النظائر المستقرة في علم الآثار
ماهي النظائر
النظائر هي ذرات من نفس العنصر تحتوي على عدد متساوٍ من البروتونات وعدد غير متساوٍ من النيوترونات، مما يمنحها أوزانًا مختلفة قليلاً، ويمكن تقسيمها إلى فئتين – النظائر المشعة والنظائر المستقرة.
تتحلل النظائر المشعة (مثل C-14) بمرور الزمن، وهذه خاصية تجعلها أدوات مهمة جدا لتحديد تواريخ الاكتشافات الأثرية أو التربة أو الصخور، بينما النظائر المستقرة لها نواة ثابتة لا تتحلل، وبالتالي فإن توفرها يبقى كما هو مع مرور الزمن، مما يسمح بالعديد من التطبيقات الفعالة في علم الآثار (وتخصصات أخرى مثل علم البيئة أو الطب الشرعي).
توجد النظائر في كل مكان في العالم الذي نعيش فيه ونتنفسه، لكن التوازن (أو النسب) التي تحدث فيها نظائر مختلفة لنفس العناصر، تختلف بين مواد مختلفة (على سبيل المثال أنواع مختلفة من الطعام) والأنظمة البيئية (على سبيل المثال بين الأرض والبحر أو بين المناطق المناخية المختلفة)، وبينما ننمو وتجدد أنسجتنا نفسها باستمرار، يتم دمج النظائر الموجودة في الطعام الذي نأكله والماء الذي نشربه في جميع أنسجة أجسامنا، بما في ذلك الهيكل العظمي.
باستخدام التقنيات العلمية لقياس نسب النظائر في العظام أو الأسنان والاستنتاج منها عن مصدرها في الطبيعة، يستطيع علماء الآثار اكتشاف العديد من المعلومات عن الأفراد، مثل نظامهم الغذائي والبيئة التي نشأوا فيها.
ما هي النظائر المستقرة
– يوجد أكثر من 250 نظيرا مستقرا معروفا و 80 عنصرا من أصل 82 عنصرا في الجدول الدوري يحتوي على هذه النظائر. تحتوي المركبات العضوية وغير العضوية على هذه النظائر وتعمل بنسبة معينة فيما بينها مثل التوقيع. يمكن لعلماء الآثار استنتاج العديد من الأمور، من النظم الغذائية الفردية إلى حركات السكان على نطاق واسع، استنادا إلى تحليل كيمياء عينات العظام القديمة.
يمكن لتحليل النظائر المستقرة، الذي يدرس الفروق الدقيقة للعناصر في المواد الأثرية، أن يكشف عن جميع أنواع الأسرار المتعلقة بالمناخ والنظام الغذائي والأصول الجغرافية للعظام والمواد الأخرى.
أنواع النظائر المستقرة
يستخدم علماء الآثار العديد من النظائر المستقرة، ولكن الأكثر استخدامًا وتحليلا على نطاق واسع هي:
- الكربون: تتراوح قيم درجة الحرارة C-13 بين 13 درجة مئوية وC-12 بين 12 درجة مئوية، ويتم الإشارة عادةً إلى النسبة بينهما (13C / 12C) باستخدام قيمة δ13C (تُنطق: دلتا-13-C).
- النيتروجين: يتم تمثيل النيتروجين بالنسبة بين 15N (أو N-15) و 14N (أو N-14)، ويتم تحديد قيمة النسبة بين الاثنين (15N / 14N) باسم قيمة دلتا-15-N (δ15N).
- الأكسجين: الأكسجين 18O (O-18) و 16O (O-16)، مع نسبة (18O / 16O) تشار إليها بالرمز δ18O (ديلتا 18 أو).
تُقاس النسب النظيرية باستخدام أدوات تحليلية معروفة باسم مقاييس طيف الكتلة والنسبة النظيرية (IRMS)، وغالبًا ما تُستخدم نسب النظائر المستقرة للكربون والنيتروجين لاستكشاف مجموعة واسعة من الأسئلة المتعلقة بالنظام الغذائي، مثل استهلاكالمنتجات الحيوانية أو الأسماك.
كيف يتم استخدام النظائر المستقرة في علم الآثار
في الثمانينيات، لاحظ العلماء أن نسب النظائر المختلفة للكربون والنيتروجين في عظام الإنسان يمكن أن توفر معلومات حول نوع النظام الغذائي الذي يتبعه الأفراد، ففي نظائر الكربون المستقرة يمكن التمييز بين أنواع معينة من النباتات، مثل النباتات C3 التي تشكل الغالبية العظمى من النباتات البرية، والنباتات C4 التي تشمل بشكل خاص الذرة.
في التطبيقات المبكرة لطريقة النظائر، تم استخدام ذلك لتتبع زراعة الذرة في أمريكا الشمالية، حيث كان هناك عدد قليل جدا من نباتات C4 في العصور القديمة، واستخدمت النظائر الكربونية المستقرة بشكل أساسي للتمييز بين الأطعمة البرية والبحرية مثل الأسماك والمحار، بالإضافة إلى نسب نظائر النيتروجين، والتي تزيد كلما ارتفع المستوى في السلسلة الغذائية، وبالتالي يمكن أن تعد مؤشرا على كمية المنتجات الحيوانية في النظام الغذائي.
بشكل قاطع، لا يمكن التمييز بين اللحوم ومنتجات الألبان بوسائل تقليدية. على سبيل المثال، أظهرت الدراسات التي أجريت في الماضي على عاداتنا الغذائية أن سكان العصر الحجري الحديث لم يستهلكوا تقريبا أي سمك، وهذا يشكل تغييرا جذريا عن العصر الحجري الوسيط السابق. بالمقابل، أكدت الدراسات أن الأساقفة في العصور الوسطى، الذين يحتلون مكانة عالية، استهلكوا الكثير من الأسماك المرتبطة بالصيام أكثر من أتباعهم.
أهمية النظائر المستقرة لعلماء الآثار
- في السبعينيات من القرن الماضي، اكتشف عالم الآثار نيكولاس فان دير ميروي هيكلا عظميا لا يشبه غيره في موقع جنوب إفريقيا الذي كان ينقب فيه، وعمل معه عالم فيزياء النظائر جون فوجل وعالم الإنسان القديم فيليب رايتماير. قرر الفريق تطبيق تقنيات علمية جديدة باستخدام النظائر على الهيكل العظمي، وكشف التحليل أن الإنسان القديم كان لديه نظام غذائي مختلف عن الآخرين الذين تم اكتشافهم أثناء التنقيب، مما يشير إلى وجود تفاعلات غير متوقعة بين الصيادين والمزارعين في المنطقة التي تم اكتشافها.
- تواقيع النظائر مفيدة للغاية للباحثين، فعندما تمتص النباتات نظائر الكربون -12 والكربون -13 المستقرة، يتم تمرير هذه النسبة إلى النباتات من خلال التربة والمياه، ويتغير نسبة نظائر الكربون في النباتات بسبب عوامل مثل الماء والشمس وأنواع الظروف البيئية، وهناك ثلاث فئات من نسب الكربون لعملية التمثيل الضوئي للنبات وهم C3 و C4 و CAM، وعندما تبتلع الحيوانات النباتات، يتم إظهار نسبة نظائر الكربون الموجودة في النباتات في شعرها وأسنانها وعظامها.
- تظهر النظائر الأخرى معلومات متنوعة حول المواد الأثرية، وتمتص نظائر السترونتيوم في الأسنان خلال تكوينها، مما يعطي صورة سريعة عن المكان الذي عاش فيه الفرد خلال طفولته. ولكن تتحرك الخلايا العظمية باستمرار وتجمع بصمات السترونشيوم التي تعكس المكان الذي عاش فيه الأفراد لاحقا. يمكن مقارنة البصمات في الأسنان والخلايا العظمية لتحديد حركة الشخص على مدى حياته أو لمعرفة ما إذا كان قد ولد في الموقع الذي تم استرداده أم لا. يمكن استخدام نظائر النيتروجين لتحديد عمر الطفل عندما يبدأ في تناول الأطعمة الصلبة.
- يتم استخدام النظائر المستقرة حاليا لدراسة كل شيء من العظام إلى بقايا الطعام في الأواني، ويمكن استخدامها أيضا لتحديد مصدر المعادن المختلفة، ولكن تحليل النظائر ليس حلا سحريا، حيث إنه مكلف ولا يعمل على المواد التي تم حرقها، ويجب تجنب التلوث بعناية، وكلما كانت العينة أقدم، كلما كان أقل ما يمكن استنتاجه منها، حيث يتكسر كولاجين العظام بعد حوالي 50000 عام، ومع ذلك، يمكن للذرات أن تخبرنا الكثير عن أصول وسلوكيات الأشخاص الذين أصبحت مواقع دفنهم حفريات أثرية.