穩定同位素分析是一項科學技術，考古學家和其他學者使用該技術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慣到追蹤可卡因和非法偷獵的犀牛角的農業起源，這些信息在許多應用中都非常有用。 

        什么是穩定同位素？

        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。根據它們的原子量（每個原子中的中子數），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個質子和6個電子，但它具有7個中子。碳14（14C）具有6個質子和8個中子，它們太重而無法穩定地結合在一起，并且它會釋放能量以消除多余的能量，放射性的。”

        這三種形式的反應都完全相同—如果將碳與氧結合，則無論有多少中子，總會得到二氧化碳。12C和13C形式穩定-也就是說，它們不會隨時間變化。另一方面，碳14不穩定，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，堅果和根的細胞中。但是，碳形式的比例在光合作用過程中會發生變化。 

        在光合作用期間，植物在不同氣候區域以不同的方式改變100 12C / 1 13C化學比。與森林或濕地中生活的植物相比，生活在陽光充足，水少的地區的植物細胞中的12C原子相對較少（相比之下13C）。科學家根據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胞中，這是好的部分，因為細胞沿食物鏈向上傳播（即，動物，人類食用了根，葉和果實），12C至13C實際上保持不變，因為它又存儲在動物和人類的骨頭，牙齒和頭發中。

        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，植物的環境是喜歡。換句話說，假設您在當地就餐，那么您所居住的地方就將您的住所硬扎進了骨頭。該測量是通過質譜儀分析完成的。

        長期來看，碳并不是穩定同位素研究人員使用的元素。當前，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定同位素的比率。這項研究導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 

        穩定同位素研究的個考古學應用是在1970年代，由南非考古學家Nikolaas van der Merwe挖掘，他在Kgopolwe 3 的非洲鐵器時代遺址中發掘，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）在一個煙灰堆中發現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特征，初的結果表明，這名男子是來自Khoisan村的高粱農民，死于Kgopolwe 3。

        在考古學中應用穩定同位素

        在范·德·莫爾韋（van der Merwe）教授的SUNY Binghamton研討會上討論了Phalaborwa研究的技術和結果。當時，紐約州立大學（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養分）。植物：是的。 

        該研究于1977年成為篇應用穩定同位素分析的考古學研究。他們比較了古細菌（2500-2000 BCE）和早期林地（400-400年）人類肋骨膠原中的穩定碳同位素比（13C / 12C）。紐約的考古遺址（即玉米到達該區域之前），其后林地（約公元1000-1300年）的肋骨比率為13C / 12C，而歷史遺址（玉米到達后）的遺址同一區域。他們能夠證明肋骨中的化學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。

        根據這一論證和自然界中穩定碳同位素分布的現有證據，Vogel和van der Merwe建議，該技術可用于檢測美洲林地和熱帶森林中的玉米農業。確定海洋食品在沿海社區飲食中的重要性；根據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；并可能確定法醫調查的起源。

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        穩定同位素研究的新應用

        自1977年以來，利用人類和動物骨骼（膠原蛋白和磷灰石），牙釉質和頭發中輕元素氫，碳，氮，氧和硫的穩定同位素比，穩定同位素分析的應用在數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（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）。從今天到我們的遠古祖先Homo habilis的人源素已經進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鈔票的棉纖維的農業來源。 

        具有有用應用的同位素分餾的另一個示例涉及雨水，雨水包含穩定的氫同位素1H和2H（氘）以及氧同位素16O和18O。水在赤道大量蒸發，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，消費者的來源可以通過對頭發的同位素分析來確定。