Анализ стабильных изотопов в биоархеологии

Анализ стабильных изотопов углерода в коллагене человеческих костей позволяет биоархеологам проводить реконструкцию рациона и делать выводы о питании. Эти химические признаки отражают долгосрочный режим питания, а не однократный приём пищи или праздничный пир. Соотношение изотопов в пище, особенно растительной, прямо и предсказуемо отражается на химическом составе костей^[7], что позволяет исследователям частично реконструировать недавний рацион, используя стабильные изотопы в качестве маркеров^[8][9]. Анализ стабильных изотопов контролирует соотношение углерода-13 и углерода-12 (¹³C/¹²C), которое выражается в частях на тысячу с использованием дельта-нотации (δ¹³C)^[10]. Соотношение ¹³C и ¹²C либо обеднено (более отрицательное), либо обогащено (более положительное) относительно стандарта^[11]. ¹²C и ¹³C встречаются в соотношении приблизительно 98,9 к 1,1^[11].

Соотношение изотопов углерода в организме человека варьируется в зависимости от типов растений, усваиваемых при различных путях фотосинтеза. Три пути фотосинтеза — это фиксация углерода C3, фиксация углерода C4 и метаболизм толстянковых. Растения C4 — это в основном травы из тропических и субтропических регионов, они приспособлены к более высокому уровню радиации, чем растения C3. Кукуруза, просо^[13] и сахарный тростник — некоторые известные культуры C4, в то время как деревья и кустарники используют путь C3^[11]. Фиксация углерода C4 более эффективна при высоких температурах и низкой концентрации CO2 в атмосфере^[14]. Растения C3 более распространены и многочисленны, чем растения C4, поскольку фиксация углерода C3 более эффективна в более широком диапазоне температур и концентраций CO2 в атмосфере^[11].

Различные пути фотосинтеза, используемые растениями C3 и C4, заставляют их по-разному относиться к ¹³C , что приводит к разным диапазонам δ¹³C. Растения C4 находятся в диапазоне от −9 до −16 ‰, а растения C3 — от −22 до −34 ‰. Изотопный состав потребительского коллагена близок к δ¹³C пищевых растений, а апатит, минеральный компонент костей и зубов, смещён от пищевых растений на ~14 ‰ из-за фракционирования, связанного с образованием минералов^[14]. Стабильные изотопы углерода использовались в палеодиетах в качестве следов растений C4. Например, быстрое и резкое увеличение содержания ¹³C в коллагене человека после появления кукурузы в Северной Америке подтверждает переход от диеты C3 к диете C4 (местные растения к кукурузе) к 1300 г. н. э.^[15][16].

Скелеты, извлечённые из захоронения на Кобурн-стрит (1750—1827 гг. н. э.) в Кейптауне (ЮАР), были проанализированы с использованием данных о стабильных изотопах для определения географической истории и истории жизни^[17]. Предполагается, что люди, похороненные на этом кладбище, были рабами и представителями низшего класса на основании неформального характера кладбища; биомеханический анализ стресса^[18] и анализ стабильных изотопов, в сочетании с другими археологическими данными подтверждают это предположение.

На основании данных об уровне стабильных изотопов в одном из исследований было установлено, что восемь человек из могильника Коберн-стрит в детстве придерживались диеты, основанной на C4 (тропических) растениях, а затем стали потреблять больше C3-растений, которые были более распространены в этих местах на более поздних этапах жизни. У шести из этих людей были обнаружены изменения зубов, схожие с теми, что происходили у народов, населявших тропические районы, которые, как известно, были целью работорговцев, привозивших в колонии порабощённых людей из других частей Африки. На основании этих данных было сделано предположение, что эти люди представляют собой порабощённых из тех районов Африки, где употреблялись растения C4, и были привезены на Капскую провинцию в качестве рабочих. Эти люди не были отнесены к определённой этнической группе, но схожие зубные модификации имеют народы макуа, яо и марав. Четыре человека были похоронены без погребальных предметов, в соответствии с мусульманской традицией, лицом к Сигнальному холму, который является важным местом для местных мусульман. Их изотопные показатели указывают на то, что они выросли в умеренном климате, потребляя в основном растения C3, а также некоторые C4 В исследовании утверждается, что эти люди были выходцами из района Индийского океана. Кроме того, предполагается, что эти люди были мусульманами. В исследовании утверждалось, что стабильный изотопный анализ захоронений в сочетании с историческими и археологическими данными является эффективным способом изучения миграций, вызванных африканской работорговлей, а также появления низшего и рабочего класса в Старом Свете^[17].

Система стабильных изотопов азота основана на относительном обогащении/опустошении ¹⁵N по сравнению с ¹⁴N в δ¹⁵N. Анализы стабильных изотопов углерода и азота дополняют друг друга при изучении палеодиеты. Изотопы азота в костном коллагене в конечном счёте происходят из пищевого белка, в то время как углерод может поступать из белков, углеводов или жиров^[19]. Значения δ¹³C помогают отличить пищевые белки от растительных источников, а систематическое увеличение значений δ¹⁵N по мере продвижения по трофическому уровню помогает определить положение источников белка в пищевой сети^[6][20][21]. ¹⁵N увеличивается на 3-4 % с каждым трофическим шагом вверх^[22][23]. Было высказано предположение, что относительная разница между значениями δ¹⁵N человека и животного белка зависит от доли животного белка в рационе^[24], хотя эта интерпретация была поставлена под сомнение из-за противоречивых взглядов на влияние поступления азота через потребление белка и потери азота через выделение отходов на обогащение ¹⁵N в организме^[21].

Вариации значений азота в пределах одного трофического уровня также рассматриваются^[25]. Вариации азота в растениях, например, могут быть вызваны специфической для растений зависимостью от азотного газа, который заставляет растение отражать атмосферные значения^[25]. Обогащённые или более высокие значения δ¹⁵N могут быть достигнуты в растениях, которые росли в почве, удобренной отходами животноводства^[25]. Изотопы азота использовались для оценки относительного вклада бобовых и небобовых культур, а также наземных и морских ресурсов^[8][22][26]. В то время как у других растений значения δ¹⁵N колеблются от 2 до 6 ‰^[22], у бобовых соотношение ¹⁴N/¹⁵N ниже (близко к 0 ‰, то есть к атмосферному N2), поскольку они могут фиксировать молекулярный азот, а не полагаться на почвенные нитраты и нитриты^[19][25]. Поэтому одним из возможных объяснений более низких значений δ¹⁵N в останках человека является повышенное потребление бобовых или животных, которые их едят. Значения ¹⁵N увеличиваются при потреблении мяса и уменьшаются при потреблении бобовых. Соотношение ¹⁴N/¹⁵N может быть использовано для оценки доли мяса и бобовых в рационе.

Система стабильных изотопов кислорода основана на соотношении 18O/16O (δ¹⁸O) в данном материале, который обогащён/ослаблен по отношению к стандарту. Поле обычно нормируется на Венскую стандартную среднюю океаническую воду (VSMOW) и стандартные светлые антарктические осадки (SLAP)^[27]. Эта система известна благодаря её использованию в палеоклиматических исследованиях, но она также является важным источником информации в биоархеологии.

Вариации значений δ¹⁸O в скелетных останках напрямую связаны с изотопным составом воды в организме потребителя. Изотопный состав воды в организме млекопитающих в первую очередь контролируется потребляемой водой^[27]. Значения δ¹⁸O в пресноводных питьевых источниках варьируют из-за фракционирования массы, связанного с механизмами глобального круговорота воды^[28]. Испарившийся водяной пар более обогащён 16O (изотопически легче; более отрицательное значение дельты) по сравнению с оставшейся водой, которая обеднена 16O (изотопически тяжелее; более положительное значение дельты)^[27][28]. Общепринятым приближением первого порядка для изотопного состава питьевой воды животных являются местные осадки, хотя это в разной степени осложняется наличием таких источников воды, как природные источники или озёра^[27]. Базовый δ¹⁸O, используемый в археологических исследованиях, изменяется в зависимости от соответствующего экологического и исторического контекста^[27].

Предполагается, что значения δ¹⁸O биоапатита в скелетных останках человека формировались в балансе с водой организма, что обеспечивает видовую связь с изотопным составом кислорода воды организма^[29]. То же самое нельзя сказать о костном коллагене человека, поскольку на значения δ¹⁸O в коллагене влияют питьевая вода, вода из пищи и сочетание метаболических и физиологических процессов^[30]. Значения δ¹⁸O из костных минералов — это, по сути, усреднённая изотопная картина на протяжении всей жизни человека^[31].

Если углерод и азот используются в основном для изучения рациона питания древних людей, то изотопы кислорода дают представление о состоянии воды в организме на разных этапах жизни. Значения δ¹⁸O используются для понимания особенностей питьевого поведения^[32], животноводства^[33] и отслеживания мобильности^[34]. 97 захоронений из древней цитадели майя в Тикале были изучены с помощью изотопов кислорода^[35]. Результаты исследования зубной эмали выявили статистически разных индивидуумов, которые были интерпретированы как люди из низин майя, Гватемалы и, возможно, Мексики^[35]. Исторический контекст в сочетании с изотопными данными из захоронений был использован для утверждения, что мигранты были частью низших и высших социальных классов в Тикале^[35]. Женщины-мигранты, прибывшие в Тикаль в ранне классический период, могли быть невестами элиты индейцев майя^[35].

Система стабильных изотопов серы основана на небольших, зависящих от массы фракциях изотопов серы. Эти фракции указываются относительно троилита Каньон-Дьябло (V-CDT), который является согласованным стандартом. Соотношение наиболее распространённого изотопа серы, ³²S, по сравнению с более редкими изотопами, такими как ³³S, ³⁴S, и ³⁶S, используется для характеристики биологических признаков и геологических резервуаров. Фракционирование 34S (δ³⁴S) особенно полезно, поскольку он является наиболее распространённым из редких изотопов. Эта система реже используется самостоятельно и обычно дополняет исследования углерода и азота^[36][37]. В биоархеологии система серы использовалась для изучения палеодиет и территориального поведения с помощью анализа волос и костного коллагена^[38]. Диетические белки, входящие в состав живых организмов, обычно определяют стабильные изотопы в их органических тканях. Метионин и цистеин — классические серосодержащие аминокислоты. Считается, что значения δ³⁴S метионина лучше отражают изотопный состав диетической серы, поскольку на значения цистеина влияют рацион и внутренний круговорот^[38]. В то время как в других системах стабильных изотопов наблюдаются значительные трофические сдвиги, сера демонстрирует лишь небольшой сдвиг (~0,5 ‰)^[38].

При потреблении изотопные показатели отражают резервуар(ы) серы источника пищевого белка. Животные белки, полученные из морских экосистем, обычно имеют значения δ³⁴S между +16 и +17 ‰^[15][38][39], наземные растения — от −7 ‰ до +8 ‰, а белки из пресноводных и наземных экосистем сильно различаются^[36]. Содержание сульфатов в современном океане хорошо смешивается с δ³⁴S около +21 ‰^[40], в то время как на речную воду сильно влияют серосодержащие минералы в окружающих породах, а наземные растения зависят от содержания серы в местных почвах^[36][38]. Эстуарные экосистемы усложнились из-за поступления морской воды и рек^[36][38]. Экстремальный диапазон значений δ³⁴S для пресноводных экосистем часто мешает наземным показателям, что затрудняет использование серной системы в качестве единственного инструмента в палеодиетических исследованиях^[36].

В различных исследованиях анализировались изотопные соотношения серы в мумифицированных волосах^[41][42][43]. Волосы — подходящий материал для изучения серы, поскольку они обычно содержат не менее 5 % элементарной серы^[38]. В одном из исследований изотопные соотношения серы были включены в палеодиету четырёх мумифицированных детей — жертв жертвоприношений инков^[44]. Значения δ³⁴S помогли им сделать вывод, что дети не употребляли морской белок до своей смерти. Исторический опыт в сочетании с последовательными серными признаками для трёх детей позволяет предположить, что они жили в одном и том же месте за 6 месяцев до жертвоприношения^[44]. В исследованиях измерялись значения δ³⁴S в костном коллагене, хотя интерпретация этих значений была ненадёжной до тех пор, пока в 2009 году не были опубликованы критерии качества^[45]. Хотя костный коллаген в изобилии содержится в скелетных останках, менее 1 % ткани состоит из серы, что делает необходимым, чтобы эти исследования тщательно оценивали значение значений δ³⁴S костного коллагена^[38].