Stabilna analiza izotopowa w archeologii

Stabilna analiza izotopowa to technika naukowa stosowana przez archeologów i innych uczonych do zbierania informacji z kości zwierzęcia w celu identyfikacji fotosynteza proces roślin, które zużył w ciągu swojego życia. Informacje te są niezwykle przydatne w wielu aplikacjach, od określenia nawyków żywieniowych starożytni przodkowie hominidów do śledzenia pochodzenia rolniczego skonfiskowanej kokainy i nielegalnie kłusujących nosorożców róg.

Cała Ziemia i jej atmosfera składa się z atomów różnych pierwiastków, takich jak tlen, węgiel i azot. Każdy z tych pierwiastków ma kilka postaci opartych na ich masie atomowej (liczbie neutronów w każdym atomie). Na przykład 99 procent całego węgla w naszej atmosferze występuje w formie o nazwie Carbon-12; ale pozostały jeden procent węgla składa się z dwóch kilku nieco różnych form węgla, zwanych Carbon-13 i Carbon-14. Węgiel-12 (w skrócie 12C) ma masę atomową 12, która składa się z 6 protonów, 6 neutronów i 6 elektronów - 6 elektronów nic nie dodaje do masy atomowej. Carbon-13 (13C) nadal ma 6 protonów i 6 elektronów, ale ma 7 neutronów. Węgiel-14 (14C) ma 6 protonów i 8 neutronów, co jest zbyt ciężkie, aby utrzymać je w stabilny sposób, i emituje energię, aby pozbyć się nadmiaru, dlatego naukowcy nazywają to „

Wszystkie trzy formy reagują dokładnie w ten sam sposób - zawsze łącząc węgiel z tlenem dwutlenek węgla, bez względu na liczbę neutronów. Formy 12C i 13C są stabilne - to znaczy nie zmieniają się z czasem. Z drugiej strony węgiel-14 nie jest stabilny, ale rozpada się w znanym tempie - z tego powodu możemy wykorzystać jego pozostały stosunek do węgla-13 do obliczenia daty radiowęglowe, ale to zupełnie inna kwestia.

Stosunek węgla-12 do węgla-13 jest stały w atmosferze ziemskiej. W jednym atomie 13C zawsze znajduje się sto atomów 12C. Podczas procesu fotosyntezy rośliny absorbują atomy węgla w ziemskiej atmosferze, wodzie i glebie i przechowują je w komórkach liści, owoców, orzechów i korzeni. Ale stosunek form węgla ulega zmianie w ramach procesu fotosyntezy.

Podczas fotosyntezy rośliny zmieniają stosunek chemiczny 100 12C / 1 13C w różny sposób w różnych regionach klimatycznych. Rośliny żyjące w regionach o dużej ilości słońca i małej ilości wody mają w komórkach stosunkowo mniej atomów 12C (w porównaniu do 13C) niż rośliny żyjące w lasach lub na terenach podmokłych. Naukowcy dzielą rośliny według wersji fotosyntezy, której używają, na grupy zwane C3, C4 i CAM.

Stosunek 12C / 13C jest wbudowany w komórki rośliny i - tutaj jest najlepsza część - gdy komórki przechodzą w górę łańcucha pokarmowego (tj. Korzenie, liście i owoce są spożywane przez zwierzęta i ludzi), stosunek 12C do 13C pozostaje praktycznie niezmieniony, ponieważ z kolei jest przechowywany w kościach, zębach i sierści zwierząt i ludzie

Innymi słowy, jeśli możesz określić stosunek 12C do 13C przechowywany w kościach zwierzęcia, możesz dowiedzieć się czy rośliny, które jedli, stosowały procesy C4, C3 lub CAM, a zatem jakie było środowisko roślin lubić. Innymi słowy, zakładając, że jesz lokalnie, miejsce, w którym mieszkasz, jest ściśle powiązane z twoimi kościami przez to, co jesz. Ten pomiar jest realizowany przez analiza spektrometru mas.

Węgiel nie jest od dłuższego czasu jedynym pierwiastkiem stosowanym przez badaczy stabilnych izotopów. Obecnie naukowcy analizują pomiary stabilnych izotopów tlenu, azotu, strontu, wodoru, siarki, ołowiu i wielu innych pierwiastków przetwarzanych przez rośliny i zwierzęta. Badania te doprowadziły do ​​po prostu niesamowitej różnorodności informacji o żywieniu ludzi i zwierząt.

Pierwsze archeologiczne zastosowanie badań nad stabilnymi izotopami miało miejsce w latach 70. XX wieku przez południowoafrykańskiego archeologa Nikolaas van der Merwe, który kopał w Afrykańska epoka żelaza strona Kgopolwe 3, jednego z kilku miejsc w Transvaal Lowveld w Południowej Afryce, zwanego Phalaborwa.

Van de Merwe znalazł ludzki szkielet mężczyzny na kupce popiołu, który nie wyglądał jak inne pochówki z wioski. Szkielet był inny pod względem morfologicznym od innych mieszkańców Phalaborwy i został pochowany w zupełnie inny sposób niż typowy wieśniak. Mężczyzna wyglądał jak Khoisan; a Khoisans nie powinien był przebywać w Phalaborwa, którzy byli przodkami plemion Sotho. Van der Merwe i jego koledzy J. DO. Vogel i Philip Rightmire postanowili spojrzeć na chemiczną sygnaturę w jego kościach i inicjał wyniki sugerują, że był to rolnik sorgo z wioski Khoisan, który w jakiś sposób umarł Kgopolwe 3.

Technikę i wyniki badania Phalaborwa omówiono na seminarium w SUNY Binghamton, gdzie nauczał van der Merwe. W tym czasie SUNY prowadził dochodzenie w sprawie pochówków w późnym lesie i wspólnie postanowili, że ciekawie będzie sprawdzić, czy dodanie kukurydza (Kukurydza amerykańska, subtropikalny udomowiony C4) do diety można by zidentyfikować u osób, które wcześniej miały tylko dostęp do roślin C3: i tak było.

Badanie to stało się pierwszym opublikowanym badaniem archeologicznym z zastosowaniem stabilnej analizy izotopowej w 1977 r. Porównali stabilne stosunki izotopów węgla (13C / 12C) w kolagenie ludzkich żeber z archaicznego (2500-2000 pne) i wczesnego lasu (400–100 pne) stanowisko archeologiczne w Nowym Jorku (tj. Przed przybyciem kukurydzy do regionu) ze stosunkiem 13C / 12C w żebrach z późnego lasu (ok. 1000–1300 n.e.) i miejsce z okresu historycznego (po przyjeździe kukurydzy) z tego samego obszaru. Byli w stanie wykazać, że podpisy chemiczne na żebrach wskazywały, że kukurydza nie była obecna we wczesnych okresach, ale stała się podstawowym pożywieniem w późnym lesie.

Na podstawie tej demonstracji i dostępnych dowodów na rozmieszczenie stabilnych izotopów węgla w przyrodzie, Vogel i van der Merwe zasugerował, że technikę tę można zastosować do wykrywania rolnictwa kukurydzy w lasach i lasach tropikalnych obu Ameryk; określić znaczenie żywności morskiej w diecie społeczności przybrzeżnych; dokumentować zmiany pokrycia roślinności w czasie w sawannach na podstawie wskaźników przeszukiwania / wypasu roślinożerców mieszanych; i ewentualnie w celu ustalenia źródeł dochodzeń kryminalistycznych.

Od 1977 r. Zastosowania stabilnej analizy izotopowej gwałtownie wzrosły pod względem liczby i szerokości, wykorzystując stabilne proporcje izotopów lekkich pierwiastków wodoru, węgla, azotu, tlenu i siarki w ludzka i zwierzęca kość (kolagen i apatyt), szkliwo zębów i sierść, a także pozostałości ceramiczne wypiekane na powierzchni lub wchłaniane przez ścianę ceramiczną w celu ustalenia diety i wody źródła. Do badania takiej diety stosowano stabilne w świetle stosunki izotopowe (zwykle węgla i azotu) składniki jako stworzenia morskie (np. foki, ryby i skorupiaki), różne rośliny udomowione, takie jak kukurydza i proso; i mleczarstwo bydła (pozostałości mleka w ceramice) i mleko matki (wiek odsadzenia wykryty w rzędzie zębów). Badania dietetyczne przeprowadzono na homininach od czasów współczesnych do naszych starożytnych przodków Homo habilis i Australopitekiny.

Inne badania izotopowe koncentrowały się na określeniu geograficznego pochodzenia rzeczy. Różne stabilne proporcje izotopów w kombinacji, czasem włączając izotopy ciężkich pierwiastków, takich jak stront i ołów, zostały wykorzystane do ustalenia, czy mieszkańcy starożytnych miast byli imigrantami, czy też urodzili się lokalnie; prześledzić pochodzenie gotowanej kości słoniowej i rogu nosorożca w celu rozbicia pierścieni przemytniczych; oraz w celu ustalenia pochodzenia rolniczego kokainy, heroiny i błonnika bawełnianego użytego do wytworzenia fałszywych rachunków za 100 USD.

Innym przykładem frakcjonowania izotopowego, który ma pożyteczne zastosowanie, jest deszcz, który zawiera stabilne izotopy wodoru 1H i 2H (deuter) oraz izotopy tlenu 16O i 18O. Woda paruje w dużych ilościach na równiku, a para wodna rozprasza się na północ i południe. Gdy H2O spada na ziemię, ciężkie izotopy najpierw padają. Kiedy pada śnieg na biegunach, wilgoć jest poważnie wyczerpana w ciężkich izotopach wodoru i tlenu. Globalny rozkład tych izotopów w deszczu (i w wodzie z kranu) można zmapować, a pochodzenie konsumentów można ustalić na podstawie analizy izotopowej włosów.

• Grant, Jennifer. "O polowaniu i pasterstwie: dowody izotopowe na dzikie i udomowione wielbłądowate z południowej argentyńskiej puna (2120–420 lat BP)." Journal of Archaeological Science: Reports 11 (2017): 29–37. Wydrukować.
• Iglesias, Carlos i in. "Stabilna analiza izotopowa potwierdza znaczne różnice między subtropikalnymi i umiarkowanymi wstęgami płytkiego jeziora. "Hydrobiologia 784.1 (2017): 111–23. Wydrukować.
• Katzenberg, M. Anne i Andrea L. Waters-Rist. "Stabilna analiza izotopowa: narzędzie do badania wcześniejszej diety, demografii i historii życia." Antropologia biologiczna szkieletu człowieka. Eds. Katzenberg, M. Anne i Anne L. Grauer. Wydanie trzecie Nowy Jork: John Wiley & Sons, Inc., 2019. 467–504. Wydrukować.
• Price, T. Douglas i in. "Izotopowe proweniencje ." Antyk 90.352 (2016): 1022–37. Wydrukować.Pochówki na statku Salme w czasach przed Wikingami Estonia
• Sealy, J. C. i N. JOT. van der Merwe. "O „Podejściach do odbudowy diety w Prowincji Przylądkowej Zachodniej: jesteś tym, co zjadłeś?” - odpowiedź dla Parkington." Journal of Archaeological Science 19.4 (1992): 459–66. Wydrukować.
• Somerville, Andrew D. i in. "Dieta i płeć w koloniach Tiwanaku: stabilna analiza izotopowa ludzkiego kolagenu i apatytu z Moquegua, Peru." American Journal of Physical Anthropology 158.3 (2015): 408–22. Wydrukować.
• Sugiyama, Nawa, Andrew D. Somerville i Margaret J. Schoeninger. "Stabilne izotopy i zooarchaeologia w Teotihuacan w Meksyku ujawniają najwcześniejszy dowód zarządzania dzikimi drapieżnikami w Mezoameryce." PLoS ONE 10.9 (2015): e0135635. Wydrukować.
• Vogel, J.C. i Nikolaas J. Van der Merwe. "Dowody izotopowe na wczesną uprawę kukurydzy w stanie Nowy Jork." Amerykańska starożytność 42.2 (1977): 238–42. Wydrukować.