Az izotópok ugyanannak az elemnek olyan atomjai, amelyeknek azonos számú protonjuk és egyenlőtlen számú neutronjuk van, így súlyuk kissé eltérő. Két kategóriába sorolhatók – radioaktívak és stabilak.
A radioaktív izotópok (például a C-14) idővel bomlanak, ez a tulajdonságuk nagyon fontos eszközzé teszi őket a régészeti leletek, talajok vagy kőzetek kormeghatározásában. A stabil izotópok stabil atommaggal rendelkeznek, amely nem bomlik. Bőségük ezért idővel változatlan marad, ami számos hasznos alkalmazást tesz lehetővé a régészetben (és más tudományágakban, például az ökológiában vagy a törvényszéki tudományokban).
Az izotópok mindenütt jelen vannak a világban, ahol élünk és lélegzünk, de az egyensúly (vagy arány), amelyben ugyanazon elemek különböző izotópjai előfordulnak, különböző anyagok (például különböző típusú élelmiszerek) és ökoszisztémák (például szárazföld és tenger vagy különböző éghajlati övezetek) között változik. Ahogy növekedünk, és ahogy folyamatosan megújulnak a szöveteink, a táplálékban és az ivóvízben lévő izotópok beépülnek minden testszövetünkbe, beleértve a csontvázunkat is. A csontokban vagy fogakban található különböző izotópok arányának mérésével és a természetben való előfordulásukról szóló tudományos ismeretek felhasználásával visszavezethetők a forrásokhoz, ahonnan származnak, a régészek sok mindent megtudhatnak egy adott személyről, például azt, hogy milyen volt az étrendje és milyen környezetben nőtt fel.
A régészek számos stabil izotópot használnak, de a leggyakrabban elemzettek a következők:
- szén: 13C (vagy C-13) és 12C (vagy C-12). A kettő közötti arányt (13C/12C) általában δ13C (ejtsd: delta-13-C) értékeknek nevezik.
- nitrogén: 15N (vagy N-15) és 14N (vagy N-14). A kettő közötti arányt (15N/14N) ismét δ15N (delta-15-N) értékeknek nevezik.
- oxigén: 18O (O-18) és 16O (O-16), arányukat (18O/16O) δ18O (delta-18-O) értékeknek nevezik.
- stroncium: 87Sr (Sr-87) és 86Sr (Sr-86). A stroncium izotóparányokat 87Sr/86Sr arányként említik.
Az izotóparányokat izotóparány-tömegspektrométerek (IRMS) néven ismert analitikai műszerekkel mérik. A szén és nitrogén stabil izotóparányokat leggyakrabban a táplálkozással kapcsolatos kérdések széles körének feltárására használják (pl. állati termékek vagy halak fogyasztása; elválasztási kor), míg az oxigén és stroncium izotóparányok fő alkalmazási területe az ősi migráció rekonstruálása (lásd 2.11. lépés).
Táplálkozáselemzés
Az 1980-as években a tudósok felismerték, hogy az emberi csontokban található szén- és nitrogénizotópok különböző arányai információt szolgáltatnak az egyének által fogyasztott táplálék típusáról. A szénben a stabil izotópok például különbséget tudnak tenni bizonyos növénytípusok, az úgynevezett C3-növények, amelyek a szárazföldi növények túlnyomó többségét alkotják, és a C4-növények között, amelyek közé nevezetesen a kukorica tartozik. Az izotópos módszer legkorábbi alkalmazásai során ezt használták a földművelés (kukoricatermesztés) észak-amerikai bevezetésének nyomon követésére. Európában, ahol az ókorban nagyon kevés C4-növény volt, a szén stabil izotópjait leginkább a szárazföldi és tengeri élelmiszerek (halak és kagylók) megkülönböztetésére használják. A nitrogénizotópok arányával kombinálva, amelyek annál nagyobbak, minél magasabbra kerül az egyén a táplálékláncban, és így jelezhetik az állati eredetű termékek mennyiségét az étrendben. Lényeges, hogy a módszer nem tud különbséget tenni a hús és a tejtermékek között (lásd az 1. ábrát). A múltbeli étkezési szokásainkat vizsgáló tanulmányok például kimutatták, hogy a neolitikus népesség gyakorlatilag nem fogyasztott halat, ami igen drasztikus változás az azt megelőző mezolitikumhoz képest, míg a magas státuszú középkori püspökök a böjttel együtt járó, lényegesen több halat fogyasztottak, mint a gyülekezetük.
1. ábra. Északnyugat-Európa tipikus csontkollagén stabil izotóparányai, illusztrálva a táplálkozási rekonstrukció elvét.
© Müldner 2009, University of Reading
Weaning
A Weaning kifejezés a gyermek étrendjének fokozatos átállítását írja le az anyatejről a szilárd táplálékra. Az elválasztás korának vizsgálata a múltbeli populációkban arra a tényre támaszkodik, hogy a nitrogén és az oxigén stabil izotóparányai az egyén “trofikus” szintje (vagy a tápláléklánc egy pontja) szerint változnak. A szoptatással a gyermek gyakorlatilag az anyja szöveteit fogyasztja, ezáltal magasabbra kerül a táplálékláncban, és növeli a nitrogénizotóp-arányokat (vagy δ15N) a saját szöveteiben. Amikor megkezdődik az elválasztás, és az anyatejet fokozatosan más táplálékkal helyettesítik, a szöveti δ15N csökken, és az anya és az adott populáció többi felnőttjének értékeihez igazodik.
Hasonlóan az oxigénizotópokat is felveszi a szervezet a környezetben lévő vízből. Szoptatáskor a gyermek nagy mennyiségű 18O-t fogyaszt, amely fokozatosan csökken, ahogy a vizet izotóp szempontjából “könnyebb” forrásokból kezdi fogyasztani. A fogakban található nitrogén- és/vagy oxigénizotópok szintjének nyomon követése (a gyermek életkorához viszonyítva, amikor a fog kialakult) segít meghatározni azt az életkort, amikor a gyermek elválasztották az anyatejről és áttért a szilárd táplálékra.