Isotopen zijn atomen van hetzelfde element die een gelijk aantal protonen en een ongelijk aantal neutronen hebben, waardoor ze een iets ander gewicht hebben. Zij kunnen in twee categorieën worden onderverdeeld – radioactieve en stabiele.
Radioactieve isotopen (bijvoorbeeld C-14) vervallen in de loop van de tijd, een eigenschap waardoor zij zeer belangrijke instrumenten zijn voor de datering van archeologische vondsten, bodem of gesteente. Stabiele isotopen hebben een stabiele kern die niet vervalt. Hun abundantie blijft dus gelijk in de tijd, wat vele nuttige toepassingen in de archeologie (en andere disciplines zoals ecologie of forensische wetenschap) mogelijk maakt.
Isotopen zijn overal aanwezig in de wereld waarin we leven en ademen, maar het evenwicht (of de verhoudingen) waarin verschillende isotopen van dezelfde elementen voorkomen, varieert tussen verschillende stoffen (bv. verschillende soorten voedsel) en ecosystemen (bv. tussen land en zee of tussen verschillende klimaatzones). Naarmate we groeien en onze weefsels zich voortdurend vernieuwen, worden de isotopen in het voedsel dat we eten en het water dat we drinken, opgenomen in al onze lichaamsweefsels, met inbegrip van ons skelet. Door de verhoudingen van de verschillende isotopen in beenderen of tanden te meten en met behulp van wetenschappelijke kennis over hoe ze in de natuur voorkomen te herleiden tot de bronnen waaruit ze afkomstig zijn, kunnen archeologen veel dingen over een individu te weten komen, zoals hoe zijn voeding eruitzag en in welke omgeving hij opgroeide.
Er zijn veel stabiele isotopen die door archeologen worden gebruikt, maar de isotopen die het meest worden geanalyseerd zijn:
- koolstof: 13C (of C-13) en 12C (of C-12). De verhouding tussen de twee (13C/12C) wordt gewoonlijk δ13C (spreek uit: delta-13-C) waarden genoemd.
- stikstof: 15N (of N-15) en 14N (of N-14). Ook hier wordt de verhouding tussen de twee (15N/14N) aangeduid als δ15N (delta-15-N) waarden.
- zuurstof: 18O (O-18) en 16O (O-16), waarbij hun verhouding (18O/16O) wordt aangeduid als δ18O (delta-18-O) waarden.
- strontium: 87Sr (Sr-87) en 86Sr (Sr-86). Strontium-isotopenverhoudingen worden 87Sr/86Sr-verhoudingen genoemd.
Isotopenverhoudingen worden gemeten met analytische instrumenten die bekend staan als isotopen-verhouding-massaspectrometers (IRMS). Stabiele isotopenverhoudingen van koolstof en stikstof worden meestal gebruikt om een hele reeks vragen in verband met het dieet te onderzoeken (bv. consumptie van dierlijke producten of vis; speenleeftijd), terwijl de belangrijkste toepassing van isotopenverhoudingen van zuurstof en strontium de reconstructie van migratie in de oudheid is (zie stap 2.11).
Dieetanalyse
In de jaren tachtig realiseerden wetenschappers zich dat verschillende verhoudingen van koolstof- en stikstofisotopen in menselijke beenderen informatie kunnen verschaffen over het soort dieet dat individuen hebben genuttigd. Stabiele isotopen in koolstof kunnen bijvoorbeeld een onderscheid maken tussen bepaalde plantensoorten, de zogenaamde C3-planten, die de grote meerderheid van landplanten uitmaken, en C4-planten, waartoe met name maïs behoort. In de vroegste toepassingen van de isotopenmethode werd dit gebruikt om de introductie van de landbouw (maïslandbouw) in Noord-Amerika te traceren. In Europa, waar in de oudheid zeer weinig C4-planten voorkwamen, worden stabiele koolstofisotopen meestal gebruikt om terrestrisch van marien voedsel (vis en schaaldieren) te onderscheiden. In combinatie met stikstofisotopenverhoudingen, die toenemen naarmate een individu zich hoger in de voedselketen bevindt, kan dit een indicatie geven van de hoeveelheid dierlijke producten in het dieet. Van cruciaal belang is dat de methode geen onderscheid kan maken tussen vlees en zuivel (zie figuur 1). Studies naar onze eetgewoonten in het verleden hebben bijvoorbeeld aangetoond dat neolithische bevolkingsgroepen praktisch geen vis aten, een zeer drastische verandering ten opzichte van het voorafgaande mesolithicum, terwijl middeleeuwse bisschoppen met een hoge status aanzienlijk meer vis aten, in verband met het vasten, dan hun congregatie.
Figuur 1. Typische botcollageen-stabiele isotopenverhoudingen voor Noordwest-Europa, ter illustratie van het principe van dieetreconstructie.
© Müldner 2009, University of Reading
Spenen
Spenen is een term om de geleidelijke overgang van het dieet van een kind van moedermelk naar vast voedsel te beschrijven. De studie van de speenleeftijd bij vroegere bevolkingsgroepen is gebaseerd op het feit dat de stabiele isotopenverhoudingen van stikstof en zuurstof variëren naar gelang van het “trofische” niveau (of punt in de voedselketen) van een individu. Door borstvoeding te geven consumeert een kind in feite de weefsels van zijn moeder, waardoor het hoger in de voedselketen komt te staan en de stikstofisotopenverhoudingen (of δ15N) in zijn eigen weefsels toenemen. Wanneer het spenen begint en de moedermelk geleidelijk wordt vervangen door andere voedingsmiddelen, zal de δ15N-waarde van het weefsel dalen en in overeenstemming komen met de waarden van de moeder en andere volwassenen in die populatie.
Ook zuurstofisotopen worden door het lichaam opgenomen uit het water in de omgeving. Tijdens de borstvoeding verbruikt een kind hoge gehaltes 18O, die geleidelijk dalen naarmate water wordt verbruikt uit, isotopisch “lichtere”, bronnen. Door het gehalte aan stikstof- en/of zuurstofisotopen in tanden en kiezen na te gaan (in verhouding tot de leeftijd van het kind toen die tand werd gevormd), kunnen we de leeftijd bepalen waarop het kind van de moedermelk is overgeschakeld op vast voedsel.