Stabila izotopu analīze arheoloģijā

Stabila izotopu analīze ir zinātniska metode, kuru arheologi un citi zinātnieki izmanto, lai savāktu informāciju no dzīvnieka kauliem, lai identificētu fotosintēze augu process, ko tā dzīves laikā patērēja. Šī informācija ir ārkārtīgi noderīga daudzos gadījumos, sākot no ēšanas paradumu noteikšanas senie hominīdu senči konfiscētā kokaīna un nelegāli saindēto degunradžu lauksaimniecības izcelsmes izsekošanai rags.

Visu zemi un tās atmosfēru veido dažādu elementu atomi, piemēram, skābeklis, ogleklis un slāpeklis. Katram no šiem elementiem ir vairākas formas, pamatojoties uz to atomu svaru (neitronu skaitu katrā atomā). Piemēram, 99 procenti no visa oglekļa mūsu atmosfērā pastāv formā, ko sauc par oglekli-12; bet atlikušo vienu procentu oglekļa veido divas vairākas nedaudz atšķirīgas oglekļa formas, ko sauc par Carbon-13 un Carbon-14. Oglekļa-12 (saīsināti 12C) atomu svars ir 12, ko veido 6 protoni, 6 neitroni un 6 elektroni - 6 elektroni atoma svaram neko nepiebilst. Ogleklis-13 (13C) joprojām satur 6 protonus un 6 elektronus, bet tajā ir 7 neitroni. Ogleklis-14 (14C) satur 6 protonus un 8 neitronus, kas ir pārāk smagi, lai stabili turētos kopā, un tas izstaro enerģiju, lai atbrīvotos no liekā, tāpēc zinātnieki to sauc par "

Visas trīs formas reaģē tieši tāpat - ja jūs apvienojat oglekli ar skābekli, kuru jūs vienmēr saņemat oglekļa dioksīds, neatkarīgi no tā, cik neitronu ir. 12C un 13C formas ir stabilas, tas ir, laika gaitā tās nemainās. No otras puses, ogleklis-14 nav stabils, bet tā vietā samazinās ar zināmu ātrumu - tāpēc mēs varam izmantot tā atlikušo attiecību pret oglekli-13, lai aprēķinātu radiokarbona datumi, bet tas ir pilnīgi cits jautājums.

Oglekļa-12 un oglekļa-13 attiecība Zemes atmosfērā ir nemainīga. Vienā 13C atomā vienmēr ir simts 12C atomu. Fotosintēzes laikā augi absorbē oglekļa atomus zemes atmosfērā, ūdenī un augsnē un uzglabā tos lapu, augļu, riekstu un sakņu šūnās. Bet oglekļa formu attiecība mainās fotosintēzes procesa laikā.

Fotosintēzes laikā augi dažādos klimatiskajos reģionos atšķirīgi maina 100 12C / 1 13C ķīmisko attiecību. Augiem, kas dzīvo reģionos, kur ir daudz saules un maz ūdens, šūnās ir salīdzinoši mazāk 12C atomu (salīdzinot ar 13C) nekā augiem, kas dzīvo mežos vai mitrājos. Zinātnieki augus klasificē pēc izmantotās fotosintēzes versijas grupās, kuras sauc par C3, C4 un CAM.

12C / 13C attiecība tiek stingri iesieta auga šūnās, un - šeit ir vislabākā daļa - kad šūnas tiek nodotas barības ķēdē (t.i., saknes, lapas un augļi ko ēd dzīvnieki un cilvēki), 12C un 13C attiecība praktiski nemainās, jo tā savukārt tiek glabāta dzīvnieku kaulos, zobos un matos, kā arī cilvēkiem.

Citiem vārdiem sakot, ja jūs varat noteikt 12C un 13C attiecību, kas tiek glabāta dzīvnieka kaulos, varat izdomāt vai augi, ko viņi ēda, izmantoja C4, C3 vai CAM procesus, un tāpēc kāda bija augu vide piemēram. Citiem vārdiem sakot, pieņemot, ka jūs ēdat uz vietas, kur jūs dzīvojat, tas ir stingri iespiests kaulos ar to, ko ēdat. Šo mērīšanu veic masas spektrometra analīze.

Ogleklis nebūt nav vienīgais elements, ko izmanto stabili izotopu pētnieki. Pašlaik pētnieki meklē stabilu izotopu skābekļa, slāpekļa, stroncija, ūdeņraža, sēra, svina un daudzu citu augu un dzīvnieku apstrādātu elementu attiecību mērīšanu. Šie pētījumi ir noveduši pie neticami daudzveidīgas informācijas par cilvēkiem un dzīvniekiem.

Pats pirmais stabilu izotopu pētījumu arheoloģiskais pielietojums notika Dienvidāfrikas arheologa 1970. gados Nikolajs van der Mervejs, kurš veica rakšanu pie Āfrikas dzelzs laikmets Vietne Kgopolwe 3, viena no vairākām vietām Dienvidāfrikas Transvaal Lowveld, ko sauc par Phalaborwa.

Van de Merve pelnu kaudzē atrada cilvēka vīrieša skeletu, kas neizskatījās pēc citiem apbedījumiem no ciemata. Skelets morfoloģiski atšķīrās no citiem Phalaborwa iedzīvotājiem, un viņš tika apbedīts pavisam savādāk nekā tipiskais ciema iedzīvotājs. Vīrietis izskatījās pēc koisana; un Khoisans nevajadzēja atrasties pie Phalaborwa, kas bija senču Sotho cilts pārstāvji. Van der Merve un viņa kolēģi Dž. C. Vogels un Filips Rightmire nolēma apskatīt ķīmisko parakstu viņa kaulos un sākotnējo rezultāti liecināja, ka vīrietis bija sorgo lauksaimnieks no Khoisan ciemata, kurš kaut kā bija miris plkst Kgopolve 3.

Phalaborwa pētījuma tehnika un rezultāti tika apspriesti seminārā SUNY Binghamton, kur mācīja van der Merwe. Tajā laikā SUNY veica vēlīnu Vudlendas apbedījumu izmeklēšanu, un viņi kopā izlēma, ka būtu interesanti redzēt, vai kukurūza (Amerikas kukurūza, subtropu C4 piedevas) uzturam būtu identificējama cilvēkiem, kuriem agrāk bija pieejami tikai C3 augi: un tā tas bija.

Šis pētījums kļuva par pirmo publicēto arheoloģisko pētījumu, izmantojot stabilu izotopu analīzi, 1977. gadā. Viņi salīdzināja stabilās oglekļa izotopu attiecības (13C / 12C) cilvēka ribu kolagēnā no arhaiskā (2500–2000 pirms Kristus) un agrā meža (400–100 BC) arheoloģisko izrakumu vieta Ņujorkā (t.i., pirms kukurūzas ierašanās reģionā) ar 13C / 12C koeficientiem ribās no vēla meža (apm. 1000–1300 CE) un vēsturiskā perioda vietu (pēc kukurūzas ierašanās) no tā paša apgabala. Viņi spēja parādīt, ka ķīmiskie paraksti ribās ir norāde uz to, ka kukurūza agrīnajos periodos nebija sastopama, bet līdz vēlajam mežam bija kļuvusi par pamatakmeni.

Balstoties uz šo pierādījumu un pieejamajiem pierādījumiem par stabilu oglekļa izotopu izplatību dabā, Vogels un van der Mervess ierosināja, ka šo paņēmienu varētu izmantot kukurūzas lauksaimniecības noteikšanai Amerikas mežos un tropu mežos; noteikt jūras pārtikas nozīmi piekrastes kopienu uzturā; dokumentēt izmaiņas veģetācijas klājumā laika gaitā savannās, pamatojoties uz jauktu barības zālēdāju pārlūkošanas / ganību koeficientiem; un, iespējams, lai noteiktu kriminālistikas izmeklēšanas izcelsmi.

Kopš 1977. gada stabilu izotopu analīzes pielietojums ir palielinājies pēc skaita un platuma, izmantojot stabilo izotopu attiecību attiecībā uz ūdeņradi, oglekli, slāpekli, skābekli un sēru cilvēku un dzīvnieku kauli (kolagēns un apatīts), zobu emalja un mati, kā arī keramikas atlikumos, kas cepti uz virsmas vai iesūcas keramikas sienā, lai noteiktu uzturu un ūdeni avoti. Lai izpētītu šādu uzturu, ir izmantotas gaismas stabilu izotopu attiecības (parasti oglekļa un slāpekļa) sastāvdaļas kā jūras radības (piemēram, roņi, zivis un gliemenes), dažādi pieradināti augi, piemēram, kukurūza un prosa; liellopu slaukšana (piena atlikumi keramikā) un mātes piens (atšķiršanas vecums, noteikts zobu rindā). Uztura pētījumi par hominīniem no mūsdienām ir veikti mūsu seniem senčiem Homo habilis un Australopithecines.

Citi izotopu pētījumi ir vērsti uz lietu ģeogrāfiskās izcelsmes noteikšanu. Dažādas stabilas izotopu attiecības kombinācijā, dažreiz ieskaitot smago elementu, piemēram, stroncija, izotopus un svinu, tika izmantoti, lai noteiktu, vai seno pilsētu iedzīvotāji bija imigranti vai dzimuši lokāli; izsekot saindētās ziloņkaula un degunraga ragu, lai izjauktu kontrabandas gredzenus; kā arī noteikt kokaīna, heroīna un kokvilnas šķiedras lauksaimniecisko izcelsmi, ko izmanto viltus 100 ASV dolāru rēķinu sastādīšanai.

Vēl viens izotopu frakcionēšanas piemērs, kam ir noderīga pielietošana, ir lietus, kas satur stabilus ūdeņraža izotopus 1H un 2H (deitēriju) un skābekļa izotopus 16O un 18O. Ūdens lielos daudzumos iztvaiko pie ekvatora, un ūdens tvaiki izkliedējas ziemeļos un dienvidos. Tā kā H2O nokrīt atpakaļ uz zemi, vispirms izdalās smagie izotopi. Laikā, kad tas nokrīt kā sniegs pie poliem, smagajos ūdeņraža un skābekļa izotopos mitrums ir stipri noplicināts. Šo izotopu kopējo izplatību lietū (un krāna ūdenī) var kartēt, un patērētāju izcelšanos var noteikt ar matu izotopu analīzi.

• Grants, Dženifera. "Medību un ganāmpulku izotopu pierādījumi Argentīnas dienvidu punas savvaļas un pieradinātiem kamieļiem (2120–420 gadi BP))." Arheoloģijas zinātnes žurnāls: Ziņojumi 11 (2017): 29–37. Drukāt.
• Iglesias, Carlos, et al. "Stabila izotopu analīze apstiprina būtiskas atšķirības starp subtropu un mērena sekla ezera pārtikas tīmekļa vietnēm. "Hydrobiologia 784.1 (2017): 111. – 23. Drukāt.
• Katzenberga, M. Anne un Andrea L. Ūdeņi-Risti. "Stabila izotopu analīze: rīks pagātnes diētas, demogrāfijas un dzīves vēstures izpētei." Cilvēka skeleta bioloģiskā antropoloģija. Red. Katzenberga, M. Anne un Anne L. Grauers. 3. ed. Ņujorka: John Wiley & Sons, Inc., 2019. gads. 467–504. Drukāt.
• Cena, T. Douglas et al. "Izotopu pierādīšana ." Senatne 90.352 (2016): 1022–37. Drukāt.Salme kuģu apbedījumi Igaunijā pirms Vikingu laikmeta
• Sealijs, Dž. C. un N. Dž. van der Merve. "Par tematu “Pieejas diētas atjaunošanai Rietumkāpā: vai tu esi to, ko esi ēdusi?” - atbilde uz Parkington." Arheoloģijas zinātnes žurnāls 19.4 (1992): 459–66. Drukāt.
• Somervila, Endrjū D., et al. "Diēta un dzimums Tiwanaku kolonijās: cilvēka kaulu kolagēna un apātija stabilu izotopu analīze no Moquegua, Peru." Amerikāņu fiziskās antropoloģijas žurnāls 158.3 (2015): 408–22. Drukāt.
• Sugijama, Nava, Endrjū D. Somervila un Margareta Dž. Šēningers. "Stabili izotopi un Zooarheoloģija Teotihuacanā, Meksikā, atklāj agrākos pierādījumus par savvaļas plēsēju pārvaldību Mesoamerikā." PLOS VIENS 10.9 (2015): e0135635. Drukāt.
• Vogel, J. C., un Nikolaas J. Van der Merve. "Izotopu pierādījumi agrīnai kukurūzas audzēšanai Ņujorkas štatā." Amerikas senatne 42.2 (1977): 238–42. Drukāt.