稳定同位素分析是一种科学技术，考古学家和其他学者利用这种技术从动物的骨骼中收集信息，以确定其一生中所消耗的植物的光合作用过程。这些信息在很多方面都非常有用，从确定古代原始人类祖先的饮食习惯到追踪缉获的可卡因和非法偷猎犀牛角的农业来源。

什么是稳定同位素(stable isotopes)？

地球及其大气层都是由氧、碳和氮等不同元素的原子组成的。根据它们的原子量（每个原子中的中子数），每种元素都有几种形式。例如，大气中99%的碳以碳-12的形式存在；但剩下的1%的碳是由两种稍有不同的碳组成，称为碳-13和碳-14。碳-12（缩写为12C）的原子量为12，由6个质子、6个中子和6个电子组成。6个电子不会增加任何原子量。碳-13（13C）仍然有6个质子和6个电子，但它有7个中子。碳-14（14C）有6个质子和8个中子，它们太重了，无法以稳定的方式结合在一起，它会释放能量来去除多余的，这就是为什么科学家称之为“放射性”

这三种形式的反应方式完全相同，如果你把碳和氧结合起来，不管有多少中子，你总能得到二氧化碳。12C和13C的形式是稳定的，也就是说，它们不会随时间而改变。另一方面，碳-14并不稳定，而是以一个已知的速率衰变，因此，我们可以用它与碳-13的剩余比率来计算放射性碳日期，但这完全是另一个问题。

继承常数比率

在地球大气层中，碳-12与碳-13的比例是恒定的。总有一百个12C原子对一个13C原子。在光合作用过程中，植物吸收地球大气、水和土壤中的碳原子，并将其储存在叶子、水果、坚果和根的细胞中。但是，作为光合作用过程的一部分，碳形态的比例会发生改变。

在光合作用过程中，植物在不同气候区域对100 12C/1 13C化学比率的改变不同。与生活在森林或湿地的植物相比，生活在阳光充足、水分稀少地区的植物细胞中的12C原子相对较少（与13C相比）。科学家根据光合作用的类型将植物分为C3、C4和CAM三类。

你吃的是什么？

12C/13C的比例是硬连接到植物细胞中的，这是最好的部分，当细胞沿着食物链向上传递时（即动物和人类食用根、叶和水果），12C/13C的比例几乎保持不变，因为它依次储存在动物和人类的骨骼、牙齿和头发中。

换句话说，如果你能确定动物骨骼中储存的12C与13C的比例，你就可以知道它们吃的植物是否使用C4、C3或CAM过程，因此，植物的环境是什么样的。换句话说，假设你在当地吃东西，你住的地方是由你吃的东西固定在你的骨头里的。这种测量是通过质谱分析来完成的。

碳并不是稳定同位素研究人员使用的唯一元素。目前，研究人员正在研究测量由植物和动物加工的氧、氮、锶、氢、硫、铅和许多其他元素的稳定同位素比率。这项研究导致了人类和动物饮食信息的惊人多样性。

早期研究

20世纪70年代，南非考古学家尼古拉斯·范德梅尔维（Nikolaas van der Merwe）首次将稳定同位素研究应用于考古，当时他正在非洲铁器时代的Kgopolwe 3号遗址进行挖掘，Kgopolwe 3号遗址是南非特兰斯瓦尔低地（Transvaal Lowveld）的几个遗址之一，名为Phalaborwa。

Van de Merwe在一个灰烬堆中发现了一具男性骷髅，与村里的其他墓葬不同。这具骨架在形态上与法拉博瓦的其他居民不同，他被埋葬的方式与典型村民完全不同。这个人看起来像个科伊桑人；科伊桑人不应该出现在法拉博瓦，他们是索托部落的祖先。Van der Merwe和他的同事J.C.Vogel和Philip Rightmire决定研究他骨骼中的化学特征，初步结果表明，该男子是科伊桑村的高粱农民，不知何故死于Kgopolwe 3号。

稳定同位素在考古学中的应用

van der Merwe在SUNY Binghamton教学的研讨会上讨论了Phalaborwa研究的技术和结果。当时，纽约州立大学正在调查晚期林地墓葬，他们一起决定，看看在饮食中添加玉米（美国玉米，一种亚热带C4家畜）是否可以在以前只接触C3植物的人中识别出来，这将是一件有趣的事：事实确实如此。

这项研究于1977年成为第一项公开发表的应用稳定同位素分析的考古研究。他们比较了纽约古代（公元前2500-2000年）和早期林地（公元前400-100年）考古遗址（即玉米抵达该地区之前）人类肋骨胶原蛋白中的稳定碳同位素比率（13C/12C），以及晚期林地（约公元前1000-1300年）和历史时期遗址肋骨中的13C/12C比率（玉米到达后）来自同一地区。他们能够证明肋骨中的化学特征表明玉米在早期不存在，但在林地晚期已成为主食。

基于这一证明和自然界中稳定碳同位素分布的现有证据，Vogel和van der Merwe建议，该技术可用于检测美洲林地和热带森林中的玉米农业；确定海洋食品在沿海社区饮食中的重要性；根据混合食草动物的浏览/放牧比率记录热带草原植被覆盖随时间的变化；并可能在法医调查中确定来源。

稳定同位素研究的新应用

自1977年以来，利用人类和动物骨骼（胶原蛋白和磷灰石）、牙釉质和头发中轻元素氢、碳、氮、氧和硫的稳定同位素比率，稳定同位素分析的应用在数量和广度上都出现了爆炸，以及在陶瓷表面烘烤或吸收到陶瓷壁上的残留物，以确定饮食和水源。轻稳定同位素比率（通常为碳和氮）已用于研究海洋生物（如海豹、鱼类和贝类）、各种驯化植物（如玉米和小米）等饮食成分；牛乳制品（陶器中残留的牛奶）和母乳（断奶年龄，在牙齿排中检测到）。从今天到我们的远古祖先能人和南方古猿，已经对人类进行了饮食研究。

其他同位素研究集中于确定事物的地理起源。各种稳定同位素比值的组合，有时包括锶和铅等重元素的同位素，已被用来确定古城居民是移民还是本地出生的；追查偷猎象牙和犀牛角的来源，以瓦解走私团伙；并确定可卡因、海洛因和用于制造100美元假钞的棉纤维的农业来源。

同位素分馏的另一个有用的例子是雨水，雨水中含有稳定的氢同位素1H和2H（氘）以及氧同位素16O和18O。水在赤道大量蒸发，水蒸气向南北扩散。当H2O返回地球时，重同位素会首先析出。当它在两极降雪时，氢和氧的重同位素中的水分严重减少。这些同位素在雨水（和自来水）中的全球分布可以绘制出来，消费者的来源可以通过头发的同位素分析来确定。

资料来源和最近的研究

• 格兰特，詹妮弗。“狩猎和放牧：阿根廷南部普纳野生和驯养骆驼的同位素证据（2120-420bp）。《考古科学杂志：报告11》（2017）：29-37。印刷品。
• 稳定同位素分析证实亚热带和温带浅水湖泊食物网之间存在重大差异，《水生生物学》784.1（2017）：111-23。印刷品。
• Katzenberg、M.Anne和Andrea L.Waters Rist。“稳定同位素分析：研究过去饮食、人口学和生活史的工具”，《人类骨骼的生物人类学》。Katzenberg、M.Anne和Anne L.Grauer编辑。纽约第三版：约翰·威利父子公司，2019年。467–504. 印刷品。
• 普赖斯，T.道格拉斯等人，《地球的同位素起源》，《古代》90.352（2016）：1022-37。印在北欧海盗时代前爱沙尼亚的萨勒姆船葬礼上
• Sealy，J.C.和N.J.van der Merwe。关于“西开普省饮食重建的方法：你吃了什么？”——对Parkington的回复，《考古科学杂志》19.4（1992）：459-66。印刷品。
• Andrew D.Somerville等人，“Tiwanaku殖民地的饮食和性别：秘鲁莫奎瓜人骨胶原蛋白和磷灰石的稳定同位素分析”，《美国体质人类学杂志》158.3（2015）：408-22。印刷品。
• 杉山、纳瓦、安德鲁·D·萨默维尔和玛格丽特·J·肖恩格。“墨西哥Teotihuacan的稳定同位素和动物考古学揭示了中美洲野生食肉动物管理的最早证据。”PLoS ONE 10.9（2015）：e0135635。印刷品。
• Vogel，J.C.和Nikolas J.Van der Merwe。“纽约州早期玉米种植的同位素证据”，《美国古代》42.2（1977）：238-42。印刷品。