Stabil isotopanalyse i arkeologi

Stabil isotopanalyse er en vitenskapelig teknikk som brukes av arkeologer og andre forskere for å samle informasjon fra et dyrs bein for å identifisere fotosyntese prosessen med plantene den konsumerte i løpet av sin levetid. Denne informasjonen er enormt nyttig i mange bruksområder, fra å bestemme kostholdsvanene gamle hominide forfedre til å spore landbruksoriginene til beslaglagt kokain og ulovlig posjert neshorn horn.

Hele jorden og dens atmosfære består av atomer av forskjellige elementer, for eksempel oksygen, karbon og nitrogen. Hvert av disse elementene har flere former, basert på deres atomvekt (antall nøytroner i hvert atom). For eksempel eksisterer 99 prosent av alt karbon i atmosfæren i form som heter Carbon-12; men den gjenværende en prosent karbon består av to flere litt forskjellige former for karbon, kalt Carbon-13 og Carbon-14. Carbon-12 (forkortet 12C) har en atomvekt på 12, som består av 6 protoner, 6 nøytroner og 6 elektroner - de 6 elektronene legger ikke noe til atomvekten. Carbon-13 (13C) har fremdeles 6 protoner og 6 elektroner, men den har 7 nøytroner. Carbon-14 (14C) har 6 protoner og 8 nøytroner, som er for tunge til å holde sammen på en stabil måte, og det avgir energi for å bli kvitt overskuddet, og det er grunnen til at forskere kaller det "

Alle tre formene reagerer nøyaktig på samme måte - hvis du kombinerer karbon med oksygen får du alltid karbondioksid, uansett hvor mange nøytroner det er. 12C- og 13C-skjemaene er stabile - det vil si at de ikke endres over tid. Carbon-14, derimot, er ikke stabil, men avtar i stedet med en kjent hastighet - på grunn av dette kan vi bruke det gjenværende forholdet til Carbon-13 for å beregne radiokarbon datoer, men det er en helt annen sak.

Forholdet mellom karbon-12 og karbon-13 er konstant i jordens atmosfære. Det er alltid hundre 12C atomer til ett 13C atom. Under prosessen med fotosyntese absorberer planter karbonatomene i jordens atmosfære, vann og jord, og lagrer dem i cellene i bladene, fruktene, nøttene og røttene. Men forholdet mellom karbonformene endres som en del av fotosynteseprosessen.

Under fotosyntesen endrer planter det 100 12C / 1 13C kjemiske forholdet forskjellig i forskjellige klimatiske regioner. Planter som lever i regioner med mye sol og lite vann har relativt færre 12C-atomer i cellene sine (sammenlignet med 13C) enn planter som lever i skog eller våtmark. Forskere kategoriserer planter etter versjonen av fotosyntesen de bruker i grupper som heter C3, C4 og CAM.

Forholdet mellom 12C / 13C er fastkablet inn i plantens celler, og - her er den beste delen - når cellene blir ført opp i næringskjeden (dvs. røttene, bladene og frukten blir spist av dyr og mennesker), forholdet mellom 12C og 13C forblir praktisk talt uendret ettersom det igjen lagres i dyrene, tennene og håret og mennesker.

Med andre ord, hvis du kan bestemme forholdet mellom 12C og 13C som er lagret i et dyrs bein, kan du finne ut om plantene de spiste brukte C4, C3 eller CAM prosesser, og derfor, hva miljøet til plantene var som. Med andre ord, forutsatt at du spiser lokalt, der du bor er fastgjort til beinene dine av det du spiser. Den målingen oppnås av massespektrometeranalyse.

Karbon er ikke på lang sikt det eneste elementet som brukes av stabile isotopforskere. For tiden ser forskere på å måle forholdet mellom stabile isotoper av oksygen, nitrogen, strontium, hydrogen, svovel, bly og mange andre elementer som blir behandlet av planter og dyr. Denne forskningen har ført til et ganske utrolig mangfold av kostholdsinformasjon om mennesker og dyr.

Den aller første arkeologiske anvendelsen av stabil isotopforskning var på 1970-tallet av sørafrikansk arkeolog Nikolaas van der Merwe, som gravde ut ved Afrikansk jernalder nettstedet til Kgopolwe 3, et av flere steder i Transvaal Lowveld i Sør-Afrika, kalt Phalaborwa.

Van de Merwe fant et menneskelig mannsskjelett i en askehaug som ikke så ut som de andre begravelsene fra landsbyen. Skjelettet var annerledes, morfologisk, fra de andre innbyggerne i Phalaborwa, og han hadde blitt begravet på en helt annen måte enn den typiske landsbyboeren. Mannen så ut som en Khoisan; og Khoisans skal ikke ha vært på Phalaborwa, som var stamfarene fra Sotho. Van der Merwe og kollegene J. C. Vogel og Philip Rightmire bestemte seg for å se på den kjemiske signaturen i hans bein, og den første resultat antydet at mannen var en sorghum-bonde fra en Khoisan-landsby som på en eller annen måte hadde dødd kl Kgopolwe 3.

Teknikken og resultatene av Phalaborwa-studien ble diskutert på et seminar på SUNY Binghamton hvor van der Merwe underviste. På det tidspunktet undersøkte SUNY begravelser fra Late Woodland, og sammen bestemte de seg for at det ville være interessant å se om tillegg av mais (Amerikansk mais, et subtropisk C4-husholdning) til kostholdet ville kunne identifiseres hos mennesker som tidligere bare hadde tilgang til C3-planter: og det var det.

Denne studien ble den første publiserte arkeologiske studien som anvender stabil isotopanalyse i 1977. De sammenlignet de stabile karbonisotopforholdene (13C / 12C) i kollagenet fra humane ribber fra et arkaisk (2500-2000 fvt) og et tidlig skogsområde (400–100 f.Kr.) arkeologisk sted i New York (dvs. før mais ankom regionen) med 13C / 12C-forholdene i ribbeina fra et sent skogsområde (Ca. 1000–1300 e.Kr. og et historisk tidsrom (etter at korn ankom) fra det samme området. De var i stand til å vise at de kjemiske signaturene i ribbeina var en indikasjon på at maisen ikke var til stede i de tidlige periodene, men at de hadde blitt en stiftemat på sen skogstid.

Basert på denne demonstrasjonen og tilgjengelig bevis for distribusjon av de stabile karbonisotoper i naturen, Vogel og van der Merwe antydet at teknikken kunne brukes til å oppdage maislandbruk i Woodlands og tropiske skoger i Amerika; bestemme viktigheten av marine matvarer i diettene til kystsamfunnene; dokumentere endringer i vegetasjonsdekning over tid i savanner på grunnlag av surfing / beiteforhold for blandet fôr planteetere; og muligens for å bestemme opprinnelse i rettsmedisinske undersøkelser.

Siden 1977 har anvendelser av stabil isotopanalyse eksplodert i antall og bredde ved å bruke de stabile isotopforholdene mellom lyselementene hydrogen, karbon, nitrogen, oksygen og svovel i menneske- og dyrebein (kollagen og apatitt), tannemalje og hår, så vel som i keramikkrester bakt på overflaten eller absorbert i den keramiske veggen for å bestemme dietter og vann kilder. Lette stabile isotopforhold (vanligvis av karbon og nitrogen) har blitt brukt for å undersøke slike kosthold komponenter som marine skapninger (f.eks. seler, fisk og skalldyr), forskjellige domestiserte planter som mais og Millet; og storfe meieri (melkerester i keramikk), og morsmelk (avvenningsalder, oppdaget i tannrekken). Kostholdsstudier er gjort på hominins fra i dag til våre eldgamle forfedre Homo habilis og australopithecines.

Annen isotopisk forskning har fokusert på å bestemme den geografiske opprinnelsen til ting. Ulike stabile isotopforhold i kombinasjon, noen ganger inkludert isotoper av tunge elementer som strontium og bly, har blitt brukt for å bestemme om innbyggerne i eldgamle byer var innvandrere eller ble født lokalt; å spore opprinnelsen til posjert elfenben og neshornhornet for å bryte opp smugleringer; og for å bestemme landbrukets opprinnelse av kokain, heroin og bomullsfibre som brukes til å lage falske $ 100-regninger.

Et annet eksempel på isotopfraksjonering som har en anvendelig anvendelse inkluderer regn, som inneholder de stabile hydrogenisotoper 1H og 2H (deuterium) og oksygenisotoper 16O og 18O. Vann fordamper i store mengder ved ekvator, og vanndampen spres mot nord og sør. Når H2O faller tilbake til jorden, regner de tunge isotopene ut først. Når det faller som snø ved stolpene, blir fuktigheten kraftig uttømt i de tunge isotoper av hydrogen og oksygen. Den globale distribusjonen av disse isotoper i regnet (og i tappevann) kan kartlegges, og opprinnelsen til forbrukerne kan bestemmes ved isotopanalyse av hår.

• Gi, Jennifer. "Of Hunting and Herding: Isotopic Evidence in Wild and Domesticated Camelids from the South Argentine Puna (2120–420years BP)." Journal of Archaeological Science: Reports 11 (2017): 29–37. Skrive ut.
• Iglesias, Carlos, et al. "Stabil isotopanalyse Bekrefter vesentlige forskjeller mellom subtropisk og temperert grunt innsjømat. "Hydrobiologia 784.1 (2017): 111–23. Skrive ut.
• Katzenberg, M. Anne, og Andrea L. Waters-Rist. "Stabil isotopanalyse: Et verktøy for å studere tidligere kosthold, demografi og livshistorie." Biologisk antropologi av det menneskelige skjelettet. Eds. Katzenberg, M. Anne, og Anne L. Grauer. 3. utg. New York: John Wiley & Sons, Inc., 2019. 467–504. Skrive ut.
• Pris, T. Douglas, et al. "Isotopisk prøve av ." antikken 90.352 (2016): 1022–37. Skrive ut.Salme Ship Burials i Estland før vikingtiden
• Sealy, J. C. og N. J. van der Merwe. "På "Tilnærminger til kostholdsrekonstruksjon i Western Cape: er du det du har spist?" - et svar til Parkington." Journal of Archaeological Science 19.4 (1992): 459–66. Skrive ut.
• Somerville, Andrew D., et al. "Kosthold og kjønn i Tiwanaku-koloniene: Stabil isotopanalyse av humant benkollagen og apatitt fra Moquegua, Peru." American Journal of Physical Anthropology 158.3 (2015): 408–22. Skrive ut.
• Sugiyama, Nawa, Andrew D. Somerville, og Margaret J. Schoeninger. "Stabile isotoper og zooarkaeology i Teotihuacan, Mexico Avslør tidligste bevis for forvaltning av vill rovdyr i Mesoamerica." PLOS ONE 10.9 (2015): e0135635. Skrive ut.
• Vogel, J.C., og Nikolaas J. Van der Merwe. "Isotopisk bevis for dyrking av tidlig mais i staten New York." American Antiquity 42.2 (1977): 238–42. Skrive ut.