Stabilná analýza izotopov v archeológii

Stabilná analýza izotopov je vedecká technika, ktorú archeológovia a ostatní vedci používajú na zhromažďovanie informácií z kostí zvieraťa na identifikáciu fotosyntéza proces rastlín, ktoré spotreboval počas svojej životnosti. Tieto informácie sú nesmierne užitočné pri mnohých aplikáciách, od stanovenia stravovacích návykov starí hominidskí predkovia, ktorí sledujú poľnohospodársky pôvod zabaveného kokaínu a nezákonne pošírovaných nosorožcov roh.

Celú zem a jej atmosféru tvoria atómy rôznych prvkov, ako je kyslík, uhlík a dusík. Každý z týchto prvkov má niekoľko foriem na základe ich atómovej hmotnosti (počet neutrónov v každom atóme). Napríklad 99 percent všetkého uhlíka v našej atmosfére existuje vo forme Carbon-12; zvyšné jedno percento uhlíka sa skladá z dvoch niekoľkých mierne odlišných foriem uhlíka, ktoré sa nazývajú uhlík-13 a uhlík-14. Uhlík-12 (skrátene 12C) má atómovú hmotnosť 12, ktorá sa skladá zo 6 protónov, 6 neutrónov a 6 elektrónov - 6 elektrónov nepridáva nič k atómovej hmotnosti. Uhlík-13 (13C) má stále 6 protónov a 6 elektrónov, ale má 7 neutrónov. Uhlík-14 (14C) má 6 protónov a 8 neutrónov, ktorý je príliš ťažký na to, aby sa dokázal držať pohromade stabilným spôsobom, a emituje energiu, aby sa zbavil prebytku, preto ho vedci nazývajú “

Všetky tri formy reagujú presne rovnakým spôsobom - ak kombinujete uhlík s kyslíkom, vždy získate oxid uhličitý, bez ohľadu na to, koľko neutrónov je. Formy 12C a 13C sú stabilné - to znamená, že sa v priebehu času nemenia. Na druhej strane uhlík-14 nie je stabilný, ale namiesto toho sa rozpadá známym tempom - z tohto dôvodu môžeme na výpočet jeho zostávajúceho pomeru k uhlíku-13 použiť dátumy rádioaktívneho uhlia, ale je to úplne iný problém.

Pomer uhlíka-12 k uhlíku-13 je v zemskej atmosfére konštantný. Vždy existuje sto atómov 12C až jeden atóm 13C. Počas procesu fotosyntézy rastliny absorbujú atómy uhlíka v zemskej atmosfére, vode a pôde a ukladajú ich do buniek svojich listov, ovocia, orechov a koreňov. V rámci procesu fotosyntézy sa však pomer foriem uhlíka mení.

Počas fotosyntézy rastliny menia rôzne chemické pomery 100 12C / 1 13C v rôznych klimatických oblastiach. Rastliny, ktoré žijú v oblastiach s veľkým množstvom slnka a málo vody, majú vo svojich bunkách relatívne menej atómov 12C (v porovnaní s 13C) ako rastliny, ktoré žijú v lesoch alebo mokradiach. Vedci kategorizujú rastliny podľa verzie fotosyntézy, ktorú používajú, do skupín s názvom C3, C4 a CAM.

Pomer 12C / 13C je pevne zapojený do buniek rastliny a - tu je najlepšia časť - ako bunky prechádzajú potravinovým reťazcom (t. J. Korene, listy a ovocie) konzumujú zvieratá a ľudia), pomer 12 ° C k 13 ° C zostáva prakticky nezmenený, pretože sa uchováva v kostiach, zuboch a vlasoch zvierat a ľudí.

Inými slovami, ak môžete určiť pomer 12C až 13C, ktorý je uložený v kostiach zvieraťa, môžete zistiť, či rastliny, ktoré jedli, používali procesy C4, C3 alebo CAM, a preto aké prostredie ich rastlín bolo Páči sa mi to. Inými slovami, za predpokladu, že budete jesť miestne, kde žijete, je pevne zapojené do vašich kostí tým, čo jete. Toto meranie sa vykonáva pomocou analýza pomocou hmotnostného spektrometra.

Uhlík nie je z dlhodobého hľadiska jediným prvkom, ktorý používajú vedci o stabilných izotopoch. V súčasnosti sa vedci zaoberajú meraním pomerov stabilných izotopov kyslíka, dusíka, stroncia, vodíka, síry, olova a mnohých ďalších prvkov, ktoré sú spracovávané rastlinami a zvieratami. Tento výskum viedol k jednoducho neuveriteľnej rozmanitosti informácií o výžive ľudí a zvierat.

Prvým archeologickým výskumom stabilného izotopu bol v roku 1970 juhoafrický archeológ Nikolaas van der Merwe, ktorý vykopával na Africká doba železná miesto Kgopolwe 3, jedno z niekoľkých miest v Transvaal Lowveld v Južnej Afrike, nazývané Phalaborwa.

Van de Merwe našiel ľudskú kostru muža v hromade popola, ktorá nevyzerala ako iné pohrebiská z dediny. Kostra sa morfologicky líšila od ostatných obyvateľov Phalaborwa a bol pochovaný úplne iným spôsobom ako typický dedinčan. Muž vyzeral ako Khoisan; a Khoisans nemali byť v Phalaborwe, ktorí boli predkami kmeňa Sotho. Van der Merwe a jeho kolegovia J. C. Vogel a Philip Rightmire sa rozhodli pozrieť sa na chemický podpis v jeho kostiach a počiatočný výsledky naznačujú, že muž bol poľnohospodárom ciroku z dediny Khoisan, ktorý nejako zomrel Kgopolwe 3.

Technika a výsledky štúdie Phalaborwa boli prediskutované na seminári v SUNY Binghamton, kde vyučovala van der Merwe. V tom čase SUNY vyšetrovala pohrebné miesta z neskorého lesa a spoločne sa rozhodli, že bude zaujímavé zistiť, či pridanie kukurica (Americká kukurica, subtropický C4 domestikát) k strave by bolo možné identifikovať u ľudí, ktorí predtým mali prístup iba k rastlinám C3: a bolo.

Táto štúdia sa v roku 1977 stala prvou publikovanou archeologickou štúdiou, ktorá využíva stabilnú analýzu izotopov. Porovnali stabilné pomery izotopov uhlíka (13C / 12C) v kolagéne ľudských rebier z Archaicu (2500 - 2 000 BCE) a skorého lesa (400 - 100 BCE) archeologické nálezisko v New Yorku (t. J. Pred príchodom kukurice do oblasti) s pomermi 13C / 12C v rebrách z neskorého lesa (Ca. 1000–1300 CE) a historické miesto (po príchode kukurice) z tej istej oblasti. Dokázali preukázať, že chemické podpisy v rebrách naznačujú, že kukurica nebola prítomná v skorých obdobiach, ale v čase neskorého lesa sa stala hlavnou potravou.

Na základe tejto demonštrácie a dostupných dôkazov o distribúcii stabilných izotopov uhlíka v prírode Vogel a van der Merwe navrhol, že táto technika by sa mohla použiť na odhaľovanie poľnohospodárstva kukurice v lesoch a tropických pralesoch v Amerike; určiť význam morských potravín v strave pobrežných spoločenstiev; zdokumentovať zmeny vegetačného pokrytia v savanách v priebehu času na základe pomerov listenia / pasenia zmiešaných krmív bylinožravcov; a prípadne určiť pôvod vo forenznom vyšetrovaní.

Od roku 1977 počet aplikácií a analýza ich stabilných izotopov explodovali, pričom sa použili stabilné pomery izotopov ľahkých prvkov vodík, uhlík, dusík, kyslík a síra v ľudská a živočíšna kosť (kolagén a apatit), zubná sklovina a vlasy, ako aj zvyšky keramiky vypaľované na povrchu alebo absorbované do keramickej steny na stanovenie stravy a vody zdroje. Na skúmanie tejto potravy sa používajú pomery izotopov stabilné na svetle (zvyčajne uhlíka a dusíka) zložky ako morské tvory (napr. tuleňov, rýb a mäkkýšov), rôzne domestikované rastliny, ako je kukurica a proso; a dojenie hovädzieho dobytka (zvyšky mlieka v keramike) a materské mlieko (vek odstavenia zistený v rade zubov). Od dnešného dňa sa u našich prastarých predkov robili diétne štúdie o hominínoch Homo habilis a australopithecines.

Ďalší izotopový výskum sa zameriaval na určovanie geografického pôvodu vecí. Kombinácia rôznych stabilných pomerov izotopov, niekedy vrátane izotopov ťažkých prvkov, ako je stroncium a olovo, sa použili na určenie, či obyvatelia starobylých miest boli prisťahovalci alebo sa narodili lokálne; sledovať pôvod pošírovanej slonoviny a nosorožca, aby rozbili pašerácke kruhy; a na určenie poľnohospodárskeho pôvodu kokaínu, heroínu a bavlnených vlákien použitých na výrobu falošných 100 dolárov.

Ďalší príklad izotopovej frakcionácie, ktorý má užitočnú aplikáciu, zahŕňa dážď, ktorý obsahuje stabilné izotopy vodíka 1H a 2H (deutérium) a kyslíkové izotopy 16O a 18O. Voda sa pri rovníku vyparuje vo veľkých množstvách a vodná para sa rozptyľuje na sever a na juh. Keď H2O klesá späť na zem, najprv prudko prší silné izotopy. V čase, keď na póloch padá sneh, je vlhkosť v ťažkých izotopoch vodíka a kyslíka značne ochudobnená. Globálnu distribúciu týchto izotopov v daždi (a vo vodovodnej vode) je možné zmapovať a pôvod spotrebiteľov je možné určiť izotopovou analýzou vlasov.

• Grant, Jennifer. "Lov a pasenie: Izotopové dôkazy u divých a domestikovaných ťavovitých druhov z južného argentínskeho moru (2120–420 rokov BP))." Journal of Archaeological Science: Reports 11 (2017): 29–37. Tlačiť.
• Iglesias, Carlos a kol. "Analýza stabilných izotopov potvrdzuje podstatné rozdiely medzi subtropickými a miernymi plytkými jazernými sieťami"Hydrobiologia 784.1 (2017): 111–23. Tlačiť.
• Katzenberg, M. Anne a Andrea L. Waters-Rist. "Stabilná izotopová analýza: nástroj na štúdium minulej stravy, demografie a histórie života." Biologická antropológia ľudskej kostry. Eds. Katzenberg, M. Anne a Anne L. Grauer. 3. vydanie. New York: John Wiley & Sons, Inc., 2019. 467–504. Tlačiť.
• Cena, T. Douglas a kol. "Izotopické preukázanie ." starovek 90.352 (2016): 1022–37. Tlačiť.Pohrebné lode Salme v predvikingskom veku Estónsko
• Sealy, J. C. a N. J. van der Merwe. "„Prístupy k obnove stravy v Západnom mysi: Ste to, čo ste jedli?“ - odpoveď spoločnosti Parkington." Journal of Archaeological Science 19.4 (1992): 459–66. Tlačiť.
• Somerville, Andrew D., a kol. "Strava a pohlavie v kolóniách Tiwanaku: Stabilná izotopová analýza ľudského kolagénu a apatitu z kostí z Moquegua v Peru." American Journal of Physical Antropology 158.3 (2015): 408–22. Tlačiť.
• Sugiyama, Nawa, Andrew D. Somerville a Margaret J. Schoeninger. "Stabilné izotopy a zooarcheológia v Teotihuacane v Mexiku odhalili najskoršie dôkazy o riadení divokých mäsožravcov v Mesoamerici." PLOS ONE 10,9 (2015): e0135635. Tlačiť.
• Vogel, J.C. a Nikolaas J. Van der Merwe. "Izotopové dôkazy o skorej kultivácii kukurice v štáte New York." American Antiquity 42.2 (1977): 238–42. Tlačiť.