Stabiilne isotoobi analüüs arheoloogias

Stabiilne isotoobi analüüs on teaduslik tehnika, mida arheoloogid ja muud teadlased kasutavad looma luudelt teabe kogumiseks looma tuvastamiseks fotosüntees taimede protsess, mida ta elu jooksul tarbis. See teave on tohutult kasulik paljudes rakendustes alates toitumisharjumuste kindlaksmääramisest iidsed hominiidsed esivanemad konfiskeeritud kokaiini ja ebaseaduslikult salaküttunud ninasarviku põllumajandusliku päritolu kindlakstegemiseks sarv.

Kogu maa ja selle atmosfäär koosneb erinevate elementide, näiteks hapniku, süsiniku ja lämmastiku aatomitest. Igal neist elementidest on aatommassi põhjal (igas aatomis leiduvate neutronite arv) mitu vormi. Näiteks eksisteerib 99 protsenti kogu meie atmosfääri süsinikust kujul nimega Carbon-12; kuid järelejäänud üks protsent süsinikku koosneb kahest mitmest erinevalt süsiniku vormist, mida nimetatakse süsinik-13 ja süsinik-14. Süsinik-12 (lühendatult 12C) aatommass on 12, mis koosneb 6 prootonist, 6 neutronist ja 6 elektronist - need 6 elektronid ei lisa aatommassile midagi. Süsinik-13 (13C) sisaldab endiselt 6 prootonit ja 6 elektronit, kuid sellel on 7 neutronit. Süsinik-14 (14C) sisaldab 6 prootonit ja 8 neutronit, mis on liiga raske, et stabiilselt koos hoida, ja see eraldab energiat liigsest vabanemiseks, mistõttu teadlased nimetavad seda "

Kõik kolm vormi reageerivad täpselt samal viisil - kui ühendate süsiniku hapnikuga, mida alati saate süsinikdioksiid, ükskõik kui palju neutroneid on. 12C ja 13C vormid on stabiilsed, see tähendab, et need ei muutu aja jooksul. Seevastu süsinik-14 ei ole stabiilne, vaid laguneb teadaoleva kiirusega - seetõttu võime kasutada arvutamiseks selle järelejäänud suhet süsinik-13-ga radiosüsiniku kuupäevad, kuid see on täiesti teine ​​teema.

Süsiniku-12 ja süsiniku-13 suhe on Maa atmosfääris konstantne. Ühel 13C aatomil on alati sada 12C aatomit. Fotosünteesi käigus absorbeerivad taimed maa atmosfääris, vees ja pinnases olevaid süsinikuaatomeid ning ladustavad neid oma lehtede, puuviljade, pähklite ja juurte rakkudesse. Kuid süsiniku vormide suhe muutub fotosünteesi käigus.

Fotosünteesi ajal muudavad taimed 100 12C / 1 13C keemilist suhet erinevates kliimapiirkondades erinevalt. Taimedes, mis elavad palju päikest ja vähese veega piirkondi, on rakkudes suhteliselt vähem 12C aatomit (võrreldes 13C) kui metsades või märgaladel elavatel taimedel. Teadlased kategoriseerivad taimed kasutatud fotosünteesi versiooni järgi rühmadesse, mida nimetatakse C3, C4 ja CAM.

12C / 13C suhe on juhtmevaba taimerakkudesse ühendatud - ja siin on parim osa - kui rakud pääsevad toiduahelast (s.o juured, lehed ja puuviljad) üles söövad loomad ja inimesed), jääb 12C ja 13C suhe praktiliselt muutumatuks, kuna see hoitakse omakorda loomade luudes, hammastes ja juustes ning inimestel.

Teisisõnu, kui saate määrata 12C ja 13C suhte, mida hoitakse looma luudes, saate aru saada kas taimed, mida nad sõid, kasutasid C4, C3 või CAM protsesse, ja milline oli nende taimede keskkond nagu. Teisisõnu, eeldusel, et sööte kohapeal, kus elate, on see, mida sööte, teie luude külge kinnitatud. Selle mõõtmise teostab massispektromeetri analüüs.

Süsinik pole kaugeltki ainus stabiilsete isotoopide uurijate kasutatud element. Praegu uurivad teadlased hapniku, lämmastiku, strontsiumi, vesiniku, väävli, plii ja paljude muude taimede ja loomade poolt töödeldud elementide stabiilsete isotoopide suhte mõõtmist. Selle uurimistöö tulemusel on inimeste ja loomade toitumisalane teave lihtsalt uskumatult mitmekesine.

Stabiilsete isotoopide uurimise esimene arheoloogiline rakendus oli 1970. aastatel Lõuna-Aafrika arheoloogi poolt Nikolaas van der Merwe, kes kaevandas Aafrika rauaaeg Kgopolwe 3 sait, mis on üks paljudest Lõuna-Aafrika Transvaali madalal asuvas piirkonnas, mida nimetatakse Phalaborwa.

Van de Merwe leidis tuhahunnikust inimese meessoost luustiku, mis ei näinud välja nagu teised küla matused. Skelett erines morfoloogiliselt teistest Phalaborwa elanikest ja ta oli maetud täiesti erineval viisil kui tüüpiline külaelanik. Mees nägi välja nagu koisan; ja Khoisans ei tohtinud olla Phalaborwas, kes olid esivanemate Sotho hõimlased. Van der Merwe ja tema kolleegid J. C. Vogel ja Philip Rightmire otsustasid vaadata tema luudes olevat keemilist allkirja ja algust tulemused näitasid, et mees oli Khoisani külast pärit sorgofarmer, kes oli kuidagi surnud Kgopolwe 3.

Phalaborwa uuringu tehnikat ja tulemusi arutati seminaril SUNY Binghamtonis, kus õpetas van der Merwe. Sel ajal uuris SUNY hilinenud Woodlandi matuseid ja koos otsustasid nad, et oleks huvitav näha, kas mais (Ameerika mais, subtroopiline C4 kodune) dieedile oleks tuvastatav inimestel, kellel varem oli juurdepääs ainult C3 taimedele: ja nii see oli.

Sellest uuringust sai esimene avaldatud arheoloogiline uurimus stabiilse isotoobi analüüsi abil 1977. aastal. Nad võrdlesid arhailise (2500–2000 eKr) ja varase metsamaa ribide kollageeni stabiilseid süsiniku isotoopide suhteid (13C / 12C) (400–100 eKr) arheoloogiline leiukoht New Yorgis (s.o enne maisi saabumist piirkonda) hilisest metsamaast pärit ribide 13C / 12C suhtega (ca. 1000–1300 CE) ja ajaloolise perioodi koht (pärast maisi saabumist) samast piirkonnast. Nad suutsid näidata, et ribides olevad keemilised signatuurid osutasid sellele, et maisi ei olnud varastel perioodidel, vaid sellest oli hilja metsamaa ajaks saanud põhitoit.

Sellel demonstratsioonil ja olemasolevatel tõenditel stabiilsete süsiniku isotoopide leviku kohta looduses Vogel ja van der Merwe soovitas seda meetodit kasutada maisi põllumajanduse tuvastamiseks Ameerika metsamaal ja troopilistes metsades; määrata kindlaks mereandide tähtsus rannikuäärsete kogukondade toitumises; dokumenteerida taimkatte muutused aja jooksul savannides segasöödavate taimtoiduliste sirvimise / karjatamise suhte põhjal; ja võimalik, et teha kindlaks kohtuekspertiisi juured.

Alates 1977. aastast on stabiilse isotoobi analüüsi rakenduste arv ja laius plahvatuslikult kasvanud, kasutades vesiniku, süsiniku, lämmastiku, hapniku ja väävli kergete elementide stabiilseid isotoopide suhteid inimese ja looma luud (kollageen ja apatiit), hambaemail ja juuksed, samuti pinnale küpsetatud või keraamilisse seina imbunud keraamikajäägid dieedi ja vee määramiseks allikad. Sellise toitumise uurimiseks on kasutatud kerge stabiilsusega isotoopide (tavaliselt süsiniku ja lämmastiku) suhteid komponendid mereelukatena (nt hülged, kalad ja koorikloomad), mitmesugused kodustatud taimed nagu mais ja hirss; ja veiste piimandus (piimajäägid keraamikas) ja emapiim (võõrutusvanus, tuvastatud hammaste reas). Dieediuuringuid on hominiinide kohta tehtud tänasest päevast meie iidsete esivanemateni Homo habilis ja Australopithecines.

Muud isotoopsed uuringud on keskendunud asjade geograafilise päritolu kindlaksmääramisele. Erinevad stabiilsed isotoopide suhted kombinatsioonis, sealhulgas mõnikord raskete elementide isotoobid nagu strontsium ja plii, on kasutatud selleks, et teha kindlaks, kas iidsete linnade elanikud olid sisserändajad või sündisid kohapeal; salaküttimisrõngaste lõhkumiseks jäljendada salaküttunud elevandiluu ja ninasarviku päritolu; ning teha kindlaks kokaiini, heroiini ja puuvillakiudude põllumajanduslik päritolu, mida kasutati võltsitud 100-dollariste arvete tegemiseks.

Veel üks kasulikku rakendust pakkuv isotoopse fraktsioneerimise näide hõlmab vihma, mis sisaldab stabiilseid vesiniku isotoope 1H ja 2H (deuteerium) ning hapniku isotoope 16O ja 18O. Vesi aurustub ekvaatori juures suurtes kogustes ja veeaur hajub põhja ja lõunasse. Kuna H2O langeb maakerale, vihmavad kõigepealt välja rasked isotoobid. Selleks ajaks, kui see poolustena lund langeb, on vesiniku ja hapniku rasketes isotoopides niiskus tugevalt kahanenud. Nende isotoopide globaalset levikut vihmas (ja kraanivees) saab kaardistada ja tarbijate päritolu saab kindlaks teha juuste isotoopse analüüsi abil.

• Grant, Jennifer. "Jahipidamisest ja karjatamisest: isotoopse tõendusmaterjali Argentina lõunaosas asuvate looduslike ja kodustatud kaamelide puhul (2120–420 aastat BP)." Arheoloogiateaduste ajakiri: Teated 11 (2017): 29–37. Prindi.
• Iglesias, Carlos jt. "Stabiilne isotoobi analüüs kinnitab subtroopilise ja mõõduka madala pinnaga järve toiduvõrkude olulisi erinevusi. "Hydrobiologia 784.1 (2017): 111–23. Prindi.
• Katzenberg, M Anne ja Andrea L. Waters-Rist. "Stabiilne isotoobi analüüs: tööriist varasema dieedi, demograafia ja eluloo uurimiseks." Inimese luustiku bioloogiline antropoloogia. Toim. Katzenberg, M Anne ja Anne L Grauer. 3. toim. New York: John Wiley & Sons, Inc., 2019. 467–504. Prindi.
• Hind, T Douglas jt. "Isotoopne tõestamine ." Antiik 90.352 (2016): 1022–37. Prindi.Salme laevamatused viikingieelses Eestis
• Sealy, J. C. ja N. J. van der Merwe. "Teemal "Lähenemisviisid Lääne-Kapimaa dieedi rekonstrueerimisele: kas te olete seda, mida olete söönud?" - vastus Parkingtonile." Arheoloogiateaduse ajakiri 19.4 (1992): 459–66. Prindi.
• Somerville, Andrew D. jt. "Dieet ja sugu Tiwanaku kolooniates: Peruu Moqueguast pärit inimese luukollageeni ja apatiidi isotoopide stabiilne analüüs." American Journal of Physical Anhropology 158.3 (2015): 408–22. Prindi.
• Sugiyama, Nawa, Andrew D. Somerville ja Margaret J. Schoeninger. "Stabiilsed isotoobid ja loomaarheoloogia Teotihuacanis, Mehhikos, paljastavad Mesoamericas varaseimad tõendid looduslike kiskjaliste majandamise kohta." PLOS ÜKS 10.9 (2015): e0135635. Prindi.
• Vogel, J. C., ja Nikolaas J. Van der Merwe. "Isotoopilised tõendid maisi varajase kasvatamise kohta New Yorgi osariigis." Ameerika antiikaeg 42.2 (1977): 238–42. Prindi.