Analisi di isotopi stabili in archeologia

Analisi isotopica stabile è una tecnica scientifica che viene utilizzata da archeologi e altri studiosi per raccogliere informazioni dalle ossa di un animale per identificare il fotosintesi processo delle piante che ha consumato durante la sua vita. Queste informazioni sono estremamente utili in un ampio numero di applicazioni, dal determinare le abitudini alimentari di antichi antenati ominidi per rintracciare le origini agricole della cocaina sequestrata e del rinoceronte illegalmente in camicia corno.

Tutta la terra e la sua atmosfera sono costituite da atomi di diversi elementi, come ossigeno, carbonio e azoto. Ognuno di questi elementi ha diverse forme, basate sul loro peso atomico (il numero di neutroni in ciascun atomo). Ad esempio, il 99 percento di tutto il carbonio presente nella nostra atmosfera esiste nella forma chiamata Carbon-12; ma il restante 1 percento di carbonio è costituito da due diverse forme leggermente diverse di carbonio, chiamate Carbon-13 e Carbon-14. Il carbonio-12 (abbreviato 12C) ha un peso atomico di 12, che è composto da 6 protoni, 6 neutroni e 6 elettroni: i 6 elettroni non aggiungono nulla al peso atomico. Carbon-13 (13C) ha ancora 6 protoni e 6 elettroni, ma ha 7 neutroni. Carbon-14 (14C) ha 6 protoni e 8 neutroni, che è troppo pesante per tenere insieme in modo stabile, ed emette energia per sbarazzarsi dell'eccesso, motivo per cui gli scienziati lo chiamano "

Tutte e tre le forme reagiscono esattamente allo stesso modo: se combini carbonio e ossigeno ottieni sempre diossido di carbonio, non importa quanti neutroni ci siano. Le forme 12C e 13C sono stabili, vale a dire che non cambiano nel tempo. Il carbonio-14, d'altra parte, non è stabile ma invece decade a una velocità nota; per questo motivo, possiamo usare il rapporto rimanente con il carbonio-13 per calcolare date al radiocarbonio, ma questo è un altro problema.

Il rapporto tra Carbon-12 e Carbon-13 è costante nell'atmosfera terrestre. Ci sono sempre un centinaio di atomi 12C per un atomo 13C. Durante il processo di fotosintesi, le piante assorbono gli atomi di carbonio nell'atmosfera, nell'acqua e nel terreno della terra e li immagazzinano nelle cellule delle loro foglie, frutti, noci e radici. Ma, il rapporto tra le forme di carbonio viene modificato come parte del processo di fotosintesi.

Durante la fotosintesi, le piante alterano il rapporto chimico 100 12C / 1 13C in modo diverso nelle diverse regioni climatiche. Le piante che vivono in regioni con molto sole e poca acqua hanno relativamente meno atomi di 12 ° C nelle loro cellule (rispetto ai 13 ° C) rispetto alle piante che vivono in foreste o zone umide. Gli scienziati classificano le piante in base alla versione della fotosintesi che usano in gruppi chiamati C3, C4 e CAM.

Il rapporto di 12 ° C / 13 ° C è cablato nelle cellule della pianta e, qui è la parte migliore, quando le cellule passano attraverso la catena alimentare (cioè, le radici, le foglie e la frutta sono mangiati da animali e esseri umani), il rapporto tra 12 ° C e 13 ° C rimane praticamente invariato in quanto è a sua volta immagazzinato nelle ossa, nei denti e nei peli degli animali e gli esseri umani.

In altre parole, se riesci a determinare il rapporto tra 12 ° C e 13 ° C che è immagazzinato nelle ossa di un animale, puoi capire se le piante che mangiavano usassero i processi C4, C3 o CAM, e quindi quale fosse l'ambiente delle piante piace. In altre parole, supponendo che mangi localmente, dove vivi è cablato nelle ossa da ciò che mangi. Quella misurazione è compiuta da analisi dello spettrometro di massa.

Il carbonio non è di gran lunga l'unico elemento utilizzato dai ricercatori di isotopi stabili. Attualmente, i ricercatori stanno cercando di misurare i rapporti di isotopi stabili di ossigeno, azoto, stronzio, idrogeno, zolfo, piombo e molti altri elementi che vengono elaborati da piante e animali. Quella ricerca ha portato a una diversità semplicemente incredibile di informazioni sulla dieta umana e animale.

La prima applicazione archeologica della ricerca di isotopi stabili avvenne negli anni '70, dall'archeologo sudafricano Nikolaas van der Merwe, che stava scavando al Età del ferro africano sito di Kgopolwe 3, uno dei numerosi siti nel Transvaal Lowveld del Sudafrica, chiamato Phalaborwa.

Van de Merwe trovò uno scheletro umano maschile in un cumulo di cenere che non assomigliava alle altre sepolture del villaggio. Lo scheletro era diverso, morfologicamente, dagli altri abitanti di Phalaborwa, ed era stato sepolto in un modo completamente diverso dal tipico paesano. L'uomo sembrava un Khoisan; e i khoisani non avrebbero dovuto essere a Phalaborwa, che erano ancestrali tribù Sotho. Van der Merwe e i suoi colleghi J. C. Vogel e Philip Rightmire decisero di guardare la firma chimica nelle sue ossa e l'iniziale i risultati suggerirono che l'uomo era un agricoltore di sorgo proveniente da un villaggio di Khoisan, in qualche modo morto Kgopolwe 3.

La tecnica e i risultati dello studio di Phalaborwa sono stati discussi in un seminario presso il SUNY Binghamton dove insegnava Van der Merwe. All'epoca, SUNY stava indagando sulle sepolture di Late Woodland e insieme decisero che sarebbe stato interessante vedere se l'aggiunta di mais (Mais americano, un subtropicale addomesticato C4) alla dieta sarebbe identificabile nelle persone che in precedenza avevano accesso solo alle piante C3: e lo era.

Questo studio divenne il primo studio archeologico pubblicato ad applicare l'analisi isotopica stabile, nel 1977. Hanno confrontato i rapporti isotopici di carbonio stabili (13 ° C / 12 ° C) nel collagene delle costole umane provenienti da un arcaico (2500-2000 a.C.) e un primo bosco (400–100 a.C.) sito archeologico di New York (cioè prima dell'arrivo del mais nella regione) con i rapporti 13 ° C / 12 ° C in costole provenienti da un bosco tardivo (circa. 1000–1300 d.C.) e un sito del periodo storico (dopo l'arrivo del grano) dalla stessa area. Sono stati in grado di dimostrare che le firme chimiche nelle costole erano un'indicazione che il mais non era presente nei primi periodi, ma era diventato un alimento base ai tempi del Late Woodland.

Sulla base di questa dimostrazione e delle prove disponibili per la distribuzione degli isotopi di carbonio stabili in natura, Vogel e van der Merwe ha suggerito che la tecnica potrebbe essere utilizzata per rilevare l'agricoltura del mais nei boschi e nelle foreste tropicali delle Americhe; determinare l'importanza dei cibi marini nelle diete delle comunità costiere; documentare le variazioni nel tempo della copertura vegetale nelle savane sulla base dei rapporti di esplorazione / pascolo degli erbivori a alimentazione mista; e possibilmente per determinare le origini nelle indagini forensi.

Dal 1977, le applicazioni dell'analisi isotopica stabile sono esplose in numero e in ampiezza, utilizzando i rapporti isotopici stabili degli elementi leggeri idrogeno, carbonio, azoto, ossigeno e zolfo in osso umano e animale (collagene e apatite), smalto dei denti e capelli, nonché nei residui di ceramica cotti sulla superficie o assorbiti nella parete in ceramica per determinare le diete e l'acqua fonti. Rapporti isotopici stabili alla luce (di solito di carbonio e azoto) sono stati usati per studiare tale dieta componenti come creature marine (ad esempio foche, pesci e molluschi), varie piante domestiche come mais e miglio; e allevamento di bovini (residui di latte in ceramica) e latte materno (età dello svezzamento, rilevata nella fila dei denti). Studi dietetici sono stati condotti sugli ominidi dai nostri giorni ai nostri antichi antenati Homo habilis e il australopitechi.

Altre ricerche isotopiche si sono concentrate sulla determinazione delle origini geografiche delle cose. Vari rapporti isotopici stabili in combinazione, a volte includendo gli isotopi di elementi pesanti come lo stronzio e piombo, sono stati usati per determinare se gli abitanti delle città antiche erano immigrati o nati a livello locale; rintracciare le origini di avorio in camicia e corno di rinoceronte per rompere gli anelli di contrabbando; e per determinare le origini agricole della cocaina, dell'eroina e della fibra di cotone utilizzate per produrre banconote false da $ 100.

Un altro esempio di frazionamento isotopico che ha un'applicazione utile riguarda la pioggia, che contiene gli isotopi di idrogeno stabili 1H e 2H (deuterio) e gli isotopi di ossigeno 16O e 18O. L'acqua evapora in grandi quantità all'equatore e il vapore acqueo si disperde a nord e sud. Mentre H2O ricade sulla terra, i pesanti isotopi piovono per primi. Quando cade come neve ai poli, l'umidità si è gravemente esaurita negli isotopi pesanti di idrogeno e ossigeno. La distribuzione globale di questi isotopi nella pioggia (e nell'acqua del rubinetto) può essere mappata e le origini dei consumatori possono essere determinate dall'analisi isotopica dei capelli.

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