Stabili izotopų analizė archeologijoje

Stabili izotopų analizė yra mokslinis metodas, kurį naudoja archeologai ir kiti tyrinėtojai, norėdami nustatyti gyvūno kaulus, rinkdami informaciją iš gyvūno kaulų fotosintezė augalų, kuriuos jis sunaudojo per savo gyvenimą, procesas. Ši informacija yra nepaprastai naudinga daugeliu atvejų, pradedant nuo mitybos įpročių nustatymo senovės hominidų protėviai, siekdami atsekti konfiskuoto kokaino ir neteisėtai palepintų raganosių žemės ūkio kilmę ragas.

Visą žemę ir jos atmosferą sudaro skirtingų elementų, tokių kaip deguonis, anglis ir azotas, atomai. Kiekvienas iš šių elementų turi keletą formų, remiantis jų atominiu svoriu (neutronų skaičiumi kiekviename atome). Pavyzdžiui, 99 procentai visos mūsų atmosferoje esančios anglies egzistuoja tokios formos, kaip anglis-12; tačiau likusį vieną procentą anglies sudaro dvi kelios šiek tiek skirtingos anglies formos, vadinamos anglimi-13 ir anglimi-14. Anglies-12 (sutrumpintai 12C) atominis svoris yra 12, kurį sudaro 6 protonai, 6 neutronai ir 6 elektronai - 6 elektronai nieko neprideda prie atominio svorio. Anglis-13 (13C) vis dar turi 6 protonus ir 6 elektronus, tačiau jis turi 7 neutronus. Anglies 14 (14C) turi 6 protonus ir 8 neutronus, kurie yra per sunkūs, kad stabiliai laikytųsi kartu, ir skleidžia energiją atsikratyti pertekliaus, todėl mokslininkai tai vadina “.

Visos trys formos reaguoja lygiai taip pat - jei derinate anglį su deguonimi, kurio visada gaunate anglies dvideginis, nesvarbu, kiek yra neutronų. 12C ir 13C formos yra stabilios, tai yra, laikui bėgant jos nesikeičia. Kita vertus, anglis-14 nėra stabilus, o mažėja žinomu greičiu - dėl to galime apskaičiuoti likusį jo santykį su anglimi-13. radijo angliavandenių datos, bet tai visai kita problema.

Anglies-12 ir anglies-13 santykis žemės atmosferoje yra pastovus. Viename 13C atome visada yra šimtas 12C atomų. Fotosintezės metu augalai absorbuoja anglies atomus žemės atmosferoje, vandenyje ir dirvožemyje ir kaupia juos savo lapų, vaisių, riešutų ir šaknų ląstelėse. Tačiau vykstant fotosintezės procesui anglies formų santykis pasikeičia.

Fotosintezės metu skirtinguose klimato regionuose augalai skirtingai keičia 100 12C / 1 13C cheminį santykį. Augalai, gyvenantys regionuose, kuriuose daug saulės ir mažai vandens, savo ląstelėse turi palyginti mažiau 12C atomų (palyginti su 13C) nei augalai, gyvenantys miškuose ar šlapžemėse. Mokslininkai augalus suskirsto į kategorijas pagal jų fotosintezės versiją į grupes, vadinamas C3, C4 ir CAM.

12C / 13C santykis yra tvirtai sujungtas su augalo ląstelėmis, ir - čia geriausia dalis - kai ląstelės patenka į maisto grandinę (t. Y. Šaknys, lapai ir vaisiai) valgo gyvūnai ir žmonės), 12C ir 13C santykis beveik nesikeičia, nes jis savo ruožtu kaupiasi gyvūnų kauluose, dantyse ir plaukuose, o žmonių.

Kitaip tariant, jei galite nustatyti gyvūno kauluose laikomo 12C ir 13C santykį, galite išsiaiškinti ar augalai, kuriuos jie valgė, naudojo C4, C3 ar CAM procesus, todėl kokia buvo augalų aplinka Kaip. Kitaip tariant, darant prielaidą, kad jūs valgote vietoje, kur gyvenate, į jūsų kaulus tvirtai įtraukiama tai, ką valgote. Šį matavimą atlieka: masių spektrometro analizė.

Anglis nėra vienintelis elementas, kurį naudoja stabilūs izotopų tyrinėtojai. Šiuo metu tyrėjai matuoja stabilių deguonies, azoto, stroncio, vandenilio, sieros, švino ir daugelio kitų augalų ir gyvūnų apdorotų elementų izotopų santykį. Šie tyrimai lėmė tiesiog neįtikėtiną žmonių ir gyvūnų mitybos informacijos įvairovę.

Pats pirmasis archeologinis stabilių izotopų tyrimų taikymas buvo aštuntajame dešimtmetyje, kurį atliko Pietų Afrikos archeologas Nikolaas van der Merwe, kuris kasinėjo prie Afrikos geležies amžius „Kgopolwe 3“ svetainė, viena iš kelių Pietų Afrikos „Transvaal Lowveld“ vietų, vadinama „Phalaborwa“.

Van de Merwe pelenų krūvoje rado žmogaus vyro skeletą, kuris neatrodė panašus į kitus palaidojimus iš kaimo. Skeletas morfologiškai skyrėsi nuo kitų Phalaborwa gyventojų, jis buvo palaidotas visiškai kitaip nei tipiškas kaimietis. Vyras atrodė kaip koisanas; ir Khoisans neturėjo būti Phalaborwa, kurie buvo protėvių Soto gentys. Van der Merwe ir jo kolegos Dž. C. Vogelis ir Philipas Rightmire'as nusprendė pažiūrėti į cheminį ženklą kauluose ir pradinį rezultatai rodo, kad vyras buvo sorgo augintojas iš Khoisan kaimo, kuris kažkaip mirė Kgopolvė 3.

„Phalaborwa“ tyrimo metodika ir rezultatai buvo aptarti SUNY Binghamtono seminare, kuriame dėstė van der Merwe. Tuo metu SUNY tyrė Vėlyvojo miško palaidojimus ir kartu jie nusprendė, kad būtų įdomu pamatyti, ar kukurūzai (Amerikos kukurūzai, subtropinis C4 prijaukinimas) racioną būtų galima nustatyti žmonėms, kurie anksčiau turėjo prieigą tik prie C3 augalų: ir taip buvo.

Šis tyrimas tapo pirmuoju paskelbtu archeologiniu tyrimu, naudojant stabilią izotopų analizę, 1977 m. Jie palygino stabilų anglies izotopų santykį (13C / 12C) žmogaus šonkaulių kolagene iš archaikos (2500–2000 pr. Kr.) Ir ankstyvojo miško krašto (400–100 BC) archeologinės vietovės Niujorke (t. Y. Prieš įvežant kukurūzus į regioną) su 13C / 12C santykiais briaunose iš vėlyvojo miško krašto (ca. 1000–1300 CE) ir istorinio laikotarpio vieta (atvežus kukurūzus) iš tos pačios teritorijos. Jie sugebėjo parodyti, kad cheminiai parašai šonkauliuose rodo, kad kukurūzų nebuvo ankstyvajame laikotarpyje, bet iki vėlyvosios miškinės virto pagrindiniu maistu.

Remiantis šiuo įrodymu ir turimais įrodymais apie stabilių anglies izotopų pasiskirstymą gamtoje, Vogelis ir van der Merwe pasiūlė, kad ši technika galėtų būti naudojama kukurūzų žemės ūkiui aptikti Amerikos miškų ir atogrąžų miškuose; nustatyti jūrinio maisto svarbą pakrančių bendruomenių mityboje; dokumentuoti augalijos dangos pokyčius laikui bėgant savanose, remiantis mišrių žolėdžiams naršymo / ganymo santykiais; ir galbūt nustatyti kriminalistinių tyrimų kilmę.

Nuo 1977 m. Stabilios izotopų analizės taikymo apimtys ir plotis išaugo, naudojant stabiliuosius lengvųjų elementų vandenilio, anglies, azoto, deguonies ir sieros izotopų santykį. žmogaus ir gyvūno kaulas (kolagenas ir apatitas), dantų emalis ir plaukai, taip pat keramikos likučiai, iškepti ant paviršiaus arba absorbuoti į keraminę sienelę, kad būtų galima nustatyti dietas ir vandenį šaltiniai. Tokiai mitybai ištirti buvo naudojami šviesai stabilūs izotopų santykiai (paprastai anglies ir azoto) komponentai kaip jūrų būtybės (pvz., ruoniai, žuvys ir vėžiagyviai), įvairūs prijaukinti augalai, tokie kaip kukurūzai ir soros; galvijų pienelis (pieno likučiai keramikoje) ir motinos pienas (nujunkymo amžius, nustatytas dantų eilėje). Dievų tyrimai su homininais nuo šių dienų buvo atlikti mūsų senovės protėviams Homo habilis ir Australopithecines.

Kiti izotopų tyrimai buvo skirti daiktų geografinės kilmės nustatymui. Įvairūs stabilių izotopų santykiai derinyje, kartais įskaitant sunkiųjų elementų, tokių kaip stroncis, izotopus ir švinas, buvo naudojami norint nustatyti, ar senovės miestų gyventojai buvo imigrantai, ar gimę lokaliai; atsekti braškių dramblio kaulo ir raganosio rago kilmę, kad būtų galima suskaidyti kontrabandos žiedus; ir nustatyti kokaino, heroino ir medvilnės pluošto, naudojamo padirbtoms 100 USD sąskaitoms, žemės ūkio kilmę.

Kitas izotopinio frakcionavimo pavyzdys, kuris yra naudingas, yra lietus, kuriame yra stabilūs vandenilio izotopai 1H ir 2H (deuteris) ir deguonies izotopai 16O ir 18O. Vanduo išgaruoja dideliais kiekiais ties pusiauju, o vandens garai pasklinda į šiaurę ir pietus. Kai H2O patenka atgal į žemę, pirmiausia iškrenta sunkieji izotopai. Iki to laiko, kai kris kaip sniegas prie stulpų, sunkiai išeikvojama drėgmė sunkiuose vandenilio ir deguonies izotopuose. Galima palyginti šių izotopų pasiskirstymą lietaus (ir vandentiekio vandenyje) ir nustatyti vartotojų kilmę izotopine plaukų analize.

• Grantas, Jennifer. "Medžioklės ir bandos: izotopiniai laukinių ir prijaukintų kupranugarių iš pietinės Argentinos punos (2120–420 metų BP) duomenys)." Archeologijos mokslo žurnalas: Pranešimai 11 (2017): 29–37. Spausdinti.
• Iglesias, Carlos ir kt. "Stabili izotopų analizė patvirtina esminius skirtumus tarp subtropikų ir vidutinio sunkumo seklaus ežero maisto tinklalapių. “Hydrobiologia 784.1 (2017): 111–23. Spausdinti.
• Katzenbergas, M. Anne ir L. Andrea Vandenys-Rist. "Stabili izotopų analizė: praeities dietos, demografijos ir gyvenimo istorijos tyrimo įrankis." Žmogaus skeleto biologinė antropologija. Red. Katzenbergas, M. Anne ir Anne L. Graueris. 3-asis leidimas Niujorkas: John Wiley & Sons, Inc., 2019 m. 467–504. Spausdinti.
• Kaina, T. Douglas ir kt. "Izotopų įrodymas ." Antika 90.352 (2016): 1022–37. Spausdinti.„Salme“ laivo palaidojimai prieš Vikingų amžių Estijoje
• Sealy, Dž. C. ir N. Dž. van der Merwe. "Apie „Dietos rekonstravimo Vakarų Kapo požiūriai: ar jūs ką valgėte?“ - atsakymas Parkingtonui." Archeologijos mokslo žurnalas 19.4 (1992): 459–66. Spausdinti.
• Somerville, Andrew D. ir kt. "Dieta ir lytis Tiwanaku kolonijose: stabili žmogaus kaulų kolageno ir aparato izotopų analizė iš Moquegua, Peru." Amerikos žurnalas apie fizinę antropologiją 158.3 (2015): 408–22. Spausdinti.
• Sugiyama, Nawa, Andrew D. Somervilis ir Margaret J. Schoeningeris. "Teotihuacano (Meksika) stabilūs izotopai ir zoologijos archeologija atskleidžia ankstyviausius laukinių mėsėdžių valdymo įrodymus Mesoamerikoje." PLOS VIENAS 10.9 (2015): e0135635. Spausdinti.
• Vogel, J. C., ir Nikolaas J. Van der Merwe. "Izotopiniai ankstyvojo kukurūzų auginimo įrodymai Niujorko valstijoje." Amerikos antika 42.2 (1977): 238–42. Spausdinti.