L’analyse isotopique est utilisée dans une variété de domaines scientifiques, tels que la géologie, la Biologie, la Chimie organique et l’Écologie. L’archéologie, qui se situe entre les sciences naturelles dures et les sciences sociales, a adapté les techniques développées dans ces domaines pour répondre à des questions à la fois archéologiques et anthropologiques qui couvrent le globe dans le temps et l’espace. Les questions abordées dans le domaine de l’archéologie concernent le plus souvent l’étude de l’alimentation et de la mobilité des populations passées. Alors que la plupart des gens connaissent l’analyse isotopique liée à l’étude de la datation au radiocarbone ou C-14, moins de gens connaissent l’analyse d’autres isotopes présents dans du matériel biologique tel que des os humains ou animaux. Les isotopes les plus largement étudiés pour répondre à ces questions sont le carbone 13 (13C), l’azote 15 (15N), l’oxygène 18 (18O) et le Strontium (87Sr/ 86Sr). Les isotopes stables du 13C, 15N et 18O diffèrent de l’analyse du 14C en ce qu’ils ne se désintègrent pas régulièrement avec le temps, il n’y a donc pas de « demi-vie ». »Au contraire, ils restent constants dans le temps, d’où le terme isotopes stables. L’exploration des identificateurs isotopiques de la mobilité, de l’environnement et de la subsistance dans le passé a également une pertinence contemporaine en ce sens qu’elle peut aider à éclairer les politiques relatives à la protection du patrimoine, à la gestion des ressources et, plus important encore, à nous aider à en apprendre davantage sur la capacité remarquable de notre propre espèce à s’adapter et à survivre dans un certain nombre de circonstances environnementales et culturelles.
Méthodes d’analyse isotopique
Afin d’étudier les isotopes stables d’os humains et animaux, un très petit échantillon d’os est nécessaire pour l’analyse. En raison des progrès de la spectrométrie de masse accélérée (AMS), un petit échantillon pouvant aller de 200 milligrammes à 1 gramme d’os peut être utilisé. Lorsque le matériel osseux archéologique est mal conservé, il peut ne pas y avoir assez de matériel biologique survivant pour que l’analyse soit fiable. Cependant, dans les cas où les os sont bien conservés, les signatures isotopiques sont considérées comme représentatives du spécimen individuel (humain ou animal) étudié.
Le petit échantillon osseux est ensuite traité par un ensemble de procédures chimiques, en fonction de l’analyse particulière en question. Par exemple, pour l’analyse des isotopes stables du carbone et de l’azote, l’os est lavé dans de l’acide chlorhydrique (HCl) pendant une période de temps appropriée jusqu’à ce que l’échantillon d’os soit prêt pour les prochaines étapes chimiques. Ces processus sont effectués pour extraire le collagène osseux « pur » à partir de composants supplémentaires qui composent l’os, tels que les lipides et les protéines.
Une fois le collagène extrait, celui-ci est préparé et pesé pour analyse dans le spectromètre de masse. Le spectromètre de masse fonctionne en mesurant les masses et les concentrations relatives des atomes et des molécules. Ceux-ci sont comparés à l’aide de matériaux de référence standard définis par l’Agence internationale de l’Énergie atomique à Vienne. L’utilisation de normes mondiales et nationales (NIST) comme matériau de référence signifie que les résultats isotopiques peuvent être comparés entre les sites archéologiques. Cependant, il est important de se rappeler que les valeurs isotopiques d’un moment et d’un lieu particuliers doivent également être déterminées afin de comprendre les différents processus locaux (environnementaux et culturels) qui sont constamment à l’œuvre.
Les isotopes et l’étude de l’environnement
De nombreux domaines scientifiques utilisent l’analyse isotopique pour étudier le climat et l’environnement passés. L’archéologie ne fait pas exception. Il est important de déterminer le cadre environnemental d’un moment et d’un lieu particuliers afin de mieux comprendre les facteurs qui auraient pu influencer la façon dont une communauté s’est développée. Les changements climatiques à court et à long terme peuvent avoir un impact dramatique sur la façon dont les gens peuvent se procurer ou produire leur nourriture. De plus, ces types de changements peuvent influencer où et / ou quand les gens peuvent se déplacer dans le paysage. Par exemple, un changement du climat d’un environnement plus chaud ou plus aride à un environnement plus humide et plus doux peut avoir permis aux gens de s’installer dans une nouvelle zone pour utiliser des ressources foncières auparavant impropres à l’agriculture ou à l’élevage d’animaux.
Les indicateurs isotopiques de l’environnement sont le plus souvent étudiés par l’étude des isotopes de l’oxygène. Différentes valeurs isotopiques de l’oxygène sont représentatives des climats plus chauds et plus secs, par rapport à ceux qui étaient plus froids et plus humides. De plus, les isotopes de l’azote peuvent refléter le climat, en ce sens que les plantes, les animaux et les humains qui habitent des environnements plus arides peuvent afficher des valeurs d’azote enrichi de 15 par rapport à ceux des environnements plus doux. Cela a été constaté dans le cas du site de Badger Hole, où l’analyse de plusieurs os de bisons a montré des valeurs d’azote-15 significativement enrichies, indiquant l’habitat d’un environnement extrêmement aride.
Les isotopes et l’étude de l’alimentation
L’étude de l’alimentation des peuples préhistoriques est une partie essentielle de la compréhension de la façon dont les communautés passées ont pu survivre et s’adapter dans des contextes environnementaux et sociaux particuliers. L’étude du régime alimentaire passé ou paléodiète fournit des indices sur la façon dont nos ancêtres utilisaient les ressources naturelles et même comment ils modifiaient leurs propres environnements afin de produire de la nourriture. Par exemple, l’un des aspects les plus étudiés de l’alimentation humaine en Amérique du Nord a été l’étude de l’introduction et du développement de l’agriculture du maïs (agriculture) en tant que principale forme de subsistance dans le Nouveau Monde. Les isotopes stables du carbone et de l’azote sont ceux qui sont les plus utilisés pour les reconstructions alimentaires. Ces isotopes ont été utilisés le plus souvent pour étudier le régime alimentaire des animaux marins par rapport aux animaux terrestres (terrestres) et l’apport de types particuliers de ressources végétales (par exemple le maïs et le millet).
Les isotopes peuvent être utilisés pour évaluer l’alimentation, car il existe une relation directe entre le type d’aliment consommé et la « signature » isotopique correspondante trouvée dans le collagène osseux des humains et des animaux. Par exemple, lorsqu’un animal comme une vache ou un mouton mange un certain type d’herbe ou de plante, il présente une valeur isotopique dans ses os ou ses dents qui est représentative de ce type particulier d’herbe ou de plante. De plus, comme les humains consomment des protéines animales, provenant de ressources telles que les animaux terrestres (p. ex., vaches, moutons ou chèvres) et des ressources aquatiques (p. ex. poissons et crustacés), ils présenteront des valeurs isotopiques qui les situeront dans un « niveau trophique particulier ». »Un niveau trophique s’explique plus simplement comme l’endroit où un organisme (humain ou animal dans ces cas) est situé dans une chaîne alimentaire particulière.
La variation et l’adaptation de la subsistance (ou de l’alimentation) peuvent être stimulées par l’évolution des circonstances socio-politiques et économiques, ainsi que par les transitions climatiques et écologiques et même par le choix individuel. Les changements de régime alimentaire au sein d’une communauté particulière peuvent se produire à grande et à petite échelle, ainsi que rapidement ou progressivement au fil du temps. Contrairement à d’autres voies de reconstruction paléodiétaire, qui sont généralement basées sur des preuves archéologiques, ethnographiques et historiques contextuelles, l’analyse des isotopes stables fournit un moyen d’étudier directement la composition alimentaire grâce à l’analyse des os eux-mêmes.
Isotopes et étude de la mobilité
L’étude de la mobilité et de la migration dans le passé peut être abordée à travers un certain nombre de méthodes archéologiques différentes, telles que les études de provenance d’objets en verre, en céramique et en métal et, dans certains cas, même à travers l’étude de l’ADN ancien (aDNA). Les humains se déplacent à de nombreuses fins différentes. Ils peuvent se déplacer à la recherche de ressources plus optimales, pour le mariage, la guerre, le commerce et une foule d’autres raisons. Les isotopes du strontium (87Sr / 86Sr) et de l’oxygène (18O) sont les plus couramment utilisés pour reconstruire les mouvements passés des personnes et des animaux à un moment et à un lieu particuliers. Lors de l’étude de la mobilité, ces isotopes sont utilisés pour déterminer si une personne ou un animal est « local » à une zone particulière en comparant les valeurs isotopiques des os et de l’émail dentaire de l’échantillon avec les valeurs isotopiques locales qui doivent être établies pour cet emplacement géographique spécifique. Les valeurs « locales » d’un lieu spécifique sont déterminées par l’étude de la géologie sous-jacente d’un lieu particulier, dans le cas du strontium, et par l’analyse des ressources locales en eaux souterraines et des précipitations (précipitations et neige), dans le cas de l’oxygène. Selon cette hypothèse, si un individu affiche des valeurs isotopiques identiques ou comprises dans la plage de la région dans laquelle il a été découvert (ou enterré), il peut être possible de suggérer qu’il provenait de la région à l’origine.
Chez les humains et les animaux, les rapports isotopiques de l’émail osseux et dentaire reflètent les substrats géologiques sur lesquels leur apport alimentaire (végétal, animal et eau) a été obtenu. Les valeurs isotopiques du strontium provenant des os et des dents humains peuvent être utilisées pour déterminer le lieu de résidence possible de l’enfant pour un individu lorsque la gamme de valeurs locales a été entièrement établie pour une zone particulière. Par exemple, certaines études ont étudié l’émail dentaire des individus, qui se forme dans la petite enfance, et ont comparé les valeurs isotopiques avec les valeurs osseuses du même individu. Lorsque les deux résultats varient considérablement, on peut déterminer qu’ils ont passé au moins une partie de leur enfance dans un endroit géographique différent de l’endroit où ils ont été enterrés et finalement récupérés grâce à des enquêtes archéologiques.
Écrit par Michelle Machicek, PhD (Chercheuse postdoctorale), Université Cornell, Département d’anthropologie et Smithsonian Institution, Musée National d’Histoire naturelle pour Time Team America (2013).
Lectures complémentaires
Bentley, R.A., 2006. Isotopes du strontium de la terre au squelette archéologique: une revue. Journal of Archaeological Method and Theory 13:135-187.
Prix, D.T. 2008. Isotopes et migrations humaines: études de cas en biogéochimie. Dans H. Schutkowski (Ed.) Entre Biologie et Culture. Cambridge: Presse de l’Université de Cambridge.
Schwarcz, H.P., White, C.D. et Longstaffe, F.J. 2010. Isotopes stables et radiogéniques en Archéologie Biologique: Quelques applications. Dans J.B. West, G.J. Bowen, T.E. Dawson et K.P. Tu (Éd.) Isoscapes: Comprendre le mouvement, le modèle et le processus sur Terre grâce à la cartographie isotopique. New York : Springer Science + Business Media B.V.