穩定同位素分析讓你知道古代人都是吃什麼長大的？

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有機分子主要由碳、氫、氧、氮和硫組成，這些輕元素的穩定同位素比率在地球的組成皆不盡相同，係取決於分餾過程而產生出不同的天然豐度。穩定同位素於地球科學研究的起源與20世紀上半葉現代物理學的發展密切相關，1932年Harold Urey發現了中子，而後又於1947年發表了題為「同位素物質的熱力學性質」的論文，闡述理論基礎上可以預期同位素分餾，以及同位素分餾能夠提供我們關於地質的訊息，例如海水中的δ¹⁸O絕大程度上是取決於地球的溫度；而海洋中溶解無機碳(DIC)的δ¹³C則是自工業革命以來受到人為活動的極大影響。

地球科學研究領域科學家有興趣的元素包含氫、鋰、硼、碳、氮、氧、矽、硫和氯，其中又以氫、碳、氧和硫這幾個元素最受重視，因為這些元素具有以下的共同特徵：

1. 具有低原子質量
2. 同位素之間的相對質量差異很大
3. 形成具有共價的鍵結
4. 元素以多於一種氧化態(碳、氮和硫)存在，形成多種化合物(氧)，或者是天然存在的固體和流體的重要組成
5. 稀有同位素的豐度足夠高(至少為0.1%）以便於分析

放射性同位素地球化學中感興趣的元素是重的(鍶Sr, 釹Nd, 鉿Hf、鋨Os和鉛Pb)，主要以離子鍵作為鍵結方式，通常僅存在於一種氧化態，並且在感興趣的同位素之間僅存在極小的相對質量差異。因此，這些元素的同位素分餾非常小，通常可以忽略不計。

穩定同位素比率就像放射性同位素一樣被用來當作「追踪劑」， 例如我們可以使用火成岩中的δ¹⁸O來確定它們是否已經吸收了地殼物質，因為地殼通常具有與地函不同的δ¹⁸O；我們也能夠從動物化石(骨骼)的穩定同位素比率中得出一些關於飲食習慣的推論。透過各種食品的氮δ¹⁵N和δ¹³C組成的差異，比對骨頭膠質中同位素比率去解釋古代人的食物類型或是飲食方法。在對人類遺骸骨頭膠質的首次調查中，DeNiro和Epstein於1981年曾發表在墨西哥Tehuacan山谷的印第安人可能早在公元前4000年就嚴重依賴maize(一種玉米類C4植物)，而再進一步比對考古調查結果會發現直到公元前1500年，maize飲食才相對沒有那麼重要。另外，從公元前6000年至公元1000年間，Tehuacan山谷的印第安人對豆科植物legumes的依賴則是穩定增加，甚至到了公元1000年後飲食中豆類的數量更是有顯著的增加。DeNiro在另一篇研究論文” Stable Isotopy and Archaeology (1987)”中則是提到：與完全食用C4植物Tehuacán印第安人相比，新石器時代的歐洲人完全仰賴C3植物和以C3植物為食的食草動物；巴哈馬和丹麥的史前民族則是同時仰賴農業與漁業為生。

穩定同位素分餾過程的變化可以透過同位素比率質譜儀IRMS得到解答，因此非常適合應用在許多科學研究領域，除了上述的研究論文告訴我們什麼叫做「人如其食」，也能調查古今的氣候差異，以便了解地球氣候系統如何運作，以及它如何響應外在環境的改變。

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