Analisis Isotop Stabil dalam Arkeologi

Analisis isotop yang stabil adalah teknik ilmiah yang digunakan oleh para arkeolog dan cendekiawan lain untuk mengumpulkan informasi dari tulang binatang untuk mengidentifikasi fotosintesis proses tanaman yang dikonsumsi selama masa hidupnya. Informasi itu sangat berguna dalam berbagai aplikasi, mulai dari menentukan kebiasaan diet leluhur hominid kuno untuk melacak asal usul pertanian dari kokain yang disita dan badak hasil perburuan ilegal tanduk.

Seluruh bumi dan atmosfernya terdiri dari atom-atom berbagai unsur, seperti oksigen, karbon, dan nitrogen. Masing-masing elemen ini memiliki beberapa bentuk, berdasarkan berat atomnya (jumlah neutron di setiap atom). Sebagai contoh, 99 persen dari semua karbon di atmosfer kita ada dalam bentuk yang disebut Karbon-12; tetapi sisa satu persen karbon terdiri dari dua bentuk karbon yang sedikit berbeda, disebut Karbon-13 dan Karbon-14. Karbon-12 (disingkat 12C) memiliki berat atom 12, yang terdiri dari 6 proton, 6 neutron, dan 6 elektron — 6 elektron tidak menambahkan apa pun pada berat atom. Karbon-13 (13C) masih memiliki 6 proton dan 6 elektron, tetapi memiliki 7 neutron. Carbon-14 (14C) memiliki 6 proton dan 8 neutron, yang terlalu berat untuk disatukan secara stabil, dan memancarkan energi untuk menghilangkan kelebihannya, itulah sebabnya para ilmuwan menyebutnya "

Ketiga bentuk bereaksi dengan cara yang sama persis — jika Anda menggabungkan karbon dengan oksigen, Anda selalu mendapatkannya karbon dioksida, tidak peduli berapa banyak neutron yang ada. Bentuk 12C dan 13C stabil - artinya, mereka tidak berubah seiring waktu. Karbon-14, di sisi lain, tidak stabil tetapi malah meluruh pada tingkat yang diketahui — karena itu, kita dapat menggunakan rasio yang tersisa untuk Karbon-13 untuk menghitung tanggal radiokarbon, tapi itu masalah lain sepenuhnya.

Rasio Karbon-12 ke Karbon-13 adalah konstan di atmosfer bumi. Selalu ada seratus atom 12C ke satu atom 13C. Selama proses fotosintesis, tanaman menyerap atom karbon di atmosfer bumi, air, dan tanah, dan menyimpannya di sel daun, buah, kacang-kacangan, dan akar. Tetapi, rasio bentuk karbon diubah sebagai bagian dari proses fotosintesis.

Selama fotosintesis, tanaman mengubah rasio kimia 100 12C / 1 13C secara berbeda di daerah iklim yang berbeda. Tanaman yang hidup di daerah dengan banyak sinar matahari dan sedikit air memiliki atom 12C yang relatif lebih sedikit di dalam selnya (dibandingkan dengan 13C) daripada tanaman yang hidup di hutan atau lahan basah. Para ilmuwan mengkategorikan tanaman berdasarkan versi fotosintesis yang mereka gunakan menjadi kelompok yang disebut C3, C4, dan CAM.

Rasio 12C / 13C ditanamkan ke dalam sel tanaman, dan — inilah bagian terbaiknya — ketika sel-sel melewati rantai makanan (mis., Akar, daun, dan buah). dimakan oleh hewan dan manusia), rasio 12C ke 13C tetap tidak berubah karena pada gilirannya disimpan dalam tulang, gigi, dan rambut hewan dan manusia.

Dengan kata lain, jika Anda dapat menentukan rasio 12C ke 13C yang disimpan dalam tulang binatang, Anda bisa mengetahui apakah tanaman yang mereka makan menggunakan proses C4, C3, atau CAM, dan karenanya, seperti apa lingkungan tanaman itu Suka. Dengan kata lain, dengan asumsi Anda makan secara lokal, tempat tinggal Anda tertanam dalam tulang Anda dengan apa yang Anda makan. Pengukuran itu dilakukan oleh analisis spektrometer massa.

Karbon bukan merupakan satu-satunya unsur yang digunakan oleh para peneliti isotop stabil. Saat ini, para peneliti sedang mengukur rasio isotop stabil dari oksigen, nitrogen, strontium, hidrogen, belerang, timbal, dan banyak elemen lain yang diproses oleh tumbuhan dan hewan. Penelitian itu telah menyebabkan keragaman informasi diet manusia dan hewan yang luar biasa.

Aplikasi arkeologi pertama untuk penelitian isotop stabil adalah pada tahun 1970-an, oleh arkeolog Afrika Selatan Nikolaas van der Merwe, yang sedang menggali di Zaman Besi Afrika situs Kgopolwe 3, salah satu dari beberapa situs di Transvaal Lowveld Afrika Selatan, yang disebut Phalaborwa.

Van de Merwe menemukan kerangka lelaki manusia di tumpukan abu yang tidak terlihat seperti pemakaman lain di desa. Kerangka itu berbeda, secara morfologis, dari penghuni Phalaborwa lainnya, dan dia telah dimakamkan dengan cara yang sama sekali berbeda dari penduduk desa pada umumnya. Pria itu tampak seperti orang Khoisan; dan Khoisans seharusnya tidak berada di Phalaborwa, yang merupakan leluhur suku Sotho. Van der Merwe dan rekan-rekannya J. C. Vogel dan Philip Rightmire memutuskan untuk melihat tanda tangan kimia di tulangnya, dan inisial hasilnya menunjukkan bahwa lelaki itu adalah seorang petani sorgum dari desa Khoisan yang entah bagaimana telah meninggal dunia Kgopolwe 3.

Teknik dan hasil studi Phalaborwa dibahas pada sebuah seminar di SUNY Binghamton di mana van der Merwe mengajar. Pada saat itu, SUNY sedang menyelidiki penguburan Akhir Woodland, dan bersama-sama mereka memutuskan akan menarik untuk melihat apakah penambahan jagung (Jagung Amerika, domestik C4 subtropis) untuk diet akan dapat diidentifikasi pada orang-orang yang sebelumnya hanya memiliki akses ke tanaman C3: dan itu.

Studi itu menjadi studi arkeologi pertama yang diterbitkan yang menerapkan analisis isotop stabil, pada tahun 1977. Mereka membandingkan rasio isotop karbon stabil (13C / 12C) dalam kolagen tulang rusuk manusia dari Archaic (2500-2000 SM) dan Hutan Awal (400–100 SM) situs arkeologi di New York (mis., Sebelum jagung tiba di wilayah tersebut) dengan rasio 13C / 12C dalam tulang rusuk dari Late Woodland (ca. 1000–1300 M) dan situs Periode Bersejarah (setelah jagung tiba) dari area yang sama. Mereka mampu menunjukkan bahwa tanda tangan kimia di tulang rusuk adalah indikasi bahwa jagung tidak ada pada periode awal, tetapi telah menjadi makanan pokok pada saat Hutan Akhir.

Berdasarkan demonstrasi ini dan bukti yang tersedia untuk distribusi isotop karbon stabil di alam, Vogel dan van der Merwe menyarankan bahwa teknik ini dapat digunakan untuk mendeteksi pertanian jagung di Hutan dan hutan tropis Amerika; menentukan pentingnya makanan laut dalam diet masyarakat pesisir; mendokumentasikan perubahan tutupan vegetasi dari waktu ke waktu di sabana berdasarkan rasio penelusuran / penggembalaan herbivora campuran-makan; dan mungkin untuk menentukan asal dalam investigasi forensik.

Sejak 1977, aplikasi analisis isotop stabil telah meledak dalam jumlah dan luasnya, menggunakan rasio isotop stabil dari unsur-unsur ringan hidrogen, karbon, nitrogen, oksigen, dan sulfur dalam tulang manusia dan hewan (kolagen dan apatit), enamel gigi dan rambut, serta residu tembikar yang dipanggang ke permukaan atau diserap ke dalam dinding keramik untuk menentukan diet dan air sumber. Rasio isotop stabil ringan (biasanya karbon dan nitrogen) telah digunakan untuk menyelidiki makanan tersebut komponen sebagai makhluk laut (mis. anjing laut, ikan, dan kerang), berbagai tanaman jinak seperti jagung dan jawawut; dan susu sapi (residu susu dalam tembikar), dan ASI (usia menyapih, terdeteksi pada deretan gigi). Studi diet telah dilakukan pada hominin dari hari ini hingga nenek moyang kita Homo habilis dan Australopithecine.

Penelitian isotop lainnya telah berfokus pada penentuan asal-usul geografis benda. Berbagai rasio isotop stabil dalam kombinasi, kadang-kadang termasuk isotop elemen berat seperti strontium dan timah, telah digunakan untuk menentukan apakah penghuni kota kuno adalah imigran atau dilahirkan secara lokal; untuk melacak asal-usul gading rebus dan tanduk badak untuk memecah cincin penyelundupan; dan untuk menentukan asal usul pertanian dari kokain, heroin, dan serat kapas yang digunakan untuk membuat uang kertas pecahan $ 100 palsu.

Contoh lain dari fraksinasi isotop yang memiliki aplikasi berguna melibatkan hujan, yang mengandung isotop hidrogen stabil 1H dan 2H (deuterium) dan isotop oksigen 16O dan 18O. Air menguap dalam jumlah besar di khatulistiwa dan uap air menyebar ke utara dan selatan. Ketika H2O jatuh kembali ke bumi, isotop berat hujan pertama. Pada saat turun seperti salju di kutub, uap airnya sangat terkuras dalam isotop hidrogen dan oksigen yang berat. Distribusi global isotop-isotop ini dalam hujan (dan dalam air keran) dapat dipetakan dan asal-usul konsumen dapat ditentukan dengan analisis isotop rambut.

• Grant, Jennifer. "Perburuan dan Penggembalaan: Bukti Isotop pada Camelid Liar dan Domestikasi dari Puna Argentina Selatan (2120–420tahun BP))." Jurnal Ilmu Arkeologi: Laporan 11 (2017): 29–37. Mencetak.
• Iglesias, Carlos, et al. "Analisis Isotop Stabil Mengonfirmasi Perbedaan Besar antara Jaring Makanan Danau Subtropis dan Beriklim Sedang. "Hydrobiologia 784.1 (2017): 111–23. Mencetak.
• Katzenberg, M. Anne, dan Andrea L. Waters-Rist. "Analisis Isotop Stabil: Alat untuk Mempelajari Diet Masa Lalu, Demografi, dan Sejarah Kehidupan." Antropologi Biologis Kerangka Manusia. Eds. Katzenberg, M. Anne, dan Anne L. Grauer. Edisi ke-3. New York: John Wiley & Sons, Inc., 2019. 467–504. Mencetak.
• Harga, t. Douglas, dkk. "Isotopic Provenancing dari ." Jaman dahulu 90.352 (2016): 1022–37. Mencetak.Salme Mengirim Pemakaman di Zaman Pra-Viking Estonia
• Sealy, J. C., dan N. J. van der Merwe. "Tentang "Pendekatan terhadap Rekonstruksi Pola Makan di Cape Barat: Apakah Anda Apa yang Anda Makan?" - Balasan ke Parkington." Jurnal Ilmu Arkeologi 19.4 (1992): 459–66. Mencetak.
• Somerville, Andrew D., et al. "Diet dan Gender di Koloni Tiwanaku: Analisis Isotop Stabil Kolagen Tulang Manusia dan Apatit dari Moquegua, Peru." Jurnal Amerika untuk Antropologi Fisik 158.3 (2015): 408–22. Mencetak.
• Sugiyama, Nawa, Andrew D. Somerville, dan Margaret J. Schoeninger. "Isotop dan Zooarchaeology yang Stabil di Teotihuacan, Meksiko Mengungkap Bukti Awal tentang Pengelolaan Karnivora Liar di Mesoamerika." Silakan SATU 10.9 (2015): e0135635. Mencetak.
• Vogel, J.C., dan Nikolaas J. Van der Merwe. "Bukti Isotop untuk Budidaya Jagung Awal di Negara Bagian New York." Purbakala Amerika 42.2 (1977): 238–42. Mencetak.