Sei quello che mangi: la dieta delle popolazioni umane antiche attraverso lo studio degli isotopi stabili

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Le frecce semplici descrivono il flusso di CO₂ (figura a)) e di N₂ e dei suoi composti (figura b)) , mentre quelle doppie la condizione di equilibrio nel frazionamento. I numeri indicano i valori di δ¹³C e di δ¹⁵N (‰), mentre quelli associati alle frecce mostrano il frazionamento (Δ) che avviene durante il passaggio. POM, particulate organic matter; DOM, dissolved organic matter. Da Peterson and Fry (1987), modificato.

 “Sei quello che mangi… più qualche per mille” 

(De Niro e Epstein, 1976) 

 “Sei quello che mangi”: quante volte lo abbiamo sentito dire? Nel 1976 la Geological Society of America pubblicò un abstract che riprendeva la famosa frase, i cui enunciati avrebbero dominato per anni, e lo fanno tutt’ora, lo studio della dieta nelle popolazioni umane antiche. Nel “You are what you eat (plus a few permil): the carbon isotope cycle in food chains”, De Niro ed Epstein proponevano l’esistenza di una chiara relazione scientifica -nello specifico, chimica- tra gli alimenti consumati e il consumatore. In particolare, gli autori asserivano che
il consumo di alimenti con rapporti isotopici del carbonio diversi determina la registrazione degli stessi nell’organismo del consumatore, il quale presenterà all’incirca gli stessi valori. Ma cosa si intende per frazionamento isotopico? Come si attua e come si registra? Da questo momento in poi, in questa sede, faremo riferimento al frazionamento isotopico servendoci della notazione δ(‰), data da:

Dove ⁿX è l’isotopo stabile dell’elemento con il numero di massa minore ed ⁿ⁺¹X è l’isotopo stabile dell’elemento con il numero di massa maggiore.

Gli isotopi più utilizzati nello studio della dieta in archeologia sono quelli del carbonio (¹²C e ¹³C) e dell’azoto (¹⁴N e ¹⁵N). Per capire i valori di frazionamento del carbonio, dobbiamo osservarne il ciclo naturale (figura a fronte, a)): Il δ¹³C in atmosfera è di circa −7‰. Gli organismi autotrofi, ovvero piante, alghe e batteri fotosintetici, usano l’anidride carbonica atmosferica insieme all’acqua per ottenere ossigeno e glucosio. Qualsiasi reazione chimica si verifica utilizzando, tra le molecole a disposizione, quelle costituite dagli isotopi più leggeri. Pertanto, il carbonio organico fotosintetico, è più ricco in ¹²C e meno ricco di ¹³C rispetto all’anidride carbonica atmosferica. È importante notare che il frazionamento ad opera della fotosintesi avviene in maniera distinta a seconda delle piante che la attuano. In particolare, osserviamo valori δ¹³C diversi per le piante con meccanismo C3, tipiche dei luoghi temperati -che comprendono, ad esempio, tutti gli alberi, riso, frumento, orzo, avena, segale, tuberi e fagioli-, vegetali degli ambienti caldi e aridi, conosciute come piante C4 -come mais, canna da zucchero, miglio e sorgo- e quelle di tipo CAM, con un meccanismo che si verifica nelle piante grasse del tipo cactus e agave (O’Leary, 1988; Smith and Epstein, 1971). Un’ulteriore importante distinzione nei meccanismi di frazionamento isotopico del carbonio si evidenzia nelle piante marine, poiché in questo ambiente vi è più ricchezza in ¹³C rispetto all’atmosfera di circa il 7‰: le piante acquatiche marine presentano dunque un ¹³C generalmente maggiore di quello delle piante terrestri. E nei fiumi e nei laghi? La discriminazione diventa più difficile, in quanto il contenuto di ¹³C è solitamente simile a quello delle piante terrestri, talvolta leggermente diverso a seconda dei carbonati disciolti in acqua derivanti dalle rocce (France, 1995). Una volta che le piante vengono ingerite da un organismo, si realizzano meccanismi metabolici che, preferendo di nuovo gli isotopi a peso atomico minore rispetto a quelli più pesanti, determinano un ulteriore frazionamento, e questo continua salendo nella catena alimentare anche se, per il carbonio, l’incremento è poco visibile. In questo modo, è possibile discriminare tra animali che si sono alimentati di piante o altri organismi terrestri e tra quelli che hanno utilizzato piante o altri organismi di habitat marini (De Niro and Epstein, 1978). Grazie agli isotopi dell’azoto, invece, è possibile osservare più facilmente il livello trofico della specie indagata e, quindi, il suo posto nella catena alimentare. Senza indagarne il ciclo, più complesso rispetto a quello del carbonio ma comunque visibile nella figura a fronte (b)), basterà in questa sede far notare che, sia per quanto riguarda l’habitat terrestre che quello acquatico marino, si osserva un incremento del 3−5‰ procedendo lungo la catena trofica. Questo incremento è probabilmente dovuto all’eliminazione di prodotti di scarto isotopicamente più leggeri, come per esempio l’urea (Ambrose, 2002). Grazie all’azoto è inoltre possibile ottenere una forte discriminazione tra ambiente terrestre e marino, dal momento che il δ¹⁵N risulta molto più alto negli organismi che abitano il secondo (e.g., Peterson e Fry, 1987).
I rapporti isotopici vengono registrati nei tessuti dei consumatori e, pertanto, nei contesti archeologici, il diagnosta si serve del materiale organico di più facile reperimento, ovvero il collagene presente nelle ossa.

Servirà un ulteriore articolo per indagare le problematiche connesse alla diagenesi del collagene e quali protocolli e strumenti vengono utilizzati per la sua estrazione e il rilevamento degli isotopi (Rimanete collegati..!). Per ora ci accontentiamo di avervi introdotto, si spera con parole semplici, in una complessa area di ricerca dell’archeologia, al momento l’unica che permette di ottenere un’evidenza diretta della dieta tipicamente consumata da un individuo o da un gruppo di individui in passato. Non esitate a contattarci per qualsiasi chiarimento! 

 Sil 

 Riferimenti bibliografici 

S. H. Ambrose. Controlled diet and climate experiments on nitrogen isotope ratios of rats. In Biogeochemical approaches to paleodietary analysis, pages 243–259. Springer, 2002. 

M. J. De Niro and S. Epstein. You are what you eat (plus a few‰): the carbon isotope cycle in food chains. Geological Society of America, 6:834, 1976. 

M. J. De Niro and S. Epstein. Influence of diet on the distribution of carbon isotopes in animals. Geochimica et cosmochimica acta, 42(5):495–506, 1978. 

M. J. De Niro and S. Epstein. Influence of diet on the distribution of nitrogen isotopes in animals. Geochimica et cosmochimica acta, 45(3):341–351, 1981.

R. France. Critical examination of stable isotope analysis as a means for tracing carbon pathways in stream ecosystems. Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 52(3):651–656, 1995. 

M. H. O’Leary. Carbon isotopes in photosynthesis. Bioscience, 38(5):328–336, 1988. 

B. J. Peterson and B. Fry. Stable isotopes in ecosystem studies. Annual review of ecology and systematics, pages 293–320, 1987. 

M. J. Schoeninger and M. J. DeNiro. Nitrogen and carbon isotopic composition of bone collagen from marine and terrestrial animals. Geochimica et Cosmochimica Acta, 48 (4):625–639, 1984.

B. N. Smith and S. Epstein. Two categories of 13c/12c ratios for higher plants. Plant physiology, 47(3):380–384, 1971.