穩(wěn)定同位素分析是一項(xiàng)科學(xué)技術(shù)，考古學(xué)家和其他學(xué)者使用該技術(shù)從動物的骨骼中收集信息，以識別其一生中消耗的植物的光合作用過程。從確定古代原始人的飲食習(xí)慣到追蹤可卡因和非法偷獵的犀牛角的農(nóng)業(yè)起源，這些信息在許多應(yīng)用中都非常有用。 

        什么是穩(wěn)定同位素？

        地球及其大氣層全部由不同元素的原子組成，例如氧，碳和氮。根據(jù)它們的原子量（每個原子中的中子數(shù)），每種元素都有幾種形式。例如，我們大氣中所有碳的99％以稱為Carbon-12的形式存在。但是剩余的百分之一的碳由兩種形式略有不同的碳組成，分別稱為Carbon-13和Carbon-14。碳12（縮寫為12C）的原子量為12，由6個質(zhì)子，6個中子和6個電子組成，這6個電子對原子量沒有任何影響。碳13（13C）仍具有6個質(zhì)子和6個電子，但它具有7個中子。碳14（14C）具有6個質(zhì)子和8個中子，它們太重而無法穩(wěn)定地結(jié)合在一起，并且它會釋放能量以消除多余的能量，放射性的?！?/span>

        這三種形式的反應(yīng)都完全相同—如果將碳與氧結(jié)合，則無論有多少中子，總會得到二氧化碳。12C和13C形式穩(wěn)定-也就是說，它們不會隨時間變化。另一方面，碳14不穩(wěn)定，但以已知的速率衰減-因此，我們可以使用其與碳13的剩余比率來計(jì)算放射性碳日期，但這完全是另一個問題。

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        繼承恒定比率

        碳12與碳13的比例在地球大氣中是恒定的。相對于一個13C原子，總有一百個12C原子。在光合作用的過程中，植物吸收地球大氣層，水和土壤中的碳原子，并將其存儲在葉子，果實(shí)，堅(jiān)果和根的細(xì)胞中。但是，碳形式的比例在光合作用過程中會發(fā)生變化。 

        在光合作用期間，植物在不同氣候區(qū)域以不同的方式改變100 12C / 1 13C化學(xué)比。與森林或濕地中生活的植物相比，生活在陽光充足，水少的地區(qū)的植物細(xì)胞中的12C原子相對較少（相比之下13C）。科學(xué)家根據(jù)植物所使用的光合作用的類型將其分類為C3，C4和

CAM。 

        你吃了什么嗎？ 

        12C / 13C的比例硬連接到植物的細(xì)胞中，這是好的部分，因?yàn)榧?xì)胞沿食物鏈向上傳播（即，動物，人類食用了根，葉和果實(shí)），12C至13C實(shí)際上保持不變，因?yàn)樗执鎯υ趧游锖腿祟惖墓穷^，牙齒和頭發(fā)中。

        換句話說，如果您可以確定存儲在動物骨骼中的12C與13C的比率，則可以確定他們食用的植物是否使用C4，C3或CAM工藝，因此，植物的環(huán)境是喜歡。換句話說，假設(shè)您在當(dāng)?shù)鼐筒停敲茨幼〉牡胤骄蛯⒛淖∷苍M(jìn)了骨頭。該測量是通過質(zhì)譜儀分析完成的。

        長期來看，碳并不是穩(wěn)定同位素研究人員使用的元素。當(dāng)前，研究人員正在研究測量氧，氮，鍶，氫，硫，鉛和動植物所處理的許多其他元素的穩(wěn)定同位素的比率。這項(xiàng)研究導(dǎo)致人類和動物飲食信息的多樣性簡直令人難以置信。

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        早的研究 

        穩(wěn)定同位素研究的個考古學(xué)應(yīng)用是在1970年代，由南非考古學(xué)家Nikolaas van der Merwe挖掘，他在Kgopolwe 3 的非洲鐵器時代遺址中發(fā)掘，該遺址是南非德蘭士瓦低地的幾個遺址之一，稱為Phalaborwa 。

        范德梅爾韋（Van de Merwe）在一個煙灰堆中發(fā)現(xiàn)了一個人類男性骨骼，該骨骼看起來與該村的其他墓葬不一樣。骷髏在形態(tài)上與帕拉博魯瓦的其他居民不同，并且以與典型村民完全不同的方式埋葬了他。這個人看起來像科伊桑人。Khoisans不應(yīng)曾是Sotho祖先部落的Phalaborwa。Van der Merwe和他的同事JC Vogel和Philip Rightmire決定研究骨骼中的化學(xué)特征，初的結(jié)果表明，這名男子是來自Khoisan村的高粱農(nóng)民，死于Kgopolwe 3。

        在考古學(xué)中應(yīng)用穩(wěn)定同位素

        在范·德·莫爾韋（van der Merwe）教授的SUNY Binghamton研討會上討論了Phalaborwa研究的技術(shù)和結(jié)果。當(dāng)時，紐約州立大學(xué)（SUNY）正在研究晚期林地墓葬，他們共同決定，是否有興趣在以前只能接觸C3的人群中確定是否可以在飲食中添加玉米（美洲玉米，亞熱帶C4養(yǎng)分）。植物：是的。 

        該研究于1977年成為篇應(yīng)用穩(wěn)定同位素分析的考古學(xué)研究。他們比較了古細(xì)菌（2500-2000 BCE）和早期林地（400-400年）人類肋骨膠原中的穩(wěn)定碳同位素比（13C / 12C）。紐約的考古遺址（即玉米到達(dá)該區(qū)域之前），其后林地（約公元1000-1300年）的肋骨比率為13C / 12C，而歷史遺址（玉米到達(dá)后）的遺址同一區(qū)域。他們能夠證明肋骨中的化學(xué)特征表明玉米在早期并不存在，但到了后期林地時代已成為一種主要食品。

        根據(jù)這一論證和自然界中穩(wěn)定碳同位素分布的現(xiàn)有證據(jù)，Vogel和van der Merwe建議，該技術(shù)可用于檢測美洲林地和熱帶森林中的玉米農(nóng)業(yè)。確定海洋食品在沿海社區(qū)飲食中的重要性；根據(jù)混食草食動物的瀏覽/放牧比率記錄熱帶稀樹草原植被覆蓋度隨時間的變化；并可能確定法醫(yī)調(diào)查的起源。

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        穩(wěn)定同位素研究的新應(yīng)用

        自1977年以來，利用人類和動物骨骼（膠原蛋白和磷灰石），牙釉質(zhì)和頭發(fā)中輕元素氫，碳，氮，氧和硫的穩(wěn)定同位素比，穩(wěn)定同位素分析的應(yīng)用在數(shù)量和廣度上呈爆炸性增長，以及烘焙到表面或吸收到陶瓷壁上的陶器殘留物，以確定飲食和水源。光穩(wěn)定同位素比（通常是碳和氮）已用于研究飲食成分，例如海洋生物（例如海豹，魚類和貝類），各種馴化植物（例如玉米和粟）；和牛乳業(yè)（陶器中的牛奶殘留物）和母乳（斷奶的年齡，在牙齒排中檢測到）。從今天到我們的遠(yuǎn)古祖先Homo habilis的人源素已經(jīng)進(jìn)行了飲食研究和南方古猿。

        其他同位素研究集中于確定事物的地理起源。各種穩(wěn)定同位素比率的組合，有時包括鍶和鉛等重元素的同位素，已被用來確定古城居民是移民還是本地出生；追蹤水煮象牙和犀牛角的起源，以打破走私戒指；并確定可卡因，海洛因和用于制作假$ 100鈔票的棉纖維的農(nóng)業(yè)來源。 

        具有有用應(yīng)用的同位素分餾的另一個示例涉及雨水，雨水包含穩(wěn)定的氫同位素1H和2H（氘）以及氧同位素16O和18O。水在赤道大量蒸發(fā)，水蒸氣分散到北部和南部。隨著H2O降落回到地面，重同位素先會下雨。到兩極雪一樣落下時，水分已嚴(yán)重耗盡氫和氧的重同位素。這些同位素在雨中（和自來水中）的全球分布可以繪制出來，消費(fèi)者的來源可以通過對頭發(fā)的同位素分析來確定。