Stabilní izotopová analýza v archeologii

Stabilní analýza izotopů je vědecká technika používaná archeology a dalšími vědci ke shromažďování informací z kostí zvířete k identifikaci fotosyntéza proces rostlin, které spotřeboval během své životnosti. Tyto informace jsou nesmírně užitečné v celé řadě aplikací, od stanovení stravovacích návyků starověcí hominidní předci, kteří sledovali zemědělský původ zabaveného kokainu a ilegálně pošírovaných nosorožců roh.

Celá země a její atmosféra je tvořena atomy různých prvků, jako je kyslík, uhlík a dusík. Každý z těchto prvků má několik forem, na základě jejich atomové hmotnosti (počet neutronů v každém atomu). Například 99 procent veškerého uhlíku v naší atmosféře existuje ve formě Carbon-12; ale zbývající jedno procento uhlíku se skládá ze dvou několika mírně odlišných forem uhlíku, které se nazývají uhlík-13 a uhlík-14. Uhlík-12 (zkráceně 12C) má atomovou hmotnost 12, která se skládá ze 6 protonů, 6 neutronů a 6 elektronů - 6 elektronů nepřidává k atomové hmotnosti nic. Uhlík-13 (13C) má stále 6 protonů a 6 elektronů, ale má 7 neutronů. Uhlík-14 (14C) má 6 protonů a 8 neutronů, což je příliš těžké na to, aby se udržely pohromadě stabilním způsobem, a emituje energii, aby se zbavil nadbytku, proto jej vědci nazývají “

Všechny tři formy reagují přesně stejným způsobem - pokud kombinujete uhlík s kyslíkem, vždy získáte oxid uhličitý, bez ohledu na to, kolik je neutronů. Formy 12C a 13C jsou stabilní - to znamená, že se v průběhu času nemění. Na druhou stranu uhlík-14 není stabilní, ale místo toho se rozkládá známou rychlostí - proto můžeme pro výpočet jeho zbývajícího poměru k uhlíku-13 použít radiokarbonová data, ale to je úplně jiný problém.

Poměr uhlíku-12 k uhlíku-13 je v zemské atmosféře konstantní. Vždy existuje sto atomů 12C až jeden atom 13C. Během fotosyntézy rostliny absorbují atomy uhlíku v zemské atmosféře, vodě a půdě a ukládají je do buněk svých listů, ovoce, ořechů a kořenů. V rámci procesu fotosyntézy se však mění poměr uhlíkových forem.

Během fotosyntézy mění rostliny chemický poměr 100 12C / 1 13C odlišně v různých klimatických oblastech. Rostliny, které žijí v oblastech se spoustou slunce a málo vody, mají ve svých buňkách relativně méně atomů 12C (ve srovnání s 13C) než rostliny, které žijí v lesích nebo mokřadech. Vědci dělí rostliny podle verze fotosyntézy, kterou používají, do skupin s názvem C3, C4 a CAM.

Poměr 12C / 13C je pevně zapojen do rostlinných buněk a - tady je to nejlepší - jak buňky procházejí potravním řetězcem (tj. Kořeny, listy a plody) jsou konzumovány zvířaty a lidmi), poměr 12C až 13C zůstává prakticky nezměněn, protože je uložen v kostech, zubech a vlasech zvířat a lidé.

Jinými slovy, pokud můžete určit poměr 12C až 13C, který je uložen v kostech zvířete, můžete zjistit, zda rostliny, které jedli, používaly procesy C4, C3 nebo CAM, a proto jaké prostředí rostlin bylo jako. Jinými slovy, za předpokladu, že budete jíst místně, kde žijete, je do vašich kostí pevně zapojeno tím, co jíte. Toto měření se provádí pomocí hmotnostní spektrometrická analýza.

Uhlík není z dlouhodobého hlediska jediným prvkem, který používají stabilní izotopičtí vědci. V současné době se vědci zabývají měřením poměrů stabilních izotopů kyslíku, dusíku, stroncia, vodíku, síry, olova a mnoha dalších prvků, které jsou zpracovávány rostlinami a zvířaty. Tento výzkum vedl k prostě neuvěřitelné rozmanitosti informací o stravě lidí a zvířat.

Úplně první archeologická aplikace stabilního izotopového výzkumu byla v 70. letech 20. století jihoafrickým archeologem Nikolaas van der Merwe, který vykopával na Africká doba železná místo Kgopolwe 3, jednoho z několika míst v Transvaal Lowveld v Jižní Africe, zvané Phalaborwa.

Van de Merwe našel v hromádce popela lidskou kostru muže, která nevypadala jako ostatní pohřby z vesnice. Kostra byla morfologicky odlišná od ostatních obyvatel Phalaborwy a byl pohřben úplně jiným způsobem než typický vesničan. Muž vypadal jako Khoisan; a Khoisans neměli být v Phalaborwě, kteří byli rodovými kmeny Sotho. Van der Merwe a jeho kolegové J. C. Vogel a Philip Rightmire se rozhodli podívat se na chemický podpis ve svých kostech a na první výsledky naznačují, že muž byl farmářem čiroku z vesnice Khoisan, na které nějak zemřel Kgopolwe 3.

Technika a výsledky studie Phalaborwa byly diskutovány na semináři v SUNY Binghamton, kde vyučovala van der Merwe. V té době SUNY vyšetřovala pohřby Late Woodland a společně se rozhodli, že by bylo zajímavé zjistit, zda přidání kukuřice (Americká kukuřice, subtropický C4 domestikát) ke stravě by bylo možné identifikovat u lidí, kteří dříve měli přístup pouze k rostlinám C3: a bylo to.

Tato studie se v roce 1977 stala první publikovanou archeologickou studií využívající stabilní izotopovou analýzu. Porovnávali stabilní poměry izotopů uhlíku (13C / 12C) v kolagenu lidských žeber z Archaicu (2500-2000 BCE) a raného lesa (400–100 BCE) archeologické naleziště v New Yorku (tj. Před příjezdem kukuřice do oblasti) s poměry 13C / 12C v žeberech z pozdního lesa (ca. 1000–1300 CE) a historické období (po příchodu kukuřice) ze stejné oblasti. Dokázali ukázat, že chemické podpisy v žeberech naznačují, že kukuřice nebyla přítomna v raných obdobích, ale v době pozdního lesa se stala hlavní potravou.

Na základě této demonstrace a dostupných důkazů o distribuci stabilních izotopů uhlíku v přírodě, Vogel a van der Merwe navrhl, že tato technika by mohla být použita k detekci zemědělství kukuřice v lesích a tropických pralesech v Americe; určit význam mořských potravin ve stravě pobřežních komunit; dokumentovat změny vegetačního pokryvu v savanách v čase na základě poměrů listování / pastvy býložravců krmených směsí; a možná určit původ ve forenzním vyšetřování.

Od roku 1977 explodovaly aplikace stabilní izotopové analýzy v počtu a šířce, za použití stabilních poměrů izotopů světelných prvků vodík, uhlík, dusík, kyslík a síra v lidská a zvířecí kost (kolagen a apatit), zubní sklovina a vlasy, jakož i zbytky keramiky vypálené na povrchu nebo absorbované do keramické stěny pro stanovení stravy a vody Zdroje. Ke zkoumání této potravy byly použity poměry izotopů stabilních na světle (obvykle uhlíku a dusíku) složky jako mořští tvorové (např. tuleni, ryby a měkkýši), různé domestikované rostliny, jako je kukuřice a proso; a mléčný skot (zbytky mléka v hrnčířské hlíně) a mateřské mléko (věk odstavu, detekovaný v řadě zubů). Od dnešních dnů se starodávným předkům prováděla dietní studie o homininech Homo habilis a Australopithecines.

Další izotopický výzkum se zaměřil na určení geografického původu věcí. Různé stabilní poměry izotopů v kombinaci, někdy včetně izotopů těžkých prvků, jako je stroncium a olovo, byly použity k určení, zda obyvatelé starověkých měst byli přistěhovalci nebo se narodili lokálně; vysledovat původ pošírované slonoviny a nosorožce, aby rozešli pašerácké kruhy; a určit zemědělský původ kokainu, heroinu a bavlněných vláken použitých k výrobě falešných 100 dolarů.

Další příklad izotopové frakcionace, který má užitečné použití, zahrnuje déšť, který obsahuje stabilní izotopy vodíku 1H a 2H (deuterium) a kyslíkové izotopy 16O a 18O. Voda se ve velkém množství vypařuje na rovníku a vodní pára se rozptyluje na sever a na jih. Když H2O klesá zpět na Zemi, nejprve prší silné izotopy. V době, kdy padá na póly jako sníh, je vlhkost v těžkých izotopech vodíku a kyslíku značně vyčerpána. Globální rozšíření těchto izotopů v dešti (a ve vodovodní vodě) lze zmapovat a původ spotřebitelů lze určit izotopovou analýzou vlasů.

• Grant, Jennifer. "Lov a pasení: Izotopové důkazy u divokých a domestikovaných velbloudů z jižního argentinského tuňáka (2120–420 let BP))." Žurnál archeologické vědy: Zprávy 11 (2017): 29–37. Tisk.
• Iglesias, Carlos a kol. "Stabilní izotopová analýza potvrzuje podstatné rozdíly mezi subtropickými a mírnými mělkými jezerními potravinami"Hydrobiologia 784.1 (2017): 111–23. Tisk.
• Katzenberg, M. Anne a Andrea L. Waters-Rist. "Stabilní izotopová analýza: nástroj pro studium minulé stravy, demografie a historie života." Biologická antropologie lidské kostry. Eds. Katzenberg, M. Anne a Anne L. Grauere. 3. ed. New York: John Wiley & Sons, Inc., 2019. 467–504. Tisk.
• Cena, T. Douglas a kol. "Izotopické provensálství ." Starověk 90.352 (2016): 1022–37. Tisk.Pohřby Salme Ship v Pre-Viking Estonsku
• Sealy, J. C. a N. J. van der Merwe. "K „Přístupům k dietní rekonstrukci na Západním mysu: Jsi, co jsi jedl?“ - odpověď Parkingtonu." Žurnál archeologické vědy 19.4 (1992): 459–66. Tisk.
• Somerville, Andrew D., a kol. "Strava a pohlaví v koloniích Tiwanaku: Stabilní analýza izotopů lidského kostního kolagenu a apatitu z Moquegua, Peru." American Journal of Physical Anthropology 158.3 (2015): 408–22. Tisk.
• Sugiyama, Nawa, Andrew D. Somerville a Margaret J. Schoeninger. "Stabilní izotopy a zooarcheologie v Teotihuacanu v Mexiku odhalují nejstarší důkazy managementu šelem v Mesoamerice." PLoS ONE 10,9 (2015): e0135635. Tisk.
• Vogel, J.C. a Nikolaas J. Van der Merwe. "Izotopové důkazy pro včasnou pěstování kukuřice ve státě New York." Americká antika 42.2 (1977): 238–42. Tisk.