Stabile Isotopenanalyse in der Archäologie

Stabile Isotopenanalyse ist eine wissenschaftliche Technik, die von Archäologen und anderen Gelehrten verwendet wird, um Informationen aus den Knochen eines Tieres zu sammeln, um die zu identifizieren Photosynthese Prozess der Pflanzen, die es während seiner Lebensdauer verbraucht. Diese Informationen sind in einer Vielzahl von Anwendungen von großem Nutzen, von der Bestimmung der Ernährungsgewohnheiten von alte hominide Vorfahren, um die landwirtschaftlichen Ursprünge von beschlagnahmtem Kokain und illegal pochiertem Nashorn zu verfolgen Horn.

Die gesamte Erde und ihre Atmosphäre bestehen aus Atomen verschiedener Elemente wie Sauerstoff, Kohlenstoff und Stickstoff. Jedes dieser Elemente hat verschiedene Formen, basierend auf ihrem Atomgewicht (der Anzahl der Neutronen in jedem Atom). Zum Beispiel existieren 99 Prozent des gesamten Kohlenstoffs in unserer Atmosphäre in der Form Kohlenstoff-12; Das verbleibende Prozent Kohlenstoff besteht jedoch aus zwei leicht unterschiedlichen Kohlenstoffformen, Kohlenstoff-13 und Kohlenstoff-14. Kohlenstoff-12 (abgekürzt 12C) hat ein Atomgewicht von 12, das aus 6 Protonen, 6 Neutronen und 6 Elektronen besteht - die 6 Elektronen addieren nichts zum Atomgewicht. Kohlenstoff-13 (13C) hat noch 6 Protonen und 6 Elektronen, aber 7 Neutronen. Kohlenstoff-14 (14C) hat 6 Protonen und 8 Neutronen, was zu schwer ist, um stabil zusammenzuhalten, und es gibt Energie ab, um den Überschuss loszuwerden, weshalb Wissenschaftler es nennen. "

Alle drei Formen reagieren genauso - wenn Sie Kohlenstoff mit Sauerstoff kombinieren, erhalten Sie immer Kohlendioxidegal wie viele Neutronen es gibt. Die 12C- und 13C-Formen sind stabil - das heißt, sie ändern sich im Laufe der Zeit nicht. Kohlenstoff-14 hingegen ist nicht stabil, sondern zerfällt mit einer bekannten Geschwindigkeit. Aus diesem Grund können wir das verbleibende Verhältnis zu Kohlenstoff-13 zur Berechnung verwenden Radiokarbondaten, aber das ist ein ganz anderes Problem.

Das Verhältnis von Kohlenstoff-12 zu Kohlenstoff-13 ist in der Erdatmosphäre konstant. Es gibt immer einhundert 12C-Atome zu einem 13C-Atom. Während des Photosyntheseprozesses absorbieren Pflanzen die Kohlenstoffatome in der Erdatmosphäre, im Wasser und im Boden und speichern sie in den Zellen ihrer Blätter, Früchte, Nüsse und Wurzeln. Das Verhältnis der Kohlenstoffformen wird jedoch im Rahmen des Photosyntheseprozesses geändert.

Während der Photosynthese verändern Pflanzen das chemische Verhältnis von 100 12C / 1 13C in verschiedenen Klimaregionen unterschiedlich. Pflanzen, die in Regionen mit viel Sonne und wenig Wasser leben, haben relativ weniger 12C-Atome in ihren Zellen (im Vergleich zu 13C) als Pflanzen, die in Wäldern oder Feuchtgebieten leben. Wissenschaftler kategorisieren Pflanzen nach der Version der Photosynthese, die sie verwenden, in Gruppen, die als bezeichnet werden C3, C4 und CAM.

Das Verhältnis von 12C / 13C ist fest in die Zellen der Pflanze eingebunden und - hier ist der beste Teil -, wenn die Zellen die Nahrungskette (d. H. Die Wurzeln, Blätter und Früchte) passieren werden von Tieren und Menschen gefressen), das Verhältnis von 12C zu 13C bleibt praktisch unverändert, da es wiederum in den Knochen, Zähnen und Haaren der Tiere und Tiere gespeichert wird Menschen.

Mit anderen Worten, wenn Sie das Verhältnis von 12 ° C zu 13 ° C bestimmen können, das in den Knochen eines Tieres gespeichert ist, können Sie es herausfinden ob die Pflanzen, die sie aßen, C4-, C3- oder CAM-Verfahren verwendeten, und daher, wie die Umgebung der Pflanzen war mögen. Mit anderen Worten, wenn Sie vor Ort essen, wo Sie leben, ist das, was Sie essen, fest in Ihren Knochen verankert. Diese Messung wird durchgeführt von Massenspektrometer-Analyse.

Kohlenstoff ist bei weitem nicht das einzige Element, das von stabilen Isotopenforschern verwendet wird. Derzeit untersuchen Forscher die Messung der Verhältnisse stabiler Isotope von Sauerstoff, Stickstoff, Strontium, Wasserstoff, Schwefel, Blei und vielen anderen Elementen, die von Pflanzen und Tieren verarbeitet werden. Diese Forschung hat zu einer einfach unglaublichen Vielfalt an Informationen über die Ernährung von Mensch und Tier geführt.

Die allererste archäologische Anwendung der Stabilisotopenforschung erfolgte in den 1970er Jahren durch den südafrikanischen Archäologen Nikolaas van der Merwe, der am ausgrub Afrikanische Eisenzeit Standort von Kgopolwe 3, einer von mehreren Standorten im Transvaal Lowveld in Südafrika, genannt Phalaborwa.

Van de Merwe fand ein menschliches männliches Skelett in einem Aschehaufen, das nicht wie die anderen Bestattungen aus dem Dorf aussah. Das Skelett unterschied sich morphologisch von den anderen Bewohnern von Phalaborwa, und er war auf völlig andere Weise begraben worden als der typische Dorfbewohner. Der Mann sah aus wie ein Khoisan; und Khoisans sollten nicht in Phalaborwa gewesen sein, die Stammesangehörige der Sotho waren. Van der Merwe und seine Kollegen J. C. Vogel und Philip Rightmire beschlossen, die chemische Signatur in seinen Knochen und die Initiale zu betrachten Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass der Mann ein Sorghum-Bauer aus einem Dorf in Khoisan war, in dem er irgendwie gestorben war Kgopolwe 3.

Die Technik und die Ergebnisse der Phalaborwa-Studie wurden auf einem Seminar in SUNY Binghamton diskutiert, wo van der Merwe unterrichtete. Zu der Zeit untersuchte SUNY Bestattungen in späten Wäldern, und gemeinsam entschieden sie, dass es interessant sein würde, zu sehen, ob die Hinzufügung von Mais (Amerikanischer Mais, ein subtropisches C4-Domestikat) zur Ernährung wäre bei Menschen erkennbar, die früher nur Zugang zu C3-Pflanzen hatten: und das war es auch.

Diese Studie wurde 1977 zur ersten veröffentlichten archäologischen Studie mit stabiler Isotopenanalyse. Sie verglichen die stabilen Kohlenstoffisotopenverhältnisse (13C / 12C) im Kollagen menschlicher Rippen aus einem archaischen (2500-2000 v. Chr.) Und einem frühen Waldland (400–100 v. Chr.) Archäologische Stätte in New York (d. H. Bevor Mais in die Region kam) mit den 13C / 12C-Verhältnissen in Rippen aus einem späten Wald (ca. 1000–1300 n. Chr.) Und eine historische Stätte (nach der Ankunft von Mais) aus demselben Gebiet. Sie konnten zeigen, dass die chemischen Signaturen in den Rippen ein Hinweis darauf waren, dass der Mais in den frühen Perioden nicht vorhanden war, aber zur Zeit des späten Waldes zu einem Grundnahrungsmittel geworden war.

Basierend auf dieser Demonstration und den verfügbaren Beweisen für die Verteilung der stabilen Kohlenstoffisotope in der Natur haben Vogel und van der Merwe schlug vor, dass die Technik verwendet werden könnte, um die Maislandwirtschaft in den Wäldern und tropischen Wäldern Amerikas zu erkennen. die Bedeutung mariner Lebensmittel für die Ernährung von Küstengemeinden bestimmen; dokumentieren Veränderungen der Vegetationsbedeckung im Laufe der Zeit in Savannen auf der Grundlage der Browsing / Grazing-Verhältnisse von Pflanzenfressern mit Mischfütterung; und möglicherweise, um den Ursprung forensischer Untersuchungen zu bestimmen.

Seit 1977 sind Anwendungen der Stabilisotopenanalyse in Anzahl und Breite unter Verwendung der stabilen Isotopenverhältnisse der leichten Elemente Wasserstoff, Kohlenstoff, Stickstoff, Sauerstoff und Schwefel in explodiert menschlicher und tierischer Knochen (Kollagen und Apatit), Zahnschmelz und Haare sowie in Keramikresten, die auf die Oberfläche gebrannt oder in die Keramikwand aufgenommen wurden, um Ernährung und Wasser zu bestimmen Quellen. Lichtstabile Isotopenverhältnisse (üblicherweise von Kohlenstoff und Stickstoff) wurden verwendet, um eine solche Diät zu untersuchen Komponenten wie Meerestiere (z. B. Robben, Fische und Schalentiere), verschiedene domestizierte Pflanzen wie Mais und Hirse; und Viehzucht (Milchrückstände in der Töpferei) und Muttermilch (Alter der Entwöhnung, in der Zahnreihe festgestellt). Von heute an bis zu unseren alten Vorfahren wurden Diätstudien an Homininen durchgeführt Homo habilis und die Australopithecines.

Andere Isotopenforschung hat sich auf die Bestimmung der geografischen Herkunft von Dingen konzentriert. Verschiedene stabile Isotopenverhältnisse in Kombination, manchmal einschließlich der Isotope schwerer Elemente wie Strontium und Blei wurden verwendet, um festzustellen, ob die Bewohner antiker Städte Einwanderer waren oder geboren wurden örtlich; die Ursprünge von pochiertem Elfenbein und Nashornhorn aufzuspüren, um Schmuggelringe aufzubrechen; und um die landwirtschaftliche Herkunft von Kokain, Heroin und der Baumwollfaser zu bestimmen, aus der gefälschte 100-Dollar-Scheine hergestellt wurden.

Ein weiteres Beispiel für eine Isotopenfraktionierung, die eine nützliche Anwendung findet, ist Regen, der die stabilen Wasserstoffisotope 1H und 2H (Deuterium) und die Sauerstoffisotope 16O und 18O enthält. Wasser verdunstet am Äquator in großen Mengen und der Wasserdampf verteilt sich nach Norden und Süden. Wenn das H2O auf die Erde zurückfällt, regnen die schweren Isotope zuerst aus. Wenn es an den Polen als Schnee fällt, ist die Feuchtigkeit in den schweren Isotopen von Wasserstoff und Sauerstoff stark erschöpft. Die globale Verteilung dieser Isotope im Regen (und im Leitungswasser) kann kartiert und die Herkunft der Verbraucher durch Isotopenanalyse von Haaren bestimmt werden.

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