Izotopy to atomy tego samego pierwiastka, które mają jednakową liczbę protonów i nierówną liczbę neutronów, co daje im nieco inne masy. Można je podzielić na dwie kategorie – promieniotwórcze i stabilne.
Izotopy promieniotwórcze (na przykład C-14) rozpadają się w czasie, co czyni je bardzo ważnymi narzędziami do datowania znalezisk archeologicznych, gleb czy skał. Izotopy stabilne mają stabilne jądro, które nie ulega rozpadowi. Ich obfitość pozostaje zatem niezmienna w czasie, co pozwala na wiele użytecznych zastosowań w archeologii (i innych dyscyplinach, takich jak ekologia czy kryminalistyka).
Izotopy są obecne wszędzie w świecie, w którym żyjemy i oddychamy, ale równowaga (lub proporcje), w której występują różne izotopy tych samych pierwiastków, różni się między różnymi substancjami (np. różnymi rodzajami żywności) i ekosystemami (np. między lądem a morzem lub między różnymi strefami klimatycznymi). W miarę jak rośniemy i stale odnawiają się nasze tkanki, izotopy zawarte w jedzeniu, które spożywamy i wodzie, którą pijemy, są włączane do wszystkich tkanek naszego ciała, w tym do naszego szkieletu. Mierząc proporcje różnych izotopów w kościach lub zębach i wykorzystując wiedzę naukową o tym, jak występują one w przyrodzie, aby prześledzić ich pochodzenie, archeolodzy mogą dowiedzieć się wielu rzeczy o danej osobie, takich jak dieta i środowisko, w którym dorastała.
Istnieje wiele stabilnych izotopów używanych przez archeologów, ale te, które są najczęściej analizowane to:
- węgiel: 13C (lub C-13) i 12C (lub C-12). Stosunek między tymi dwoma (13C/12C) jest zwykle określany jako δ13C (wymawiane: delta-13-C) wartości.
- azotu: 15N (lub N-15) i 14N (lub N-14). Ponownie, stosunek między tymi dwoma (15N/14N) jest podawany jako δ15N (delta-15-N) values.
- tlen: 18O (O-18) i 16O (O-16), z ich stosunkiem (18O/16O) określane jako δ18O (delta-18-O) values.
- stront: 87Sr (Sr-87) i 86Sr (Sr-86). Stosunki izotopów strontu są określane jako 87Sr/86Sr ratios.
Stosunki izotopów są mierzone za pomocą instrumentów analitycznych znanych jako izotope-ratio-mass-spectrometry (IRMS). Stosunki stabilnych izotopów węgla i azotu są najczęściej wykorzystywane do badania szerokiego zakresu pytań dotyczących diety (np. konsumpcja produktów zwierzęcych lub ryb; wiek odstawienia od piersi), podczas gdy głównym zastosowaniem stosunków izotopów tlenu i strontu jest rekonstrukcja starożytnej migracji (patrz Krok 2.11).
Analiza diety
W latach 80-tych uczeni zdali sobie sprawę, że różne stosunki izotopów węgla i azotu w ludzkich kościach mogą dostarczyć informacji na temat rodzaju diety spożywanej przez poszczególne osoby. Na przykład, w izotopów stabilnych węgla można odróżnić niektóre rodzaje roślin, tzw C3-roślin, które stanowią znaczną większość roślin lądowych i C4-roślin, które w szczególności obejmują kukurydzę. W najwcześniejszych zastosowaniach metody izotopowej wykorzystano ją do prześledzenia wprowadzenia rolnictwa (rolnictwa kukurydzianego) w Ameryce Północnej. W Europie, gdzie w starożytności było bardzo mało roślin C4, stabilne izotopy węgla są najczęściej używane do odróżniania pokarmów lądowych od morskich (ryby i skorupiaki). W połączeniu ze stosunkami izotopów azotu, które wzrastają im wyżej dany osobnik znajduje się w łańcuchu pokarmowym, mogą więc wskazywać na ilość produktów zwierzęcych w diecie. Co istotne, metoda ta nie pozwala na rozróżnienie między mięsem a nabiałem (patrz rys. 1). Na przykład, badania naszych nawyków żywieniowych w przeszłości ujawniły, że populacje neolityczne praktycznie nie spożywały ryb, co było bardzo drastyczną zmianą w stosunku do poprzedzającego mezolitu, podczas gdy wysoko postawieni średniowieczni biskupi spożywali znacznie więcej ryb, związanych z postem, niż ich kongregacja.
Rysunek 1. Typowe stosunki stabilnych izotopów kolagenu kostnego dla północno-zachodniej Europy, ilustrujące zasadę rekonstrukcji diety.
© Müldner 2009, University of Reading
Odstawienie od piersi
Odstawienie od piersi to termin określający stopniowe przechodzenie w diecie dziecka od mleka matki do pokarmów stałych. Badanie wieku odstawienia od piersi w przeszłych populacjach opiera się na fakcie, że stabilne stosunki izotopów azotu i tlenu, będzie się różnić w zależności od poziomu „troficznego” (lub punkt na łańcuchu pokarmowym) jednostki. Poprzez karmienie piersią dziecko jest skutecznie zużywa tkanki matki, umieszczając go wyżej w łańcuchu pokarmowym i zwiększenie stosunku izotopów azotu (lub δ15N) w swoich tkankach. Kiedy zaczyna się odstawianie od piersi i mleko matki jest stopniowo zastępowane przez inne pokarmy, tkanka δ15N zmniejszy się i spadnie zgodnie z wartościami matki i innych dorosłych w tej populacji.
Podobnie, izotopy tlenu są pobierane przez organizm z wody w środowisku. Podczas karmienia piersią, dziecko zużywa wysoki poziom 18O, który stopniowo spada, gdy woda zaczyna być spożywana z, izotopowo „lżejszych”, źródeł. Śledzenie poziomów izotopów azotu i/lub tlenu w zębach (w odniesieniu do wieku dziecka, kiedy ząb się uformował) pomaga nam określić wiek, w którym dziecko zostało odstawione od mleka matki i przeszło na pokarmy stałe.