Análise de Isótopos Estáveis ​​em Arqueologia

Análise isotópica estável é uma técnica científica usada por arqueólogos e outros estudiosos para coletar informações dos ossos de um animal para identificar a fotossíntese processo das plantas que consumiu durante sua vida útil. Essa informação é extremamente útil em um grande número de aplicações, desde a determinação dos hábitos alimentares de ancestrais hominídeos antigos para traçar as origens agrícolas da cocaína apreendida e rinoceronte ilegalmente caçado chifre.

Toda a Terra e sua atmosfera são compostas por átomos de diferentes elementos, como oxigênio, carbono e nitrogênio. Cada um desses elementos tem várias formas, com base em seu peso atômico (o número de nêutrons em cada átomo). Por exemplo, 99% de todo o carbono em nossa atmosfera existe na forma chamada Carbono-12; mas o restante de um por cento de carbono é composto de duas formas ligeiramente diferentes de carbono, chamadas Carbon-13 e Carbon-14. O carbono-12 (abreviado 12C) tem um peso atômico de 12, composto por 6 prótons, 6 nêutrons e 6 elétrons - os 6 elétrons não acrescentam nada ao peso atômico. O carbono 13 (13C) ainda possui 6 prótons e 6 elétrons, mas possui 7 nêutrons. O carbono-14 (14C) possui 6 prótons e 8 nêutrons, que são pesados ​​demais para se manterem unidos de maneira estável e emite energia para se livrar do excesso, e é por isso que os cientistas chamam de "

Todas as três formas reagem exatamente da mesma maneira - se você combinar carbono com oxigênio, sempre obtém dióxido de carbono, não importa quantos nêutrons existam. Os formulários 12C e 13C são estáveis ​​- ou seja, eles não mudam com o tempo. O carbono-14, por outro lado, não é estável, mas decai a uma taxa conhecida - por isso, podemos usar sua proporção restante em relação ao carbono-13 para calcular datas de radiocarbono, mas essa é outra questão completamente.

A proporção de carbono-12 para carbono-13 é constante na atmosfera da Terra. Sempre existem cem átomos de 12C em um átomo de 13C. Durante o processo de fotossíntese, as plantas absorvem os átomos de carbono na atmosfera, na água e no solo da Terra e os armazenam nas células de suas folhas, frutas, nozes e raízes. Mas, a proporção das formas de carbono é alterada como parte do processo de fotossíntese.

Durante a fotossíntese, as plantas alteram a proporção química de 100 12C / 1 13C de maneira diferente em diferentes regiões climáticas. As plantas que vivem em regiões com muito sol e pouca água têm relativamente menos átomos de 12C em suas células (em comparação com 13C) do que as plantas que vivem em florestas ou áreas úmidas. Os cientistas categorizam as plantas pela versão da fotossíntese que usam em grupos chamados C3, C4 e CAM.

A proporção de 12C / 13C é conectada às células da planta e, aqui está a melhor parte, à medida que as células passam pela cadeia alimentar (ou seja, raízes, folhas e frutos) são consumidos por animais e seres humanos), a proporção de 12C a 13C permanece praticamente inalterada, pois é armazenada nos ossos, dentes e pêlos dos animais e humanos.

Em outras palavras, se você pode determinar a proporção de 12C a 13C que é armazenada nos ossos de um animal, você pode descobrir se as plantas que comiam usavam processos C4, C3 ou CAM e, portanto, qual era o ambiente das plantas gostar. Em outras palavras, supondo que você coma localmente, onde você mora está conectado aos seus ossos pelo que você come. Essa medição é realizada por análise por espectrômetro de massa.

De longe, o carbono não é o único elemento usado pelos pesquisadores de isótopos estáveis. Atualmente, os pesquisadores estão analisando a proporção de isótopos estáveis ​​de oxigênio, nitrogênio, estrôncio, hidrogênio, enxofre, chumbo e muitos outros elementos processados ​​por plantas e animais. Essa pesquisa levou a uma diversidade simplesmente incrível de informações alimentares de humanos e animais.

A primeira aplicação arqueológica da pesquisa de isótopos estáveis ​​foi na década de 1970, pelo arqueólogo sul-africano Nikolaas van der Merwe, que estava escavando na Idade do ferro africana local de Kgopolwe 3, um dos vários locais no Transvaal Lowveld da África do Sul, chamado Phalaborwa.

Van de Merwe encontrou um esqueleto humano masculino em um monte de cinzas que não se parecia com os outros enterros da vila. O esqueleto era diferente, morfologicamente, dos outros habitantes de Phalaborwa, e ele havia sido enterrado de uma maneira completamente diferente do que o habitante típico. O homem parecia um Khoisan; e os khoisanos não deveriam estar em Phalaborwa, que eram homens da tribo ancestral do Sotho. Van der Merwe e seus colegas J. C. Vogel e Philip Rightmire decidiram olhar para a assinatura química em seus ossos, e a inicial Os resultados sugeriram que o homem era um agricultor de sorgo de uma aldeia Khoisan que de alguma forma havia Kgopolwe 3.

A técnica e os resultados do estudo de Phalaborwa foram discutidos em um seminário na SUNY Binghamton, onde van der Merwe estava ensinando. Na época, SUNY estava investigando os enterros de Late Woodland, e juntos eles decidiram que seria interessante ver se a adição de milho (Milho americano, um produto doméstico C4 subtropical) à dieta seria identificável em pessoas que anteriormente só tinham acesso às plantas C3: e era.

Esse estudo se tornou o primeiro estudo arqueológico publicado, aplicando análise estável de isótopos, em 1977. Eles compararam as relações estáveis ​​de isótopos de carbono (13C / 12C) no colágeno de costelas humanas de um Arcaico (2500-2000 aC) e um Early Woodland (400–100 aC) em Nova York (ou seja, antes da chegada do milho à região) com as proporções 13C / 12C nas costelas de uma floresta tardia (ca. 1000–1300 dC) e um período do período histórico (após a chegada do milho) da mesma área. Eles foram capazes de mostrar que as assinaturas químicas nas costelas eram uma indicação de que o milho não estava presente nos primeiros períodos, mas havia se tornado um alimento básico na época do final da floresta.

Com base nessa demonstração e nas evidências disponíveis para a distribuição dos isótopos estáveis ​​de carbono na natureza, Vogel e van der Merwe sugeriu que a técnica poderia ser usada para detectar a agricultura de milho nas florestas e florestas tropicais das Américas; determinar a importância dos alimentos marinhos nas dietas das comunidades costeiras; documentar mudanças na cobertura vegetal ao longo do tempo nas savanas, com base nas taxas de navegação / pastagem de herbívoros de alimentação mista; e possivelmente determinar origens em investigações forenses.

Desde 1977, as aplicações da análise isotópica estável explodiram em número e largura, usando as relações isotópicas estáveis ​​dos elementos leves hidrogênio, carbono, nitrogênio, oxigênio e enxofre em osso humano e animal (colágeno e apatita), esmalte e cabelo dos dentes, bem como resíduos de cerâmica cozidos na superfície ou absorvidos na parede cerâmica para determinar dietas e água fontes. Razões isotópicas estáveis ​​à luz (geralmente de carbono e nitrogênio) têm sido usadas para investigar tais componentes como criaturas marinhas (por exemplo, focas, peixes e mariscos), várias plantas domesticadas, como milho e painço; e laticínios de gado (resíduos de leite em cerâmica) e leite da mãe (idade do desmame, detectada na linha dos dentes). Estudos dietéticos foram realizados com homininos desde os dias atuais até nossos ancestrais Homo habilis e a Australopithecines.

Outras pesquisas isotópicas se concentraram em determinar as origens geográficas das coisas. Várias razões isotópicas estáveis ​​em combinação, às vezes incluindo os isótopos de elementos pesados ​​como estrôncio e chumbo, foram usados ​​para determinar se os moradores das cidades antigas eram imigrantes ou nasceram localmente; rastrear as origens do chifre de marfim e chifre de rinoceronte para quebrar anéis de contrabando; e determinar as origens agrícolas da cocaína, heroína e fibra de algodão usada para fazer notas falsas de US $ 100.

Outro exemplo de fracionamento isotópico que tem uma aplicação útil envolve a chuva, que contém os isótopos estáveis ​​de hidrogênio 1H e 2H (deutério) e os isótopos de oxigênio 16O e 18O. A água evapora-se em grandes quantidades no equador e o vapor d'água dispersa-se para o norte e sul. À medida que o H2O volta à Terra, os pesados ​​isótopos chovem primeiro. Quando cai como neve nos pólos, a umidade se esgota severamente nos pesados ​​isótopos de hidrogênio e oxigênio. A distribuição global desses isótopos na chuva (e na água da torneira) pode ser mapeada e as origens dos consumidores podem ser determinadas por análise isotópica do cabelo.

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