Стабильный изотопный анализ в археологии

Стабильный изотопный анализ это научный метод, который используется археологами и другими учеными для сбора информации из костей животного, чтобы идентифицировать фотосинтез Процесс растения, которые он потреблял в течение своей жизни. Эта информация чрезвычайно полезна для широкого круга применений, от определения пищевых привычек древние предки-гоминиды прослеживали сельскохозяйственное происхождение изъятого кокаина и незаконно вареного носорога рога.

Вся земля и ее атмосфера состоят из атомов различных элементов, таких как кислород, углерод и азот. Каждый из этих элементов имеет несколько форм в зависимости от их атомного веса (числа нейтронов в каждом атоме). Например, 99 процентов всего углерода в нашей атмосфере существует в форме, называемой углерод-12; но оставшийся один процент углерода состоит из двух нескольких слегка отличающихся форм углерода, называемых углерод-13 и углерод-14. Углерод-12 (сокращенно 12C) имеет атомный вес 12, который состоит из 6 протонов, 6 нейтронов и 6 электронов - 6 электронов ничего не добавляют к атомному весу. Углерод-13 (13C) все еще имеет 6 протонов и 6 электронов, но имеет 7 нейтронов. Углерод-14 (14C) имеет 6 протонов и 8 нейтронов, которые слишком тяжелы, чтобы удерживать их вместе устойчивым образом, и он излучает энергию, чтобы избавиться от избытка, именно поэтому ученые называют это "

Все три формы реагируют одинаково - если вы объединяете углерод с кислородом, вы всегда получаете углекислый газнезависимо от того, сколько нейтронов. Формы 12C и 13C стабильны, то есть они не меняются со временем. Углерод-14, с другой стороны, не стабилен, но вместо этого разлагается с известной скоростью - поэтому мы можем использовать оставшееся отношение к Углероду-13 для расчета радиоуглеродные даты, но это совсем другая проблема.

Соотношение углерода-12 и углерода-13 постоянно в атмосфере Земли. На один атом 13C всегда приходится сто атомов 12C. В процессе фотосинтеза растения поглощают атомы углерода в земной атмосфере, воде и почве и хранят их в клетках своих листьев, плодов, орехов и корней. Но соотношение форм углерода изменяется в процессе фотосинтеза.

Во время фотосинтеза растения изменяют химическое соотношение 100 12C / 1 13C по-разному в разных климатических регионах. Растения, которые живут в регионах с большим количеством солнца и небольшим количеством воды, имеют относительно меньше атомов 12C в своих клетках (по сравнению с 13C), чем растения, которые живут в лесах или водно-болотных угодьях. Ученые классифицируют растения по версии фотосинтеза, которую они используют, в группы, называемые C3, C4 и CAM.

Соотношение 12C / 13C встроено в клетки растения, и, что самое важное, клетки проходят через пищевую цепь (то есть корни, листья и плоды). едят животные и люди), соотношение 12C к 13C остается практически неизменным, поскольку оно, в свою очередь, сохраняется в костях, зубах и шерсти животных и люди.

Другими словами, если вы можете определить отношение 12C к 13C, которое хранится в костях животного, вы можете выяснить, использовали ли растения, которые они ели, процессы C4, C3 или CAM, и, следовательно, какова была среда растений? нравиться. Другими словами, если вы едите локально, то, где вы живете, тесно связано с тем, что вы едите. Это измерение осуществляется масс-спектрометрический анализ.

Углерод - далеко не единственный элемент, используемый исследователями стабильных изотопов. В настоящее время исследователи изучают соотношение стабильных изотопов кислорода, азота, стронция, водорода, серы, свинца и многих других элементов, которые обрабатываются растениями и животными. Это исследование привело к невероятному разнообразию информации о рационе человека и животных.

Самое первое археологическое применение исследования стабильных изотопов было сделано в 1970-х годах южноафриканским археологом. Николаас ван дер Мерве, который раскопал на Африканский железный век сайт Kgopolwe 3, один из нескольких сайтов в Трансваальском низменном районе Южной Африки, который называется Phalaborwa.

Ван де Мерве обнаружил человеческий мужской скелет в куче пепла, который не был похож на другие захоронения из деревни. Скелет отличался морфологически от других жителей Фалаборвы, и он был похоронен совершенно иначе, чем типичный деревенский житель. Человек выглядел как койсан; и Khoisans не должны были быть в Phalaborwa, которые были исконными племенами сото. Ван дер Мерве и его коллеги Дж. C. Фогель и Филипп Rightmire решили посмотреть на химическую подпись в его костях, и первоначальный Результаты показали, что этот человек был фермером сорго из деревни Койсан, который каким-то образом умер Кгополве 3.

Техника и результаты исследования Phalaborwa обсуждались на семинаре в SUNY Binghamton, где преподавал Ван дер Мерве. В то время SUNY исследовала захоронения в конце Вудленда, и вместе они решили, что было бы интересно посмотреть, будет ли добавлено маис (Американская кукуруза, субтропический C4, одомашненный) в рационе можно было бы идентифицировать у людей, которые раньше имели доступ только к растениям C3: так и было.

Это исследование стало первым опубликованным археологическим исследованием с применением анализа стабильных изотопов в 1977 году. Они сравнили соотношение стабильных изотопов углерода (13C / 12C) в коллагене человеческих ребер из архаики (2500-2000 г. до н.э.) и раннего леса (400–100 до н.э.) археологические раскопки в Нью-Йорке (то есть до прибытия кукурузы в регион) с соотношениями 13C / 12C в ребрах из позднего леса (Ки 1000–1300 н.э.) и исторический период (после прибытия кукурузы) из того же района. Они смогли показать, что химические подписи в ребрах были признаком того, что кукуруза не присутствовала в ранние периоды, но стала основной пищей ко времени позднего полесья.

Основываясь на этой демонстрации и имеющихся данных о распределении стабильных изотопов углерода в природе, Фогель и Ван дер Мерве предположил, что метод может быть использован для обнаружения сельского хозяйства кукурузы в Вудлендс и тропических лесах Северной и Южной Америки; определить важность морской пищи в рационе прибрежных сообществ; документировать изменения в растительном покрове с течением времени в саваннах на основе соотношения просмотра / выпаса смешанных кормящихся травоядных животных; и, возможно, определить происхождение в судебных расследованиях.

С 1977 года число применений анализа стабильных изотопов возросло по количеству и ширине с использованием соотношений стабильных изотопов легких элементов водорода, углерода, азота, кислорода и серы в кости человека и животных (коллаген и апатит), зубная эмаль и волосы, а также остатки керамики, запекаемые на поверхности или впитываемые в керамическую стену для определения диет и воды источники. Легкие стабильные изотопные отношения (обычно углерода и азота) были использованы для изучения такого рациона питания такие компоненты, как морские существа (например, тюлени, рыбы и моллюски), различные одомашненные растения, такие как кукуруза и просо; молочное скотоводство (остатки молока в глиняной посуде) и материнское молоко (возраст отлучения от груди, обнаруженный в зубном ряду). Диетические исследования проводились на гомининах с наших дней до наших древних предков. Homo habilis и австралопитеки.

Другие изотопные исследования были направлены на определение географического происхождения вещей. Различные комбинации стабильных изотопов в комбинации, иногда включая изотопы тяжелых элементов, таких как стронций и свинец, были использованы для определения, были ли жители древних городов иммигрантами или родились на местном уровне; проследить происхождение браконьего слоновой кости и рога носорога, чтобы разорвать контрабандные кольца; и определить сельскохозяйственное происхождение кокаина, героина и хлопкового волокна, используемого для изготовления поддельных счетов за 100 долларов.

Другой пример изотопного фракционирования, который имеет полезное применение, включает дождь, который содержит стабильные изотопы водорода 1H и 2H (дейтерий) и изотопы кислорода 16O и 18O. Вода на экваторе испаряется в больших количествах, а водяной пар рассеивается на север и юг. Когда H2O падает на землю, тяжелые изотопы выпадают первыми. К тому времени, когда на полюсах выпадает снег, влажность в тяжелых изотопах водорода и кислорода сильно истощается. Глобальное распределение этих изотопов в дожде (и в водопроводной воде) может быть нанесено на карту, и происхождение потребителей может быть определено изотопным анализом волос.

• Грант, Дженнифер. "Охота и скотоводство: изотопные данные о диких и одомашненных верблюдах из южной аргентинской пуны (2120–420 лет до н.э.)." Журнал археологических наук: отчеты 11 (2017): 29–37. Распечатать.
• Iglesias, Carlos, et al. "Анализ стабильных изотопов подтверждает существенные различия между субтропическими и умеренными пищевыми сетями на мелководных озерах«Hydrobiologia 784,1 (2017): 111–23. Распечатать.
• Катценберг М. Энн и Андреа Л. Вода-Rist. "Анализ стабильных изотопов: инструмент для изучения прошлой диеты, демографии и истории жизни." Биологическая антропология скелета человека. Ред. Катценберг М. Энн и Энн Л. Grauer. 3-е изд. Нью-Йорк: John Wiley & Sons, Inc., 2019. 467–504. Распечатать.
• Цена, т. Дуглас и соавт. "Изотопное провенанс ." древность 90.352 (2016): 1022–37. Распечатать.Кладбища Salme в Эстонии до эпохи викингов
• Сили, Дж. C. и N. J. ван дер Мерве "«Подходы к восстановлению рациона питания в Западном Кейпе: вы то, что вы ели?» - ответ Паркингтону." Журнал археологических наук 19.4 (1992): 459–66. Распечатать.
• Сомервиль, Эндрю Д. и др. "Диета и пол в колониях Тиуанако: стабильный изотопный анализ костного коллагена и апатита человека из Мокегуа, Перу." Американский журнал физической антропологии 158.3 (2015): 408–22. Распечатать.
• Сугияма, Нава, Эндрю Д. Сомервиль и Маргарет Дж. Schoeninger. "Стабильные изотопы и зооархеология в Теотиуакане, Мексика, показывают самые ранние свидетельства борьбы с диким хищником в Мезоамерике." ОДИН РАЗ 10,9 (2015): e0135635. Распечатать.
• Vogel J.C. и Nikolaas J. Ван дер Мерве. "Изотопные доказательства раннего выращивания кукурузы в штате Нью-Йорк." Американская античность 42.2 (1977): 238–42. Распечатать.