Vakaa isotooppianalyysi arkeologiassa

Vakaa isotooppianalyysi on tieteellinen tekniikka, jota arkeologit ja muut tutkijat käyttävät kerätäkseen tietoja eläimen luista tunnistaakseen fotosynteesi prosessi kasveista, joita se käytti elinaikanaan. Tämä tieto on erittäin hyödyllinen monissa sovelluksissa, ainakin ravitsemustottumusten määrittämiseen muinaiset hominidiset esi-isät takavarikoidun kokaiinin ja laittomasti salautettujen sarvikuonojen maatalouden alkuperän jäljittämiseen sarvi.

Maa ja sen ilmapiiri koostuvat eri elementtien, kuten hapen, hiilen ja typen, atomista. Jokaisella näistä elementeistä on useita muotoja, jotka perustuvat niiden atomipainoon (neutronien lukumäärä kussakin atomissa). Esimerkiksi 99 prosenttia kaikesta ilmakehämme hiilestä on muodossa nimeltään Hiili-12; mutta loput yksi prosenttihiili koostuu kahdesta useasta hiukan erilaisesta hiilen muodosta, joita kutsutaan hiili-13 ja hiili-14. Hiilen-12 (lyhennettynä 12C) atomipaino on 12, joka koostuu 6 protonista, 6 neutronista ja 6 elektronista - 6 elektronia eivät lisää mitään atomipainoon. Hiili-13: lla (13C) on edelleen 6 protonia ja 6 elektronia, mutta siinä on 7 neutronia. Hiili-14: ssä (14C) on 6 protonia ja 8 neutronia, jotka ovat liian raskaita pitämään yhdessä vakaalla tavalla, ja se emittoi energiaa päästäkseen eroon ylimääräisestä, minkä vuoksi tutkijat kutsuvat sitä "

Kaikki kolme muotoa reagoivat täsmälleen samalla tavalla - jos yhdistät hiilen happeen, jota saat aina hiilidioksidi, riippumatta siitä kuinka monta neutronia on. 12C- ja 13C-muodot ovat vakaita, ts. Ne eivät muutu ajan myötä. Hiili-14, toisaalta, ei ole vakaa, vaan sen sijaan hajoaa tunnetulla nopeudella - siksi voimme käyttää jäljelle jäävää suhdettaan hiili-13: een laskeakseen radiohiilipäivämäärät, mutta se on toinen asia kokonaan.

Hiili-12: n suhde hiili-13: seen on vakio maan ilmakehässä. Yhdessä 13C-atomissa on aina sata 12C-atomia. Fotosynteesin aikana kasvit absorboivat hiiliatomeja maan ilmakehässä, vedessä ja maaperässä ja varastoivat niitä niiden lehtien, hedelmien, pähkinöiden ja juurten soluihin. Mutta hiilen muotojen suhde muuttuu osana fotosynteesiprosessia.

Fotosynteesin aikana kasvit muuttavat 100 12C / 1 13C kemiallista suhdetta erilaisilla ilmasto-alueilla. Kasveissa, jotka asuvat alueilla, joilla on paljon aurinkoa ja vähän vettä, soluissa on suhteellisen vähemmän 12C-atomeja (verrattuna 13C: seen) kuin metsissä tai kosteikoissa elävissä kasveissa. Tutkijat luokittelevat kasvit käytetyn fotosynteesin mukaan ryhmiin, joita kutsutaan C3, C4 ja CAM.

12C / 13C-suhde kiinnitetään kiinteästi kasvin soluihin, ja - tässä on paras osa - solujen siirtyessä ravintoketjuun (ts. Juuret, lehdet ja hedelmät) syövät eläimet ja ihmiset), suhde 12C: sta 13C: seen pysyy käytännössä muuttumattomana, koska se puolestaan ​​varastoituu eläinten luihin, hampaisiin ja hiuksiin ja ihmisissä.

Toisin sanoen, jos voit määrittää 12C: n ja 13C: n suhteen, joka on varastoituna eläimen luissa, voit selvittää käytettiinkö niiden syömiä kasveja C4-, C3- tai CAM-prosesseja, ja siksi mikä oli kasvien ympäristö Kuten. Toisin sanoen, olettaen, että syöt paikallisesti, missä asut, on kiinteästi luihin luettu siitä, mitä syöt. Tämä mittaus suoritetaan massaspektrometrianalyysi.

Hiili ei ole kaukaa ainoa alkuaine, jota vakaat isotooppitutkijat käyttävät. Tällä hetkellä tutkijat pyrkivät mittaamaan happea, typpeä, strontiumia, vetyä, rikkiä, lyijyä ja monia muita kasvien ja eläinten käsittelemien alkuaineiden stabiilien isotooppien suhteita. Tämä tutkimus on johtanut ihmisten ja eläinten ravintotietojen yksinkertaiseen uskomattomaan monimuotoisuuteen.

Etelä-Afrikan arkeologi avasi ensimmäisen vakaan isotooppitutkimuksen arkeologisen sovelluksen 1970-luvulla Nikolaas van der Merwe, joka kaivoi Afrikan rautakausi Kgopolwe 3 -sivusto, joka on yksi monista Etelä-Afrikan Transvaal Lowveld -sivustolta, nimeltään Phalaborwa.

Van de Merwe löysi tuhkan kasasta ihmisen urosrungon, joka ei näyttänyt muilta hautausmailta kylästä. Luuranko oli morfologisesti erilainen kuin muut Phalaborwan asukkaat, ja hänet oli haudattu aivan eri tavalla kuin tyypillinen kyläläinen. Mies näytti koholaiselta; ja Khoisanien ei olisi pitänyt olla Phalaborwassa, jotka olivat esi-isot sotoheimolaisia. Van der Merwe ja hänen kollegansa J. C. Vogel ja Philip Rightmire päättivät tarkastella kemiallista allekirjoitusta luissaan ja alkukirjainta tulokset viittaavat siihen, että mies oli durranviljelijä khoisanikylästä, joka oli jotenkin kuollut Kgopolwe 3.

Phalaborwa-tutkimuksen tekniikasta ja tuloksista keskusteltiin SUNY Binghamtonissa pidetyssä seminaarissa, jossa van der Merwe opetti. SUNY tutki tuolloin myöhäisiä Woodland-hautauksia, ja he yhdessä päättivät, että olisi mielenkiintoista nähdä, onko maissi (Amerikan maissi, subtrooppinen C4-kotielämä) ruokavalioon olisi tunnistettavissa ihmisillä, joilla aiemmin oli pääsy vain C3-kasveihin: ja niin oli.

Tästä tutkimuksesta tuli ensimmäinen julkaistu arkeologinen tutkimus, jossa käytettiin vakaata isotooppianalyysiä vuonna 1977. He vertasivat stabiilien hiili-isotooppisuhteita (13C / 12C) ihmisen kylkiluiden kollageenissa arhaisesta (2500–2000 eaa) ja varhaisesta metsästä (400–100 eaa) arkeologinen sijainti New Yorkissa (ts. Ennen maissin saapumista alueelle) 13C / 12C-suhteilla kylkiluiden myötäisestä metsästä (N 1000–1300 CE) ja historiallisen ajanjakson sijaintipaikka (maissin saapumisen jälkeen) samalta alueelta. He pystyivät osoittamaan, että kylkiluiden kemialliset allekirjoitukset olivat merkki siitä, että maissia ei ollut läsnä varhaisina ajanjaksoina, vaan siitä oli tullut peruselintarvike myöhään metsän aikaan.

Perustuu tähän osoitukseen ja saatavissa olevaan näyttöön vakaiden hiili-isotooppien jakautumisesta luonnossa, Vogel ja van der Merwe ehdotti, että tekniikkaa voitaisiin käyttää maissin viljelyn havaitsemiseen Amerikan metsäalueilla ja trooppisissa metsissä; selvittää meriruokatuotteiden merkitys rannikkoyhteisöjen ruokavaliossa; dokumentoida kasvillisuuden peiton muutokset ajan myötä savanneissa sekarehuisten kasvissyöjien selaus- / laiduntamissuhteiden perusteella; ja mahdollisesti alkuperän määrittämiseksi rikosteknisissä tutkimuksissa.

Vuodesta 1977 lähtien vakaan isotooppianalyysin sovellusten lukumäärä ja leveys ovat kasvaneet räjähdysmäisesti käyttämällä vetyä, hiiltä, ​​typpeä, happea ja rikkiä sisältävien kevyiden elementtien stabiileja isotooppisuhteita ihmisen ja eläimen luu (kollageeni ja apatiitti), hampaan emali ja hiukset, samoin kuin keramiikkajätteet, jotka on paistettu pinnalle tai imeytynyt keraamiseen seinään ruokavalion ja veden määrittämiseksi lähteet. Kevyiden stabiilien isotooppisuhteiden (yleensä hiilen ja typen) suhteita on käytetty tutkimaan tällaista ruokavaliota komponentit merieläiminä (esim. hylkeet, kalat ja äyriäiset), erilaisina kotieläiminä kasveina, kuten maissina ja hirssi; ja nautojen meijeri (maidon jäännökset keramiikassa), ja äidin maito (vieroitusikä, havaittu hammasrivissä). Ruokavaliotutkimuksia on tehty hominiineistä nykypäivään muinaisille esivanhempillemme Homo habilis ja Australopithecines.

Muu isotooppinen tutkimus on keskittynyt asioiden maantieteellisen alkuperän määrittämiseen. Erilaisia ​​vakaita isotooppisuhteita yhdistelmässä, mukaan lukien joskus raskaiden alkuaineiden, kuten strontiumin, isotoopit ja lyijyä, on käytetty määrittämään, olivatko muinaisten kaupunkien asukkaat maahanmuuttajia vai syntyivätkö he paikallisesti; salaperäisen norsunluun ja sarvikuonon sarven alkuperän jäljittäminen salakuljetusrenkaiden hajottamiseksi; ja kokaiinin, heroiinin ja puuvillakuidun maatalouden alkuperän määrittämiseen, jota käytettiin väärennettyjen 100 dollarin laskujen tekemiseen.

Toinen esimerkki isotooppisesta fraktioinnista, jolla on hyödyllinen sovellus, sisältää sateen, joka sisältää stabiileja vetyisotooppeja 1H ja 2H (deuterium) ja happisotooppeja 16O ja 18O. Vesi haihtuu suurina määrin päiväntasaajassa ja vesihöyry leviää pohjoiseen ja etelään. Kun H2O putoaa takaisin maan päälle, raskas isotoopit sataa ensin. Siihen mennessä, kun se putoaa lumena pylväissä, kosteus on ehtynyt voimakkaasti vedyn ja hapen raskaissa isotoopeissa. Näiden isotooppien maailmanlaajuinen jakautuminen sateessa (ja vesijohtovedessä) voidaan kartoittaa ja kuluttajien alkuperä voidaan määrittää hiusten isotooppianalyysillä.

• Grant, Jennifer. "Metsästyksestä ja laumaamisesta: Isotooppiset todisteet villissä ja kotieläimissä olevissa kameliideissa eteläisen Argentiinan punassa (2120–420 vuotta BP))." Arkeologisen tieteen lehti: Reports 11 (2017): 29–37. Tulosta.
• Iglesias, Carlos, et ai. "Vakaa isotooppianalyysi vahvistaa merkittävät erot subtrooppisen ja kohtalaisen matalan järven ruokaverkkojen välillä. "Hydrobiologia 784.1 (2017): 111–23. Tulosta.
• Katzenberg, M. Anne ja Andrea L. Waters-Rist. "Vakaa isotooppianalyysi: työkalu aiemman ruokavalion, väestötieteen ja elämähistorian tutkimiseen." Ihmisen luuston biologinen antropologia. Toim. Katzenberg, M. Anne ja Anne L. Grauer. 3. toim. New York: John Wiley & Sons, Inc., 2019. 467–504. Tulosta.
• Hinta, T. Douglas, et ai. "Isotooppinen provensointi ." antiquity 90.352 (2016): 1022–37. Tulosta.Salmen alushautausmatkat viikinkiä edeltävässä Virossa
• Sealy, J. C. ja N. J. van der Merwe. "Aiheesta "Lähestymistavat ruokavalion jälleenrakentamiseen Länsi-Kapilla: Oletko syönyt?" - vastaus Parkingtonille." Arkeologisen tieteen lehti 19.4 (1992): 459–66. Tulosta.
• Somerville, Andrew D., et ai. "Ruokavalio ja sukupuoli Tiwanaku-siirtoloissa: Moqueguan, Peru, ihmisen luukollageenin ja apatiitin vakaa isotooppianalyysi." American Journal of Physical Anthropology 158.3 (2015): 408–22. Tulosta.
• Sugiyama, Nawa, Andrew D. Somerville ja Margaret J. Schoeninger. "Vakaat isotoopit ja Zooarkeologia Teotihuacanissa, Meksikossa paljastavat varhaisimmat todisteet luonnonvaraisten lihansyöjien hoidosta Mesoamericassa." PLOS YKSI 10.9 (2015): e0135635. Tulosta.
• Vogel, J.C., ja Nikolaas J. Van der Merwe. "Isotooppiset todisteet maissin varhaisesta viljelystä New Yorkin osavaltiossa." Amerikan antiikki 42.2 (1977): 238–42. Tulosta.