8 neutrona, što je preteško da bi se na stabilan način držali zajedno, te emitira energiju da bi se riješio viška, zbog čega ga znanstvenici nazivaju "

Sva tri oblika reagiraju na potpuno isti način - ako kombinirate ugljik s kisikom kojeg uvijek dobijate ugljični dioksid, bez obzira koliko neutrona ima. Obrasci 12C i 13C su stabilni - to jest, ne mijenjaju se s vremenom. Ugljik-14, s druge strane, nije stabilan, već umjesto toga propada poznatom brzinom - zbog toga možemo iskoristiti njegov preostali omjer ugljika-13 za proračun datumi radiokarbona, ali to je sasvim drugi problem.

Omjer ugljika-12 i ugljika-13 je konstantan u zemljinoj atmosferi. Uvijek postoji sto atoma 12C na jedan atom 13C. Tijekom procesa fotosinteze biljke apsorbiraju atome ugljika u zemljinoj atmosferi, vodi i tlu i spremaju ih u stanice lišća, plodova, orašastih plodova i korijena. Ali, omjer oblika ugljika mijenja se u sklopu procesa fotosinteze.

Tijekom fotosinteze biljke različito mijenjaju omjer 100 12C / 13 13C u različitim klimatskim područjima. Biljke koje žive u regijama s puno sunca i malo vode imaju relativno manje atoma 12C u svojim stanicama (u usporedbi s 13C) nego biljke koje žive u šumama ili močvarnim područjima. Znanstvenici biljke kategoriziraju prema verziji fotosinteze koju koriste u skupine nazvane C3, C4 i CAM.

Odnos 12C / 13C ugrađen je u stanice biljke i - evo najboljeg dijela - kako se stanice prenose u prehrambeni lanac (tj. Korijenje, lišće i plod jedu životinje i ljudi), omjer 12C i 13C ostaje gotovo nepromijenjen jer je zauzvrat pohranjen u kostima, zubima i dlaci životinja i ljudi.

Drugim riječima, ako možete odrediti omjer 12C prema 13C koji je pohranjen u kostima životinje, možete shvatiti da li su biljke koje su jele koristile procese C4, C3 ili CAM, i prema tome, kakvo je okruženje biljaka Kao. Drugim riječima, ako pretpostavite da jedete lokalno, tamo gdje živite, u vaše kosti je upleteno ono što jedete. To mjerenje obavlja pomoću analiza masenog spektrometra.

Karbon nije dugotrajni jedini element koji koriste stabilni istraživači izotopa. Trenutno istraživači proučavaju mjerenje omjera stabilnih izotopa kisika, dušika, stroncija, vodika, sumpora, olova i mnogih drugih elemenata koje obrađuju biljke i životinje. To je istraživanje dovelo do jednostavno nevjerojatne raznolikosti informacija o prehrani ljudi i životinja.

Prva arheološka primjena stabilnih istraživanja izotopa bila je u 1970-ima južnoafrički arheolog Nikolaas van der Merwe, koji je iskopao na Afričko željezno doba mjesto Kgopolwe 3, jedno od nekoliko nalazišta u Transvaalskom nizini Južne Afrike, nazvano Phalaborwa.

Van de Merwe je u hrpi pepela pronašao ljudski muški kostur koji nije izgledao poput ostalih sahrana iz sela. Kostur je bio morfološki drugačiji od ostalih stanovnika Phalaborwe i bio je pokopan na potpuno drugačiji način od tipičnog seljana. Čovjek je izgledao kao Khoisan; a Khoisanci nisu smjeli biti u Phalaborwa, koji su bili sotočki plemenski plemići. Van der Merwe i njegovi kolege J. C. Vogel i Philip Rightmire odlučili su pogledati kemijski potpis u njegovim kostima i početni rezultati sugeriraju da je taj čovjek bio farmer sirota iz sela Khoisan koji je nekako umro u Kgopolwe 3.

Tehnika i rezultati studije Phalaborwa raspravljani su na seminaru u SUNY Binghamton, gdje je van der Merwe predavao. U to vrijeme SUNY je istraživao kasne šumske ukopine i zajedno su zaključili da će biti zanimljivo vidjeti hoće li dodatak kukuruz (Američki kukuruz, suptropski C4 pripitomljeni) u prehrani bi bilo prepoznatljivo kod ljudi koji su ranije imali pristup samo biljkama C3: i bilo je.

Ta je studija postala prva objavljena arheološka studija primjenom stabilne izotopske analize 1977. godine. Usporedili su stabilne omjere izotopa ugljika (13C / 12C) u kolagenu ljudskih rebara iz arhaičnog (2500-2000 prije Krista) i rane šume (400–100 pne) arheološko nalazište u New Yorku (tj. Prije no što je kukuruz stigao u regiju) s omjerom 13C / 12C u rebrima iz kasne šume (Oko 1000–1300 CE) i povijesno razdoblje (nakon što je stigao kukuruz) s istog područja. Mogli su pokazati da su kemijski potpisi u rebrima pokazatelj da kukuruz nije bio prisutan u ranim razdobljima, već je postao glavna hrana u doba kasne šume.

Na temelju ove demonstracije i dostupnih dokaza za raspodjelu stabilnih izotopa ugljika u prirodi, Vogel i van der Merwe je sugerirao da se ta tehnika može koristiti za otkrivanje poljoprivrede kukuruza u šumama i tropskim šumama Amerike; utvrditi važnost morske hrane u prehrani obalnih zajednica; dokumentiraju promjene u vegetacijskom pokrovu tijekom vremena u savanama na temelju omjera pregledavanja / ispaše biljojeda mješovitih prehrana; i eventualno utvrditi podrijetlo u forenzičkim istragama.

Od 1977., Primjena stabilne analize izotopa eksplodirala je u broju i širini, koristeći stabilne omjere izotopa svjetlosnih elemenata vodika, ugljika, dušika, kisika i sumpora u ljudske i životinjske kosti (kolagen i apatit), zubna caklina i kosa, kao i ostaci keramike ispečeni na površini ili apsorbirani u keramički zid za određivanje prehrane i vode izvori. Za ispitivanje takve prehrane korišteni su omjeri stabilnih izotopa (obično ugljika i dušika) komponente poput morskih bića (npr. tuljave, ribe i školjke), razne domaće biljke poput kukuruza i proso; mlijeko i goveda (ostaci mlijeka u lončarstvu) i majčino mlijeko (starost odviđanja, otkriveno u zubnom redu). Prehrambene studije rađene su na homininima od naših dana do naših drevnih predaka Homo habilis i the Australopithecusa.

Ostala izotopska istraživanja fokusirana su na utvrđivanje geografskog podrijetla stvari. Različiti stabilni omjeri izotopa u kombinaciji, uključujući izotope teških elemenata poput stroncija i olovo, korišteni su za utvrđivanje jesu li stanovnici drevnih gradova doseljenici ili su rođeni lokalno; da bi se pronašlo podrijetlo prosipane bjelokosti i nosoroga kako bi se razbili krijumčari; te za utvrđivanje poljoprivrednog podrijetla kokaina, heroina i pamučnih vlakana koja su se koristila za lažne račune u iznosu od 100 USD.

Drugi primjer izotopske frakcije, koji ima korisnu primjenu, uključuje kišu koja sadrži stabilne izotope vodika IH i 2H (deuterij) i izotope kisika 16O i 18O. Voda isparava u velikim količinama na ekvatoru, a vodena para se širi prema sjeveru i jugu. Dok se H2O spušta na zemlju, najprije ispadaju teški izotopi. Vremenom kada pada snijeg na stupove, vlaga je žestoko potrošena u teškim izotopima vodika i kisika. Globalna raspodjela ovih izotopa u kiši (iu vodi iz slavine) može se preslikati, a podrijetlo potrošača može se utvrditi izotopskom analizom kose.

• Grant, Jennifer. "Lova i stoke: izotopski dokazi divljih i domaćih vrsta iz južne argentinske pune (2120–420 godina BP)." Časopis za arheološku znanost: Izvješća 11 (2017): 29–37. Ispis.
• Iglesias, Carlos, i sur. "Stabilna analiza izotopa potvrđuje značajne razlike između subtropskih i umjerenih plitkih jezera. "Hydrobiologia 784.1 (2017): 111–23. Ispis.
• Katzenberg, M. Anne i Andrea L. Voda-Rist. "Analiza stabilnih izotopa: Alat za proučavanje prehrane, demografije i povijesti života u prošlosti." Biološka antropologija skeleta čovjeka. Ur. Katzenberg, M. Anne i Anne L. Grauer. 3. izd. New York: John Wiley & Sons, Inc., 2019. 467–504. Ispis.
• Cijena, T. Douglas i sur. "Izotopska odrednica ." antika 90.352 (2016): 1022–37. Ispis.Salme brodskih sahrana u pred-vikinjskoj dobi Estoniji
• Sealy, J. C. i N. J. van der Merwe. "O "Pristupi obnovi prehrane na zapadnom rtu: Jeste li ono što ste pojeli?" - odgovor na Parkington." Časopis za arheološku znanost 19.4 (1992): 459–66. Ispis.
• Somerville, Andrew D. i sur. "Dijeta i spol u kolonijama Tiwanaku: Stabilna izotopska analiza ljudskog koštanog kolagena i apatita iz Moquegua, Peru." Američki časopis za fizičku antropologiju 158.3 (2015): 408–22. Ispis.
• Sugiyama, Nawa, Andrew D. Somerville i Margaret J. Schoeninger. "Stabilni izotopi i zooarheologija u Teotihuacanu, Meksiko, otkrivaju najranije dokaze o upravljanju divljim mesožderima u Mesoamerici." MJESTO JEDNO 10.9 (2015): e0135635. Ispis.
• Vogel, J. C. i Nikolaas J. Van der Merwe. "Izotopski dokazi za rano uzgoj kukuruza u državi New York." Američka antika 42.2 (1977): 238–42. Ispis.