Stabil isotopanalys i arkeologi

Stabil isotopanalys är en vetenskaplig teknik som används av arkeologer och andra forskare för att samla information från ett djurets ben för att identifiera fotosyntes processen med de växter som den konsumerade under sin livstid. Denna information är oerhört användbar i ett brett antal applikationer, från att bestämma kostvanor forntida hominida förfäder för att spåra jordbruksursprunget till beslagtagen kokain och olagligt tjuvkörd noshörning horn.

Hela jorden och dess atmosfär består av atomer av olika element, såsom syre, kol och kväve. Var och en av dessa element har flera former, baserat på deras atomvikt (antalet neutroner i varje atom). Till exempel existerar 99 procent av allt kol i vår atmosfär i formen Carbon-12; men den återstående procenten kol består av två flera olika olika former av kol, kallad kol-13 och kol-14. Carbon-12 (förkortat 12C) har en atomvikt på 12, som består av 6 protoner, 6 neutroner och 6 elektroner - de 6 elektronerna lägger inget till atomvikten. Carbon-13 (13C) har fortfarande 6 protoner och 6 elektroner, men har 7 neutroner. Carbon-14 (14C) har 6 protoner och 8 neutroner, som är för tunga för att hålla ihop på ett stabilt sätt, och det avger energi för att bli av med överskottet, varför forskare kallar det "

Alla tre formerna reagerar på samma sätt - om du kombinerar kol med syre får du alltid koldioxid, oavsett hur många neutroner det finns. Formerna 12C och 13C är stabila - det vill säga de förändras inte med tiden. Carbon-14, å andra sidan, är inte stabil men sönderfaller istället med en känd hastighet - på grund av det kan vi använda dess återstående förhållande till Carbon-13 för att beräkna radiokarbondatum, men det är en helt annan fråga helt.

Förhållandet mellan kol-12 och kol-13 är konstant i jordens atmosfär. Det finns alltid hundra 12C-atomer till en 13C-atom. Under fotosyntesprocessen absorberar växter kolatomerna i jordens atmosfär, vatten och jord och lagrar dem i cellerna i deras blad, frukt, nötter och rötter. Men förhållandet mellan formerna av kol förändras som en del av fotosyntesprocessen.

Under fotosyntesen förändrar växter det kemiska förhållandet 100 12C / 1 13C på olika sätt i olika klimatregioner. Växter som lever i regioner med mycket sol och lite vatten har relativt färre 12C-atomer i sina celler (jämfört med 13C) än växter som lever i skogar eller våtmarker. Forskare kategoriserar växter efter den version av fotosyntesen de använder i grupper som kallas C3, C4 och CAM.

Förhållandet 12C / 13C är kabelbundet i växtens celler, och - här är den bästa delen - när cellerna passerar upp i livsmedelskedjan (dvs. rötter, löv och frukt ätas av djur och människor), förhållandet 12C till 13C förblir praktiskt taget oförändrat eftersom det i sin tur lagras i djuren, tänderna och håret och människor.

Med andra ord, om du kan bestämma förhållandet mellan 12C och 13C som lagras i ett djurets ben, kan du räkna ut om växterna de åt använde C4-, C3- eller CAM-processer, och därför var växternas miljö tycka om. Med andra ord, förutsatt att du äter lokalt, där du bor är fastkopplat i dina ben av vad du äter. Den mätningen utförs av masspektrometeranalys.

Kol är inte på längre sikt det enda element som används av stabila isotopforskare. För närvarande tittar forskare på att mäta förhållandena mellan stabila isotoper av syre, kväve, strontium, väte, svavel, bly och många andra element som bearbetas av växter och djur. Denna forskning har lett till en helt enkelt otrolig mångfald av människors och djurs dietinformation.

Den allra första arkeologiska tillämpningen av stabil isotopforskning gjordes på 1970-talet av sydafrikansk arkeolog Nikolaas van der Merwe, som grävde vid Afrikansk järnålder platsen för Kgopolwe 3, en av flera platser i Transvaal lågveld i Sydafrika, kallad Phalaborwa.

Van de Merwe hittade ett mänskligt manligt skelett i en askhög som inte såg ut som de andra begravningarna från byn. Skelettet var annorlunda, morfologiskt, från de andra invånarna i Phalaborwa, och han hade begravts på ett helt annat sätt än den typiska bybor. Mannen såg ut som en Khoisan; och Khoisans borde inte ha varit i Phalaborwa, som var förfäder Sotho stammar. Van der Merwe och hans kollegor J. C. Vogel och Philip Rightmire beslutade att titta på den kemiska signaturen i hans ben, och den initiala resultat antydde att mannen var en sorghumbonde från en Khoisan by som på något sätt hade dött kl Kgopolwe 3.

Tekniken och resultaten från Phalaborwa-studien diskuterades vid ett seminarium vid SUNY Binghamton där van der Merwe undervisade. Vid den tiden undersökte SUNY Late Woodland begravningar, och tillsammans beslutade de att det skulle vara intressant att se om tillägget av majs (Amerikansk majs, ett subtropiskt C4-husdjur) till kosten skulle kunna identifieras hos människor som tidigare bara hade tillgång till C3-växter: och det var det.

Denna studie blev den första publicerade arkeologiska studien som använde en stabil isotopanalys 1977. De jämförde de stabila kolisotopförhållandena (13C / 12C) i kollagen av mänskliga revben från en arkaisk (2500-2000 fvt) och en tidig skogsmark (400–100 fvt) arkeologisk plats i New York (dvs innan majs anlände till regionen) med 13C / 12C-förhållandena i revben från en sen skogsmark (Ca. 1000–1300 CE) och en historisk periodplats (efter att majs anlände) från samma område. De kunde visa att de kemiska signaturerna i revbenen var en indikation på att majs inte var närvarande under de tidiga perioderna, men hade blivit en fast livsmedel vid sen skogstid.

Baserat på denna demonstration och tillgängliga bevis för distributionen av stabila kolisotoper i naturen, Vogel och van der Merwe föreslog att tekniken skulle kunna användas för att upptäcka majslantbruk i skogarna och tropiska skogar i Amerika; bestämma vikten av marina livsmedel i kustens samhälls dieter; dokumentera förändringar i vegetationstäckningen över tid i savannor på grundval av bläddring / betesförhållanden hos blandade växtätande växtätare; och eventuellt för att bestämma ursprung i kriminaltekniska undersökningar.

Sedan 1977 har tillämpningar av stabil isotopanalys exploderat i antal och bredd med användning av stabila isotopförhållanden mellan ljuselementen väte, kol, kväve, syre och svavel i människo- och djurben (kollagen och apatit), tandemalje och hår, såväl som i keramikrester bakade på ytan eller absorberas i den keramiska väggen för att bestämma dieter och vatten källor. Lätt stabila isotopförhållanden (vanligtvis kol och kväve) har använts för att undersöka sådana kost komponenter som marina varelser (t.ex. sälar, fisk och skaldjur), olika husdjursväxter som majs och hirs; och djurproduktion av mjölk (mjölkrester i keramik), och mammamjölk (avvänjningsåldern, upptäckt i tandraden). Koststudier har gjorts på hominins från idag till våra gamla förfäder Homo habilis och den Australopithecines.

Annan isotopisk forskning har fokuserat på att bestämma det geografiska ursprunget till saker. Olika stabila isotopförhållanden i kombination, ibland inklusive isotoper av tunga element som strontium och bly har använts för att avgöra om invånarna i antika städer var invandrare eller föddes lokalt; att spåra ursprunget till pocherat elfenben och noshörningshorn för att bryta upp smugglaringar; och för att bestämma jordbruksursprunget till kokain, heroin och bomullsfibrerna som används för att göra falska räkningar på 100 $.

Ett annat exempel på isotopfraktionering som har en användbar applikation innefattar regn, som innehåller de stabila väteisotoperna 1H och 2H (deuterium) och syreisotoperna 16O och 18O. Vatten avdunstar i stora mängder vid ekvatorn och vattenångan sprids i norr och söder. När H2O faller tillbaka till jorden regnar de tunga isotoperna först ut. När det faller som snö vid polerna tappas fukten kraftigt i de tunga isotoperna av väte och syre. Den globala distributionen av dessa isotoper i regnet (och i kranvatten) kan kartläggas och konsumenternas ursprung kan bestämmas genom isotopanalys av hår.

• Grant, Jennifer. "Av jakt och uppfödning: Isotopisk bevis på vilda och hemma kameler från den södra argentinska Puna (2120–420år BP)." Journal of Archaeological Science: Reports 11 (2017): 29–37. Skriva ut.
• Iglesias, Carlos et al. "Stabil isotopanalys bekräftar väsentliga skillnader mellan subtropiska och tempererade grunda sjöar livsmedelsbanor. "Hydrobiologia 784.1 (2017): 111–23. Skriva ut.
• Katzenberg, M. Anne och Andrea L. Waters-Rist. "Stabil isotopanalys: Ett verktyg för att studera tidigare diet, demografi och livshistoria." Biologisk antropologi av det mänskliga skelettet. Eds. Katzenberg, M. Anne och Anne L. Grauer. 3: e upplagan New York: John Wiley & Sons, Inc., 2019. 467–504. Skriva ut.
• Pris, T. Douglas et al. "Isotopisk provning av ." antiken 90.352 (2016): 1022–37. Skriva ut.Salme Ship Burials i Estland före vikingatiden
• Sealy, J. C. och N. J. van der Merwe. "Om "Tillvägagångssätt för återuppbyggnad av dieter i Western Cape: är du vad du har ätit?" - ett svar till Parkington." Journal of Archaeological Science 19.4 (1992): 459–66. Skriva ut.
• Somerville, Andrew D., et al. "Kost och kön i Tiwanaku-kolonierna: Stabil isotopanalys av mänskligt benkollagen och apatit från Moquegua, Peru." American Journal of Physical Anthropology 158.3 (2015): 408–22. Skriva ut.
• Sugiyama, Nawa, Andrew D. Somerville och Margaret J. Schoeninger. "Stabila isotoper och zooarkaeologi i Teotihuacan, Mexiko avslöjar tidigaste bevis för vild rovdjurhantering i Mesoamerica." PLOS EN 10.9 (2015): e0135635. Skriva ut.
• Vogel, J.C. och Nikolaas J. Van der Merwe. "Isotopisk bevis för tidig majsodling i delstaten New York." Amerikanska antiken 42.2 (1977): 238–42. Skriva ut.