Análisis de isótopos estables en arqueología

Análisis de isótopos estables es una técnica científica que utilizan los arqueólogos y otros académicos para recopilar información de los huesos de un animal para identificar fotosíntesis proceso de las plantas que consumió durante su vida. Esa información es enormemente útil en una gran cantidad de aplicaciones, desde la determinación de los hábitos alimenticios de antiguos ancestros homínidos para rastrear los orígenes agrícolas de la cocaína incautada y el rinoceronte ilegalmente cazado cuerno.

Toda la tierra y su atmósfera están formadas por átomos de diferentes elementos, como oxígeno, carbono y nitrógeno. Cada uno de estos elementos tiene varias formas, en función de su peso atómico (el número de neutrones en cada átomo). Por ejemplo, el 99 por ciento de todo el carbono en nuestra atmósfera existe en la forma llamada Carbono-12; pero el uno por ciento restante de carbono está formado por dos formas de carbono ligeramente diferentes, llamadas carbono 13 y carbono 14. El carbono 12 (abreviado 12C) tiene un peso atómico de 12, que se compone de 6 protones, 6 neutrones y 6 electrones; los 6 electrones no agregan nada al peso atómico. El carbono 13 (13C) todavía tiene 6 protones y 6 electrones, pero tiene 7 neutrones. El carbono 14 (14C) tiene 6 protones y 8 neutrones, que son demasiado pesados ​​para mantenerse juntos de manera estable, y emite energía para eliminar el exceso, por eso los científicos lo llaman "

Las tres formas reaccionan exactamente de la misma manera: si combinas carbono con oxígeno siempre obtienes dióxido de carbono, no importa cuántos neutrones haya. Los formularios 12C y 13C son estables, es decir, no cambian con el tiempo. El carbono 14, por otro lado, no es estable, sino que se descompone a una velocidad conocida; por eso, podemos usar su relación restante con el carbono 13 para calcular fechas de radiocarbono, pero ese es otro problema por completo.

La relación de carbono-12 a carbono-13 es constante en la atmósfera de la tierra. Siempre hay cien átomos de 12C a un átomo de 13C. Durante el proceso de fotosíntesis, las plantas absorben los átomos de carbono en la atmósfera, el agua y el suelo de la tierra, y los almacenan en las células de sus hojas, frutos, nueces y raíces. Pero, la proporción de las formas de carbono se altera como parte del proceso de fotosíntesis.

Durante la fotosíntesis, las plantas alteran la proporción química de 100 12C / 1 13C de manera diferente en diferentes regiones climáticas. Las plantas que viven en regiones con mucho sol y poca agua tienen relativamente menos átomos de 12C en sus células (en comparación con 13C) que las plantas que viven en bosques o humedales. Los científicos clasifican las plantas por la versión de la fotosíntesis que usan en grupos llamados C3, C4 y CAM.

La proporción de 12C / 13C está conectada a las células de la planta y, aquí está la mejor parte, a medida que las células pasan por la cadena alimentaria (es decir, las raíces, las hojas y la fruta son comidos por animales y humanos), la proporción de 12C a 13C permanece prácticamente sin cambios, ya que a su vez se almacena en los huesos, dientes y pelo de los animales y humanos

En otras palabras, si puede determinar la proporción de 12C a 13C que se almacena en los huesos de un animal, puede averiguar si las plantas que comieron usaban procesos C4, C3 o CAM y, por lo tanto, cuál era el entorno de las plantas me gusta. En otras palabras, suponiendo que comes localmente, el lugar donde vives está conectado a tus huesos por lo que comes. Esa medición se realiza mediante análisis de espectrómetro de masas.

El carbono no es, de lejos, el único elemento utilizado por los investigadores de isótopos estables. Actualmente, los investigadores están buscando medir las proporciones de isótopos estables de oxígeno, nitrógeno, estroncio, hidrógeno, azufre, plomo y muchos otros elementos que son procesados ​​por plantas y animales. Esa investigación ha llevado a una diversidad simplemente increíble de información dietética humana y animal.

La primera aplicación arqueológica de la investigación de isótopos estables fue en la década de 1970, por un arqueólogo sudafricano. Nikolaas van der Merwe, que estaba excavando en el Edad de hierro africana sitio de Kgopolwe 3, uno de varios sitios en el Transvaal Lowveld de Sudáfrica, llamado Phalaborwa.

Van de Merwe encontró un esqueleto humano masculino en un montón de cenizas que no se parecía a los otros entierros de la aldea. El esqueleto era diferente, morfológicamente, de los otros habitantes de Phalaborwa, y había sido enterrado de una manera completamente diferente al típico aldeano. El hombre parecía un khoisan; y los khoisanos no deberían haber estado en Phalaborwa, que eran ancestros de la tribu Sotho. Van der Merwe y sus colegas J. C. Vogel y Philip Rightmire decidieron mirar la firma química en sus huesos, y la inicial Los resultados sugirieron que el hombre era un agricultor de sorgo de una aldea Khoisan que de alguna manera había muerto en Kgopolwe 3.

La técnica y los resultados del estudio Phalaborwa se discutieron en un seminario en SUNY Binghamton donde Van der Merwe estaba enseñando. En ese momento, SUNY estaba investigando los entierros de Late Woodland, y juntos decidieron que sería interesante ver si la adición de maíz (El maíz americano, un C4 subtropical domesticado) a la dieta sería identificable en personas que anteriormente solo tenían acceso a las plantas C3: y así fue.

Ese estudio se convirtió en el primer estudio arqueológico publicado que aplica el análisis de isótopos estables, en 1977. Compararon las relaciones estables de isótopos de carbono (13C / 12C) en el colágeno de las costillas humanas de un arcaico (2500-2000 aC) y un bosque temprano (400–100 aC) sitio arqueológico en Nueva York (es decir, antes de que el maíz llegara a la región) con las proporciones de 13C / 12C en costillas de un bosque tardío (California. 1000–1300 CE) y un sitio del Período Histórico (después de que llegó el maíz) de la misma área. Pudieron demostrar que las firmas químicas en las costillas eran una indicación de que el maíz no estaba presente en los primeros períodos, sino que se había convertido en un alimento básico en la época del bosque tardío.

Con base en esta demostración y la evidencia disponible para la distribución de los isótopos de carbono estables en la naturaleza, Vogel y van der Merwe sugirió que la técnica podría usarse para detectar la agricultura de maíz en los bosques y bosques tropicales de las Américas; determinar la importancia de los alimentos marinos en la dieta de las comunidades costeras; documentar los cambios en la cobertura vegetal a lo largo del tiempo en las sabanas sobre la base de las relaciones de navegación / pastoreo de herbívoros de alimentación mixta; y posiblemente para determinar los orígenes en las investigaciones forenses.

Desde 1977, las aplicaciones de análisis de isótopos estables han explotado en número y amplitud, utilizando las relaciones de isótopos estables de los elementos ligeros hidrógeno, carbono, nitrógeno, oxígeno y azufre en hueso humano y animal (colágeno y apatita), esmalte dental y cabello, así como también restos de cerámica horneados en la superficie o absorbidos en la pared de cerámica para determinar las dietas y el agua fuentes. Se han utilizado relaciones isotópicas estables a la luz (generalmente de carbono y nitrógeno) para investigar dicha dieta componentes como criaturas marinas (por ejemplo, focas, peces y mariscos), varias plantas domesticadas como el maíz y mijo; y lechería (residuos de leche en cerámica), y leche materna (edad de destete, detectada en la hilera de dientes). Se han realizado estudios dietéticos sobre homínidos desde nuestros días hasta nuestros ancestros antiguos. Homo habilis y el Australopitecos.

Otra investigación isotópica se ha centrado en determinar los orígenes geográficos de las cosas. Varias proporciones de isótopos estables en combinación, que a veces incluyen los isótopos de elementos pesados ​​como el estroncio y plomo, se han utilizado para determinar si los residentes de las ciudades antiguas eran inmigrantes o nacieron en la zona; rastrear los orígenes del marfil escalfado y el cuerno de rinoceronte para romper los anillos de contrabando; y para determinar los orígenes agrícolas de la cocaína, la heroína y la fibra de algodón utilizada para fabricar billetes falsos de $ 100.

Otro ejemplo de fraccionamiento isotópico que tiene una aplicación útil implica la lluvia, que contiene los isótopos de hidrógeno estables 1H y 2H (deuterio) y los isótopos de oxígeno 16O y 18O. El agua se evapora en grandes cantidades en el ecuador y el vapor de agua se dispersa hacia el norte y el sur. Cuando el H2O vuelve a caer a la tierra, los isótopos pesados ​​llueven primero. Para cuando cae como nieve en los polos, la humedad se reduce severamente en los isótopos pesados ​​de hidrógeno y oxígeno. La distribución global de estos isótopos en la lluvia (y en el agua del grifo) puede cartografiarse y los orígenes de los consumidores pueden determinarse mediante análisis isotópico del cabello.

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