Что такое изотопы?

Анализ стабильных изотопов произвел переворот в археологических исследованиях человека. Анализ соотношений различных химических элементов в костях и зубах позволил археологам изучить процессы перемещения людей в пределах стран и через их границы, а также оценить различия в рационе. Анализ стабильных изотопов в контексте судебной экспертизы и криминалистики в целях идентификации человека начали применять гораздо позже — и весьма успешно. В следующем разделе профессор Джанет Монтгомери (Janet Montgomery) — ведущий специалист по изотопному анализу — расскажет, что такое стабильные изотопы и как их анализ помогает получить ответы на вопросы о прошлом и настоящем.

Что такое стабильный изотоп?

Все элементы состоят из атомов, а все атомы — из ядра, содержащего положительно заряженные протоны (protons) и нейтральные нейтроны (neutrons). Ядро окружено кольцом отрицательно заряженных электронов(electrons).

Строение атома (источник: Джанет Монтгомери)

Именно количество протонов в элементе определяет его химическую природу (атомное число), и это число остается неизменным для всех элементов. Так, у всех атомов углерода в ядре имеется шесть протонов (атомное число 6), а у каждого атома азота — семь протонов (атомное число 7).

Несмотря на то что количество протонов в ядре конкретного элемента никогда не меняется, в атомах одного элемента может содержаться различное количество нейтронов. Эти разновидности (изотопы) различаются по массовому числу ядер, но сохраняют одни и те же химические свойства. Так, в природе встречается два изотопа азота (¹⁴N и ¹⁵N). Оба изотопа азота имеют одно атомное число (7 протонов), но разное количество нейтронов (7 и 8 соответственно). Таким образом, эти два изотопа азота различаются по атомной массе (суммарному количеству протонов и нейтронов). Обычно в природе наиболее распространен самый легкий изотоп, а другие присутствуют в следовых (очень малых) количествах.

Пример изотопов кислорода. Обратите внимание на разное количество нейтронов в ядре (источник: Wiki Commons)

Разделение изотопов

Все изотопы одного элемента имеют в точности одинаковые химические свойства, однако ввиду различий в атомной массе они слегка отличаются по физическим свойствам (температура кипения, температура плавления и так далее) из-за более высокой энергии колебаний более легких изотопов. Эти различия приводят к разделению (фракционированию) изотопов в ходе физических и химических процессов. Степень фракционирования зависит от температуры и тем более выражена, чем больше различие в атомной массе.

Фракционирование легких элементов, в том числе углерода, азота и кислорода, при низких температурах окружающей среды и биологических процессов используется в повседневной практике биоархеологических исследований, в которых изучается рацион питания живших ранее популяций. Более тяжелым элементам, таким как стронций, для изменения соотношения изотопов, которое можно использовать, требуются гораздо более высокие температуры. Например, фракционирование, происходящее в условиях образования горных пород, позволяет различать геологические (а следовательно, и географические) регионы, в которых жили люди.

Как изотопы используются в биоархеологических исследованиях?

В биоархеологических исследованиях для ответа на вопросы о рационе питания, здоровье и миграции часто используется несколько изотопных систем. Изотопный анализ позволяет исследователям извлекать информацию непосредственно из зубов и костей древних людей, что можно использовать для реконструкции среды, в которой они жили, их рациона питания, периодов пищевого стресса и мест обитания. Например, можно узнать, были ли они вегетарианцами, кормили ли их грудью, могли ли они родиться и вырасти в каком-то другом месте. Другие археологические признаки, в том числе тип и место захоронения и положенный в могилу погребальный инвентарь, также помогают найти ответы на некоторые из указанных вопросов. Так, захоронение, в котором находится типичное для викингов оружие или комплект украшений, может указывать на скандинавское происхождение похороненного там человека. Но вдруг он перенял самобытность викингов во взрослом возрасте — или она была приписана ему уже после смерти? Анализ изотопов в его зубах, сформированных в раннем детстве, может указать на то, что человек вырос в более северной местности, например на древних скалах Балтийского щита.

Какие образцы можно отбирать?

В археологических захоронениях сохраняются в основном такие материалы, как зубы и кости; оба они позволяют сравнить рацион и происхождение человека в детстве и во взрослом возрасте. Зубы позволяют оценить рацион питания конкретного индивидуума, его здоровье и условия окружающей среды, с которыми он сталкивался в детстве, так как ни дентин (корень зуба), ни эмаль не подвергаются существенному ремоделированию после формирования в раннем детстве. И наоборот: кость подвергается ремоделированию в течение жизни, поэтому отбор ее образцов позволяет изучить рацион питания, состояние здоровья и условия окружающей среды человека во взрослом возрасте.

Примеры типов тканей, используемых в археологических изотопных исследованиях (источник: Wiki Commons)

Мы изучили, что такое изотоп, а на следующем этапе рассмотрим процесс подготовки костей и зубов для изотопного анализа.