Mineviku toitumise uurimine süsiniku ja lämmastiku stabiilsete isotoopide abil


Keemilise elemendi isotoobid on aatomi tüübid, mis erinevad elemendist massiarvu poolest. Massiarv näitab aatomis olevate prootonite ja neutronite hulka. Isotoopides on massiarv elemendi omast erinev, kuna nende tuumas on teistsugune arv neutroneid. Isotoobid on ainetes alati olemas, erinevus on ainult keemilise elemendi ja isotoopide vahelises suhtes. Kuna erinevates keskkondades on erinevad isotoopsed suhted, kasutatakse süsiniku (C) ja lämmastiku (N) stabiilsete isotoopide suhte uurimisel mitte nende absoluutset, vaid suhtelist sisaldust, mida tähistatakse δ13C1 ja δ15N2.

C3 ja C4 taimed inimese toidus

Süsiniku stabiilsete isotoopide hulk taimedes sõltub fotosünteesil kasutatavast mehhanismist. Kaks peamist on tuntud kui C3 ja C4 mehhanismid. Enamik parasvöötme taimi kasutavad C3 mehhanismi ning see tähendab, et fotosünteesi esimeses faasis moodustatakse kolme süsiniku aatomiga ühend. Troopilises ning lähistroopilises kliimas kasvavad taimed (nt mais ja sojaoad), mis saavad palju soojust ning valgust, kasutavad C4 mehhanismi, mille esimeses faasis moodustatakse nelja süsiniku aatomiga ühend. Kuna inimese lihastes ja luudes on δ13C väärtus vaid 1‰ võrra erinev tema toidu δ13C väärtusest, saame me luudest otsest informatsiooni dieedi kohta. C3-ja C4-taimede δ13C väärtused on erinevad ning seda kasutatakse, et uurida inimeste üleminekut C3-taimedelt C4-taimedele.

USAs on uuritud maisi levikut Kesk-Ameerikast Põhja-Ameerikasse. Kui arheoloogilistel kaevamistel on leitud maisitõlvikuid juba 200 a pKr, siis isotoopide uuringud näitavad δ13C radikaalset tõusu alles 1000 a pKr (Joonis 1). B.D. Smith on ühe võimalusena pakkunud, et mais võis olla enne peamiseks dieedi osaks saamist hoopis tseremoniaalse tähtsusega.

Joonis 1. Graafik, mis iseloomustab ilmekalt Missouri ja Arkansase äkilist põllukultuuride kasutuselevõttu umbes aastal 1000 pKr.

Maismaaline ja mereline toidulaud

Euroopas ei toimunud sellist C4 taimede järsku kultiveerimist, mistõttu uuritakse süsiniku isotoopide abil mandrilise ning merelise toitumise osatähtsust. Merelistel organismidel on võrreldes maismaaliste C3 taimedega suurem δ13C väärtus, viimasest tulenevalt on ka nimetatud taimedest toituvate maismaa ulukite δ13C tase madalam (Joonis 2).

Joonis 2. δ13C ja δ15N teoreetilised väärtusted kui inimesed sööksid ainult C3, C4 või merelist toitu. Kui ainult C3 taimede söömine on kaugel sisemaal võimalik, siis ainult C4 taimedest või mereandidest toitumine on hüpoteetiline.

Organismi positsioon toiduahelas

Lämmastiku stabiilsete isotoopide meetod oma olemuselt sarnane süsiniku omaga. Erinevalt viimasest varieerub organismide lämmastiku sisaldus piirkonniti oluliselt. Kuna enamik taimi ei suuda õhus sisalduvat lämmastikku siduda (v.a kaunviljalised taimed, tänu sümbioosile mügarbakteritega), siis võtavad nad lämmastikku pinnasest. Pinnases sisalduva lämmastiku hulka mõjutavad aga paljud faktorid: õhutemperatuur, kõrgus merepinnast, sademete hulk, pinnase soolsus ning looduslikud väetised (nt guaano). Kuivas kõrbekliimas elavate inimeste ja loomade luudes on sageli suurem δ15N hulk, kui niisketes piirkondades.

δ15N väärtus annab meile informatsiooni organismi positsioonist toiduahelas – iga järgmise astmega toiduahelas suureneb δ15N väärtus 3‰ võtta. Kuna meres on toiduahelad pikemad kui mandril, siis on kalade ja mereloomade luudest saadud δ15N väärtused suuremad kui mandriloomade omad (Joonis 3).

Joonis 3. Keskmised δ13C ja δ15N väärtused peamistele toiduklassidele.

1988. aastal Sloveenias Magdalenska Goral leitud luudele tehtud analüüsid näitasid ebaharilikult kõrget δ13C taset. Ühe võimalusena pakuti, et nende inimeste toidust moodustas märgatava osa mereline toit, kuid asulapaik asus merest 80 km kaugusel. Siis võetigi appi lämmastiku stabiilsete isotoopide analüüs. Selgus, et need inimesed ei saanud süüa merelist toitu, kuna δ15N väärtus vastas põllukultuuri omale. Ainus lahendus, et suure osa nende inimeste toidust moodustas mingi C4 taim (Joonis 2). Ajaloolistele allikatele toetudes leiti, et see taim oli kukeleib, mille kasvatamist Alpidest edelas on esimesel sajandil kirjeldanud kreeka geograaf Strabo.

Kasutatud allikad:

Lynott, M.J., Boutton, T.W., Price, J.E. ja Nelson, D.E. 1986. Stable Carbon Isotope Evidence for Maize Agriculture in Southeast Missouri and Northeast Arkansas. American Antiquity 51: 51–65.

Mays, Simon 1998. The Archaeology of Human Bones. Cambridge

Smith, B.D. 1989. Origins of Agriculture in Eastern North America. Science 246: 1566–1571.

1 δ13C= [((13C/12C)proov / (13C/12C)standard) – 1] * 1000

2 δ15N= [((15N/14N)proov / (15N/14N)standard) – 1] * 1000

Leave a Reply