Стабилен изотопен анализ в археологията

Стабилен анализ на изотопи е научна техника, която се използва от археолози и други учени за събиране на информация от костите на животно за идентифициране на фотосинтеза процес на растенията, които е консумирал през живота си. Тази информация е изключително полезна в широк брой приложения, от определянето на хранителните навици на древни хоминидни предци за проследяване на земеделския произход на иззетия кокаин и незаконно бракониерските носорози Хорн.

Цялата земя и нейната атмосфера са изградени от атоми на различни елементи, като кислород, въглерод и азот. Всеки от тези елементи има няколко форми на базата на атомното им тегло (броя на неутроните във всеки атом). Например 99 процента от въглерода в нашата атмосфера съществува под формата на въглерод-12; но останалият един процент въглерод е съставен от две няколко различни форми на въглерод, наречени Carbon-13 и Carbon-14. Въглерод-12 (съкратено 12С) има атомно тегло 12, което се състои от 6 протона, 6 неутрона и 6 електрона - 6-те електрона не добавят нищо към атомното тегло. Въглерод-13 (13С) все още има 6 протона и 6 електрона, но има 7 неутрона. Въглерод-14 (14С) има 6 протона и 8 неутрона, което е твърде тежко, за да се държи заедно по стабилен начин и излъчва енергия, за да се освободи от излишъка, поради което учените го наричат ​​"

И трите форми реагират по същия начин - ако комбинирате въглерод с кислород, винаги получавате въглероден двуокис, без значение колко неутрони има. Формите 12C и 13C са стабилни - тоест не се променят с времето. От друга страна, въглерод-14 не е стабилен, но вместо това се разпада с известна скорост - поради това можем да използваме оставащото му съотношение спрямо въглерод-13 за изчисляване радиовъглеродни дати, но това е съвсем друг проблем.

Съотношението въглерод-12 и въглерод-13 е постоянно в земната атмосфера. Винаги има сто атоми от 12С до един 13С атом. По време на процеса на фотосинтеза растенията абсорбират въглеродните атоми в земната атмосфера, водата и почвата и ги съхраняват в клетките на листата, плодовете, ядките и корените им. Но съотношението на формите на въглерода се променя като част от процеса на фотосинтеза.

По време на фотосинтезата растенията променят химичното съотношение 100 12C / 1 13C по различен начин в различните климатични райони. Растенията, които живеят в региони с много слънце и малко вода, имат сравнително по-малко 12С атоми в клетките си (в сравнение с 13С), отколкото растенията, които живеят в гори или влажни зони. Учените категоризират растенията по версията на фотосинтеза, която използват в групи, наречени C3, C4 и CAM.

Съотношението 12C / 13C е свързано с хардуер в клетките на растението и - ето това е най-добрата част - когато клетките преминават нагоре по хранителната верига (т.е. корените, листата и плодовете се хранят от животни и хора), съотношението между 12С и 13С остава практически непроменено, тъй като на свой ред се съхранява в костите, зъбите и космите на животните и хора.

С други думи, ако можете да определите съотношението между 12С и 13С, което се съхранява в костите на животно, можете да разберете дали растенията, които са яли, са използвали C4, C3 или CAM процеси и следователно каква е средата на растенията като. С други думи, ако приемем, че ядете на местно ниво, където живеете, е здраво свързано с костите от това, което ядете. Това измерване се извършва от анализ на масспектрометър.

Въглеродът не е с дълъг изстрел единственият елемент, използван от изследователите на стабилни изотопи. В момента изследователите разглеждат измерването на съотношенията на стабилни изотопи на кислород, азот, стронций, водород, сяра, олово и много други елементи, които се обработват от растения и животни. Това изследване доведе до просто невероятно разнообразие от информация за диетата на хората и животните.

Първото археологическо приложение на стабилни изотопни изследвания е през 70-те години от южноафриканския археолог Николаас ван дер Мерве, който беше разкопаван в Желязната епоха на Африка сайт на Kgopolwe 3, един от няколкото места в Трансваалския нисък град на Южна Африка, наречен Phalaborwa.

Ван де Мерве намери човешки мъжки скелет в купчина пепел, която не приличаше на другите погребения от селото. Скелетът беше различен морфологично от останалите жители на Фалаборва и беше погребан по съвсем различен начин от типичния селянин. Човекът приличаше на хойсан; и хойзаните не трябваше да са във Фалаборва, които бяха сотови племена на предците. Ван дер Мерве и колегите му Дж. ° С. Вогел и Филип Rightmire решиха да разгледат химическия подпис в костите му и първоначалния Резултатите подсказват, че мъжът е фермер от сорго от село Хойсан, който някак е починал в Kgopolwe 3.

Техниката и резултатите от проучването Phalaborwa бяха обсъдени на семинар в SUNY Binghamton, където ван дер Мерве преподаваше. По това време SUNY разследва погребенията от късна гора и заедно решиха, че ще бъде интересно да се види дали добавянето на царевица (Американска царевица, субтропичен C4 опитомен) в диетата ще бъде идентифициран при хора, които преди са имали достъп само до растения С3: и това е така.

Това проучване става първото публикувано археологическо проучване, прилагащо стабилен изотопен анализ през 1977 г. Те сравняват стабилните съотношения на изотопи на въглерод (13C / 12C) в колагена на човешки ребра от архаик (2500-2000 г. пр.н.е.) и ранна гора (400–100 г. пр.н.е.) археологически обект в Ню Йорк (т.е. преди царевицата да пристигне в региона) със съотношения 13С / 12С в ребра от късна гора (Около 1000–1300 г. CE) и исторически период (след пристигането на царевица) от същия район. Те успяха да покажат, че химическите подписи в ребрата са показател, че царевицата не е присъствала в ранните периоди, а е станала основна храна по времето на Късната гора.

Въз основа на тази демонстрация и налични доказателства за разпространението на стабилните въглеродни изотопи в природата, Vogel и van der Мерве предположи, че техниката може да се използва за откриване на земеделие от царевица в горите и тропическите гори на Америка; определя значението на морските храни в диетите на крайбрежните общности; документират промените в растителната покривка във времето в саваните въз основа на съотношенията за разглеждане / паша на тревопасни животни със смесено хранене; и евентуално да се определи произхода на криминалистическите разследвания.

От 1977 г. приложенията на стабилен изотопен анализ избухнаха по брой и ширина, използвайки стабилните изотопни съотношения на леките елементи водород, въглерод, азот, кислород и сяра в човешка и животинска кост (колаген и апатит), зъбен емайл и коса, както и в керамични остатъци, изпечени на повърхността или абсорбирани в керамичната стена за определяне на диети и вода източници. Използвани са леки стабилни изотопни съотношения (обикновено въглерод и азот) за изследване на такава диета компоненти като морски същества (например тюлени, риби и миди), различни домашни растения като царевица и просо; и млечни добитък (остатъци от мляко в грънчарството), и майчиното мляко (възраст на отбиване, открита в зъбния ред). Диетични изследвания са правени на хоминини от наши дни до древните ни предци Homo habilis и на Австралопитеците.

Други изотопски изследвания се фокусират върху определянето на географския произход на нещата. Различни стабилни изотопни съотношения в комбинация, понякога включително изотопи на тежки елементи като стронций и олово, са били използвани за определяне дали жителите на древните градове са били имигранти или са родени на местно равнище; да проследим произхода на бракониерската кост и носорог, за да разбием контрабандни пръстени; и да се определи селскостопанският произход на кокаин, хероин и памучните влакна, използвани за извършване на фалшиви сметки от 100 долара.

Друг пример за изотопно фракциониране, който има полезно приложение, включва дъжд, който съдържа стабилните водородни изотопи 1Н и 2Н (деутерий) и кислородните изотопи 16О и 18О. Водата се изпарява в големи количества в екватора и водната пара се разпръсква на север и на юг. Докато H2O пада обратно на земята, тежките изотопи валят първо. Докато падне като сняг на полюсите, влагата силно се изчерпва в тежките изотопи на водород и кислород. Глобалното разпространение на тези изотопи в дъжд (и в чешмяна вода) може да бъде картографирано, а произходът на потребителите може да бъде определен чрез изотопичен анализ на косата.

• Грант, Дженифър. "На лов и стадо: изотопски доказателства при диви и домашни камлиди от южната аржентинска пуна (2120–420 г. пр.н.е.)." Journal of Archaeological Science: Доклади 11 (2017): 29–37. Печат.
• Iglesias, Carlos, et al. "Стабилният анализ на изотопи потвърждава съществени разлики между субтропичните и умерените плитки езерни паяжини. "Hydrobiologia 784.1 (2017): 111–23. Печат.
• Каценберг, М. Ан и Андреа Л. Води-Рист. "Стабилен анализ на изотопи: Инструмент за изучаване на минала диета, демография и история на живота." Биологична антропология на човешкия скелет. Изд. Каценберг, М. Ан, и Ан Л. Grauer. 3-то изд. Ню Йорк: John Wiley & Sons, Inc., 2019. 467–504. Печат.
• Цена, Т. Douglas, et al. "Изотопно провъзгласяване на ." античност 90.352 (2016): 1022–37. Печат.Погребения на кораби от салма в естонска предвикингова епоха
• Сиали, Дж. В. и Н. J. ван дер Мерве. "Относно "Подходите към възстановяването на диетата в Западния нос: Вие какво сте яли?" - отговор на Parkington." Списание за археологическа наука 19.4 (1992): 459–66. Печат.
• Somerville, Andrew D., et al. "Диета и пол в колониите Тиуанаку: Стабилен изотопен анализ на човешкия костен колаген и апатит от Мокегуа, Перу." Американско списание за физическа антропология 158.3 (2015): 408–22. Печат.
• Sugiyama, Nawa, Andrew D. Сомервил и Маргарет Дж. Schoeninger. "Стабилни изотопи и зооархеология в Теотиуакан, Мексико разкриват най-ранните доказателства за управление на дивите хищници в Мезоамерика." PLOS ONE 10.9 (2015): e0135635. Печат.
• Vogel, J.C. и Nikolaas J. Ван дер Мерве. "Изотопски доказателства за ранно култивиране на царевица в щата Ню Йорк." Американска античност 42.2 (1977): 238–42. Печат.