تحليل النظائر المستقرة في علم الآثار

تحليل النظائر المستقرة هي تقنية علمية يستخدمها علماء الآثار وغيرهم من العلماء لجمع المعلومات من عظام الحيوانات للتعرف على البناء الضوئي عملية النباتات التي استهلكتها خلال حياته. هذه المعلومات مفيدة للغاية في عدد كبير من التطبيقات ، من تحديد العادات الغذائية ل أسلاف البشر القدامى لتتبع الأصول الزراعية للكوكايين المضبوط ووحيد القرن المسلوق بشكل غير قانوني بوق.

تتكون كل الأرض وغلافها الجوي من ذرات عناصر مختلفة ، مثل الأكسجين والكربون والنيتروجين. يحتوي كل عنصر من هذه العناصر على عدة أشكال ، بناءً على وزنه الذري (عدد النيوترونات في كل ذرة). على سبيل المثال ، يوجد 99 في المائة من كل الكربون في الغلاف الجوي في شكل يسمى الكربون 12 ؛ لكن النسبة المتبقية من الكربون المكونة من واحد بالمائة تتكون من شكلين مختلفين قليلاً من الكربون ، يسمى الكربون 13 و الكربون 14. الكربون -12 (اختصار 12 درجة مئوية) له وزن ذري 12 ، يتكون من 6 بروتونات و 6 نيوترونات و 6 إلكترونات - الإلكترونات 6 لا تضيف أي شيء للوزن الذري. لا يزال الكربون 13 (13C) يحتوي على 6 بروتونات و 6 إلكترونات ، ولكن لديه 7 نيوترونات. يحتوي الكربون 14 (14 درجة مئوية) على 6 بروتونات و 8 نيوترونات ، وهي ثقيلة جدًا بحيث لا يمكن الاحتفاظ بها معًا بطريقة مستقرة ، وتنبعث الطاقة للتخلص من الفائض ، ولهذا السبب يطلق العلماء عليه "

تتفاعل الأشكال الثلاثة بنفس الطريقة بالضبط - إذا قمت بدمج الكربون مع الأكسجين الذي تحصل عليه دائمًا نشبعبغض النظر عن عدد النيوترونات الموجودة. النموذجان 12C و 13 C مستقران ، أي أنهما لا يتغيران بمرور الوقت. من ناحية أخرى ، فإن الكربون -14 ليس مستقرًا ولكن بدلاً من ذلك يتحلل بمعدل معروف - وبسبب ذلك ، يمكننا استخدام النسبة المتبقية منه إلى الكربون -13 لحساب تمور الكربون المشع، لكن هذه مشكلة أخرى تمامًا.

نسبة الكربون -12 إلى الكربون -13 ثابتة في الغلاف الجوي للأرض. هناك دائمًا مائة ذرة من 12 درجة مئوية إلى ذرة واحدة من 13 درجة مئوية. أثناء عملية التمثيل الضوئي ، تمتص النباتات ذرات الكربون في الغلاف الجوي للأرض والماء والتربة وتخزنها في خلايا أوراقها وثمارها وجوزها وجذورها. ولكن ، يتم تغيير نسبة أشكال الكربون كجزء من عملية البناء الضوئي.

خلال عملية التمثيل الضوئي ، تغير النباتات النسبة الكيميائية 100 12C / 1 13C بشكل مختلف في المناطق المناخية المختلفة. تحتوي النباتات التي تعيش في مناطق بها الكثير من الشمس وقليل من الماء على ذرات أقل من 12 درجة مئوية في خلاياها (مقارنة بـ 13 درجة مئوية) مقارنة بالنباتات التي تعيش في الغابات أو الأراضي الرطبة. يصنف العلماء النباتات حسب نسخة التمثيل الضوئي التي يستخدمونها في مجموعات تسمى C3 و C4 و CAM.

يتم توصيل نسبة 12 درجة مئوية / 13 درجة مئوية إلى خلايا النبات - وهنا أفضل جزء - مع مرور الخلايا في السلسلة الغذائية (أي الجذور والأوراق والفاكهة) يتم تناولها من قبل الحيوانات والبشر) ، تبقى نسبة 12 درجة مئوية إلى 13 درجة مئوية دون تغيير تقريبًا حيث يتم تخزينها بدورها في عظام وأسنان وشعر الحيوانات و البشر.

بمعنى آخر ، إذا كان بإمكانك تحديد نسبة 12 درجة مئوية إلى 13 درجة مئوية مخزنة في عظام الحيوان ، يمكنك معرفة ما إذا كانت النباتات التي تناولوها تستخدم عمليات C4 أو C3 أو CAM ، وبالتالي ما هي بيئة النباتات مثل. وبعبارة أخرى ، بافتراض أنك تأكل محليًا ، حيث تعيش ، يتم توصيلها إلى عظامك بما تأكله. يتم تحقيق هذا القياس من قبل تحليل مطياف الكتلة.

الكربون ليس برصاصة طويلة العنصر الوحيد الذي يستخدمه باحثو النظائر المستقرة. يبحث الباحثون حاليًا في قياس نسب النظائر المستقرة للأكسجين والنيتروجين والسترونتيوم والهيدروجين والكبريت والرصاص والعديد من العناصر الأخرى التي تتم معالجتها بواسطة النباتات والحيوانات. وقد أدى هذا البحث إلى تنوع مذهل من المعلومات الغذائية البشرية والحيوانية.

أول تطبيق أثري لبحوث النظائر المستقرة كان في السبعينيات من قبل عالم الآثار الجنوب أفريقي نيكولاس فان دير ميرويالذي كان ينقب في العصر الحديدي الأفريقي موقع Kgopolwe 3 ، أحد المواقع العديدة في Transvaal Lowveld في جنوب أفريقيا ، ودعا Phalaborwa.

عثر فان دي ميروي على هيكل عظمي بشري في كومة رماد لا تبدو مثل المدافن الأخرى من القرية. كان الهيكل العظمي مختلفًا ، من الناحية الشكلية ، عن سكان فالابوروا الآخرين ، وقد تم دفنه بطريقة مختلفة تمامًا عن القروي النموذجي. بدا الرجل مثل خويسان. وكان يجب أن لا يكون الخويسانيون في فالابوروا ، الذين كانوا من رجال قبيلة سوثو. فان دير ميروي وزملاؤه ج. ج. قرر فوغل وفيليب رايتمير النظر في التوقيع الكيميائي في عظامه ، والتوقيع الأولي تشير النتائج إلى أن الرجل كان مزارعًا من الذرة الرفيعة من قرية خويسان مات بطريقة أو بأخرى كغوبولوي 3.

تمت مناقشة تقنية ونتائج دراسة Phalaborwa في ندوة في جامعة SUNY Binghamton حيث كان يدرس فان دير ميروي. في ذلك الوقت ، كانت SUNY تحقق في دفن أواخر وودلاند ، وقرروا معًا أنه سيكون من المثير للاهتمام معرفة ما إذا كانت إضافة الذرة (الذرة الأمريكية ، مستأنسة C4 شبه مدارية) في النظام الغذائي يمكن تحديدها في الأشخاص الذين لم يكن لديهم في السابق سوى الوصول إلى نباتات C3: وكان كذلك.

أصبحت هذه الدراسة أول دراسة أثرية منشورة تطبق تحليل النظائر المستقرة في عام 1977. وقارنوا نسب نظائر الكربون المستقرة (13 درجة مئوية / 12 درجة مئوية) في الكولاجين في الأضلاع البشرية من العصر القديم (2500-2000 قبل الميلاد) والغابة المبكرة (400-100 قبل الميلاد) موقع أثري في نيويورك (أي قبل وصول الذرة إلى المنطقة) مع نسب 13C / 12C في الأضلاع من أواخر وودلاند (كاليفورنيا. 1000 - 1300 م) وموقع الفترة التاريخية (بعد وصول الذرة) من نفس المنطقة. كانوا قادرين على إظهار أن التوقيعات الكيميائية في الأضلاع كانت مؤشرًا على أن الذرة لم تكن موجودة في الفترات المبكرة ، ولكنها أصبحت غذاءً أساسيًا في وقت متأخر وودلاند.

استنادًا إلى هذا العرض التوضيحي والأدلة المتاحة لتوزيع نظائر الكربون المستقرة في الطبيعة ، Vogel و van der اقترح ميروي أن هذه التقنية يمكن استخدامها للكشف عن زراعة الذرة في الغابات والأدغال الاستوائية في الأمريكتين. تحديد أهمية الأطعمة البحرية في وجبات المجتمعات الساحلية ؛ توثيق التغيرات في الغطاء النباتي بمرور الوقت في السافانا على أساس نسب التصفح / الرعي للحيوانات العاشبة ذات التغذية المختلطة ؛ وربما لتحديد أصول تحقيقات الطب الشرعي.

منذ عام 1977 ، انفجرت تطبيقات تحليل النظائر المستقرة من حيث العدد والاتساع ، باستخدام نسب النظائر المستقرة لعناصر الضوء الهيدروجين والكربون والنيتروجين والأكسجين والكبريت في عظام الإنسان والحيوان (الكولاجين والأباتيت) ، مينا الأسنان والشعر ، وكذلك في بقايا الفخار المخبوزة على السطح أو الممتصة في جدار السيراميك لتحديد النظام الغذائي والماء مصادر. تم استخدام نسب النظائر المستقرة الخفيفة (عادة من الكربون والنيتروجين) للتحقيق في مثل هذا النظام الغذائي مكونات مثل الكائنات البحرية (مثل الأختام والأسماك والمحار) ، والعديد من النباتات المستأنسة مثل الذرة و الدخن؛ وحليب الأبقار (بقايا الحليب في الفخار) وحليب الأم (سن الفطام ، تم اكتشافه في صف الأسنان). تم إجراء دراسات غذائية على أشباه البشر من يومنا هذا إلى أسلافنا القدماء هومو هابليس و ال الأسترالوبيثيسين.

وقد ركزت أبحاث نظائرية أخرى على تحديد الأصول الجغرافية للأشياء. تركيبة مختلفة من النظائر المستقرة مجتمعة ، بما في ذلك أحيانًا نظائر العناصر الثقيلة مثل السترونتيوم والرصاص ، تم استخدامها لتحديد ما إذا كان سكان المدن القديمة مهاجرين أو ولدوا محليا؛ لتتبع أصول العاج وقرن وحيد القرن المسلوق لكسر حلقات التهريب ؛ وتحديد الأصول الزراعية للكوكايين والهيروين وألياف القطن المستخدمة لصنع فواتير وهمية بقيمة 100 دولار.

مثال آخر على تجزئة النظائر التي لها تطبيق مفيد ينطوي على المطر ، والذي يحتوي على نظائر الهيدروجين المستقرة 1H و 2 H (الديوتريوم) ونظائر الأكسجين 16O و 18 O. يتبخر الماء بكميات كبيرة عند خط الاستواء وينتشر بخار الماء إلى الشمال والجنوب. مع عودة H2O إلى الأرض ، تمطر النظائر الثقيلة أولاً. في الوقت الذي تسقط فيه الثلوج على القطبين ، تنفد الرطوبة بشدة في النظائر الثقيلة للهيدروجين والأكسجين. يمكن رسم خرائط التوزيع العالمي لهذه النظائر في المطر (وفي ماء الصنبور) ويمكن تحديد أصول المستهلكين عن طريق التحليل النظائري للشعر.

• جرانت ، جنيفر. "الصيد والرعي: أدلة نظائرية في الإبل البرية والمستأنسة من جنوب بونا الأرجنتينية (2120-420 سنة BP)." مجلة علوم الآثار: التقارير 11 (2017): 29–37. طباعة.
• إغليسياس ، كارلوس ، وآخرون. "يؤكد تحليل النظائر المستقرة الاختلافات الجوهرية بين شبكات طعام البحيرات الضحلة شبه الاستوائية والمعتدلةHydrobiologia 784.1 (2017): 111–23. طباعة.
• كاتزينبرغ ، م. آن ، وأندريا ل. المياه ريست. "تحليل النظائر المستقرة: أداة لدراسة النظام الغذائي السابق والديموغرافيا وتاريخ الحياة." الأنثروبولوجيا البيولوجية للهيكل العظمي البشري. محرران. كاتزينبرغ ، م. آن ، وآن ل. غروير. الطبعة الثالثة. نيويورك: John Wiley & Sons، Inc. ، 2019. 467–504. طباعة.
• السعر ، ت. دوغلاس وآخرون. "النظائر ." العصور القديمة 90.352 (2016): 1022–37. طباعة.دفن سفينة سلمى في عصر ما قبل الفايكنج إستونيا
• سيلي ، ج. C. و N. ج. فان دير ميروي. "حول "مناهج إعادة الإعمار الغذائي في كيب الغربية: هل أكلت ما تأكله؟" - رد على باركينغتون." مجلة علوم الآثار 19.4 (1992): 459–66. طباعة.
• Somerville ، Andrew D. ، et al. "النظام الغذائي والجنس في مستعمرات تيواناكو: تحليل النظائر المستقرة للكولاجين في العظام البشرية والأباتيت من موكيجوا ، بيرو." المجلة الأمريكية للأنثروبولوجيا الفيزيائية 158.3 (2015): 408–22. طباعة.
• سوجيياما ، نوا ، أندرو د. سومرفيل ومارغريت ج. Schoeninger. "النظائر المستقرة وعلم آثار الحيوانات في تيوتيهواكان ، المكسيك تكشف عن أول دليل على إدارة آكلات اللحوم البرية في أمريكا الوسطى." بلوس واحد 10.9 (2015): e0135635. طباعة.
• Vogel و JC و Nikolaas J. فان دير ميروي. "الأدلة النظائرية لزراعة الذرة المبكرة في ولاية نيويورك." العصور القديمة الأمريكية 42.2 (1977): 238–42. طباعة.