Stabilna analiza izotopov v arheologiji

Stabilna analiza izotopov je znanstvena tehnika, ki jo arheologi in drugi znanstveniki uporabljajo za zbiranje informacij s kosti živali za identifikacijo fotosinteza postopek rastlin, ki jih je zaužil v svoji življenjski dobi. Te informacije so izredno uporabne v številnih aplikacijah, od določanja prehranskih navad stari predniki hominidov, da bi izsledili kmetijsko poreklo zaseženega kokaina in ilegalno ušivanega nosoroga rog.

Vso zemljo in njeno ozračje sestavljajo atomi različnih elementov, kot so kisik, ogljik in dušik. Vsak od teh elementov ima več oblik, ki temeljijo na njihovi atomski teži (številu nevtronov v vsakem atomu). Na primer, 99 odstotkov vsega ogljika v naši atmosferi obstaja v obliki, imenovani ogljik-12; preostali enodstotni ogljik pa sestavljata dve nekoliko drugačni obliki ogljika, imenovani Carbon-13 in Carbon-14. Ogljik-12 (okrajšano 12C) ima atomsko težo 12, ki ga sestavlja 6 protonov, 6 nevtronov in 6 elektronov - 6 elektronov ne doda nič atomske teže. Karbon-13 (13C) ima še vedno 6 protonov in 6 elektronov, vendar ima 7 nevtronov. Ogljik-14 (14C) ima 6 protonov in 8 nevtronov, kar je pretežko, da bi se stabilno držal skupaj, in oddaja energijo, da bi se znebil presežka, zato ga znanstveniki imenujejo "

Vse tri oblike reagirajo povsem na enak način - če ogljik in kisik vedno dobite ogljikov dioksid, ne glede na to, koliko nevtronov je. Obrazca 12C in 13C sta stabilna - to pomeni, da se sčasoma ne spreminjata. Ogljik-14 na drugi strani ni stabilen, ampak namesto tega razpade z znano hitrostjo - zaradi tega lahko za izračun uporabimo njegovo preostalo razmerje do ogljika-13 radiokarbonskih datumov, ampak to je že drugo vprašanje.

Razmerje ogljika-12 in ogljika-13 je v zemeljski atmosferi konstantno. Na en 13C atom je vedno sto atomov 12C. V procesu fotosinteze rastline absorbirajo atome ogljika v zemeljski atmosferi, vodi in tleh in jih shranijo v celice svojih listov, plodov, oreškov in korenin. Toda razmerje med oblikami ogljika se spremeni v okviru procesa fotosinteze.

Med fotosintezo rastline v različnih podnebnih regijah spreminjajo 100 12C / 1 13C kemijsko razmerje. Rastline, ki živijo v regijah z veliko sonca in malo vode, imajo v svojih celicah razmeroma manj atomov 12C (v primerjavi s 13C) kot rastline, ki živijo v gozdovih ali mokriščih. Znanstveniki razvrščajo rastline po različici fotosinteze, ki jo uporabljajo v skupine, imenovane C3, C4 in CAM.

Razmerje 12C / 13C je trdno vpeto v celice rastline in - tu je najboljši del -, ko se celice preidejo po prehranski verigi (tj. Korenine, listi in plodovi jedo živali in človek), razmerje 12C proti 13C ostane skoraj nespremenjeno, saj je shranjeno v kosteh, zob in dlakah živali in ljudi.

Z drugimi besedami, če lahko določite razmerje med 12C in 13C, ki je shranjeno v kosti živali, lahko ugotovite, ali so rastline, ki so jih jedli, uporabljale procese C4, C3 ali CAM in torej, kakšno je bilo okolje rastlin všeč. Z drugimi besedami, ob predpostavki, da jeste lokalno, kjer živite, je tisto, kar jeste, trdno v vaše kosti. To merjenje opravi: analiza masnega spektrometra.

Ogljik ni edini element, ki ga uporabljajo stabilni raziskovalci izotopov. Trenutno raziskovalci proučujejo merjenje razmerij stabilnih izotopov kisika, dušika, stroncija, vodika, žvepla, svinca in mnogih drugih elementov, ki jih predelajo rastline in živali. Te raziskave so privedle do preprosto neverjetne raznolikosti informacij o prehrani ljudi in živali.

Prva arheološka uporaba stabilnih raziskav izotopov je bila v 70. letih prejšnjega stoletja južnoafriški arheolog Nikolaas van der Merwe, ki je bil izkopan na Afriška železna doba mesto Kgopolwe 3, eno izmed več krajev v transvaalskem Lowveldu v Južni Afriki, imenovano Phalaborwa.

Van de Merwe je v kopici pepela našel človeškega moškega okostja, ki ni bil podoben drugim pokopom iz vasi. Okostje je bil morfološko drugačen od ostalih prebivalcev Phalaborwe in je bil pokopan na povsem drugačen način kot tipičen vaščan. Moški je bil videti kot Khoisan; in Khojčani ne bi smeli biti v Phalaborwa, ki so bili sorodni sotoški plemeni. Van der Merwe in njegovi sodelavci J. C. Vogel in Philip Rightmire sta se odločila pogledati kemični podpis v njegovih kosteh in začetni Rezultati kažejo, da je bil mož kmet iz sisa, ki je nekako umrl na Kgopolwe 3.

O tehniki in rezultatih študije Phalaborwa so razpravljali na seminarju v SUNY Binghamton, kjer je poučeval van der Merwe. Takrat je SUNY preiskal pozne gozdne pokopališča in skupaj sta se odločila, da bo zanimivo videti, ali bo dodatek koruza (Ameriška koruza, subtropski C4 udomačeni) v prehrani bi bilo mogoče prepoznati pri ljudeh, ki so prej imeli dostop le do rastlin C3: in to je bilo.

Ta študija je leta 1977 postala prva objavljena arheološka študija, ki je uporabila stabilno analizo izotopov. Primerjali so stabilna razmerja izotopov ogljika (13C / 12C) v kolagenu človeških reber iz arhaike (2500-2000 pred našim štetjem) in zgodnjega gozdov (400–100 pr. N. Št.) Arheološko najdišče v New Yorku (tj. Preden je v regijo prispela koruza) z razmerjem 13C / 12C v rebrih iz poznega gozda (približno 1000–1300 CE) in zgodovinsko obdobje (po prihodu koruze) z istega območja. Lahko so pokazali, da so kemični podpisi v rebrih pokazatelj, da koruza ni bila prisotna v zgodnjih obdobjih, ampak je postala osnovna hrana do poznega gozda.

Na podlagi te demonstracije in razpoložljivih dokazov za porazdelitev stabilnih izotopov ogljika v naravi, Vogel in van der Merwe je predlagal, da bi tehniko uporabili za odkrivanje kmetijstva koruze v gozdnih in tropskih gozdovih Amerike; določiti pomen morske hrane v prehrani obalnih skupnosti; dokumentirajo spremembe vegetacijske pokritosti v savanah na podlagi razmerij brskanja in paše rastlinojedih mešanih krmil; in po možnosti za določitev porekla v forenzičnih preiskavah.

Od leta 1977 so aplikacije stabilne izotopne analize po številu in širini eksplodirale z uporabo stabilnih razmerij izotopov svetlobnih elementov vodik, ogljik, dušik, kisik in žveplo v človeška in živalska kost (kolagen in apatit), zobna sklenina in dlaka, pa tudi ostanki lončkov, ki so bili spečeni na površino ali absorbirani v keramično steno za določanje prehrane in vode viri. Za preučevanje takšne prehrane se uporabljajo lahka stabilna razmerja izotopov (običajno ogljik in dušik) sestavine kot morska bitja (npr. tjulnji, ribe in lupinarji), različne udomačene rastline, kot so koruza in proso; in mlečno govedo (ostanki mleka v lončarjih) in materino mleko (starost odstavljanja, odkrita v zobni vrsti). Prehranske študije so bile na homininah narejene od današnjih dni do naših starih prednikov Homo habilis in Avstralopiteki.

Druge izotopske raziskave so se osredotočile na določitev geografskega izvora stvari. Različna stabilna razmerja izotopov v kombinaciji, včasih tudi izotopi težkih elementov, kot je stroncij in svinec, so bili uporabljeni za določitev, ali so bili prebivalci starodavnih mest priseljenci ali so se rodili lokalno; izslediti poreklo ulovljene slonovine in nosoroga, da bi razbili tihotapne prstane; in za določitev kmetijskega porekla kokaina, heroina in bombažnih vlaken, ki se uporabljajo za ponaredke 100 ameriških dolarjev.

Drug primer izotopske frakcioniranja, ki ima koristno uporabo, vključuje dež, ki vsebuje stabilna izotopa vodika 1H in 2H (devterij) ter izotope kisika 16O in 18O. V ekvatorju voda izhlapi v velikih količinah, vodna para pa se razprši na sever in jug. Ko H2O pade nazaj na zemljo, najprej iztečejo težki izotopi. V času, ko pada sneg na drogove, se vlaga močno zmanjša v težkih izotopih vodika in kisika. Globalno porazdelitev teh izotopov v dežju (in v vodi iz pipe) je mogoče preslikati, izvor potrošnikov pa lahko določimo z izotopno analizo las.

• Grant, Jennifer. "O lovu in paši: izotopski dokazi pri divjih in udomačenih kamelidih iz južne argentinske puna (2120–420 let BP)." Časopis za arheološke znanosti: Poročila 11 (2017): 29–37. Natisni
• Iglesias, Carlos in sod. "Analiza stabilnih izotopov potrjuje bistvene razlike med subtropskim in zmernim jedkom plitkega jezera"Hydrobiologia 784.1 (2017): 111–23. Natisni
• Katzenberg, M. Anne in Andrea L. Waters-Rist. "Analiza stabilnih izotopov: orodje za preučevanje pretekle prehrane, demografije in zgodovine življenja." Biološka antropologija človeškega skeleta. Eds Katzenberg, M. Anne in Anne L. Grauer. 3. izd. New York: John Wiley & Sons, Inc., 2019. 467–504. Natisni
• Cena, T. Douglas in sod. "Izotopska določitev ." Antika 90.352 (2016): 1022–37. NatisniSalme ladjami v pred-vikinški dobi Estonija
• Sealy, J. C. in N. J. van der Merwe. "O "Pristop k obnovi prehrane na zahodnem rtu: Ali ste kaj pojedli?" - odgovor na Parkington." Časopis za arheološko znanost 19.4 (1992): 459–66. Natisni
• Somerville, Andrew D. in sod. "Prehrana in spol v kolonijah Tiwanaku: Stabilna izotopska analiza človeškega kostnega kolagena in apatita iz Moquegua, Peru." Ameriški časopis za fizično antropologijo 158.3 (2015): 408–22. Natisni
• Sugiyama, Nawa, Andrew D. Somerville in Margaret J. Schoeninger. "Stabilni izotopi in zooarheologija v Teotihuacanu, Mehika, odkrili najstarejše dokaze o ravnanju z divjimi mesojedi v Mesoamerici." PLOŠČE ENO 10.9 (2015): e0135635. Natisni
• Vogel, J. C. in Nikolaas J. Van der Merwe. "Izotopni dokazi za zgodnjo gojenje koruze v zvezni državi New York." Ameriška antika 42.2 (1977): 238–42. Natisni