Isotoopit ovat saman alkuaineen atomeja, joilla on yhtä monta protonia ja eri määrä neutroneita, jolloin niiden paino on hieman erilainen. Ne voidaan jakaa kahteen luokkaan – radioaktiivisiin ja stabiileihin.
Radioaktiiviset isotoopit (esimerkiksi C-14) hajoavat ajan myötä, mikä ominaisuus tekee niistä erittäin tärkeitä välineitä arkeologisten löytöjen, maaperän tai kivien ajoittamisessa. Stabiileilla isotoopeilla on vakaa ydin, joka ei hajoa. Siksi niiden määrä pysyy samana ajan kuluessa, mikä mahdollistaa monia hyödyllisiä sovelluksia arkeologiassa (ja muilla tieteenaloilla, kuten ekologiassa tai oikeuslääketieteessä).
Isotooppeja esiintyy kaikkialla maailmassa, jossa elämme ja hengitämme, mutta tasapaino (tai suhteet), jossa samojen alkuaineiden eri isotooppeja esiintyy, vaihtelee eri aineissa (esim. erityyppisissä elintarvikkeissa) ja ekosysteemeissä (esim. maa- ja merialueiden tai eri ilmastovyöhykkeiden välillä). Kun kasvamme ja kudoksemme uusiutuvat jatkuvasti, syömämme ruoan ja juomamme veden sisältämät isotoopit kulkeutuvat kaikkiin kudoksiimme, myös luustoon. Mittaamalla eri isotooppien suhteita luissa tai hampaissa ja käyttämällä tieteellistä tietoa siitä, miten ne esiintyvät luonnossa, ja jäljittämällä ne lähteisiin, joista ne ovat peräisin, arkeologit voivat saada selville monia asioita yksilöstä, kuten millainen hänen ruokavalionsa oli ja millaisessa ympäristössä hän kasvoi.
Arkeologien käyttämiä stabiileja isotooppeja on monia, mutta yleisimmin analysoidut ovat:
- hiili: 13C (tai C-13) ja 12C (tai C-12). Näiden kahden suhdetta (13C/12C) kutsutaan tavallisesti δ13C (lausutaan: delta-13-C) -arvoiksi.
- typpi: 15N (tai N-15) ja 14N (tai N-14). Näiden kahden välinen suhde (15N/14N) ilmoitetaan taas δ15N (delta-15-N) -arvoina.
- happi: 18O (O-18) ja 16O (O-16), ja niiden suhdetta (18O/16O) kutsutaan δ18O (delta-18-O) -arvoiksi.
- strontium: 87Sr (Sr-87) ja 86Sr (Sr-86). Strontiumin isotooppisuhteista käytetään nimitystä 87Sr/86Sr-suhteet.
Isotooppisuhteet mitataan analyysilaitteilla, joita kutsutaan isotooppisuhde-massaspektrometreiksi (IRMS). Hiilen ja typen stabiileja isotooppisuhteita käytetään useimmiten erilaisten ruokavalioon liittyvien kysymysten tutkimiseen (esim. eläinperäisten tuotteiden tai kalan kulutus; vieroitusikä), kun taas hapen ja strontiumin isotooppisuhteiden pääasiallinen käyttökohde on muinaisten siirtolaismuuttojen rekonstruointi (ks. vaihe 2.11).
Ruokavalioanalyysi
Tutkijat tajusivat 1980-luvulla, että hiilen ja typen isotooppien erilaiset suhdelukujen suhteet ihmisen luustossa voivat antaa tietoa yksilöiden kuluttaman ruokavalion tyypistä. Esimerkiksi hiilen stabiilien isotooppien avulla voidaan erottaa toisistaan tietyntyyppiset kasvit, niin sanotut C3-kasvit, jotka muodostavat valtaosan maakasveista, ja C4-kasvit, joihin erityisesti maissi kuuluu. Isotooppimenetelmän varhaisimmissa sovelluksissa tätä käytettiin maanviljelyn (maissinviljelyn) käyttöönoton jäljittämiseen Pohjois-Amerikassa. Euroopassa, jossa C4-kasveja oli antiikin aikana hyvin vähän, hiilen stabiileja isotooppeja käytetään lähinnä erottamaan maa- ja meriruoka (kala ja äyriäiset) toisistaan. Yhdistettynä typpi-isotooppisuhteisiin, jotka kasvavat sitä suuremmiksi, mitä korkeammalla ravintoketjussa yksilö on, ja voivat siten antaa viitteitä eläinperäisten tuotteiden määrästä ruokavaliossa. Ratkaisevaa on, että menetelmällä ei voida erottaa lihaa ja maitotuotteita toisistaan (ks. kuva 1). Esimerkiksi menneisyyden ruokailutottumuksiamme koskevat tutkimukset ovat osoittaneet, että neoliittiset väestöt eivät syöneet käytännössä lainkaan kalaa, mikä oli hyvin jyrkkä muutos edeltävään mesoliittiseen aikaan verrattuna, kun taas keskiajan korkea-arvoiset piispat söivät huomattavasti enemmän kalaa, mikä liittyi paastoon, kuin heidän seurakuntalaisensa.
Kuva 1. Ruokailutottumukset. Tyypilliset luun kollageenin vakaiden isotooppien suhteet Luoteis-Euroopassa, mikä havainnollistaa ruokavalion rekonstruoinnin periaatetta.
© Müldner 2009, University of Reading
Vieroitus
Vieroitus on termi, jolla kuvataan lapsen ruokavalion asteittaista siirtymistä rintamaidosta kiinteään ruokaan. Aikaisempien populaatioiden vieroitusajan tutkiminen perustuu siihen, että typen ja hapen vakaat isotooppisuhteet vaihtelevat yksilön ”trofiatason” (tai ravintoketjun kohdan) mukaan. Imettämällä lapsi kuluttaa käytännössä äitinsä kudoksia, jolloin se sijoittuu ravintoketjussa korkeammalle ja typen isotooppisuhteet (tai δ15N) kasvavat sen omissa kudoksissa. Kun vieroitus alkaa ja äidinmaito korvataan vähitellen muilla elintarvikkeilla, kudosten δ15N pienenee ja laskee äidin ja muiden kyseisen populaation aikuisten arvojen mukaiseksi.
Hapen isotooppeja elimistö ottaa vastaavalla tavalla ympäristön vedestä. Imetyksen aikana lapsi kuluttaa runsaasti 18O:ta, joka vähitellen laskee, kun vettä aletaan kuluttaa isotooppisesti ”kevyemmistä” lähteistä. Hampaiden typpi- ja/tai happi-isotooppipitoisuuksien seuranta (suhteessa lapsen ikään hampaan syntyhetkellä) auttaa määrittämään, missä iässä lapsi vieroitettiin äidinmaidosta ja siirryttiin kiinteään ravintoon.