Σταθερή ανάλυση ισοτόπων στην αρχαιολογία

Σταθερή ανάλυση ισοτόπων είναι μια επιστημονική τεχνική που χρησιμοποιείται από αρχαιολόγους και άλλους μελετητές για τη συλλογή πληροφοριών από τα οστά ενός ζώου για την ταυτοποίηση του φωτοσύνθεση διαδικασία των φυτών που κατανάλωσε κατά τη διάρκεια της ζωής του. Αυτές οι πληροφορίες είναι εξαιρετικά χρήσιμες σε μεγάλο αριθμό εφαρμογών, από τον προσδιορισμό των διατροφικών συνηθειών του αρχαίοι ανθρωποειδείς πρόγονοι για την ανίχνευση της γεωργικής προέλευσης της κατασχεμένης κοκαΐνης και του παράνομου λαθραίου ρινόκερου κέρατο.

Όλη η γη και η ατμόσφαιρά της αποτελούνται από άτομα διαφορετικών στοιχείων, όπως το οξυγόνο, ο άνθρακας και το άζωτο. Κάθε ένα από αυτά τα στοιχεία έχει διάφορες μορφές, με βάση το ατομικό βάρος τους (τον αριθμό των νετρονίων σε κάθε άτομο). Για παράδειγμα, το 99% του συνόλου του άνθρακα στην ατμόσφαιρά μας υπάρχει στη μορφή που ονομάζεται Carbon-12. αλλά ο εναπομένους άνθρακας επί τοις εκατό αποτελείται από δύο διαφορετικά ελαφρώς διαφορετικές μορφές άνθρακα, που ονομάζονται Carbon-13 και Carbon-14. Το Carbon-12 (συντετμημένο 12C) έχει ένα ατομικό βάρος 12, το οποίο αποτελείται από 6 πρωτόνια, 6 νετρόνια και 6 ηλεκτρόνια - τα 6 ηλεκτρόνια δεν προσθέτουν τίποτα στο ατομικό βάρος. Ο άνθρακας 13 (13C) έχει ακόμα 6 πρωτόνια και 6 ηλεκτρόνια, αλλά έχει 7 νετρόνια. Το Carbon-14 (14C) έχει 6 πρωτόνια και 8 νετρόνια, τα οποία είναι πολύ βαριά για να συγκρατούνται μαζί με σταθερό τρόπο και εκπέμπει ενέργεια για να απαλλαγούμε από την περίσσεια, γι 'αυτό οι επιστήμονες το ονομάζουν "

Και οι τρεις μορφές αντιδρούν με τον ίδιο ακριβώς τρόπο - εάν συνδυάσετε άνθρακα με οξυγόνο που παίρνετε πάντα διοξείδιο του άνθρακα, ανεξάρτητα από το πόσα νετρόνια υπάρχουν. Οι μορφές 12C και 13C είναι σταθερές - δηλαδή, δεν αλλάζουν με την πάροδο του χρόνου. Ο άνθρακας-14, από την άλλη πλευρά, δεν είναι σταθερός αλλά αντιθέτως αποσυντίθεται με γνωστό ρυθμό - εξαιτίας αυτού, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε την εναπομένουσα αναλογία του σε άνθρακα-13 για να υπολογίσουμε ημερομηνίες ραδιοανθράκων, αλλά αυτό είναι ένα άλλο ζήτημα εξ ολοκλήρου.

Ο λόγος άνθρακα-12 με άνθρακα-13 είναι σταθερός στην ατμόσφαιρα της γης. Υπάρχουν πάντα εκατό άτομα 12C σε ένα άτομο 13C. Κατά τη διαδικασία της φωτοσύνθεσης, τα φυτά απορροφούν τα άτομα άνθρακα στην ατμόσφαιρα της γης, στο νερό και στο έδαφος και τα αποθηκεύουν στα κύτταρα των φύλλων, των φρούτων, των ξηρών καρπών και των ριζών τους. Αλλά, η αναλογία των μορφών άνθρακα μεταβάλλεται ως μέρος της διαδικασίας φωτοσύνθεσης.

Κατά τη διάρκεια της φωτοσύνθεσης, τα φυτά μεταβάλλουν διαφορετικά τον χημικό λόγο των 100 12C / 13C σε διαφορετικές κλιματικές περιοχές. Φυτά που ζουν σε περιοχές με πολλή ηλιοφάνεια και λίγο νερό έχουν σχετικά λιγότερα άτομα 12C στα κύτταρα τους (σε σύγκριση με 13C) από ό, τι τα φυτά που ζουν σε δάση ή υγρότοπους. Οι επιστήμονες κατηγοριοποιούν τα φυτά με την εκδοχή της φωτοσύνθεσης που χρησιμοποιούν σε ομάδες που ονομάζονται C3, C4 και CAM.

Η αναλογία 12C / 13C συνδέεται σκληρά με τα κύτταρα του φυτού και - εδώ είναι το καλύτερο μέρος - καθώς τα κύτταρα περνούν πάνω από την τροφική αλυσίδα (δηλ. Οι ρίζες, τα φύλλα και τα φρούτα τρώγονται από ζώα και ανθρώπους), η αναλογία 12C σε 13C παραμένει ουσιαστικά αμετάβλητη καθώς αποθηκεύεται στα οστά, τα δόντια και τα μαλλιά των ζώων και του ανθρώπου.

Με άλλα λόγια, εάν μπορείτε να προσδιορίσετε τον λόγο 12C έως 13C που αποθηκεύεται στα οστά ενός ζώου, μπορείτε να υπολογίσετε αν τα φυτά που έτρωγαν χρησιμοποιούσαν διαδικασίες C4, C3 ή CAM και, συνεπώς, ποιο ήταν το περιβάλλον των φυτών αρέσει. Με άλλα λόγια, αν υποθέσετε ότι τρώτε τοπικά, όπου ζείτε, είναι στερεωμένα στα οστά σας με αυτό που τρώτε. Αυτή η μέτρηση επιτυγχάνεται με ανάλυση φασματομέτρου μάζας.

Ο άνθρακας δεν είναι από πολύ μεγάλη απόσταση το μόνο στοιχείο που χρησιμοποιούν οι σταθεροί ερευνητές ισότοπων. Σήμερα, οι ερευνητές εξετάζουν τη μέτρηση των αναλογιών σταθερών ισοτόπων οξυγόνου, αζώτου, στροντίου, υδρογόνου, θείου, μολύβδου και πολλά άλλα στοιχεία που επεξεργάζονται από φυτά και ζώα. Αυτή η έρευνα έχει οδηγήσει σε απλή απίστευτη ποικιλία πληροφοριών για τα ανθρώπινα και τα ζώα.

Η πρώτη αρχαιολογική εφαρμογή της σταθερής έρευνας ισοτόπων ήταν στη δεκαετία του 1970, από νοτιοαφρικανό αρχαιολόγο Νικολάου ντα ντε Μέρβε, ο οποίος ανασκάπτεται στο Αφρικανική εποχή του σιδήρου τοποθεσία του Kgopolwe 3, μία από τις πολλές τοποθεσίες στο Transvaal Lowveld της Νότιας Αφρικής, που ονομάζεται Phalaborwa.

Ο Van de Merwe βρήκε έναν ανθρώπινο σκελετό σε έναν σάκο που δεν έμοιαζε με τις άλλες ταφές του χωριού. Ο σκελετός ήταν διαφορετικός, μορφολογικά, από τους άλλους κατοίκους της Phalaborwa και είχε ταφεί με εντελώς διαφορετικό τρόπο από τον τυπικό χωριανό. Ο άνθρωπος έμοιαζε με τον Κόισαν. και οι Khoisans δεν θα έπρεπε να ήταν στην Phalaborwa, οι οποίοι ήταν πρόγονοι Sotho tribesmen. Van der Merwe και οι συνάδελφοί του J. ΝΤΟ. Οι Vogel και Philip Rightmire αποφάσισαν να εξετάσουν τη χημική υπογραφή στα οστά του και την αρχική τα αποτελέσματα υποδηλώνουν ότι ο άνθρωπος ήταν αγρότης σόργου από ένα χωριό Khoisan που με κάποιο τρόπο είχε πεθάνει Kgopolwe 3.

Η τεχνική και τα αποτελέσματα της μελέτης Phalaborwa συζητήθηκαν σε ένα σεμινάριο στο SUNY Binghamton όπου δίδασκε ο van der Merwe. Εκείνη την εποχή, η SUNY ερευνούσε τις ταφές του Late Woodland και μαζί αποφάσισαν ότι θα ήταν ενδιαφέρον να δούμε αν η προσθήκη αραβόσιτος (Αμερικανικό καλαμπόκι, ένα υποτροπικό C4 domesticate) στη διατροφή θα μπορούσε να αναγνωριστεί σε ανθρώπους που είχαν μόνο πρόσβαση σε εργοστάσια C3: και ήταν.

Η μελέτη αυτή έγινε η πρώτη δημοσιευμένη αρχαιολογική μελέτη εφαρμόζοντας σταθερή ανάλυση ισοτόπων, το 1977. Συγκρίθηκαν οι σταθερές αναλογίες ισοτόπων άνθρακα (13C / 12C) στο κολλαγόνο ανθρώπινων νευρώσεων από ένα αρχαϊκό (2500-2000 π.Χ.) και ένα πρώιμο δάσος (400-100 π.Χ.) αρχαιολογικός χώρος στη Νέα Υόρκη (δηλ. Προτού φθάσει ο καλαμπόκι στην περιοχή) με τις αναλογίες 13C / 12C σε νευρώσεις από μια Ύστερη Γουνιά (περ. 1000-1300 μ.Χ.) και ιστορική περίοδο (μετά την άφιξη του καλαμποκιού) από την ίδια περιοχή. Ήταν σε θέση να δείξουν ότι οι χημικές υπογραφές στις πλευρές ήταν μια ένδειξη ότι ο αραβόσιτος δεν υπήρχε στις πρώιμες περιόδους, αλλά είχε γίνει βασικό φαγητό από την εποχή του Ύστερου Δάσους.

Βάσει αυτής της επίδειξης και διαθέσιμων στοιχείων για τη διανομή των σταθερών ισοτόπων άνθρακα στη φύση, Vogel και van der Ο Merwe πρότεινε ότι η τεχνική αυτή θα μπορούσε να χρησιμοποιηθεί για την ανίχνευση της γεωργικής καλλιέργειας αραβοσίτου στις δασικές εκτάσεις και τα τροπικά δάση της Αμερικής. να προσδιοριστεί η σημασία των θαλάσσιων τροφών στη δίαιτα των παράκτιων κοινοτήτων · μεταβολές εγγράφων στην κάλυψη της βλάστησης με την πάροδο του χρόνου σε σαβάνες βάσει των λόγων περιήγησης / βοσκής βοσκοτόπων μικτής διατροφής · και ενδεχομένως να καθορίσει την προέλευση των εγκληματολογικών ερευνών.

Από το 1977, οι εφαρμογές της σταθερής ανάλυσης ισοτόπων έχουν εκραγεί σε αριθμό και πλάτος, χρησιμοποιώντας τις σταθερές αναλογίες ισότοπων των ελαφρών στοιχείων υδρογόνο, άνθρακα, άζωτο, οξυγόνο και θείο το ανθρώπινο και ζωικό κόκαλο (κολλαγόνο και απατίτη), το σμάλτο των δοντιών και τα μαλλιά, καθώς και σε υπολείμματα αγγειοπλαστικής ψημένα πάνω στην επιφάνεια ή απορροφημένα στο κεραμικό τοίχωμα για να προσδιοριστούν οι δίαιτες και το νερό πηγές. Οι αναλογίες ισότοπων σταθερού φωτός (συνήθως άνθρακα και αζώτου) έχουν χρησιμοποιηθεί για τη διερεύνηση τέτοιων διαιτητικών ιδιοτήτων συστατικά όπως θαλάσσια πλάσματα (π.χ. σφραγίδες, ψάρια και οστρακοειδή), διάφορα οικόσιτα φυτά όπως αραβόσιτος και κεχρί; και γαλακτοπαραγωγής (υπολείμματα γάλακτος στην αγγειοπλαστική) και μητρικό γάλα (ηλικία απογαλακτισμού, ανιχνεύσιμη στη σειρά δοντιών). Διαιτητικές μελέτες έχουν γίνει σχετικά με τις ανθρωπινές ουσίες από σήμερα στους αρχαίους προγόνους μας Homo habilis και το Αυστραλοπαιτίνες.

Άλλη ισοτοπική έρευνα εστιάστηκε στον προσδιορισμό της γεωγραφικής προέλευσης των πραγμάτων. Διάφορες σταθερές αναλογίες ισοτόπων σε συνδυασμό, μερικές φορές συμπεριλαμβανομένων των ισοτόπων βαρέων στοιχείων όπως το στροντίου και μολύβδου, έχουν χρησιμοποιηθεί για να καθοριστεί αν οι κάτοικοι των αρχαίων πόλεων ήταν μετανάστες ή γεννήθηκαν τοπικά. να ανιχνεύσει την προέλευση του εβραϊκού συνόλου και του κέρατος ρινόκερου για να σπάσει τα δαχτυλίδια λαθρεμπορίου. και να καθορίσουν τη γεωργική προέλευση της κοκαΐνης, της ηρωίνης και της ίνας βαμβακιού που χρησιμοποιούνται για να φτιάχνουν ψεύτικους λογαριασμούς αξίας 100 δολαρίων.

Ένα άλλο παράδειγμα ισοτοπικής κλασμάτωσης που έχει χρήσιμη εφαρμογή περιλαμβάνει τη βροχή, η οποία περιέχει τα σταθερά ισότοπα υδρογόνου 1H και 2Η (δευτέριο) και τα ισοτόπων οξυγόνου 16O και 18O. Το νερό εξατμίζεται σε μεγάλες ποσότητες στον ισημερινό και ο υδρατμός διασκορπίζεται προς το βορρά και το νότο. Καθώς το H2O πέφτει στη γη, τα βαρύτατα ισότοπα βρέχονται πρώτα. Μέχρι τη στιγμή που πέφτει ως χιόνι στους πόλους, η υγρασία είναι έντονα εξαντλημένη στα βαρέα ισότοπα του υδρογόνου και του οξυγόνου. Η παγκόσμια κατανομή αυτών των ισοτόπων στη βροχή (και στο νερό της βρύσης) μπορεί να χαρτογραφηθεί και η προέλευση των καταναλωτών μπορεί να προσδιοριστεί με ισοτοπική ανάλυση των μαλλιών.

• Γκράντ, Τζένιφερ. "Του κυνηγιού και της κτηνοτροφίας: Ισοτοπικές αποδείξεις σε άγρια ​​και οικόσιτα καμήλικα από την νότια αργεντινή πούνα (2120-420 χρόνια BP)." Εφημερίδα της Αρχαιολογικής Επιστήμης: Εκθέσεις 11 (2017): 29–37. Τυπώνω.
• Iglesias, Carlos, et αϊ. "Η σταθερή ανάλυση ισοτόπων επιβεβαιώνει τις σημαντικές διαφορές μεταξύ υποτροπικών και μέτριων μικρών λιμνών τροφίμων"Hydrobiologia 784.1 (2017): 111-23. Τυπώνω.
• Katzenberg, Μ. Anne και Andrea L. Waters-Rist. "Σταθερή Ανάλυση Ισότοπων: Ένα εργαλείο για τη μελέτη της προηγούμενης διατροφής, της δημογραφίας και της ιστορίας της ζωής." Βιολογική Ανθρωπολογία του Ανθρώπινου Σκελετού. Eds. Katzenberg, Μ. Anne και Anne L. Γκρέιερ. 3η έκδοση. Νέα Υόρκη: John Wiley & Sons, Inc., 2019. 467–504. Τυπώνω.
• Τιμή, Τ. Douglas, et αϊ. "Ισοτοπική Προέλευση του ." Αρχαιότητα 90.352 (2016): 1022–37. Τυπώνω.Θυμουλίσεις σκαφών Salme στην εποχή της προ-βίκινγκ της Εσθονίας
• Sealy, J. C. και N. J. van der Merwe. "Σχετικά με τις "Προσεγγίσεις στην αναζωογόνηση του διαιτολογίου στο δυτικό ακρωτήριο: Είστε εσείς τι έχετε φάει;" - μια απάντηση στο Parkington." Εφημερίδα της Αρχαιολογικής Επιστήμης 19.4 (1992): 459–66. Τυπώνω.
• Somerville, Andrew D., et αϊ. "Διατροφή και φύλο στις αποικίες Tiwanaku: Σταθερή ανάλυση ισοτόπων ανθρώπινου κολλαγόνου οστού και απατίτη από Moquegua, Περού." American Journal of Physical Anthropology 158.3 (2015): 408–22. Τυπώνω.
• Σουιγιάμα, Νάουα, Άντριου Δ. Somerville και Margaret J. Schoeninger. "Σταθερή Ισότοπα και Ζωαρειοχειολογία στο Teotihuacan του Μεξικού αποκαλύπτουν τις πρώτες αποδείξεις της διαχείρισης των άγριων σαρκοφάγων στο Mesoamerica." ΕΠΙΛΕΞΤΕ ΕΝΑ 10.9 (2015): e0135635. Τυπώνω.
• Vogel, J.C., και Νικολάνα Ι. Van der Merwe. "Ισοτοπικές αποδείξεις για την καλλιέργεια πρώιμου αραβοσίτου στο κράτος της Νέας Υόρκης." Αμερικανική αρχαιότητα 42.2 (1977): 238–42. Τυπώνω.