Analiza izotopilor stabili în arheologie

Analiza izotopilor stabili este o tehnică științifică folosită de arheologi și de alți cercetători pentru a colecta informații din oasele unui animal pentru a identifica fotosinteză proces al plantelor pe care le-a consumat în timpul vieții sale. Aceste informații sunt foarte utile într-un număr mare de aplicații, de la determinarea obiceiurilor alimentare strămoși străvechi hominizi pentru a urmări originile agricole ale cocainei confiscate și rinocerului cu braconaj ilegal corn.

Tot pământul și atmosfera sa sunt formate din atomi de diferite elemente, cum ar fi oxigenul, carbonul și azotul. Fiecare dintre aceste elemente are mai multe forme, bazate pe greutatea lor atomică (numărul de neutroni din fiecare atom). De exemplu, 99 la sută din tot carbonul din atmosfera noastră există sub forma numită Carbon-12; dar un procent de carbon rămas este alcătuit din două forme de carbon ușor diferite, numite Carbon-13 și Carbon-14. Carbon-12 (prescurtat 12C) are o greutate atomică de 12, care este formată din 6 protoni, 6 neutroni și 6 electroni - cei 6 electroni nu adaugă nimic la greutatea atomică. Carbon-13 (13C) mai are 6 protoni și 6 electroni, dar are 7 neutroni. Carbon-14 (14C) are 6 protoni și 8 neutroni, care este prea greu pentru a ține împreună într-un mod stabil și emite energie pentru a scăpa de exces, motiv pentru care oamenii de știință îl numesc "

Toate cele trei forme reacționează exact la fel - dacă combinați carbonul cu oxigenul obțineți întotdeauna dioxid de carbonoricât de neutroni sunt. Formularele 12C și 13C sunt stabile - adică nu se schimbă în timp. Carbon-14, pe de altă parte, nu este stabil, ci, în schimb, scade într-un ritm cunoscut - din această cauză, putem utiliza raportul rămas față de Carbon-13 pentru a calcula date de radiocarbon, dar aceasta este o altă problemă în întregime.

Raportul dintre Carbon-12 și Carbon-13 este constant în atmosfera pământului. Există întotdeauna o sută de atomi de 12C la un atom de 13C. În timpul procesului de fotosinteză, plantele absorb atomii de carbon din atmosfera, apa și solul pământului și le depozitează în celulele frunzelor, fructelor, nucilor și rădăcinilor. Dar, raportul dintre formele de carbon este modificat ca parte a procesului de fotosinteză.

În timpul fotosintezei, plantele modifică raportul chimic 100 12C / 1 13C diferit în diferite regiuni climatice. Plantele care trăiesc în regiuni cu mult soare și puțină apă au relativ puține 12 atomi în celulele lor (comparativ cu 13C) decât plantele care trăiesc în păduri sau în zonele umede. Oamenii de știință clasifică plantele după versiunea fotosintezei pe care o folosesc în grupuri numite C3, C4 și CAM.

Raportul de 12C / 13C este conectat la celulele plantei și, aici este cea mai bună parte - pe măsură ce celulele trec în lanțul alimentar (adică rădăcinile, frunzele și fructele) sunt consumate de animale și oameni), raportul dintre 12C și 13C rămâne practic neschimbat, deoarece este la rândul său depozitat în oasele, dinții și părul animalelor și oameni.

Cu alte cuvinte, dacă puteți determina raportul de la 12C la 13C care este păstrat în oasele unui animal, vă puteți da seama dacă plantele pe care le-au mâncat au folosit procese C4, C3 sau CAM și, prin urmare, care a fost mediul plantelor ca. Cu alte cuvinte, presupunând că mănânci local, unde trăiești este cu fir în oase prin ceea ce mănânci. Această măsurare este realizată de analiza spectrometrului de masă.

Carbonul nu este cu mult timp singurul element utilizat de cercetătorii izotopi stabili. În prezent, cercetătorii se uită la măsurarea raporturilor izotopilor stabili de oxigen, azot, stronțiu, hidrogen, sulf, plumb și multe alte elemente care sunt procesate de plante și animale. Această cercetare a dus la o diversitate pur și simplu incredibilă de informații alimentare umane și animale.

Prima aplicație arheologică a cercetării cu izotopi stabile a fost în anii 70, de către arheologul sud-african Nikolaas van der Merwe, care făcea săpături la Epoca fierului african site-ul Kgopolwe 3, unul dintre mai multe site-uri din Transvaal Lowveld din Africa de Sud, numit Phalaborwa.

Van de Merwe a găsit un schelet masculin uman într-o grămadă de cenușă care nu semăna cu celelalte înmormântări din sat. Scheletul era diferit, morfologic, de ceilalți locuitori din Phalaborwa și fusese înmormântat într-o manieră complet diferită de sătenul tipic. Bărbatul arăta ca un Khoisan; iar khoisanii nu ar fi trebuit să se afle la Phalaborwa, care erau triburi strămoșii sotho. Van der Merwe și colegii săi J. C. Vogel și Philip Rightmire au decis să privească semnătura chimică din oasele sale și la inițială rezultatele sugerează că bărbatul era un fermier de sorg dintr-un sat Khoisan la care cumva murise la Kgopolwe 3.

Tehnica și rezultatele studiului Phalaborwa au fost discutate la un seminar la SUNY Binghamton, unde preda Van der Merwe. La vremea respectivă, SUNY a investigat înmormântările întârziate de pădure și împreună au decis că ar fi interesant să vedem dacă adăugarea porumb (Porumbul american, un domesticit subtropical C4) la dietă ar fi identificabil la persoanele care anterior au avut acces doar la plantele C3: și a fost.

Studiul a devenit primul studiu arheologic publicat aplicând analize de izotopi stabile, în 1977. Ei au comparat raporturile stabile de izotopi de carbon (13C / 12C) în colagenul coastelor umane de la un Arhaic (2500-2000 BCE) și un Woodland timpuriu Situl arheologic (400–100 î.e.n.) din New York (adică, înainte ca porumbul să ajungă în regiune), cu raporturi de 13C / 12C în coaste de la o pădure târzie (Ca. 1000–1300 CE) și un sit din perioada istorică (după sosirea porumbului) din aceeași zonă. Ei au putut să arate că semnăturile chimice din coaste erau un indiciu că porumbul nu a fost prezent în primele perioade, ci a devenit un aliment de bază pentru pădurea târzie.

Pe baza acestei demonstrații și dovezi disponibile pentru distribuția izotopilor de carbon stabili în natură, Vogel și van der Merwe a sugerat că tehnica ar putea fi utilizată pentru a detecta agricultura de porumb în pădurile și pădurile tropicale din America; determină importanța alimentelor marine în dietele comunităților de coastă; documentarea modificărilor în timp a acoperirii vegetației în savane, pe baza raporturilor de navigare / pășunare a erbivorelor cu hrană mixtă; și, eventual, pentru a determina originile investigațiilor medico-legale.

Din 1977, aplicațiile analizei izotopilor stabili au explodat în număr și lărgime, folosind raporturile de izotopi stabile ale elementelor ușoare hidrogen, carbon, azot, oxigen și sulf în osul uman și animal (colagen și apatit), smalțul și părul dinților, precum și în reziduurile de ceramică coapte la suprafață sau absorbite în peretele ceramic pentru a determina dietele și apa surse. Raporturile de izotopi stabile (de obicei carbon și azot) au fost utilizate pentru a investiga aceste diete componente precum creaturi marine (de ex. focă, pește și crustacee), diverse plante domesticite precum porumb și mei; și laptele de bovine (reziduuri de lapte în olărit) și laptele matern (vârsta de înțărcare, detectată în rândul dinților). Studii dietetice au fost făcute pe hominine încă din zilele noastre strămoșilor noștri vechi Homo habilis si Australopitecine.

Alte cercetări izotopice s-au concentrat pe determinarea originilor geografice ale lucrurilor. Diferite rapoarte stabile de izotopi în combinație, incluzând uneori izotopii unor elemente grele precum stronțiul și plumb, au fost folosite pentru a determina dacă rezidenții orașelor antice erau imigranți sau s-au născut la nivel local; să urmărească originile ivory poached și cornul rinocerului pentru a rupe inele de contrabandă; și pentru a determina originile agricole ale cocainei, heroinei și fibrei de bumbac utilizate pentru a face facturi false de 100 de dolari.

Un alt exemplu de fracționare izotopică care are o aplicație utilă implică ploaia, care conține izotopi de hidrogen stabili 1H și 2H (deuteriu) și izotopii de oxigen 16O și 18O. Apa se evaporă în cantități mari la ecuator, iar vaporii de apă se dispersează spre nord și sud. Pe măsură ce H2O cade înapoi pe pământ, izotopii grei ploiesc mai întâi. În momentul în care cade zăpada la stâlpi, umiditatea este puternic epuizată în izotopii grei ai hidrogenului și oxigenului. Distribuția globală a acestor izotopi în ploaie (și în apa de la robinet) poate fi mapată, iar originile consumatorilor pot fi determinate prin analiza izotopică a părului.

• Grant, Jennifer. "De vânătoare și înveliș: dovezi izotopice în camelide sălbatice și domestice din Puna sud-argentiniană (2120–420 ani BP)." Revista de științe arheologice: rapoarte 11 (2017): 29–37. Imprimare.
• Iglesias, Carlos și colab. "Analiza izotopilor stabili confirmă diferențele substanțiale între paginile de hrană ale lacului superficial subtropical și temperat"Hydrobiologia 784.1 (2017): 111–23. Imprimare.
• Katzenberg, M. Anne, și Andrea L. Waters-Rist. "Analiza izotopilor stabili: instrument pentru studierea dietei trecute, demografiei și istoriei vieții." Antropologie biologică a scheletului uman. Eds. Katzenberg, M. Anne și Anne L. Grauer. 3. ed. New York: John Wiley & Sons, Inc., 2019. 467–504. Imprimare.
• Preț, T. Douglas și colab. "Probancarea izotopică a ." Antichitate 90.352 (2016): 1022–37. Imprimare.Salme Înmormântări în perioada pre-vikingă Estonia
• Sealy, J. C., și N. J. van der Merwe. "Despre „Abordări la reconstituirea dietetică în vestul Capului: ești ce ai mâncat?” - un răspuns la Parkington." Jurnalul de științe arheologice 19.4 (1992): 459–66. Imprimare.
• Somerville, Andrew D., și colab. "Dieta și sexul în coloniile Tiwanaku: analiză izotopă stabilă a colagenului și apatitului osului uman din Moquegua, Peru." American Journal of Physical Anthropology 158.3 (2015): 408–22. Imprimare.
• Sugiyama, Nawa, Andrew D. Somerville, și Margaret J. Schoeninger. "Izotopi stabili și zooarheologie la Teotihuacan, Mexic Dezvăluie cele mai vechi dovezi ale gestionării carnivorelor sălbatice din Mesoamerica." Plus unu 10.9 (2015): e0135635. Imprimare.
• Vogel, J.C. și Nikolaas J. Van der Merwe. "Dovezi izotopice pentru cultivarea timpurie a porumbului în statul New York." Antichitatea americană 42.2 (1977): 238–42. Imprimare.