Stabiele isotoopanalyse in de archeologie

Stabiele isotoopanalyse is een wetenschappelijke techniek die door archeologen en andere geleerden wordt gebruikt om informatie uit de botten van een dier te verzamelen om het te identificeren fotosynthese proces van de planten die het tijdens zijn leven heeft geconsumeerd. Die informatie is enorm nuttig in een groot aantal toepassingen, van het bepalen van de voedingsgewoonten van oude mensachtigen die de agrarische oorsprong van in beslag genomen cocaïne en illegaal gepocheerde neushoorns traceren toeter.

De hele aarde en haar atmosfeer bestaat uit atomen met verschillende elementen, zoals zuurstof, koolstof en stikstof. Elk van deze elementen heeft verschillende vormen, gebaseerd op hun atoomgewicht (het aantal neutronen in elk atoom). Zo bestaat 99 procent van alle koolstof in onze atmosfeer in de vorm die Carbon-12 wordt genoemd; maar de resterende één procent koolstof bestaat uit twee verschillende enigszins verschillende vormen van koolstof, genaamd Carbon-13 en Carbon-14. Koolstof-12 (afgekort 12C) heeft een atoomgewicht van 12, dat bestaat uit 6 protonen, 6 neutronen en 6 elektronen - de 6 elektronen voegen niets toe aan het atoomgewicht. Carbon-13 (13C) heeft nog steeds 6 protonen en 6 elektronen, maar heeft 7 neutronen. Carbon-14 (14C) heeft 6 protonen en 8 neutronen, die te zwaar zijn om op een stabiele manier bij elkaar te houden, en het geeft energie af om het teveel te verwijderen, daarom noemen wetenschappers het "

Alle drie de vormen reageren op precies dezelfde manier - als je koolstof combineert met zuurstof krijg je altijd kooldioxide, ongeacht hoeveel neutronen er zijn. De 12C- en 13C-formulieren zijn stabiel, dat wil zeggen dat ze in de loop van de tijd niet veranderen. Koolstof-14 daarentegen is niet stabiel maar vervalt in plaats daarvan met een bekende snelheid - daarom kunnen we de resterende verhouding tot koolstof-13 gebruiken om te berekenen radiokoolstof dadels, maar dat is helemaal een ander probleem.

De verhouding koolstof-12 tot koolstof-13 is constant in de atmosfeer van de aarde. Er zijn altijd honderd 12C-atomen tot één 13C-atoom. Tijdens het fotosyntheseproces absorberen planten de koolstofatomen in de atmosfeer, het water en de aarde van de aarde en slaan ze op in de cellen van hun bladeren, fruit, noten en wortels. Maar de verhouding tussen de vormen van koolstof wordt gewijzigd als onderdeel van het fotosyntheseproces.

Tijdens fotosynthese veranderen planten de chemische verhouding 100 12C / 1 13C verschillend in verschillende klimatologische gebieden. Planten die in gebieden met veel zon en weinig water leven, hebben relatief minder 12C-atomen in hun cellen (vergeleken met 13C) dan planten die in bossen of wetlands leven. Wetenschappers categoriseren planten op basis van de versie van fotosynthese die ze gebruiken in zogenaamde groepen C3, C4 en CAM.

De verhouding van 12C / 13C zit vast in de cellen van de plant, en - hier is het beste deel - als de cellen de voedselketen passeren (d.w.z. de wortels, bladeren en fruit worden gegeten door dieren en mensen), blijft de verhouding van 12C tot 13C vrijwel onveranderd omdat het op zijn beurt wordt opgeslagen in de botten, tanden en haren van de dieren en mensen.

Met andere woorden, als u de verhouding van 12C tot 13C kunt bepalen die in de botten van een dier is opgeslagen, kunt u erachter komen of de planten die ze aten C4-, C3- of CAM-processen gebruikten, en dus wat de omgeving van de planten was Leuk vinden. Met andere woorden, ervan uitgaande dat u lokaal eet, waar u woont, is in uw botten ingebakken door wat u eet. Die meting wordt bereikt door massaspectrometer analyse.

Koolstof is bij lange na niet het enige element dat wordt gebruikt door stabiele isotooponderzoekers. Momenteel kijken onderzoekers naar het meten van de verhoudingen van stabiele isotopen van zuurstof, stikstof, strontium, waterstof, zwavel, lood en vele andere elementen die worden verwerkt door planten en dieren. Dat onderzoek heeft geleid tot een ongelooflijke diversiteit aan voedingsinformatie voor mens en dier.

De allereerste archeologische toepassing van stabiel isotooponderzoek was in de jaren 70 door de Zuid-Afrikaanse archeoloog Nikolaas van der Merwe, die aan het graven was bij de Afrikaanse ijzertijd site van Kgopolwe 3, een van de vele sites in het Transvaal Lowveld van Zuid-Afrika, genaamd Phalaborwa.

Van de Merwe vond een menselijk mannelijk skelet in een essenhoop dat niet leek op de andere graven uit het dorp. Het skelet was morfologisch anders dan de andere inwoners van Phalaborwa en hij was op een heel andere manier begraven dan de typische dorpeling. De man zag eruit als een Khoisan; en Khoisans hadden niet in Phalaborwa moeten zijn, die voorouderlijke Sotho-stamleden waren. Van der Merwe en zijn collega's J. C. Vogel en Philip Rightmire besloten om naar de chemische signatuur in zijn botten te kijken, en naar de initiaal De resultaten suggereerden dat de man een sorghum-boer was uit een Khoisan-dorp en op de een of andere manier was overleden Kgopolwe 3.

De techniek en resultaten van de Phalaborwa-studie werden besproken tijdens een seminar in SUNY Binghamton waar van der Merwe les gaf. Destijds onderzocht SUNY begrafenissen in het Late Woodland en samen besloten ze dat het interessant zou zijn om te zien of de toevoeging van maïs (Amerikaanse maïs, een subtropische C4-gedomesticeerde) aan het dieet zou identificeerbaar zijn bij mensen die voorheen alleen toegang hadden tot C3-planten: en dat was het ook.

Die studie werd de eerste gepubliceerde archeologische studie die in 1977 stabiele isotopenanalyse toepaste. Ze vergeleken de stabiele koolstofisotoopverhoudingen (13C / 12C) in het collageen van menselijke ribben uit een archaïsch (2500-2000 BCE) en een vroeg bos (400-100 BCE) archeologische vindplaats in New York (dat wil zeggen voordat maïs in de regio arriveerde) met de 13C / 12C-verhoudingen in ribben uit een laat bos (ca. 1000–1300 CE) en een locatie uit de historische periode (nadat de maïs arriveerde) uit hetzelfde gebied. Ze konden aantonen dat de chemische handtekeningen in de ribben een indicatie waren dat de maïs in de vroege periodes niet aanwezig was, maar tegen de tijd van het late bos een hoofdvoedsel was geworden.

Op basis van deze demonstratie en het beschikbare bewijs voor de verspreiding van de stabiele koolstofisotopen in de natuur, Vogel en van der Merwe suggereerde dat de techniek zou kunnen worden gebruikt om maïslandbouw in de bossen en tropische wouden van Amerika te detecteren; het belang van zeevoedsel bepalen in de voeding van kustgemeenschappen; documenteren van veranderingen in de vegetatiebedekking in de loop van de tijd in savannes op basis van browse / graasverhoudingen van herbivoren met gemengde voeding; en mogelijk om de oorsprong van forensisch onderzoek te bepalen.

Sinds 1977 zijn toepassingen van stabiele isotoopanalyse explosief gegroeid in aantal en breedte, met gebruikmaking van de stabiele isotoopverhoudingen van de lichte elementen waterstof, koolstof, stikstof, zuurstof en zwavel in menselijk en dierlijk bot (collageen en apatiet), tandglazuur en haar, evenals in aardewerkresten gebakken op het oppervlak of opgenomen in de keramische wand om diëten en water te bepalen bronnen. Lichtstabiele isotoopverhoudingen (meestal koolstof en stikstof) zijn gebruikt om een ​​dergelijk dieet te onderzoeken componenten als zeedieren (bijv. zeehonden, vissen en schaaldieren), verschillende gedomesticeerde planten zoals maïs en gierst; en melkveehouderij (melkresten in aardewerk) en moedermelk (speenleeftijd, gedetecteerd in de tandrij). Er zijn voedingsonderzoeken gedaan naar mensachtigen vanaf de huidige dag tot aan onze oude voorouders Homo habilis en de Australopithecines.

Ander isotoop onderzoek heeft zich gericht op het bepalen van de geografische oorsprong van dingen. Verschillende stabiele isotoopverhoudingen in combinatie, soms inclusief de isotopen van zware elementen zoals strontium en lood, zijn gebruikt om te bepalen of de inwoners van oude steden immigranten waren of geboren waren lokaal; de oorsprong van gepocheerd ivoor en neushoornhoorn opsporen om smokkelringen te verbreken; en om de agrarische oorsprong van cocaïne, heroïne en de katoenvezels te bepalen die worden gebruikt om valse $ 100-rekeningen te maken.

Een ander voorbeeld van isotopische fractionering dat een nuttige toepassing heeft, is regen, die de stabiele waterstofisotopen 1H en 2H (deuterium) en de zuurstofisotopen 16O en 18O bevat. Water verdampt in grote hoeveelheden aan de evenaar en de waterdamp verspreidt zich naar het noorden en zuiden. Als de H2O weer op aarde valt, regenen eerst de zware isotopen. Tegen de tijd dat het als sneeuw aan de polen valt, is het vocht ernstig uitgeput in de zware isotopen van waterstof en zuurstof. De globale verspreiding van deze isotopen in de regen (en in kraanwater) kan in kaart worden gebracht en de oorsprong van de consumenten kan worden bepaald door isotopenanalyse van haar.

• Grant, Jennifer. "Van jagen en hoeden: isotoop bewijs in wilde en gedomesticeerde kameelachtigen van de Zuid-Argentijnse tonijn (2120–420 jaar BP)." Journal of Archaeological Science: Reports 11 (2017): 29–37. Afdrukken.
• Iglesias, Carlos, et al. "Stabiele isotopenanalyse bevestigt aanzienlijke verschillen tussen subtropische en gematigde ondiepe voedselwebben. "Hydrobiologia 784.1 (2017): 111-23. Afdrukken.
• Katzenberg, M. Anne en Andrea L. Waters-Rist. "Stabiele isotoopanalyse: een hulpmiddel voor het bestuderen van dieet, demografie en levensgeschiedenis." Biologische antropologie van het menselijk skelet. Eds. Katzenberg, M. Anne en Anne L. Grauer. 3e ed. New York: John Wiley & Sons, Inc., 2019. 467–504. Afdrukken.
• Prijs, T. Douglas et al. "Isotopische herkomst van de ." Oudheid 90.352 (2016): 1022–37. Afdrukken.Salme Ship Burials in Pre-Viking Age Estonia
• Sealy, J. C., en N. J. van der Merwe. "Over "Benaderingen van dieetreconstructie in de West-Kaap: bent u wat u hebt gegeten?" - een antwoord op Parkington." Journal of Archaeological Science 19.4 (1992): 459–66. Afdrukken.
• Somerville, Andrew D., et al. "Dieet en geslacht in de Tiwanaku-kolonies: stabiele isotopenanalyse van menselijk botcollageen en apatiet uit Moquegua, Peru." American Journal of Physical Anthropology 158.3 (2015): 408–22. Afdrukken.
• Sugiyama, Nawa, Andrew D. Somerville en Margaret J. Schoeninger. "Stabiele isotopen en dierentuinarcheologie in Teotihuacan, Mexico onthullen vroegste bewijs van beheer van wilde carnivoren in Meso-Amerika." EEN 10.9 (2015): e0135635. Afdrukken.
• Vogel, J.C. en Nikolaas J. Van der Merwe. "Isotoop bewijs voor vroege maïsteelt in de staat New York." Amerikaanse oudheid 42.2 (1977): 238–42. Afdrukken.