ניתוח איזוטופי יציב בארכיאולוגיה

ניתוח איזוטופי יציב היא טכניקה מדעית המשמשת ארכיאולוגים ומלומדים אחרים כדי לאסוף מידע מעצמות בעל החיים כדי לזהות את פוטוסינתזה תהליך הצמחים שצרכה במהלך חייו. מידע זה מועיל מאוד במספר רב של יישומים, החל בקביעת הרגלי התזונה של אבות קדומים הומינידיים להתחקות אחר מקורותיהם החקלאיים של קוקאין שנתפסו וקרנף שונפו שלא כחוק צופר.

כל כדור הארץ והאטמוספירה שלו מורכבים מאטומים של אלמנטים שונים, כמו חמצן, פחמן וחנקן. לכל אחד מהאלמנטים הללו יש כמה צורות, על סמך משקלם האטומי (מספר הנויטרונים בכל אטום). לדוגמא, 99 אחוז מכל הפחמן באטמוספירה שלנו קיים בצורה שנקראת Carbon-12; אך האחוז הנותר של הפחמן מורכב משתי צורות שונות של מעט פחמן, הנקראות Carbon-13 ו- Carbon-14. לפחמן -12 (מקוצר 12C) יש משקל אטומי של 12, המורכב מ -6 פרוטונים, 6 נויטרונים ו -6 אלקטרונים - ששת האלקטרונים אינם מוסיפים דבר למשקל האטומי. לפחמן -13 (13C) עדיין יש 6 פרוטונים ו -6 אלקטרונים, אך יש לו 7 נויטרונים. לפחמן -14 (14C) יש 6 פרוטונים ו -8 נויטרונים, שהם כבדים מכדי להחזיק יחד בצורה יציבה, והיא פולטת אנרגיה כדי להיפטר מהעודף, וזו הסיבה שמדענים מכנים זאת "רדיואקטיבי."

כל שלוש הצורות מגיבות באותה צורה בדיוק - אם אתה משלב פחמן עם חמצן אתה תמיד מקבל פחמן דו חמצני, לא משנה כמה נויטרונים יש. הטפסים 12C ו- 13C יציבים - כלומר הם לא משתנים לאורך זמן. לעומת זאת, פחמן -14 אינו יציב אך במקום זאת מתפרק בקצב ידוע - בגלל זה אנו יכולים להשתמש ביחס הנותר שלו לפחמן -13 כדי לחשב תמרים, אבל זה נושא אחר לגמרי.

היחס בין פחמן -12 לפחמן -13 קבוע באטמוספירה של כדור הארץ. תמיד יש מאה אטומי 12C לאטום 13C. בתהליך הפוטוסינתזה, צמחים סופגים את אטומי הפחמן באטמוספירה, במים ובאדמה של כדור הארץ, ומאחסנים אותם בתאי העלים, הפירות, האגוזים והשורשים שלהם. עם זאת, היחס בין צורות הפחמן משתנה כחלק מתהליך הפוטוסינתזה.

במהלך פוטוסינתזה, צמחים משנים את היחס הכימי 100 12C / 1 13C באופן שונה באזורי אקלים שונים. בצמחים החיים באזורים עם הרבה שמש ומעט מים יש יחסית פחות אטומי 12C בתאים שלהם (בהשוואה ל- 13C) מאשר צמחים החיים ביערות או באזורים רטובים. מדענים מסווגים צמחים לפי גרסת הפוטוסינתזה שהם משתמשים בהם לקבוצות שנקראות C3, C4 ו- CAM.

היחס של 12C / 13C מחובר לתאים של הצמח, וכאן החלק הטוב ביותר - כאשר התאים עוברים את שרשרת המזון (כלומר השורשים, העלים והפירות) נאכלים על ידי בעלי חיים ובני אדם), היחס בין 12C ל- 13C נותר כמעט ללא שינוי מאחר שהוא מאוחסן בעצמות, שיניים ושיער של בעלי החיים ו בני אנוש.

במילים אחרות, אם אתה יכול לקבוע את היחס בין 12C ל- 13C המאוחסן בעצמות של חיה, אתה יכול להבין בין אם הצמחים שאכלו השתמשו בתהליכי C4, C3 או CAM, ולכן מה הייתה הסביבה של הצמחים כמו. במילים אחרות, בהנחה שאוכלים באופן מקומי, היכן שאתם גרים מכוונת לעצמותיכם על ידי מה שאתם אוכלים. מדידה זו מושגת על ידי ניתוח ספקטרומטר המוני.

הפחמן אינו מהווה את המרכיב היחיד בו משתמשים חוקרי איזוטופים יציבים. נכון לעכשיו החוקרים בוחנים את מדידת היחס של איזוטופים יציבים של חמצן, חנקן, סטרונציום, מימן, גופרית, עופרת, ורכיבים רבים אחרים שעובדים על ידי צמחים ובעלי חיים. מחקר זה הוביל למגוון פשוט מדהים של מידע על תזונה אנושית ובעלי חיים.

היישום הארכיאולוגי הראשון של מחקר איזוטופים יציב היה בשנות השבעים של הארכיאולוג הדרום אפריקני ניקולאס ואן דר מרווה, שחפר במתחם תקופת הברזל האפריקאית אתר Kgopolwe 3, אחד מכמה אתרים בשדה השפל הטרנסוואי של דרום אפריקה, שנקרא Phalaborwa.

ואן דה מרווה מצא שלד זכרי אנושי בערמת אפר שלא נראתה כמו הקבורות האחרות מהכפר. השלד היה שונה, מבחינה מורפולוגית, משאר תושבי פלבורווה, והוא נקבר באופן שונה לחלוטין מכפר הכפר הטיפוסי. האיש נראה כמו קויסן; וקהויסנים לא היו צריכים להיות בפלבורווה, שהיו אנשי שבטי סותו הקדמוניים. ואן דר מרווה ועמיתיו ג'. ג. פוגל ופיליפ Rightmire החליטו להסתכל על החתימה הכימית בעצמותיו, והראשונית התוצאות הצביעו על כך שהאיש היה חקלאי סורגום מכפר ח'ויסאן שמת איכשהו בבית קגופולווה 3.

הטכניקה והתוצאות של המחקר Phalaborwa נדונו בסמינר ב- SUNY Binghamton בו לימד ואן דר מרווה. בזמנו, SUNY חקר קבורות מאוחרות וודלנד, ויחד הם החליטו שיהיה מעניין לראות אם התוספת של תירס (תירס אמריקני, מבוית C4 סובטרופי) לתזונה ניתן היה לזהות אצל אנשים שבעבר הייתה להם גישה רק לצמחי C3: וזה היה.

מחקר זה הפך למחקר הארכיאולוגי הראשון שפורסם ביישום ניתוח איזוטופי יציב, בשנת 1977. הם השוו את יחסי איזוטופ הפחמן היציבים (13C / 12C) בקולגן של צלעות אנושיות מארכאי (2500-2000 לפני הספירה) ו יער קדום אתר ארכיאולוגי (400–100 לפני הספירה) בניו יורק (כלומר לפני שהגיע התירס לאזור) עם יחסי 13C / 12C בצלעות מצפון יער מאוחר (בערך 1000–1300 לספירה) ואתר היסטורי (לאחר הגיע תירס) מאותו אזור. הם הצליחו להראות שהחתימות הכימיות בצלעות היו אינדיקציה לכך שהתירס לא היה קיים בתקופות הראשונות, אך הפך למזון עיקרי בתקופת וודלנד המאוחרת.

על סמך הדגמה זו וראיות זמינות להפצת איזוטופי הפחמן היציבים בטבע, פוגל ואן דר מרווה הציע כי ניתן להשתמש בטכניקה לגילוי חקלאות תירס ביערות יערות טרופיים של אמריקה; לקבוע את חשיבות המזונות הימיים בתזונה של קהילות החוף; לתעד שינויים בכיסוי הצמחייה לאורך זמן בסוואנות על בסיס יחסי גלישה / רעייה של עשבוני עשב מעורבים; ואולי לקבוע את המקורות בחקירות משפטיות.

מאז 1977 יישומים של ניתוח איזוטופי יציב התפוצצו במספר רוחבם, תוך שימוש ביחס האיזוטופ היציב של היסודות הקלים מימן, פחמן, חנקן, חמצן וגופרית בתוך עצם אנושית ובעלי חיים (קולגן ואפטיט), אמייל שיניים ושיער, כמו גם בשאריות חרס שנאפות על פני השטח או נספגות בדופן הקרמיקה כדי לקבוע דיאטות ומים מקורות. יחס איזוטופ יציב קל (בדרך כלל של פחמן וחנקן) שימש לחקירת תזונה כזו רכיבים כיצורים ימיים (למשל כלבי ים, דגים ורכיכות), צמחים מבויתים שונים כמו תירס דוחן; ומחלבות בקר (שאריות חלב בכלי חרס), וחלב אם (גיל הגמילה, זוהה בשורת השיניים). מחקרים תזונתיים נעשו על הומינינים מהיום להיום ועד אבותינו הקדמונים הומו האביליס וה אוסטרלופיתקינס.

מחקר איזוטופי אחר התמקד בקביעת המקורות הגאוגרפיים של הדברים. יחסי איזוטופ יציבים שונים בשילוב, לעיתים כולל איזוטופים של יסודות כבדים כמו סטרונציום ועופרת, שימשו כדי לקבוע אם תושבי הערים העתיקות היו מהגרים או נולדו מקומית; להתחקות אחר מקורותיהם של שנהב מעוקל וקרן קרנף כדי לפרק טבעות הברחה; ולקבוע את המקורות החקלאיים של קוקאין, הרואין וסיבי הכותנה המשמשים לייצור שטרות מזויפים של 100 $.

דוגמא נוספת לשבריר איזוטופי שיש לה שימוש שימושי כוללת גשם, המכיל איזוטופי מימן יציבים 1H ו- 2H (Deuterium) ואת איזוטופי החמצן 16O ו- 18O. מים מתאדים בכמויות גדולות בקו המשווה ואדי המים מתפזרים לצפון ולדרום. כאשר ה- H2O נופל חזרה לאדמה, האיזוטופים הכבדים יורדים ראשונים. כשהוא יורד כשלג בקטבים, הלחות מתכלה באיזוטופים הכבדים של מימן וחמצן. ניתן למפות את התפוצה העולמית של איזוטופים אלה בגשם (ובמי ברז) ואת מקורות הצרכנים ניתן לקבוע על ידי ניתוח איזוטופי של השיער.

• גרנט, ג'ניפר. "של ציד ורעה: עדות איזוטופית בגמלים פראיים ובייתיים מהפונה הדרומית הארגנטינאית (2120–420 שנות BP)." Journal of Archaeological Science: דו"חות 11 (2017): 29–37. הדפס.
• איגלסיאס, קרלוס ואח '. "ניתוח איזוטופי יציב מאשר את ההבדלים המהותיים בין אוכלים אגם רדודים לאטטרופיים וממוזגים. "הידרוביולוגיה 784.1 (2017): 111-23. הדפס.
• קצנברג, מ. אן ואנדראה ל. ווטרס-ריסט. "ניתוח איזוטופי יציב: כלי ללימוד דיאטה בעבר, דמוגרפיה והיסטוריה של חיים." אנתרופולוגיה ביולוגית שלד האדם. קצוות. קצנברג, מ. אן ואנה ל. Grauer. מהדורה שלישית ניו יורק: ג'ון וויילי ובניו, Inc., 2019. 467–504. הדפס.
• מחיר, ט. דגלאס ואח '. "פרובנסנס איזוטופי של ." עתיקות 90.352 (2016): 1022–37. הדפס.קבורות ספינות Salme באסטוניה שלפני הוויקינגים
• סילי, ג'. ג, ונ. י. ואן דר מרווה. "על "גישות לשחזור תזונתי בכף המערבי: האם אתה מה שאכלת?" - תגובה לפארקינגטון." כתב העת למדע הארכיאולוגי 19.4 (1992): 459–66. הדפס.
• סומרוויל, אנדרו ד 'ואח'. "דיאטה ומגדר במושבות טיוונאקו: ניתוח איזוטופי יציב של קולגן עצם אנושית ואפטיט ממוקגואה, פרו." כתב העת האמריקני לאנתרופולוגיה פיזית 158.3 (2015): 408–22. הדפס.
• סוגיאמה, נאווה, אנדרו ד. סומרוויל, ומרגרט ג'יי. שניינגר. "איזוטופים יציבים וגן החיות ב Teotihuacan, מקסיקו חושפים עדויות מוקדמות ביותר לניהול קרניבורים פראיים במסואמריקה." PLoS ONE 10.9 (2015): e0135635. הדפס.
• פוגל, ג'יי סי, וניקולאס ג'יי. ואן דר מרווה. "עדויות איזוטופיות לגידול תירס מוקדם במדינת ניו יורק." העתיקה האמריקאית 42.2 (1977): 238–42. הדפס.