Nauka

Polska archeologia boi się izotopów

Ostatnia aktualizacja: 07.07.2011 12:45
Polska archeologia jest technologicznie zapóźniona. Nasze metody badawcze są rodem z lat 60., a inwestycje w nowoczesne technologie bliskie zeru. Czas to zmienić! - relacjonuje pracująca na Uniwersytecie w Goeteborgu archeolog Dalia Pokutta.
Dlaczego polska archeologia boi się izotopów
Polska archeologia jest technologicznie zapóźniona. Nasze metody badawcze są rodem z lat 60., a inwestycje w nowoczesne technologie bliskie zeru. Czas to zmienić! - relacjonuje pracująca na Uniwersytecie w Goeteborgu archeolog Dalia Pokutta. 
Polska archeologia stoi pod znakiem paradoksów. Jednym z nich jest szalona dysproporcja pomiędzy rosnącą lawinowo liczbą nowo odkrytych stanowisk, których przybywa każdego roku, a brakiem możliwości technicznych ich właściwego opracowania, składowania oraz wykorzystania naukowego. 
Nasz problem jest bardzo poważny i należy go rozumieć szeroko. Polska archeologia pod względem rozwoju nowoczesnych technik badawczych  rozwija się bardzo powoli - mamy tylko 2 laboratoria wykonujące tak podstawowe analizy, jak datowanie izotopem węgla radioaktywnego 14C. I sześć małych projektów izotopowych wykonanych i opublikowanych w ciągu ostatnich 20 lat. Archeologią izotopową w Polsce zajmuje się garstka osób. To prawdziwy szok, jeśli pomyślimy o polskim wkładzie w atomistykę i naszej dwukrotnej noblistce Marii Curie-Skłodowskiej. 
Czy naprawdę polskie skarby archeologiczne są aż tak mało warte, że nie chcemy w nie inwestować ani grosza?  Czy nie jest nam wstyd, że inni tak wiele osiągnęli (Amerykanie, Rosjanie, Niemcy, Anglicy, Skandynawowie, Czesi, Hiszpanie, a nawet  Chile), kiedy my nie robiliśmy nic?  Pławiąc się w bogactwie archeologii ziem Polski winszowaliśmy sobie pomyślności. Tymczasem zaległości są dziś potężne. 
Wszechobecne izotopy 
Izotopy znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach życia: medycynie (radioterapia, onkologia), energetyce nuklearnej, sektorze wojskowym czy badaniach kosmosu. Pierwszy naukowy opis izotopów oraz reakcji nuklearnej powstał jeszcze przed I wojną światową (1913),  zawdzięczamy go angielskiemu chemikowi Fryderykowi Soddy, który za badania w tej dziedzinie otrzymał nagrodę Nobla w 1921 roku. 
Materia składa się z atomów. Jądro każdego atomu tworzą protony (+) i neutrony (-), a po jego orbicie wirują elektrony. Jeśli wyobrazimy sobie dowolny pierwiastek chemiczny, np. węgiel (C) jako czerwoną kartkę papieru, jego izotopy to kartki papieru w zbliżonych do czerwieni odcieniach.  Węgiel ma 3 takie odmiany: 12C , 13C oraz 14C.  Liczba protonów i elektronów dla wszystkich ‘trzech braci’ jest taka sama - różnią się tylko liczbą neutronów. 
Kolejna różnica to to, że dwa pierwsze 12C i 13C to tzw. izotopy trwałe, a  14C jest nietrwały, czyli radioaktywny. Samo określenie ‘izotop’ zatem  nie implikuje radioaktywności – dotyczy to  jedynie izotopów niestabilnych.  Spośród 92 pierwiastków występujących na naszej planecie w formie naturalnej, wszystkie posiadają więcej niż jeden izotop. Cyna ma ich najwięcej bo 10. Tylko 21 pierwiastków występuje w formie ‘czystej’, czyli bez izotopów.
14C ulega samorzutnemu rozpadowi, w trakcie którego wydziela się promieniowanie gamma (radioizotop), jego okres połowicznego rozpadu wynosi 5700 lat. Co to oznacza? Że, jeśli na samym początku (moment zgonu danego organizmu, który datujemy) wartość 14C  w jego organizmie wynosi 100%, po 5700 latach ma już tylko 50% tej formy węgla i tak dalej. 
Datowanie węglem 14C polega właśnie na porównaniu ilości stabilnych 12C i 13C (które się nie zmieniają) do rozpadającego się 14C  - i to pozwala wyliczyć datę danej próbki. Na tym polega najsłynniejsze datowanie archeologiczne. Ktoś powie, że to truizm a każdy student archeologii wie jak ‘to działa’. Może i tak. Jednakże paradoksem płytkości tej ‘powszechnej wiedzy’ jest mit funkcjonujący w branży archeologicznej, że dym z papierosa wypalonego na wykopaliskach może skazić próbki na 14C.
Co mogą zbadać izotopy?
Na przykład paleodietę. W polskiej literaturze archeologicznej funkcjonuje taki wytarty frazes, który brzmi mniej więcej tak ‘kultura archeologiczna X  hodowała bydło i trzodę chlewną, uprawiała zboża i chyba rośliny strączkowe’ itp.. Przytoczone słowa są karykaturą tego, co rozumie się pod nazwą badań paleodietetycznych. 
Żywność, gotowanie i dawne sposoby żywienia mają potężne znaczenie dla rozwoju archeologii. Pozwalają naświetlić wiele nieznanych dotychczas aspektów życia w przeszłości, w tym zróżnicowanie i rzeczywistą stratyfikację społeczną ludności. Wiadomo – bogatsi i ważniejsi jadają lepiej. Badania nad dawną dietą pokażą także jak na dłoni metody adaptacji do ekosystemu i skalę presji, jaką dana kultura archeologiczna wywierała na środowisko naturalne.
Są trzy sposoby badania diety populacji pradziejowych. Najstarsza z tych metod opierała się o izotopy strontu (Sr) oraz cynku (Zn) lub żelaza (Fe) (możliwa jest także kombinacja obu). Stront jest bliźniaczym chemicznie bratem wapnia. Obydwa w ten sam sposób dostają się i funkcjonują w organizmie. Wapń jest obecny w wielu produktach mlecznych np. serze, maślance itp. Cynk z kolei, razem z żelazem, jest budulcem mięsa i stanowi ekwiwalent diety mięsnej. Istnieje niepisane założenie, nie wiem czy słuszne, że mięso jako drogi produkt w przeszłości nie było dostępne dla każdego. Jedynie członkowie klasy uprzywilejowanej mogli sobie pozwolić na jego częste spożywanie, a lud odżywiał się znacznie skromniej, jedząc głównie mleko i sery. Jeśli zatem wskaźnik wapnia w diecie danego osobnika jest dużo wyższy niż żelaza, teoretycznie mogło to oznaczać że był niezamożny. 
W połowie lat 80. XX wieku badacze archeologii starożytnego Rzymu wpadli na nowy pomysł i postanowili badać... ilość spożytego alkoholu. Rzymianie do produkcji wina używali ołowiu. Dodawali go ze względy na bakteriobójcze właściwości tego metalu (długi czas transportu wina) oraz ze względów smakowych (słodki posmak).  Powstały produkt nazywali sapa. Najbardziej popularne były wina z Cypru i spożywała je duża cześć ludności Imperium, łącznie z dziećmi. 
Wyniki analiz izotopu ołowiu zaskoczyły wszystkich. Okazało się, że jeden z badanych mieszkańców starożytnych Pompejów miał tak wysokie wskaźniki ołowiu w kościach (ok. 800 jednostek), że badacze myśleli, że aparatura się popsuła. A tymczasem to był po prostu arystokrata-zagorzały miłośnik trunków. Projekty badające skażenie ołowiem produktów spożywczych okazały się w tym przypadku prawdziwym sukcesem. Badania ołowiu Pb do dziś stanowią podstawę i klasykę badań konsumpcji alkoholu w Rzymie.
Od Scotland Yardu do archeologii
Poszukiwania metody na dietę trwały dalej na początku lat 90. W tym czasie rząd Chin własnym sumptem rozpoczął gigantyczny projekt, trwający do dziś, badający kierunki rozprzestrzeniania się roślin, a szczególnie ryżu, lecz w Europie impuls przyszedł z kierunku, którego nikt się nie spodziewał. Scotland Yard i policja brytyjska w oparciu o badania izotopowe doprowadzili do rozwiązania zagadek kilku morderstw. Rozpoczęły się również badania nad pochodzeniem kokainy i innych narkotyków wchodzących na rynek brytyjski.  Spece ze służb zaczęli badać pochodzenie żywności, podrabianych leków, nielegalnie sprowadzanych zwierząt egzotycznych, materiałów wybuchowych, ale przede wszystkim ludzi. Wszystko opierało się na założeniu, że produkt powstały w danym miejscu będzie miał ściśle określony skład izotopowy, różniący się od ‘środowiska docelowego’ . W tym momencie pomysł na metodę badania diety dla archeologii był już niemal gotowy. 
Na czym polega nowoczesna analiza izotopowa? Polega na porównaniu izotopów węgla 13C i azotu 15N. Załóżmy na moment, że mamy do czynienia z dwoma łańcuchami pokarmowymi i dwoma środowiskami: lądowym (roślina – roślinożerca (sarna) - mięsożerca (wilk) - człowiek) i wodnym (plankton - roślinożerca (karp) - drapieżca (szczupak) – człowiek). Wszyscy „aktorzy” danego łańcucha żyją w jednym miejscu i ich organizmy wchłaniają dany, charakterystyczny skład izotopowy. Co więcej, każdy organizm w tej układance, czy na lądzie czy w wodzie, będzie miał coraz to wyższy poziom izotopów, bo konsumuje ‘kogoś’ z niższej linii łańcucha. 
Węgiel  13C określi nam poziom odżywienia produktami z lądu, a azot 15N (obecny w wodzie) będzie ekwiwalentem środowiska wodnego. Pomiar obydwóch pierwiastków określi nam, czy dany człowiek miał w swojej diecie organizmy lądowe czy wodne (czy jedne i drugie) i w jakim stopniu. Ale to nie koniec – ta metoda pozwala rekonstruować ekologię izotopową danego obszaru, nawet sprzed tysięcy lat - będziemy wiedzieli, jakie gatunki zwierząt mogły być w tamtym czasie obecne w okolicy. To spore wyzwanie i duży postęp w badaniach paleoekologicznych. 
Oni, my i przyszłość
Czy to koniec nowości? Bynajmniej. Izotopy strontu i siarki znajdują szerokie zastosowanie w badaniach migracji, dzięki którym możemy dziś się dowiedzieć skąd przybywali na nasze ziemie ludzie czy  jak np. cyrkulował handel zwierzętami w przeszłości. Ceramika odkrywana prawie na każdym stanowisku pozwala na badania lipidów i kwasów tłuszczowych, które określają, co kiedyś znajdowało się w konkretnym naczyniu. Na Węgrzech niedawno takie właśnie badania pozwoliły określić zawartość naczyń z telli epoki brązu w fazie Vatya-Koszider. W Polsce nie zajmuje się tym nikt, chociaż półki magazynów muzealnych uginają się pod tonami ceramiki. Zmiany technologiczne dotyczą praktycznie każdej kategorii materiału archeologicznego i każdego okresu. Świat gna do przodu lansując nowe technologie amplifikacji aDNA z materiału organicznego o niewyobrażanym spectrum możliwości poznawczych. Dla wielu krajów jak Anglia, Włochy czy Niemcy to już nie tylko kwestia ustawowej ochrony dziedzictwa archeologicznego, lecz narodowego prestiżu. 
Pytanie czy mamy plan na przyszłość i kiedy polska archeologia zrówna się z peletonem pozostaje kwestią otwartą. Bo o prestiżu w tych warunkach trudno już mówić.
Dalia Pokutta
archeolog , historyk pracownik uniwersytetu w Goeteborgu, Szwecji

Polska archeologia stoi pod znakiem paradoksów. Jednym z nich jest szalona dysproporcja pomiędzy rosnącą lawinowo liczbą nowo odkrytych stanowisk, których przybywa każdego roku, a brakiem możliwości technicznych ich właściwego opracowania, składowania oraz wykorzystania naukowego. 

Nasz problem jest bardzo poważny i należy go rozumieć szeroko. Archeologia w Polsce, pod względem nowoczesnych technik badawczych, rozwija się bardzo powoli - mamy tylko 2 laboratoria wykonujące tak podstawowe analizy, jak datowanie izotopem węgla radioaktywnego 14C. I sześć małych projektów izotopowych wykonanych i opublikowanych w ciągu ostatnich 20 lat. Archeologią izotopową w Polsce zajmuje się garstka osób. To prawdziwy szok, jeśli pomyślimy o polskim wkładzie w atomistykę i naszej dwukrotnej noblistce Marii Curie-Skłodowskiej. 

Czy naprawdę polskie skarby archeologiczne są aż tak mało warte, że nie chcemy w nie inwestować ani grosza? Czy nie jest nam wstyd, że inni tak wiele osiągnęli (Amerykanie, Rosjanie, Niemcy, Anglicy, Skandynawowie, Czesi, Hiszpanie, a nawet  Chile), kiedy my nie robiliśmy nic?  Pławiąc się w bogactwie archeologii ziem Polski winszowaliśmy sobie pomyślności. Tymczasem zaległości są dziś potężne. 

Wszechobecne izotopy 

Izotopy znajdują zastosowanie w wielu dziedzinach życia: medycynie (radioterapia, onkologia), energetyce nuklearnej, sektorze wojskowym czy badaniach kosmosu. Pierwszy naukowy opis izotopów oraz reakcji nuklearnej powstał jeszcze przed I wojną światową (1913),  zawdzięczamy go angielskiemu chemikowi Fryderykowi Soddy, który za badania w tej dziedzinie otrzymał nagrodę Nobla w 1921 roku. 

Materia składa się z atomów. Jądro każdego atomu tworzą protony (+) i neutrony, a po jego orbicie wirują elektrony (-). Jeśli wyobrazimy sobie dowolny pierwiastek chemiczny, np. węgiel (C) jako czerwoną kartkę papieru, jego izotopy to kartki papieru w zbliżonych do czerwieni odcieniach.  Węgiel ma 3 takie odmiany: 12C , 13C oraz 14C.  Liczba protonów i elektronów dla wszystkich ‘trzech braci’ jest taka sama - różnią się tylko liczbą neutronów. Kolejna różnica to to, że dwa pierwsze 12C i 13C to tzw. izotopy trwałe, a  14C jest nietrwały, czyli radioaktywny.

Samo określenie ‘izotop’ zatem  nie implikuje radioaktywności – dotyczy to jedynie izotopów niestabilnych.  Spośród 92 pierwiastków występujących na naszej planecie w formie naturalnej, wszystkie posiadają więcej niż jeden izotop. Cyna ma ich najwięcej, bo 10. Tylko 21 pierwiastków występuje w formie ‘czystej’, czyli bez izotopów.

14C ulega samorzutnemu rozpadowi, w trakcie którego wydziela się promieniowanie gamma (radioizotop), jego okres połowicznego rozpadu wynosi 5700 lat. Co to oznacza? Że, jeśli na samym początku (moment zgonu danego organizmu, który datujemy) wartość 14C  w jego organizmie wynosi 100%, po 5700 latach ma już tylko 50% tej formy węgla i tak dalej. Datowanie węglem 14C polega właśnie na porównaniu ilości stabilnych 12C i 13C (które się nie zmieniają) do rozpadającego się 14C  - i to pozwala wyliczyć datę danej próbki. Na tym polega najsłynniejsze datowanie archeologiczne.

Co mogą zbadać izotopy?

Na przykład paleodietę, czyli to, co kiedyś jedzono. W polskiej literaturze archeologicznej funkcjonuje wytarty frazes, który brzmi mniej więcej tak "kultura archeologiczna X  hodowała bydło i trzodę chlewną, uprawiała zboża i chyba rośliny strączkowe" itp. Przytoczone słowa są karykaturą tego, co dzisiaj rozumie się pod nazwą badań paleodietetycznych. 

Żywność, gotowanie i dawne sposoby żywienia mają potężne znaczenie dla rozwoju archeologii. Pozwalają naświetlić wiele nieznanych dotychczas aspektów życia w przeszłości, w tym zróżnicowanie i rzeczywistą stratyfikację społeczną ludności. Wiadomo – bogatsi i ważniejsi jadają lepiej. Badania nad dawną dietą pokażą także jak na dłoni metody adaptacji do ekosystemu i skalę presji, jaką dana kultura archeologiczna wywierała na środowisko naturalne.

Są trzy sposoby badania diety populacji pradziejowych. Najstarsza z tych metod opierała się o izotopy strontu (Sr) oraz cynku (Zn) lub żelaza (Fe) (możliwa jest także kombinacja obu). Stront jest bliźniaczym chemicznie bratem wapnia. Obydwa w ten sam sposób dostają się i funkcjonują w organizmie. Wapń jest obecny w wielu produktach mlecznych np. serze, maślance itp. Cynk z kolei, razem z żelazem, jest budulcem mięsa i stanowi ekwiwalent diety mięsnej.

Istnieje niepisane założenie, nie wiem czy słuszne, że mięso jako drogi produkt w przeszłości nie było dostępne dla każdego. Jedynie członkowie klasy uprzywilejowanej mogli sobie pozwolić na jego częste spożywanie, a lud odżywiał się znacznie skromniej, jedząc głównie mleko i sery. Jeśli zatem wskaźnik wapnia w diecie danego osobnika jest dużo wyższy niż żelaza, teoretycznie mogło to oznaczać, że był niezamożny. 

Archeolodzy
Archeolodzy w laboratorium, Uniwersytet w Szkokholmie. Dzięki uprzejmości Dalii Pokutta.

 

W połowie lat 80. XX wieku badacze archeologii starożytnego Rzymu wpadli na nowy pomysł i postanowili badać... ilość spożytego alkoholu. Rzymianie do produkcji wina używali ołowiu. Dodawali go ze względy na bakteriobójcze właściwości tego metalu (długi czas transportu wina) oraz ze względów smakowych (słodki posmak). Powstały produkt nazywali sapą. Najbardziej popularne były wina z Cypru i spożywała je duża cześć ludności Imperium, łącznie z dziećmi. Wyniki analiz izotopu ołowiu zaskoczyły wszystkich. Okazało się, że jeden z badanych mieszkańców starożytnych Pompejów miał tak wysokie wskaźniki ołowiu w kościach (ok. 800 jednostek), że badacze myśleli, że aparatura się popsuła. A tymczasem to był po prostu arystokrata-zagorzały miłośnik trunków. Projekty badające skażenie ołowiem produktów spożywczych okazały się w tym przypadku prawdziwym sukcesem. Badania ołowiu Pb do dziś stanowią podstawę i klasykę badań konsumpcji alkoholu w Rzymie.

Od Scotland Yardu do archeologii

Poszukiwania metody na dietę trwały dalej na początku lat 90. W tym czasie rząd Chin własnym sumptem rozpoczął gigantyczny projekt, trwający do dziś, badający kierunki rozprzestrzeniania się roślin, a szczególnie ryżu. W Europie impuls przyszedł z kierunku, z którego nikt się go nie spodziewał.

Scotland Yard i policja brytyjska w oparciu o badania izotopowe doprowadzili do rozwiązania zagadek kilku morderstw. Rozpoczęły się również badania nad pochodzeniem kokainy i innych narkotyków wchodzących na rynek brytyjski. Spece ze służb zaczęli badać pochodzenie żywności, podrabianych leków, nielegalnie sprowadzanych zwierząt egzotycznych, materiałów wybuchowych, ale przede wszystkim ludzi.

Wszystko opierało się na założeniu, że produkt powstały w danym miejscu będzie miał ściśle określony skład izotopowy, różniący się od ‘środowiska docelowego’. W tym momencie pomysł na trzecią, nowatorską metodę badania dawnej diety był już niemal gotowy. 

Na czym polega nowoczesna analiza izotopowa? Polega na porównaniu izotopów węgla 13C i azotu 15N. Załóżmy na moment, że mamy do czynienia z dwoma łańcuchami pokarmowymi i dwoma środowiskami: lądowym (roślina – roślinożerca (sarna) - mięsożerca (wilk) - człowiek) i wodnym (plankton - roślinożerca (karp) - drapieżca (szczupak) – człowiek). Wszyscy „aktorzy” danego łańcucha żyją w jednym miejscu i ich organizmy wchłaniają dany, charakterystyczny skład izotopowy. Co więcej, każdy organizm w tej układance, czy na lądzie czy w wodzie, będzie miał coraz to wyższy poziom izotopów, bo konsumuje ‘kogoś’ z niższej linii łańcucha. Węgiel 13C określi nam poziom odżywienia produktami z lądu, a azot 15N (obecny w wodzie) będzie ekwiwalentem środowiska wodnego.

Pomiar obydwóch pierwiastków określi nam, czy dany człowiek miał w swojej diecie organizmy lądowe czy wodne (czy jedne i drugie) i w jakim stopniu. Ale to nie koniec – ta metoda pozwala rekonstruować ekologię izotopową danego obszaru, nawet sprzed tysięcy lat - będziemy wiedzieli, jakie gatunki zwierząt mogły być w tamtym czasie obecne w okolicy. To spore wyzwanie i duży postęp w badaniach paleoekologicznych. 

Oni, my i przyszłość

Czy to koniec nowości? Bynajmniej. Izotopy strontu i siarki znajdują szerokie zastosowanie w badaniach migracji, dzięki którym możemy dziś się dowiedzieć skąd przybywali na nasze ziemie ludzie czy  jak np. wyglądał handel zwierzętami w przeszłości.

Ceramika odkrywana prawie na każdym stanowisku pozwala na badania lipidów i kwasów tłuszczowych, które określają, co kiedyś znajdowało się w konkretnym naczyniu. Na Węgrzech niedawno takie właśnie badania pozwoliły określić zawartość naczyń z telli epoki brązu w fazie Vatya-Koszider. W Polsce nie zajmuje się tym nikt, chociaż półki magazynów muzealnych uginają się pod tonami ceramiki.

Zmiany technologiczne dotyczą praktycznie każdej kategorii materiału archeologicznego i każdego okresu. Świat gna do przodu lansując nowe technologie amplifikacji DNA z materiału organicznego o niewyobrażanym spektrum możliwości poznawczych. Dla wielu krajów, jak Anglia, Włochy czy Niemcy, to już nie tylko kwestia ustawowej ochrony dziedzictwa archeologicznego, lecz narodowego prestiżu. Pytanie czy mamy plan na przyszłość i kiedy polska archeologia zrówna się z peletonem pozostaje kwestią otwartą. Bo o prestiżu w tych warunkach trudno już mówić.

Dalia Pokutta
archeolog, historyk 
pracownik Uniwersytetu w Goeteborgu (Szwecja)

Czytaj także

Starożytny komputer pod choinkę

Ostatnia aktualizacja: 11.12.2010 17:00
Słynny mechanizm z Antikythery to dowód na niezwykłą wiedzę technologiczną starożytnych. Z plastikowych klocków i kółek powstała teraz wersja urządzenia do samodzielnego złożenia.
rozwiń zwiń

Czytaj także

Indiana Jones żegna się z łopatą

Ostatnia aktualizacja: 14.06.2011 12:00
Indiana Jones był kiepskim archeologiem. Niszczył stanowiska, nie sporządzał dokumentacji. Konkurentów prędzej by zabił, niż napisał z nimi publikację. Dzisiaj robi się to zupełnie inaczej.
rozwiń zwiń

Czytaj także

I Polska ma swoją Troję!

Ostatnia aktualizacja: 24.06.2011 07:00
Już niebawem miejsce to stanie się równie słynne jak skansen w Biskupinie! Niedaleko Jasła powstał nowy park archeologiczny zwany Karpacką Troją.
rozwiń zwiń

Czytaj także

Oetzi jadał tłusto

Ostatnia aktualizacja: 30.06.2011 12:00
Po zaledwie kilku dniach poznajemy nowe dane na temat ostatnich chwil Człowieka Lodu. Przed śmiercią Oetzi zjadł tłuste mięso - wynika z analiz treści żołądka mumii sprzed 5000 lat.
rozwiń zwiń