Isotopenonderzoek Strontium isotopen Het chemische element strontium bevindt zich in de geologische ondergrond en heeft vier natuurlijk voorkomende isotopen: 84Sr (0.56%), 86Sr (9.87%), 88Sr (82.53%) en 87Sr (7.04%). De laatste is het enige radioactieve isotoop en wordt gevormd door het β-verval van rubidium-87. De halfwaardetijd van deze reactie is maar liefst 48 miljard jaar; des te ouder het gesteente, des te meer 87Sr er in het gesteente aanwezig is. De veronderstelde verhouding tussen 86Sr en 87Sr wordt gebruikt als geochemisch signatuur om het geologische herkomstgebied van een individu vast te stellen. Relatief jong gesteente bijvoorbeeld, zoals de basalten uit het Kwartair (2,5 Ma – heden) hebben een lagere 87Sr/86Sr ratio ten opzichte van oudere gesteenten. Elementen welke chemisch identiek zijn aan calcium, zoals strontium, nemen soms de plek in van calcium in calciumfosfaat en apatiet in het menselijk skelet. Derhalve wordt strontium van geërodeerd geologisch materiaal via bodems, natuurlijk bronwater en de voedselketen opgenomen in botmateriaal en gebitselementen (dentine en glazuur) van mens en dier. Op deze manier incorporeren wij het strontium signaal van het gebied waar wij ons bevinden. Het glazuur van de gebitselementen wordt al gemineraliseerd vanaf de geboorte tot ongeveer de leeftijd van 16 jaar (afhankelijk van het gebitselement). Tijdens het mineralisatie proces wordt strontium in de matrix opgenomen. Zodoende is het strontium signaal wat afkomstig is van tandglazuur indicatief voor de geologische ondergrond ten tijde van de mineralisatie van het glazuur, dus indicatief voor het gebied waar we de eerste jaren van ons leven hebben doorgebracht. Bot daarentegen, hermodelleert het hele leven door. Het strontium signaal uit het bot is derhalve een gemiddeld signaal van het gebied waar we de laatste jaren van ons leven hebben doorgebracht. Om het lokale strontium signaal te bepalen en zodoende te definiëren welke strontium ratio’s als respectievelijk “lokaal” en “niet-lokaal” gezien kunnen worden zijn verschillende methoden te gebruiken. Wanneer minimaal 50 individuen binnen een populatie onderzocht kunnen worden is het mogelijk om op statistische basis het lokale strontiumsignaal vast te stellen. Wanneer en minder dan 50 individuen onderzocht worden, kan het lokale strontiumsignaal bepaald worden met behulp van dierlijke gebitselementen (kat, hond, varken, muis, rat) uit dezelfde of vergelijkbare opgravingen als waar de menselijke resten vandaan komen. Van knaagdieren wordt aangenomen dat ze lokaal geboren worden en opgroeien vanwege hun relatief kleine actieradius. Indien knaagdierresten niet tot het dierlijke soortenspectrum behoren, dan kunnen er monsters genomen worden van andere diersoorten, waarvan met enige zekerheid gesteld kan worden dat deze in of in de omgeving van het onderzoeksgebied geboren en opgegroeid zijn. Zuurstof isotopen Zuurstof wordt tijdens de groei in het menselijk lichaam opgenomen uit zowel drinkwater, de atmosfeer en voedsel. Bij zuurstof isotopen analyse wordt de verhouding tussen de stabiele isotopen 18O en 16O bepaald; de 18O/16O ratio (uitgedrukt in δ18O). De δ18O waarde van drinkwater (regen) wordt beïnvloed door temperatuur (vochtigheid), afstand van de kust, hoogte, breedtegraad en andere aspecten van het lokale klimaat. De δ18O waarde in drinkwater (regenwater) wordt in West-Europa voornamelijk beïnvloed door ‘het continentale effect’, oftewel de afstand van een gebied tot de kust. Wanneer water verdampt boven de oceanen, gaan lichte isotopen makkelijker in de dampfase dan zwaardere. Hierdoor is er een positieve discriminatie van 16O ten opzichte van 17O en 18O tijdens evaporatie. Wanneer de waterdamp echter naar koudere atmosferen wordt getransporteerd treedt er condensatie op. Opnieuw vindt er fractionatie plaats: het zwaardere 18O zal makkelijker condenseren dan de overige twee lichtere O-isotopen. Dit heeft als gevolg dat de regen isotopisch ‘zwaarder’ is dan de waterdamp waaruit het ontstaan is. Naarmate men verder vanuit de kust landinwaarts gaat, regenen er meer zware zuurstof atomen uit, met als gevolg dat de waterdamp steeds ‘lichter’ wordt. De regen wordt landinwaarts ook steeds ‘lichter’ doordat het afkomstig is van een steeds isotopisch ‘lichtere’ waterdamp. De δ18O waarden van drinkwater worden dus steeds negatiever/lager naarmate je verder van de kust bent. Variatie in de δ18O representeert de variatie in drinkwaterbronnen en indirect de omstandigheden van het lokale klimaat. Derhalve kan zuurstof isotopenonderzoek uitstekend gebruikt worden ter aanvulling van strontium isotopenonderzoek. Door de combinatie van strontium en zuurstof isotopenonderzoek kunnen geologisch identieke, doch geografisch verschillende (herkomst)gebieden van elkaar onderscheiden worden. Derhalve kan een combinatie van beide onderzoeken leiden tot het nauwkeuriger kunnen bepalen van het mogelijke herkomstgebied. Koolstof en stikstof isotopen ‘Je bent wat je eet’: koolstof (C) en stikstof (N) isotopen uit menselijk weefsel zijn een reflectie van de isotoopwaarden van het geconsumeerde voedsel en de fractionatie daarvan door het afleggen van de fysiologische weg door het menselijk lichaam. Koolstof en stikstof isotopen worden via de voedselketen in ons lichaam opgenomen. Door fotosynthese wordt CO2 uit de atmosfeer opgenomen in planten, die het gas vervolgens omzetten in andere stoffen. De absorptie van het gas zal makkelijker zijn voor het relatief lichtere 12CO2, dan voor het relatief zwaardere 13CO2, met als gevolg dat de 13C/12C verhouding van de plant niet meer hetzelfde is als de 13C/12C ratio van de atmosfeer. Dit proces heet fractionatie. Bij dieren die de planten eten treedt ook weer fractionatie van koolstof op, maar in de zin dat de 13C/12C ratio steeds minder negatief wordt naarmate men hoger in de voedselketen opklimt. Stikstof en koolstof isotopen geven in de eerste plaats een indicatie van trofisch niveau. Met trofisch niveau wordt de plaats in de voedsel keten bedoeld. Per stap in de voedselketen vindt een aanrijking in δ15N en δ13C plaats. Dit trofisch niveau signaal is het meest uitgesproken in δ15N. Voor zoogdieren is het bekend dat er een aanrijking in δ15N van 3‰ per hoger trofisch niveau plaats vindt. Aangenomen wordt dat dit voor mensen vergelijkbaar is. De mate van aanrijking in δ15N met name, geeft dus een idee over de hoeveelheid van consumptie van plantaardig (groenten, fruit, granen) en dierlijk voedsel (vlees, melk, eieren). Binnen bijvoorbeeld een terrestrisch ecosysteem, staan de primaire producenten (planten) onderaan de voedselketen, gevolgd door de herbivoren en daarna de carnivoren. Koolstof isotopen kunnen bovendien onderscheid maken tussen bepaalde plantengroepen die geconsumeerd zijn. Er zijn drie plantengroepen met specifieke isotoopwaarden. Dit zijn 1) mariene planten, 2) C3 terrestrische en 3) C4 terrestrische planten. Mariene planten zijn verrijkt in δ13C ten opzichten van C3 terrestrische vegetatie. C4 planten zijn op hun beurt weer isotopisch zwaarder dan C3 en mariene planten. In West-Europa zijn van nature bijna alleen C3 planten aanwezig. C4 Planten komen oorspronkelijk uit tropische gebieden, voorbeelden hiervan zijn savanne grassen en maïs. Ook met betrekking tot de 14C dateringen is inzicht in het dieet van belang. Zo kan een visrijk dieet de datering zeer zeker beïnvloeden (het zogenaamde reservoir-effect).

Isotopenonderzoek

Strontium isotopen

Het chemische element strontium bevindt zich in de geologische ondergrond en heeft vier natuurlijk voorkomende isotopen: 84Sr (0.56%), 86Sr (9.87%), 88Sr (82.53%) en 87Sr (7.04%). De laatste is het enige radioactieve isotoop en wordt gevormd door het β-verval van rubidium-87. De halfwaardetijd van deze reactie is maar liefst 48 miljard jaar; des te ouder het gesteente, des te meer 87Sr er in het gesteente aanwezig is. De veronderstelde verhouding tussen 86Sr en 87Sr wordt gebruikt als geochemisch signatuur om het geologische herkomstgebied van een individu vast te stellen. Relatief jong gesteente bijvoorbeeld, zoals de basalten uit het Kwartair (2,5 Ma – heden) hebben een lagere 87Sr/86Sr ratio ten opzichte van oudere gesteenten.

Elementen welke chemisch identiek zijn aan calcium, zoals strontium, nemen soms de plek in van calcium in calciumfosfaat en apatiet in het menselijk skelet. Derhalve wordt strontium van geërodeerd geologisch materiaal via bodems, natuurlijk bronwater en de voedselketen opgenomen in botmateriaal en gebitselementen (dentine en glazuur) van mens en dier. Op deze manier incorporeren wij het strontium signaal van het gebied waar wij ons bevinden.

Het glazuur van de gebitselementen wordt al gemineraliseerd vanaf de geboorte tot ongeveer de leeftijd van 16 jaar (afhankelijk van het gebitselement). Tijdens het mineralisatie proces wordt strontium in de matrix opgenomen. Zodoende is het strontium signaal wat afkomstig is van tandglazuur indicatief voor de geologische ondergrond ten tijde van de mineralisatie van het glazuur, dus indicatief voor het gebied waar we de eerste jaren van ons leven hebben doorgebracht. Bot daarentegen, hermodelleert het hele leven door. Het strontium signaal uit het bot is derhalve een gemiddeld signaal van het gebied waar we de laatste jaren van ons leven hebben doorgebracht.

Om het lokale strontium signaal te bepalen en zodoende te definiëren welke strontium ratio’s als respectievelijk “lokaal” en “niet-lokaal” gezien kunnen worden zijn verschillende methoden te gebruiken. Wanneer minimaal 50 individuen binnen een populatie onderzocht kunnen worden is het mogelijk om op statistische basis het lokale strontiumsignaal vast te stellen. Wanneer en minder dan 50 individuen onderzocht worden, kan het lokale strontiumsignaal bepaald worden met behulp van dierlijke gebitselementen (kat, hond, varken, muis, rat) uit dezelfde of vergelijkbare opgravingen als waar de menselijke resten vandaan komen. Van knaagdieren wordt aangenomen dat ze lokaal geboren worden en opgroeien vanwege hun relatief kleine actieradius. Indien knaagdierresten niet tot het dierlijke soortenspectrum behoren, dan kunnen er monsters genomen worden van andere diersoorten, waarvan met enige zekerheid gesteld kan worden dat deze in of in de omgeving van het onderzoeksgebied geboren en opgegroeid zijn.

Zuurstof isotopen

Zuurstof wordt tijdens de groei in het menselijk lichaam opgenomen uit zowel drinkwater, de atmosfeer en voedsel. Bij zuurstof isotopen analyse wordt de verhouding tussen de stabiele isotopen 18O en 16O bepaald; de 18O/16O ratio (uitgedrukt in δ18O). De δ18O waarde van drinkwater (regen) wordt beïnvloed door temperatuur (vochtigheid), afstand van de kust, hoogte, breedtegraad en andere aspecten van het lokale klimaat.

De δ18O waarde in drinkwater (regenwater) wordt in West-Europa voornamelijk beïnvloed door ‘het continentale effect’, oftewel de afstand van een gebied tot de kust. Wanneer water verdampt boven de oceanen, gaan lichte isotopen makkelijker in de dampfase dan zwaardere. Hierdoor is er een positieve discriminatie van 16O ten opzichte van 17O en 18O tijdens evaporatie. Wanneer de waterdamp echter naar koudere atmosferen wordt getransporteerd treedt er condensatie op. Opnieuw vindt er fractionatie plaats: het zwaardere 18O zal makkelijker condenseren dan de overige twee lichtere O-isotopen. Dit heeft als gevolg dat de regen isotopisch ‘zwaarder’ is dan de waterdamp waaruit het ontstaan is. Naarmate men verder vanuit de kust landinwaarts gaat, regenen er meer zware zuurstof atomen uit, met als gevolg dat de waterdamp steeds ‘lichter’ wordt. De regen wordt landinwaarts ook steeds ‘lichter’ doordat het afkomstig is van een steeds isotopisch ‘lichtere’ waterdamp. De δ18O waarden van drinkwater worden dus steeds negatiever/lager naarmate je verder van de kust bent.

Variatie in de δ18O representeert de variatie in drinkwaterbronnen en indirect de omstandigheden van het lokale klimaat. Derhalve kan zuurstof isotopenonderzoek uitstekend gebruikt worden ter aanvulling van strontium isotopenonderzoek. Door de combinatie van strontium en zuurstof isotopenonderzoek kunnen geologisch identieke, doch geografisch verschillende (herkomst)gebieden van elkaar onderscheiden worden. Derhalve kan een combinatie van beide onderzoeken leiden tot het nauwkeuriger kunnen bepalen van het mogelijke herkomstgebied.

Koolstof en stikstof isotopen

‘Je bent wat je eet’: koolstof (C) en stikstof (N) isotopen uit menselijk weefsel zijn een reflectie van de isotoopwaarden van het geconsumeerde voedsel en de fractionatie daarvan door het afleggen van de fysiologische weg door het menselijk lichaam. Koolstof en stikstof isotopen worden via de voedselketen in ons lichaam opgenomen. Door fotosynthese wordt CO2 uit de atmosfeer opgenomen in planten, die het gas vervolgens omzetten in andere stoffen. De absorptie van het gas zal makkelijker zijn voor het relatief lichtere 12CO2, dan voor het relatief zwaardere 13CO2, met als gevolg dat de 13C/12C verhouding van de plant niet meer hetzelfde is als de 13C/12C ratio van de atmosfeer. Dit proces heet fractionatie. Bij dieren die de planten eten treedt ook weer fractionatie van koolstof op, maar in de zin dat de 13C/12C ratio steeds minder negatief wordt naarmate men hoger in de voedselketen opklimt. Stikstof en koolstof isotopen geven in de eerste plaats een indicatie van trofisch niveau. Met trofisch niveau wordt de plaats in de voedsel keten bedoeld. Per stap in de voedselketen vindt een aanrijking in δ15N en δ13C plaats. Dit trofisch niveau signaal is het meest uitgesproken in δ15N. Voor zoogdieren is het bekend dat er een aanrijking in δ15N van 3‰ per hoger trofisch niveau plaats vindt. Aangenomen wordt dat dit voor mensen vergelijkbaar is.

De mate van aanrijking in δ15N met name, geeft dus een idee over de hoeveelheid van consumptie van plantaardig (groenten, fruit, granen) en dierlijk voedsel (vlees, melk, eieren). Binnen bijvoorbeeld een terrestrisch ecosysteem, staan de primaire producenten (planten) onderaan de voedselketen, gevolgd door de herbivoren en daarna de carnivoren. Koolstof isotopen kunnen bovendien onderscheid maken tussen bepaalde plantengroepen die geconsumeerd zijn. Er zijn drie plantengroepen met specifieke isotoopwaarden. Dit zijn 1) mariene planten, 2) C3 terrestrische en 3) C4 terrestrische planten. Mariene planten zijn verrijkt in δ13C ten opzichten van C3 terrestrische vegetatie. C4 planten zijn op hun beurt weer isotopisch zwaarder dan C3 en mariene planten. In West-Europa zijn van nature bijna alleen C3 planten aanwezig. C4 Planten komen oorspronkelijk uit tropische gebieden, voorbeelden hiervan zijn savanne grassen en maïs. Ook met betrekking tot de 14C dateringen is inzicht in het dieet van belang. Zo kan een visrijk dieet de datering zeer zeker beïnvloeden (het zogenaamde reservoir-effect).