Stabil isotopanalyse i arkæologi

Stabil isotopanalyse er en videnskabelig teknik, der bruges af arkæologer og andre forskere til at indsamle information fra et dyrs knogler til at identificere fotosyntese processen med de planter, den forbrugte i løbet af sin levetid. Denne information er enormt nyttig i en lang række applikationer fra bestemmelse af diætvaner gamle hominide forfædre til at spore landbrugets oprindelse af beslaglagt kokain og ulovligt posjeret næsehorn horn.

Hele jorden og dens atmosfære består af atomer af forskellige elementer, såsom ilt, kulstof og nitrogen. Hvert af disse elementer har flere former, baseret på deres atomvægt (antallet af neutroner i hvert atom). For eksempel findes 99 procent af alt kulstof i vores atmosfære i formen kaldet Carbon-12; men den resterende en procent kulstof består af to flere lidt forskellige former for kulstof, kaldet Carbon-13 og Carbon-14. Carbon-12 (forkortet 12C) har en atomvægt på 12, der består af 6 protoner, 6 neutroner og 6 elektroner - de 6 elektroner tilføjer ikke noget til atomvægten. Carbon-13 (13C) har stadig 6 protoner og 6 elektroner, men det har 7 neutroner. Carbon-14 (14C) har 6 protoner og 8 neutroner, som er for tunge til at holde sammen på en stabil måde, og det udsender energi for at slippe af med det overskydende, hvorfor forskere kalder det "

Alle tre former reagerer nøjagtigt på samme måde - hvis du kombinerer kulstof med ilt får du altid carbondioxid, uanset hvor mange neutroner der er. Formerne 12C og 13C er stabile - det vil sige, de ændrer sig ikke over tid. Carbon-14 er derimod ikke stabil, men i stedet forfalder med en kendt hastighed - på grund af dette kan vi bruge det resterende forhold til Carbon-13 til at beregne radiocarbon datoer, men det er et andet problem helt.

Forholdet mellem kulstof-12 og kulstof-13 er konstant i jordens atmosfære. Der er altid hundrede 12C atomer til et 13C atom. Under fotosynteseprocessen optager planter carbonatomer i jordens atmosfære, vand og jord og opbevarer dem i cellerne i deres blade, frugter, nødder og rødder. Men forholdet mellem kulstofformerne ændres som en del af fotosynteseprocessen.

Under fotosyntesen ændrer planter det 100 12C / 1 13C kemiske forhold forskelligt i forskellige klimatiske områder. Planter, der lever i regioner med masser af sol og lidt vand, har relativt færre 12C-atomer i deres celler (sammenlignet med 13C) end planter, der lever i skove eller vådområder. Forskere kategoriserer planter efter den version af fotosyntesen, de bruger, i grupper, der kaldes C3, C4 og CAM.

Forholdet mellem 12C / 13C er fastnet i plantens celler, og - her er den bedste del - når cellerne passerer fødekæden (dvs. rødderne, blade og frugt spises af dyr og mennesker), forholdet mellem 12C og 13C forbliver stort set uændret, da det igen er lagret i dyrenes knogler, tænder og hår og mennesker.

Med andre ord, hvis du kan bestemme forholdet mellem 12C og 13C, der er lagret i et dyrs knogler, kan du finde ud af om planterne, de spiste, brugte C4-, C3- eller CAM-processer, og derfor, hvad planternes miljø var synes godt om. Med andre ord, hvis du antager, at du spiser lokalt, hvor du bor, er fastgjort til dine knogler ved, hvad du spiser. Denne måling gennemføres af massespektrometeranalyse.

Carbon er ikke på lang sigt det eneste element, der bruges af stabile isotopforskere. For tiden ser forskere på at måle forholdet mellem stabile isotoper af ilt, nitrogen, strontium, brint, svovl, bly og mange andre elementer, der behandles af planter og dyr. Denne forskning har ført til en ganske utrolig mangfoldighed af mennesker og dyrs diætinformation.

Den allerførste arkæologiske anvendelse af stabil isotopundersøgelse var i 1970'erne af den sydafrikanske arkæolog Nikolaas van der Merwe, der udgravede ved Afrikansk jernalder site af Kgopolwe 3, et af flere steder i Transvaal Lowveld i Sydafrika, kaldet Phalaborwa.

Van de Merwe fandt et menneskeligt mandligt skelet i en asheap, der ikke lignede de andre begravelser fra landsbyen. Skelettet var anderledes, morfologisk, fra de andre indbyggere i Phalaborwa, og han var blevet begravet på en helt anden måde end den typiske landsbyboer. Manden lignede en Khoisan; og Khoisans burde ikke have været i Phalaborwa, der var stamfarer fra Sotho. Van der Merwe og hans kolleger J. C. Vogel og Philip Rightmire besluttede at se på den kemiske signatur i hans knogler og den oprindelige resultater antydede, at manden var en sorghum-landmand fra en Khoisan-landsby, som på en eller anden måde var død om Kgopolwe 3.

Teknikken og resultaterne af Phalaborwa-studiet blev diskuteret på et seminar på SUNY Binghamton, hvor van der Merwe underviste. På det tidspunkt undersøgte SUNY begravelser på sent skov, og sammen besluttede de, at det ville være interessant at se, om tilføjelsen af majs (Amerikansk majs, et subtropisk C4-husholdning) til kosten ville kunne identificeres hos mennesker, der tidligere kun havde adgang til C3-planter: og det var det.

Denne undersøgelse blev den første offentliggjorte arkæologiske undersøgelse, der anvender en stabil isotopanalyse i 1977. De sammenlignede de stabile kulstofisotopforhold (13C / 12C) i kollagen af ​​humane ribben fra en arkaisk (2500-2000 f.Kr.) og en tidlig skov (400–100 f.Kr.) arkæologisk sted i New York (dvs. før majs ankom i regionen) med 13C / 12C-forholdet i ribben fra et sent skov (Ca. 1000–1300 CE) og et sted med historisk periode (efter ankomsten af ​​majs) fra det samme område. De var i stand til at vise, at de kemiske underskrifter i ribbenene var en indikation af, at majs ikke var til stede i de tidlige perioder, men var blevet en fast føde på det sene skovland.

Baseret på denne demonstration og tilgængelige bevis for distributionen af ​​de stabile carbonisotoper i naturen, Vogel og van der Merwe foreslog, at teknikken kunne bruges til at detektere majslandbrug i Woodlands og tropiske skove i Amerika; bestemme vigtigheden af ​​marine fødevarer i kystsamfundets kost dokumentere ændringer i vegetationsdækning over tid i savanner på grundlag af gennemsigtigheds- / græsningsforhold for blandet fodring herbivorer; og muligvis for at bestemme oprindelsen i retsmedicinske undersøgelser.

Siden 1977 har anvendelser af stabil isotopanalyse eksploderet i antal og bredde ved anvendelse af de stabile isotopforhold mellem lyselementerne hydrogen, carbon, nitrogen, oxygen og svovl i menneske- og dyreknogler (kollagen og apatit), tandemalje og hår såvel som i keramikrester bagt på overfladen eller absorberet i den keramiske væg til bestemmelse af diæter og vand kilder. Lette stabile isotopforhold (normalt af kulstof og nitrogen) er blevet brugt til at undersøge en sådan diæt komponenter som marine væsener (f.eks. sæler, fisk og skaldyr), forskellige husdyrplanter såsom majs og hirse; og kvæg mejeri (mælkrester i keramik) og modermælk (fravænningsalder, opdaget i tandraden). Diætundersøgelser er blevet udført på hominins fra i dag til vores gamle forfædre Homo habilis og australopithecines.

Anden isotopisk forskning har fokuseret på at bestemme den geografiske oprindelse af ting. Forskellige stabile isotopforhold i kombination, undertiden inklusive isotoper af tunge elementer som strontium og bly, er blevet brugt til at bestemme, om beboerne i gamle byer var indvandrere eller blev født lokalt; at spore oprindelsen af ​​posjeret elfenben og næsehornet for at opbryde smugleringer; og til at bestemme landbruget af kokain, heroin og bomuldsfiber, der bruges til at lave falske $ 100-regninger.

Et andet eksempel på isotopfraktionering, der har en nyttig anvendelse, involverer regn, som indeholder de stabile hydrogenisotoper 1H og 2H (deuterium) og oxygenisotoper 16O og 18O. Vand fordampes i store mængder ved ækvator, og vanddampen spreder sig mod nord og syd. Da H2O falder tilbage til jorden, regner de tunge isotoper først ud. Når det falder som sne ved polerne, udtømmes fugtigheden kraftigt i de tunge isotoper af brint og ilt. Den globale distribution af disse isotoper i regnen (og i ledningsvand) kan kortlægges, og forbrugernes oprindelse kan bestemmes ved isotopanalyse af hår.

• Grant, Jennifer. "Af jagt og besætning: Isotopisk evidens i vilde og husholdte kamelider fra den sydlige argentinske bunke (2120–420år BP)." Journal of Archaeological Science: Reports 11 (2017): 29–37. Print.
• Iglesias, Carlos, et al. "Stabil isotopanalyse bekræfter væsentlige forskelle mellem subtropisk og tempereret lavvandsfødevarer Web. "Hydrobiologia 784.1 (2017): 111-23. Print.
• Katzenberg, M. Anne og Andrea L. Waters-Rists. "Stabil isotopanalyse: Et værktøj til at studere tidligere diæt, demografi og livshistorie." Biologisk antropologi af det menneskelige skelet. Eds. Katzenberg, M. Anne og Anne L. Grauer. 3. udg. New York: John Wiley & Sons, Inc., 2019. 467–504. Print.
• Pris, T. Douglas et al. "Isotopisk godkendelse af ." antikken 90.352 (2016): 1022–37. Print.Salme Ship Burials i Estland før vikingetiden
• Sealy, J. C. og N. J. van der Merwe. "Om "tilgange til genopbygning af kost i Western Cape: er du hvad du har spist?" - et svar til Parkington." Journal of Archaeological Science 19.4 (1992): 459–66. Print.
• Somerville, Andrew D., et al. "Diæt og køn i Tiwanaku-kolonierne: Stabil isotopanalyse af humant knoglecollagen og apatit fra Moquegua, Peru." American Journal of Physical Anthropology 158.3 (2015): 408–22. Print.
• Sugiyama, Nawa, Andrew D. Somerville og Margaret J. Schoeninger. "Stabil isotoper og zooarkæologi i Teotihuacan, Mexico afslører tidligste bevis for forvaltning af vilde rovdyr i Mesoamerica." PLOS ONE 10.9 (2015): e0135635. Print.
• Vogel, J.C. og Nikolaas J. Van der Merwe. "Isotopisk evidens til tidlig dyrkning af majs i staten New York." Amerikansk antik 42.2 (1977): 238–42. Print.