Stabil izotóp-elemzés a régészetben

Stabil izotóp-elemzés egy tudományos módszer, amelyet a régészek és más tudósok használnak arra, hogy az állat csontainál információkat gyűjtsenek az állatok azonosítására fotoszintézis az élete során felhasznált növények folyamata. Ez az információ rendkívül hasznos számos alkalmazásban, egészen a táplálkozási szokások meghatározásáig az ősi hominid ősek az elkobzott kokain és az illegálisan orvvadású orrszarvú mezőgazdasági eredetének felkutatására kürt.

Az egész föld és légkör különböző elemek atomjaiból áll, mint például az oxigén, a szén és a nitrogén. Ezeknek az elemeknek mindegyike többféle, atomtömegük alapján (az egyes atomok neutronjainak száma). Például légkörünkben az összes szén 99% -a létezik Carbon-12 formában; de a fennmaradó egy százalékos szén két, kissé eltérő formájú szénből áll, amelyeket Carbon-13 és Carbon-14-nek neveznek. A szén-12 (rövidítve 12C) atomtömege 12, amely 6 protonból, 6 neutronból és 6 elektronból áll - a 6 elektron nem ad hozzá semmit az atomtömeghez. A szén-13 (13C) még mindig tartalmaz 6 protont és 6 elektronot, de 7 neutronnal rendelkezik. A szén-14 (14C) 6 protonnal és 8 neutronnal rendelkezik, ami túl nehéz ahhoz, hogy stabil módon tartsa egymást, és energiát bocsát ki, hogy megszabaduljon a feleslegtől, ezért hívják a tudósok "

Mindhárom forma pontosan ugyanúgy reagál - ha a szén és az oxigén összekapcsolódik, akkor mindig kap szén-dioxid, nem számít hány neutron van. A 12C és 13C formák stabilak - azaz nem változnak az idő múlásával. A szén-14 viszont nem stabil, hanem egy ismert sebességgel bomlik - emiatt a fennmaradó szén-13 arányt használhatjuk a kiszámításához radiokarbon dátumok, de ez egy másik probléma.

A szén-12 és a szén-13 aránya állandó a föld légkörében. Az egyik 13C atom mindig száz 12C atomot tartalmaz. A fotoszintézis során a növények felszívják a szénatomokat a föld légkörében, a vízben és a talajban, és levelek, gyümölcsök, diófélék és gyökerek sejtjeiben tárolják azokat. De a szén formáinak aránya megváltozik a fotoszintézis folyamatának részeként.

A fotoszintézis során a növények az éghajlati régiókban eltérően változtatják meg a 100 12C / 1 13C kémiai arányt. A sok nap és kevés vízű régiókban élő növények sejtekben viszonylag kevesebb 12C atomot tartalmaznak (13C-hez képest), mint az erdőkben vagy vizes élőhelyekben élő növényeknél. A tudósok a felhasznált fotoszintézis verziója alapján a növényeket az úgynevezett csoportokba sorolják C3, C4 és CAM.

A 12C / 13C hányadosa be van vezetve a növény sejtjeibe, és - itt a legjobb rész -, amikor a sejtek átjutnak az élelmiszerláncban (azaz a gyökerek, levelek és gyümölcsök) amelyeket állatok és emberek fogyasztanak), a 12C és 13C arány gyakorlatilag változatlan marad, mivel azt az állatok csontokban, fogaikban és szőrében tárolják, valamint emberekben.

Más szavakkal, ha meg tudja határozni az állati csontokban tárolt 12C és 13C arányt, kitalálhatja hogy az általuk evett növények C4, C3 vagy CAM folyamatokat alkalmaztak-e, és hogy mi volt a növények környezete? mint. Más szavakkal: ha feltételezzük, hogy helyben eszik, ahol élsz, akkor az, amit eszel, be van kötve a csontokba. Ezt a mérést: tömegspektrométer elemzése.

A szén hosszú távon nem az egyetlen elem, amelyet a stabil izotópkutatók használnak. Jelenleg a kutatók az oxigén, a nitrogén, a stroncium, a hidrogén, a kén, az ólom és a növények és állatok által feldolgozott egyéb elemek stabil izotópjainak arányának mérésére irányulnak. Ez a kutatás az emberek és állatok táplálkozási információinak hihetetlenül sokféleségéhez vezetett.

A stabil izotópkutatás legelső alkalmazása az 1970-es években volt, a dél-afrikai régész által Nikolaas van der Merwe, aki ásatást végzett a Afrikai vaskor A Kgopolwe 3 helyszíne, a Dél-Afrika Transvaal Lowveld területén található Phalaborwa néven egyike.

Van de Merwe egy férfi hasi csontvázat talált egy hamutartóban, amely nem hasonlított a faluból származó többi temetkezési lapra. A csontváz morfológiai szempontból különbözik a Phalaborwa többi lakosától, és őt teljesen eltemetik, mint a tipikus falusit. A férfi úgy nézett ki, mint egy Khoisan; és a Khoisansnak nem kellett volna Phalaborwában lennie, akik ősi sotho törzsek voltak. Van der Merwe és munkatársai, J. C. Vogel és Philip Rightmire úgy döntött, hogy megnézi a csontokban lévő kémiai aláírást és a kezdeti jelet Az eredmények azt sugallták, hogy az ember egy cirokfarm volt egy Khoisan faluból, aki valahogy meghalt Kgopolwe 3.

A Phalaborwa-tanulmány technikáját és eredményeit a SUNY Binghamtonban tartott szemináriumon tárgyalták, ahol van der Merwe tanított. Abban az időben SUNY a késő Woodland temetkezéseket vizsgálta, és együtt döntöttek úgy, hogy érdekes lenne megnézni, kukorica (Amerikai kukorica, szubtrópusi C4 háziasítás) az étrend azon emberekben azonosítható lenne, akik korábban csak a C3 növényekhez jutottak hozzá: és volt.

Ez a tanulmány 1977-ben lett az első közzétett régészeti kutatás, amely stabil izotóp-elemzést alkalmazott. Összehasonlították az archaikus (2500–2000 epe) és egy korai erdei ember bordáinak kollagénjében a stabil szén izotóp arányokat (13C / 12C). (400–100 BC) régészeti lelőhely New York-ban (vagyis mielőtt a kukorica megérkezett a régióba) a késő erdőből származó bordák 13C / 12C arányával (Kb 1000–1300 CE) és egy történelmi időszakban (a kukorica megérkezése után) ugyanazon a területen. Meg tudták mutatni, hogy a bordákban lévő kémiai aláírások arra utalnak, hogy a kukorica nem volt jelen a korai időszakokban, hanem a késő erdő idején alapanyaggá vált.

Ezen demonstráció és a stabil szén izotópok természetben való elterjedésének bizonyítéka alapján, Vogel és van der Merwe javasolta, hogy a technika felhasználható legyen a kukoricatermesztés kimutatására az amerikai erdőkben és trópusi erdőkben; meghatározza a tengeri ételek fontosságát a part menti közösségek étrendjében; a szavannákban az idő múlásával bekövetkező változások dokumentálása a vegyes etetésű növényevők böngészési / legeltetési aránya alapján; és esetleg a kriminalisztikai vizsgálatok eredetének meghatározására.

1977 óta a stabil izotóp-elemzés alkalmazása számban és szélességben robbant fel, a hidrogén, a szén, a nitrogén, az oxigén és a kén fényelemeinek stabil izotóparányát felhasználva. emberi és állati csontok (kollagén és apatit), fogzománc és haj, valamint a felületre sütött vagy a kerámia falba felszívódott kerámiamaradványok az étrend és a víz meghatározására forrásokból. Könnyű stabil izotóp (általában szén és nitrogén) arányt használtak az ilyen étrend vizsgálatához komponensek tengeri lényekként (pl. fókák, halak és kagylók), különféle háziasított növények, például kukorica és köles; és szarvasmarha-tejkészítés (tejmaradványok a fazekasságban), és az anyatej (elválasztási kor, a fogsorban kimutatva). Táplálkozási vizsgálatokat végeztek a homininekkel a mai időktől ősi őseinkig Homo habilis és a Australopithecus.

Más izotópkutatás a dolgok földrajzi eredetének meghatározására összpontosított. Különböző stabil izotóp arányok kombinációban, ideértve a nehéz elemek izotópoit, például a stronciumot és az ólom, annak meghatározására szolgáltak, hogy az ősi városok lakosai bevándorlók voltak-e vagy születettek-e helyileg; a buggyantott elefántcsont és az orrszarvú eredete nyomon követése a csempészet gyűrűinek felbomlása érdekében; valamint a kokain, a heroin és a gyapotszál mezõgazdasági eredetének meghatározása a hamis 100 dolláros számlák elõállításához.

Az izotópos frakcionálás egy további példája, amely hasznos lehet, az eső, amely tartalmazza az 1H és 2H (deutérium) stabil hidrogén izotópokat és a 16O és 18O oxigén izotópokat. A víz nagy mennyiségben párolog az Egyenlítőn, és a vízgőz eloszlik északi és déli irányban. Amint a H2O visszaesik a földre, előbb esik a nehéz izotópok. Mire a pólusokhoz hó esik, a hidrogén és az oxigén nehéz izotópjaiban a nedvesség súlyosan kimerül. Ezeknek az izotópoknak az esőben (és a csapvízben) való globális eloszlása ​​térképezhető, és a hajok izotópos elemzésével meghatározható a fogyasztók eredete.

• Grant, Jennifer. "Vadászat és állománynövelés: izotópos bizonyítékok a dél-argentin puna vad és háziasított tevejeiben (2120–420 év BP)." A régészeti tudományos folyóirat: Jelentések 11 (2017): 29–37. Nyomtatás.
• Iglesias, Carlos és munkatársai. "A stabil izotóp-elemzés megerősíti a szubtrópusi és a mérsékelt sekély tó ételhálók közötti lényeges különbségeket. "Hydrobiologia 784.1 (2017): 111–23. Nyomtatás.
• Katzenberg, M. Anne és L. Andrea Waters-Rist. "Stabil izotóp-elemzés: eszköz a múltbeli étrend, demográfia és élettörténet tanulmányozására." Az emberi csontváz biológiai antropológiája. Eds. Katzenberg, M. Anne és L. Anne Grauer. 3. szerk. New York: John Wiley & Sons, Inc., 2019. 467–504. Nyomtatás.
• Ár, T. Douglas és munkatársai. "Izotopikus bizonyítása ." Antikvitás 90.352 (2016): 1022–37. Nyomtatás.Salme hajók temetkezése a Viking-előtti Észtországban
• Sealy, J. C. és N. J. van der Merwe. "A "Nyugat-Fokföld diétás felújításának megközelítései: mit esztek?" - válasz a Parkingtonra." A régészeti tudományos folyóirat 19.4 (1992): 459–66. Nyomtatás.
• Somerville, Andrew D. és mtsai. "Táplálkozás és nem a Tiwanaku kolóniákban: Az emberi csont kollagén és apátit stabil izotópos elemzése a moqueguai (Peru)." American Journal of Physical Anhropology 158.3 (2015): 408–22. Nyomtatás.
• Sugiyama, Nawa, Andrew D. Somerville és Margaret J. Schoeninger. "Stabil izotópok és állatkertészet a Teotihuacan-ban, Mexikóban feltárják a mezoamericai vadon élő húsevő-gazdálkodás legkorábbi bizonyítékait." PLOS ONE 10.9 (2015): e0135635. Nyomtatás.
• Vogel, J. C. és Nikolaas J. Van der Merwe. "Izotópos bizonyítékok a kora kukorica termesztésére New York államban." Amerikai antikvitás 42.2 (1977): 238–42. Nyomtatás.