Analyse des isotopes stables en archéologie

Analyse des isotopes stables est une technique scientifique utilisée par les archéologues et autres chercheurs pour collecter des informations sur les os d'un animal afin d'identifier photosynthèse processus des plantes consommées au cours de sa vie. Ces informations sont extrêmement utiles dans un grand nombre d'applications, de la détermination des habitudes alimentaires des d'anciens ancêtres hominidés pour retracer les origines agricoles de la cocaïne saisie et des rhinocéros braconnés illégalement klaxon.

Toute la terre et son atmosphère sont constituées d'atomes de différents éléments, tels que l'oxygène, le carbone et l'azote. Chacun de ces éléments a plusieurs formes, en fonction de leur poids atomique (le nombre de neutrons dans chaque atome). Par exemple, 99 pour cent de tout le carbone dans notre atmosphère existe sous la forme appelée Carbon-12; mais le 1% de carbone restant est composé de deux formes de carbone légèrement différentes, appelées Carbon-13 et Carbon-14. Le carbone 12 (en abrégé 12C) a un poids atomique de 12, qui est composé de 6 protons, 6 neutrons et 6 électrons - les 6 électrons n'ajoutent rien au poids atomique. Le carbone 13 (13C) possède toujours 6 protons et 6 électrons, mais il a 7 neutrons. Le carbone-14 (14C) possède 6 protons et 8 neutrons, ce qui est trop lourd pour tenir ensemble de manière stable, et il émet de l'énergie pour se débarrasser de l'excès, c'est pourquoi les scientifiques l'appellent "

Les trois formes réagissent exactement de la même manière: si vous combinez du carbone avec de l'oxygène, vous obtenez toujours gaz carbonique, peu importe le nombre de neutrons. Les formes 12C et 13C sont stables, c'est-à-dire qu'elles ne changent pas avec le temps. Le carbone-14, d'autre part, n'est pas stable mais se désintègre à un rythme connu - à cause de cela, nous pouvons utiliser son rapport restant au carbone-13 pour calculer datations au radiocarbone, mais c'est un tout autre problème.

Le rapport du carbone 12 au carbone 13 est constant dans l'atmosphère terrestre. Il y a toujours cent atomes 12C pour un atome 13C. Au cours du processus de photosynthèse, les plantes absorbent les atomes de carbone dans l'atmosphère terrestre, l'eau et le sol, et les stockent dans les cellules de leurs feuilles, fruits, noix et racines. Mais, le rapport des formes de carbone est modifié dans le cadre du processus de photosynthèse.

Pendant la photosynthèse, les plantes modifient différemment le rapport chimique 100 12C / 1 13C dans différentes régions climatiques. Les plantes qui vivent dans des régions avec beaucoup de soleil et peu d'eau ont relativement moins d'atomes de 12C dans leurs cellules (par rapport à 13C) que les plantes qui vivent dans les forêts ou les zones humides. Les scientifiques classent les plantes selon la version de la photosynthèse qu'elles utilisent en groupes appelés C3, C4 et CAM.

Le rapport 12C / 13C est câblé dans les cellules de la plante et - voici la meilleure partie - au fur et à mesure que les cellules passent dans la chaîne alimentaire (c'est-à-dire les racines, les feuilles et les fruits) sont consommés par les animaux et les humains), le rapport de 12C à 13C reste pratiquement inchangé car il est à son tour stocké dans les os, les dents et les poils des animaux et humains.

En d'autres termes, si vous pouvez déterminer le rapport de 12C à 13C qui est stocké dans les os d'un animal, vous pouvez comprendre si les plantes qu'ils mangeaient utilisaient des procédés C4, C3 ou CAM, et donc, quel était l'environnement des plantes comme. En d'autres termes, en supposant que vous mangez localement, où vous vivez est lié à vos os par ce que vous mangez. Cette mesure est accomplie par analyse par spectromètre de masse.

Le carbone n'est pas de loin le seul élément utilisé par les chercheurs en isotopes stables. Actuellement, les chercheurs cherchent à mesurer les ratios d'isotopes stables de l'oxygène, de l'azote, du strontium, de l'hydrogène, du soufre, du plomb et de nombreux autres éléments qui sont traités par les plantes et les animaux. Cette recherche a conduit à une diversité tout simplement incroyable d'informations sur l'alimentation humaine et animale.

La toute première application archéologique de la recherche sur les isotopes stables a eu lieu dans les années 1970, par un archéologue sud-africain Nikolaas van der Merwe, qui fouillait au Âge du fer africain site de Kgopolwe 3, l'un des nombreux sites du Transvaal Lowveld en Afrique du Sud, appelé Phalaborwa.

Van de Merwe a trouvé un squelette masculin dans un tas de cendres qui ne ressemblait pas aux autres sépultures du village. Le squelette était différent, morphologiquement, des autres habitants de Phalaborwa, et il avait été enterré d'une manière complètement différente du villageois typique. L'homme ressemblait à un Khoisan; et les Khoisans n'auraient pas dû être à Phalaborwa, qui étaient des membres de la tribu ancestrale Sotho. Van der Merwe et ses collègues J. C. Vogel et Philip Rightmire ont décidé de regarder la signature chimique dans ses os, et l'initiale les résultats suggèrent que l'homme était un cultivateur de sorgho d'un village khoisan qui était en quelque sorte mort à Kgopolwe 3.

La technique et les résultats de l'étude Phalaborwa ont été discutés lors d'un séminaire à SUNY Binghamton où van der Merwe enseignait. À l'époque, SUNY enquêtait sur les sépultures de la fin des bois et, ensemble, ils ont décidé qu'il serait intéressant de voir si l'ajout de maïs (Maïs américain, un subtropical domestiqué C4) au régime alimentaire serait identifiable chez les personnes qui auparavant n'avaient accès qu'aux plantes C3: et c'était le cas.

Cette étude est devenue la première étude archéologique publiée appliquant une analyse des isotopes stables, en 1977. Ils ont comparé les rapports isotopiques stables du carbone (13C / 12C) dans le collagène des côtes humaines d'un archaïque (2500-2000 avant notre ère) et d'un boisé ancien. (400-100 avant notre ère) site archéologique de New York (c'est-à-dire avant l'arrivée du maïs dans la région) avec les ratios 13C / 12C dans les côtes d'une forêt tardive (Californie. 1000–1300 CE) et un site de la période historique (après l'arrivée du maïs) de la même région. Ils ont pu montrer que les signatures chimiques dans les côtes indiquaient que le maïs n'était pas présent dans les premières périodes, mais était devenu un aliment de base au moment de la fin des bois.

Sur la base de cette démonstration et des preuves disponibles pour la distribution des isotopes stables du carbone dans la nature, Vogel et van der Merwe a suggéré que la technique pourrait être utilisée pour détecter l'agriculture de maïs dans les régions boisées et les forêts tropicales des Amériques; déterminer l'importance des aliments marins dans l'alimentation des communautés côtières; documenter les changements dans le couvert végétal au fil du temps dans les savanes sur la base des rapports broutage / pâturage des herbivores à alimentation mixte; et éventuellement pour déterminer les origines des enquêtes médico-légales.

Depuis 1977, les applications de l'analyse des isotopes stables ont explosé en nombre et en largeur, en utilisant les rapports isotopiques stables des éléments légers hydrogène, carbone, azote, oxygène et soufre dans os humain et animal (collagène et apatite), émail dentaire et cheveux, ainsi que dans des résidus de poterie cuits sur la surface ou absorbés dans la paroi en céramique pour déterminer les régimes alimentaires et l'eau sources. Des rapports isotopiques stables à la lumière (généralement du carbone et de l'azote) ont été utilisés pour étudier ces régimes alimentaires. composants comme des créatures marines (par exemple, les phoques, les poissons et les crustacés), diverses plantes domestiquées Millet; et laiterie du bétail (résidus de lait dans la poterie) et le lait maternel (âge de sevrage, détecté dans la rangée de dents). Des études diététiques ont été faites sur les hominins de nos jours à nos anciens ancêtres Homo habilis et le Australopithécines.

D'autres recherches isotopiques se sont concentrées sur la détermination des origines géographiques des choses. Divers rapports isotopiques stables en combinaison, incluant parfois les isotopes d'éléments lourds comme le strontium et le plomb, ont été utilisés pour déterminer si les habitants des villes anciennes étaient des immigrants ou étaient nés localement; retracer les origines de l'ivoire poché et de la corne de rhinocéros pour briser les anneaux de contrebande; et pour déterminer les origines agricoles de la cocaïne, de l'héroïne et de la fibre de coton utilisée pour fabriquer de faux billets de 100 $.

Un autre exemple de fractionnement isotopique qui a une application utile concerne la pluie, qui contient les isotopes d'hydrogène stables 1H et 2H (deutérium) et les isotopes d'oxygène 16O et 18O. L'eau s'évapore en grande quantité à l'équateur et la vapeur d'eau se disperse au nord et au sud. Lorsque le H2O retombe sur terre, les isotopes lourds pleuvent en premier. Au moment où il tombe sous forme de neige aux pôles, l'humidité est gravement épuisée dans les isotopes lourds de l'hydrogène et de l'oxygène. La distribution mondiale de ces isotopes sous la pluie (et dans l'eau du robinet) peut être cartographiée et les origines des consommateurs peuvent être déterminées par une analyse isotopique des cheveux.

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