Gli isotopi sono atomi dello stesso elemento che hanno un numero uguale di protoni e un numero ineguale di neutroni, dando loro un peso leggermente diverso. Possono essere divisi in due categorie: radioattivi e stabili.
Gli isotopi radioattivi (per esempio il C-14) decadono nel tempo, una proprietà che li rende strumenti molto importanti per la datazione di reperti archeologici, terreni o rocce. Gli isotopi stabili hanno un nucleo stabile che non decade. La loro abbondanza rimane quindi la stessa nel tempo, il che permette molte applicazioni utili in archeologia (e in altre discipline come l’ecologia o le scienze forensi).
Gli isotopi sono presenti ovunque nel mondo in cui viviamo e respiriamo, ma l’equilibrio (o i rapporti) in cui si verificano diversi isotopi degli stessi elementi varia tra le diverse sostanze (ad esempio diversi tipi di cibo) e gli eco-sistemi (ad esempio tra terra e mare o tra diverse zone climatiche). Mentre cresciamo e, continuamente, mentre i nostri tessuti si rinnovano, gli isotopi che si trovano nel cibo che mangiamo e nell’acqua che beviamo vengono incorporati in tutti i tessuti del nostro corpo, compreso il nostro scheletro. Misurando i rapporti dei diversi isotopi nelle ossa o nei denti e utilizzando le conoscenze scientifiche su come si presentano in natura per risalire alle fonti da cui provengono, gli archeologi possono scoprire molte cose su un individuo, come la sua dieta e l’ambiente in cui è cresciuto.
Ci sono molti isotopi stabili che vengono utilizzati dagli archeologi, ma quelli che sono più ampiamente analizzati sono:
- carbonio: 13C (o C-13) e 12C (o C-12). Il rapporto tra i due (13C/12C) è normalmente indicato come valori δ13C (pronunciato: delta-13-C).
- azoto: 15N (o N-15) e 14N (o N-14). Di nuovo, il rapporto tra i due (15N/14N) è dato come valori δ15N (delta-15-N).
- ossigeno: 18O (O-18) e 16O (O-16), con il loro rapporto (18O/16O) indicato come valori δ18O (delta-18-O).
- stronzio: 87Sr (Sr-87) e 86Sr (Sr-86). I rapporti isotopici dello stronzio sono indicati come rapporti 87Sr/86Sr.
I rapporti isotopici sono misurati con strumenti analitici conosciuti come spettrometri di massa a rapporto isotopico (IRMS). I rapporti degli isotopi stabili del carbonio e dell’azoto sono più spesso usati per esplorare una vasta gamma di questioni che riguardano la dieta (per esempio il consumo di prodotti animali o di pesce; l’età dello svezzamento), mentre l’applicazione principale dei rapporti degli isotopi dell’ossigeno e dello stronzio è la ricostruzione delle migrazioni antiche (vedi punto 2.11).
Analisi della dieta
Negli anni ’80 gli studiosi si resero conto che i diversi rapporti degli isotopi del carbonio e dell’azoto nelle ossa umane possono fornire informazioni sul tipo di dieta consumata dagli individui. Per esempio, gli isotopi stabili del carbonio possono distinguere tra alcuni tipi di piante, le cosiddette piante C3, che costituiscono la stragrande maggioranza delle piante terrestri, e le piante C4, che comprendono in particolare il mais. Nelle prime applicazioni del metodo degli isotopi, questo è stato utilizzato per tracciare l’introduzione dell’agricoltura (mais) in Nord America. In Europa, dove c’erano pochissime piante C4 nell’antichità, gli isotopi stabili del carbonio sono usati soprattutto per distinguere gli alimenti terrestri da quelli marini (pesci e molluschi). Combinati con i rapporti degli isotopi dell’azoto, che aumentano quanto più in alto si trova un individuo nella catena alimentare, possono quindi dare un’indicazione della quantità di prodotti animali nella dieta. Fondamentalmente, il metodo non può distinguere tra carne e latticini (vedi Figura 1). Per esempio, gli studi sulle nostre abitudini alimentari nel passato hanno rivelato che le popolazioni del Neolitico non consumavano praticamente pesce, un cambiamento molto drastico rispetto al precedente Mesolitico, mentre i vescovi medievali di alto livello consumavano molto più pesce, associato al digiuno, rispetto alla loro congregazione.
Figura 1. Tipici rapporti di isotopi stabili del collagene osseo per l’Europa nord-occidentale, che illustrano il principio della ricostruzione della dieta.
© Müldner 2009, University of Reading
Svezzamento
Lo svezzamento è un termine che descrive la transizione graduale della dieta di un bambino dal latte materno al cibo solido. Lo studio dell’età dello svezzamento nelle popolazioni del passato si basa sul fatto che i rapporti degli isotopi stabili di azoto e ossigeno variano a seconda del livello “trofico” (o punto della catena alimentare) di un individuo. Attraverso l’allattamento al seno un bambino sta effettivamente consumando i tessuti della madre, mettendolo più in alto nella catena alimentare e aumentando i rapporti isotopi di azoto (o δ15N) nei propri tessuti. Quando inizia lo svezzamento e il latte materno viene gradualmente sostituito da altri alimenti, il δ15N dei tessuti diminuirà e si allineerà ai valori della madre e degli altri adulti di quella popolazione.
Similmente, gli isotopi dell’ossigeno vengono assunti dal corpo dall’acqua dell’ambiente. Durante l’allattamento, un bambino consuma alti livelli di 18O, che diminuiscono gradualmente quando l’acqua comincia ad essere consumata da fonti isotopicamente più “leggere”. Seguire i livelli di isotopi di azoto e/o ossigeno nei denti (in relazione all’età del bambino quando si è formato il dente) ci aiuta a determinare l’età in cui il bambino è stato svezzato dal latte materno e ha iniziato a mangiare cibi solidi.