Isotope sind Atome desselben Elements, die eine gleiche Anzahl von Protonen und eine ungleiche Anzahl von Neutronen haben, was ihnen ein leicht unterschiedliches Gewicht verleiht. Sie können in zwei Kategorien eingeteilt werden: radioaktive und stabile Isotope.
Radioaktive Isotope (z. B. C-14) zerfallen mit der Zeit, eine Eigenschaft, die sie zu einem sehr wichtigen Instrument für die Datierung archäologischer Funde, Böden oder Gesteine macht. Stabile Isotope haben einen stabilen Atomkern, der nicht zerfällt. Ihre Häufigkeit bleibt daher im Laufe der Zeit gleich, was viele nützliche Anwendungen in der Archäologie (und anderen Disziplinen wie Ökologie oder Forensik) ermöglicht.
Isotope sind überall in der Welt, in der wir leben und atmen, vorhanden, aber das Gleichgewicht (oder Verhältnis), in dem verschiedene Isotope der gleichen Elemente vorkommen, variiert zwischen verschiedenen Substanzen (z. B. verschiedenen Arten von Lebensmitteln) und Ökosystemen (z. B. zwischen Land und Meer oder zwischen verschiedenen Klimazonen). Während wir wachsen und unser Gewebe sich ständig erneuert, werden die Isotope aus der Nahrung und dem Wasser, das wir trinken, in alle unsere Körpergewebe, einschließlich unseres Skeletts, eingebaut. Durch die Messung des Verhältnisses verschiedener Isotope in Knochen oder Zähnen und die Nutzung wissenschaftlicher Erkenntnisse darüber, wie sie in der Natur vorkommen, um sie zu den Quellen zurückzuverfolgen, aus denen sie stammen, können Archäologen viele Dinge über eine Person herausfinden, z. B. wie ihre Ernährung war und in welcher Umgebung sie aufgewachsen ist.
Es gibt viele stabile Isotope, die von Archäologen verwendet werden, aber die am häufigsten analysierten sind:
- Kohlenstoff: 13C (oder C-13) und 12C (oder C-12). Das Verhältnis zwischen den beiden (13C/12C) wird normalerweise als δ13C (ausgesprochen: delta-13-C) Werte bezeichnet.
- Stickstoff: 15N (oder N-15) und 14N (oder N-14). Auch hier wird das Verhältnis zwischen den beiden (15N/14N) als δ15N (delta-15-N) Werte angegeben.
- Sauerstoff: 18O (O-18) und 16O (O-16), wobei ihr Verhältnis (18O/16O) als δ18O (delta-18-O) Werte bezeichnet wird.
- Strontium: 87Sr (Sr-87) und 86Sr (Sr-86). Die Strontium-Isotopenverhältnisse werden als 87Sr/86Sr-Verhältnisse bezeichnet.
Die Isotopenverhältnisse werden mit analytischen Instrumenten gemessen, die als Isotopenverhältnis-Massenspektrometer (IRMS) bekannt sind. Die stabilen Isotopenverhältnisse von Kohlenstoff und Stickstoff werden am häufigsten verwendet, um eine Vielzahl von Fragen im Zusammenhang mit der Ernährung zu untersuchen (z. B. Verzehr von tierischen Produkten oder Fisch; Absetzalter), während die Hauptanwendung von Sauerstoff- und Strontium-Isotopenverhältnissen darin besteht, antike Wanderungen zu rekonstruieren (siehe Schritt 2.11).
Analyse der Ernährung
In den 1980er Jahren erkannten Wissenschaftler, dass unterschiedliche Verhältnisse von Kohlenstoff- und Stickstoffisotopen in menschlichen Knochen Aufschluss über die Art der Ernährung geben können, die Individuen zu sich nahmen. Stabile Kohlenstoffisotope können beispielsweise zwischen bestimmten Pflanzenarten, den so genannten C3-Pflanzen, die die überwiegende Mehrheit der Landpflanzen ausmachen, und C4-Pflanzen, zu denen vor allem Mais gehört, unterscheiden. In den ersten Anwendungen der Isotopenmethode wurde dies genutzt, um die Einführung der Landwirtschaft (Maisanbau) in Nordamerika nachzuvollziehen. In Europa, wo es in der Antike nur sehr wenige C4-Pflanzen gab, werden stabile Kohlenstoffisotope hauptsächlich zur Unterscheidung zwischen terrestrischen und marinen Nahrungsmitteln (Fisch und Schalentiere) verwendet. Kombiniert mit Stickstoffisotopen, die umso mehr zunehmen, je höher ein Individuum in der Nahrungskette steht, können sie einen Hinweis auf den Anteil an tierischen Produkten in der Ernährung geben. Entscheidend ist, dass die Methode nicht zwischen Fleisch und Milchprodukten unterscheiden kann (siehe Abbildung 1). Studien über unsere Essgewohnheiten in der Vergangenheit haben beispielsweise ergeben, dass die Menschen der Jungsteinzeit praktisch keinen Fisch verzehrten, was eine sehr drastische Veränderung gegenüber dem vorangegangenen Mesolithikum darstellt, während hochrangige mittelalterliche Bischöfe deutlich mehr Fisch verzehrten, was mit Fasten verbunden war, als ihre Gemeinde.
Abbildung 1. Typische stabile Isotopenverhältnisse von Knochenkollagen für Nordwesteuropa, die das Prinzip der Ernährungsrekonstruktion veranschaulichen.
© Müldner 2009, University of Reading
Entwöhnung
Entwöhnung ist ein Begriff, der den allmählichen Übergang der Ernährung eines Kindes von Muttermilch zu fester Nahrung beschreibt. Die Untersuchung des Entwöhnungsalters in früheren Populationen beruht auf der Tatsache, dass die stabilen Isotopenverhältnisse von Stickstoff und Sauerstoff je nach „trophischer“ Ebene (oder Position in der Nahrungskette) eines Individuums variieren. Durch das Stillen nimmt ein Kind effektiv das Gewebe seiner Mutter zu sich, wodurch es in der Nahrungskette höher steht und die Stickstoffisotopenverhältnisse (oder δ15N) in seinem eigenen Gewebe erhöht werden. Wenn die Entwöhnung beginnt und die Muttermilch allmählich durch andere Nahrungsmittel ersetzt wird, nimmt das δ15N-Verhältnis im Gewebe ab und gleicht sich den Werten der Mutter und anderer Erwachsener in der Bevölkerung an.
Auch Sauerstoffisotope werden vom Körper aus dem Wasser der Umgebung aufgenommen. Beim Stillen nimmt ein Kind hohe Mengen an 18O auf, die allmählich sinken, wenn es beginnt, Wasser aus isotopisch „leichteren“ Quellen zu sich zu nehmen. Die Verfolgung der Stickstoff- und/oder Sauerstoffisotopenkonzentration in den Zähnen (im Verhältnis zum Alter des Kindes, als sich der Zahn bildete) hilft uns, das Alter zu bestimmen, in dem das Kind von der Muttermilch entwöhnt und auf feste Nahrung umgestellt wurde.