Phân tích đồng vị ổn định trong khảo cổ học

Stable Isotope Analysis in Archaeology

Đồng vị ổn định và cách thức nghiên cứu

Cập nhật ngày 09 tháng 10 năm 2018, bởi K. Kris Hirst

Nguồn: Hirst, K. Kris. "Stable Isotope Analysis in Archaeology." ThoughtCo, Oct. 29, 2020, thoughtco.com/stable-isotope-analysis-in-archaeology-172694. https://www.thoughtco.com/stable-isotope-analysis-in-archaeology-172694

Lược dịch: NHN

Phân tích đồng vị ổn định là một kỹ thuật khoa học được các nhà khảo cổ học và các học giả khác sử dụng để thu thập thông tin từ xương động vật nhằm xác định quá trình quang hợp của thực vật mà nó tiêu thụ trong suốt thời gian tồn tại của nó. Thông tin đó vô cùng hữu ích trong nhiều ứng dụng, từ việc xác định thói quen ăn uống của tổ tiên loài người cổ đại đến truy tìm nguồn gốc nông nghiệp của cocaine bị thu giữ và sừng tê giác bị săn trộm trái phép.

Đồng vị ổn định là gì?

Tất cả trái đất và bầu khí quyển của nó được tạo thành từ các nguyên tử của các nguyên tố khác nhau, chẳng hạn như oxy, carbon và nitơ. Mỗi nguyên tố này có một số dạng, dựa trên trọng lượng nguyên tử của chúng (số nơtron trong mỗi nguyên tử). Ví dụ, 99% tất cả các-bon trong bầu khí quyển của chúng ta tồn tại ở dạng được gọi là Carbon-12; nhưng một phần trăm carbon còn lại được tạo thành từ hai dạng carbon hơi khác nhau, được gọi là Carbon-13 và Carbon-14. Carbon-12 (viết tắt là 12C) có trọng lượng nguyên tử là 12, được tạo thành từ 6 proton, 6 neutron và 6 electron — 6 electron không thêm gì vào trọng lượng nguyên tử. Carbon-13 (13C) vẫn có 6 proton và 6 electron, nhưng nó có 7 neutron. Carbon-14 (14C) có 6 proton và 8 neutron, quá nặng để giữ lấy nhau một cách ổn định và nó phát ra năng lượng để loại bỏ phần dư thừa, đó là lý do vì sao các nhà khoa học gọi nó là “phóng xạ" (radioactive).

Cả ba dạng đều phản ứng theo cùng một cách - nếu bạn kết hợp carbon với oxy, bạn luôn nhận được carbon dioxide, bất kể có bao nhiêu neutron. Các hình thức 12C và 13C là ổn định - có nghĩa là, chúng không thay đổi theo thời gian. Mặt khác, carbon-14 không ổn định mà thay vào đó phân hủy với tốc độ đã biết — vì vậy, chúng ta có thể sử dụng tỷ lệ còn lại của nó với Carbon-13 để tính toán ngày carbon phóng xạ (radiocarbon dates), nhưng đó hoàn toàn là một vấn đề khác.

Kế thừa các tỷ lệ không thay đổi

Tỷ lệ Carbon-12 trên Carbon-13 là không đổi trong bầu khí quyển của trái đất. Luôn luôn có một trăm nguyên tử 12C đến một nguyên tử 13C. Trong quá trình quang hợp, thực vật hấp thụ các nguyên tử cacbon trong khí quyển, nước và đất của trái đất và lưu trữ chúng trong tế bào của lá, quả, hạt và rễ. Tuy nhiên, tỷ lệ của các dạng cacbon bị thay đổi như một phần của quá trình quang hợp.

Trong quá trình quang hợp, thực vật thay đổi tỷ lệ hóa học 100 12C / 1 13C khác nhau ở các vùng khí hậu khác nhau. Thực vật sống ở những vùng có nhiều nắng và ít nước có số nguyên tử 12C trong tế bào tương đối ít hơn (so với 13C) so với thực vật sống trong rừng hoặc đầm lầy. Các nhà khoa học phân loại thực vật theo kiểu quang hợp chúng thực hiện hiện thành các nhóm gọi là C3, C4 và CAM.

Có phải bạn chính là những gì bạn đã ăn?  

Tỷ lệ 12C/13C được kết dính vào tế bào của thực vật, và - đây là phần tốt nhất - khi các tế bào chuyển qua chuỗi thức ăn (tức là rễ, lá và trái cây ăn bởi động vật và con người), tỷ lệ của 12C đến 13C hầu như không thay đổi vì nó lần lượt được lưu giữ trong xương, răng và tóc của động vật và con người.

Nói cách khác, nếu bạn có thể xác định tỷ lệ 12C đến 13C được lưu trữ trong xương động vật, bạn có thể tìm ra liệu thực vật chúng ăn có sử dụng các quy trình C4, C3 hoặc CAM hay không, và do đó, môi trường của thực vật giống như vậy. Nói cách khác, giả sử ở địa phương nơi bạn sống, thực vật bạn ăn sẽ được cài vào xương bởi những gì bạn ăn. Phép đo đó được thực hiện bằng phân tích khối phổ ( mass spectrometer analysis).

Carbon không phải là nguyên tố duy nhất được các nhà nghiên cứu đồng vị ổn định sử dụng. Hiện tại, các nhà nghiên cứu đang xem xét việc đo tỷ lệ các đồng vị ổn định của oxy, nitơ, xtrông-ti (strontium), hydro, lưu huỳnh, chì và nhiều nguyên tố khác được tiêu hóa bởi thực vật và động vật. Nghiên cứu đó đã dẫn đến sự đa dạng đáng kinh ngạc của thông tin về chế độ ăn uống của con người và động vật.

Những nghiên cứu sớm nhất

Ứng dụng khảo cổ học đầu tiên của nghiên cứu đồng vị ổn định là vào những năm 1970 bởi nhà khảo cổ học người Nam Phi Nikolaas van der Merwe, người khai quật tại địa điểm Kgopolwe 3 thuộc thời kỳ đồ sắt châu Phi, một trong một số địa điểm ở Transvaal Lowveld của Nam Phi, được gọi là Phalaborwa.

Van de Merwe đã tìm thấy một bộ xương người nam trong một đống tro tàn trông không giống những nơi chôn cất khác trong làng. Về mặt hình thái, bộ xương khác với những cư dân khác của Phalaborwa, và anh ta đã được chôn cất theo cách hoàn toàn khác với những người dân làng điển hình. Người đàn ông trông giống như một người Khoisan[1]; và Khoisans lẽ ra không nên ở Phalaborwa, những người là tổ tiên của bộ lạc Sotho. Van der Merwe cùng các đồng nghiệp J.C. Vogel và Philip Rightmire quyết định xem xét dấu hiệu hóa học trong xương của anh ta, và kết quả ban đầu cho thấy người đàn ông này là một nông dân trồng lúa miến từ một ngôi làng Khoisan, người đã chết tại Kgopolwe 3.

Áp dụng đồng vị ổn định trong khảo cổ học

Kỹ thuật và kết quả của nghiên cứu Phalaborwa đã được thảo luận tại một hội thảo tại SUNY Binghamton, nơi van der Merwe đang giảng dạy. Vào thời điểm đó, SUNY đang điều tra các khu mộ táng Late Woodland, và thú vị là họ cùng nhau quyết định xem liệu việc bổ sung ngô (ngô Mỹ, một loài thuần hóa C4 cận nhiệt đới) vào chế độ ăn uống có được xác định ở những người trước đây chỉ ăn các loài thực vật C3 hay không: và kết quả là nó đã được xác nhận.

Nghiên cứu đó đã trở thành nghiên cứu khảo cổ học đầu tiên được công bố áp dụng phân tích đồng vị ổn định vào năm 1977. Họ so sánh tỷ lệ đồng vị cacbon ổn định (13C/12C) trong collagen của xương sườn người từ một địa điểm khảo cổ thuộc giai đoạn Archaic (2500-2000 TCN) và Early Woodland (400– 100 TCN) ở New York (tức là trước khi ngô xuất hiện ở vùng này) với tỷ lệ 13C/12C trong xương sườn người từ một địa điểm khảo cổ thuộc giai đoạn Late Woodland (khoảng 1000–1300 CN) và giai đoạn Historic Period (sau khi ngô xuất hiện) từ cùng một khu vực. Họ đã có thể chứng minh rằng các dấu hiệu hóa học trong xương sườn là dấu hiệu cho thấy ngô không có trong giai đoạn sớm (Early Woodland), nhưng đã trở thành một loại lương thực chính vào giai đoạn của Late Woodland.

Dựa trên chứng minh này và bằng chứng sẵn có về sự phân bố của các đồng vị cacbon ổn định trong tự nhiên, Vogel và van der Merwe đề xuất rằng kỹ thuật này có thể được sử dụng để phát hiện nông nghiệp trồng ngô ở Woodlands và rừng nhiệt đới của châu Mỹ; xác định tầm quan trọng của thực phẩm biển trong khẩu phần ăn của cộng đồng ven biển; ghi lại sự thay đổi của lớp phủ thực vật theo thời gian ở các thảo nguyên (savannas) dựa trên tỷ lệ chăn thả của các động vật ăn cỏ nuôi hỗn hợp; và có thể xác định nguồn gốc trong các cuộc điều tra pháp y.

Các ứng dụng mới của nghiên cứu đồng vị ổn định

Kể từ năm 1977, các ứng dụng của phân tích đồng vị ổn định đã bùng nổ về số lượng, sử dụng tỷ lệ đồng vị ổn định của các nguyên tố nhẹ hydro, carbon, nitơ, oxy và lưu huỳnh trong xương người và động vật (collagen và apatit), men răng và tóc, cũng như trong cặn gốm nung lên bề mặt hoặc thấm vào thành gốm để xác định khẩu phần ăn và nguồn nước. Tỷ lệ đồng vị bền nhẹ (thường là cacbon và nitơ) đã được sử dụng để khảo sát các thành phần chế độ ăn như sinh vật biển (ví dụ hải cẩu, cá và các loài có vỏ), các loại thực vật thuần hóa khác nhau như ngô và kê; và bò sữa (cặn sữa trong đồ gốm), và sữa mẹ (tuổi cai sữa, phát hiện ở hàng răng). Các nghiên cứu về chế độ ăn uống đã được thực hiện trên các loài vượn người ngày nay (hominins) cho đến tổ tiên cổ đại của chúng ta là Homo habilis và Australopithecines.

Nghiên cứu đồng vị khác đã tập trung vào việc xác định nguồn gốc địa lý của sự vật. Nhiều tỷ lệ đồng vị ổn định kết hợp, đôi khi bao gồm đồng vị của các nguyên tố nặng như xtrông-ti và chì, đã được sử dụng để xác định xem cư dân của các thành phố cổ đại là người nhập cư hay sinh ra tại địa phương; truy tìm nguồn gốc ngà voi, sừng tê giác bị săn trộm để phá vòng vây buôn lậu; và để xác định nguồn gốc nông nghiệp của cocaine, heroin và sợi bông được sử dụng để làm các tờ 100 đô la giả.

Một ví dụ khác về phân đoạn đồng vị có một ứng dụng hữu ích liên quan đến mưa, trong đó có các đồng vị hydro bền 1H và 2H (đơteri-deuterium) và đồng vị oxy 160 và 180. Nước bốc hơi với số lượng lớn ở xích đạo và hơi nước phân tán về phía bắc và nam. Khi H2O rơi trở lại trái đất, các đồng vị nặng sẽ thoát ra đầu tiên. Vào thời điểm tuyết rơi ở các cực, độ ẩm trong các đồng vị nặng của hydro và oxy bị cạn kiệt nghiêm trọng. Sự phân bố toàn cầu của các đồng vị này trong mưa (và trong nước máy) có thể được lập bản đồ và nguồn gốc của người tiêu dùng có thể được xác định bằng phân tích đồng vị của tóc.  

Tài liệu tham khảo và nghiên cứu gần đây

·       Grant, Jennifer. "Of Hunting and Herding: Isotopic Evidence in Wild and Domesticated Camelids from the Southern Argentine Puna (2120–420years BP)." Journal of Archaeological Science: Reports 11 (2017): 29–37. Print.

·       Iglesias, Carlos, et al. "Stable Isotope Analysis Confirms Substantial Differences between Subtropical and Temperate Shallow Lake Food Webs." Hydrobiologia 784.1 (2017): 111–23. Print.

·       Katzenberg, M. Anne, and Andrea L. Waters-Rist. "Stable Isotope Analysis: A Tool for Studying Past Diet, Demography, and Life History." Biological Anthropology of the Human Skeleton. Eds. Katzenberg, M. Anne, and Anne L. Grauer. 3rd ed. New York: John Wiley & Sons, Inc., 2019. 467–504. Print.

·       Price, T. Douglas, et al. "Isotopic Provenancing of the." Antiquity 90.352 (2016): 1022–37. Print.Salme Ship Burials in Pre-Viking Age Estonia

·       Sealy, J. C., and N. J. van der Merwe. "On "Approaches to Dietary Reconstruction in the Western Cape: Are You What You Have Eaten?"—a Reply to Parkington." Journal of Archaeological Science 19.4 (1992): 459–66. Print.

·       Somerville, Andrew D., et al. "Diet and Gender in the Tiwanaku Colonies: Stable Isotope Analysis of Human Bone Collagen and Apatite from Moquegua, Peru." American Journal of Physical Anthropology 158.3 (2015): 408–22. Print.

·       Sugiyama, Nawa, Andrew D. Somerville, and Margaret J. Schoeninger. "Stable Isotopes and Zooarchaeology at Teotihuacan, Mexico Reveal Earliest Evidence of Wild Carnivore Management in Mesoamerica." PLoS ONE 10.9 (2015): e0135635. Print.

·       Vogel, J.C., and Nikolaas J. Van der Merwe. "Isotopic Evidence for Early Maize Cultivation in New York State." American Antiquity 42.2 (1977): 238–42. Print.

 

---

[1] Khoisan là ngữ hệ gồm khoảng 50 ngôn ngữ miền Nam châu Phi (trong đó có các thứ tiếng Khoikhoi, San, Kwadi, và Sandawe)