Datazione al radiocarbonio delle ossa

Le ossa sono uno dei materiali più comunemente inviati ai laboratori per la datazione al radiocarbonio con AMS (spettrometria di massa con acceleratore). Questo perché le ossa animali e umane sono spesso oggetto di studi archeologici.

Molte delle informazioni che abbiamo sull’era preistorica sono state apprese grazie agli studi archeologici e alla datazione al radiocarbonio delle ossa. La datazione al radiocarbonio delle ossa è inoltre in grado di fornire informazioni più dettagliate sulle civiltà antiche.

Componenti delle ossa

Un osso è composto di materia al 30% organica ed al 70% inorganica. La porzione organica è rappresentata dalle proteine; la porzione inorganica include il minerale idrossiapatite, un composto di fosfato di calcio, carbonato di calcio, fluoruro di calcio, idrossido di calcio e citrato. La parte proteica, principalmente collagene, garantisce resistenza e flessibilità alle ossa, mentre l’idrossiapatite fornisce rigidità e solidità strutturale.

In teoria è possibile datare sia i componenti organici, sia quelli inorganici. Tuttavia, la struttura reticolare aperta dell’idrossiapatite la rende facilmente contaminabile dai carbonati provenienti dalle falde acquifere. Non è inoltre possibile applicare la rimozione dei carbonati contaminanti tramite lavaggi con soluzione acida diluita, poiché l’idrossiapatite è solubile in acido.

I laboratori utilizzano la componente proteica dei campioni di ossa nella datazione con AMS, poiché questa è relativamente insolubile in acido e può essere facilmente separata dall’idrossiapatite e dagli altri carbonati.

Nei casi in cui la parte proteica dei campioni d’ossa non è ben conservata ed ha iniziato a degradarsi a causa di temperature elevate ed aggressione da parte di funghi o batteri, i laboratori con AMS effettuano la datazione al carbonio dei singoli amminoacidi per verificare se alcuni di essi presentano la stessa età radiocarbonica. Questo processo può essere svolto dai laboratori con AMS data la piccola quantità di campione richiesta. Tuttavia, si tratta di un processo costoso che richiede tempo. Non si raccomanda la datazione al radiocarbonio dei singoli amminoacidi, salvo quando necessario in caso di campioni di ossa antiche dove la presenza di quantità di contaminanti anche ridotte produce notevoli errori.

Ciclo vitale dei campioni d’ossa

Il ciclo vitale di un campione riflette il periodo totale di crescita dell’organismo ed il periodo di tempo in cui questo ha interagito con la biosfera. Per la maggior parte degli organismi dotati di ossa, il momento della morte è contemporaneo al termine degli scambi con la biosfera. Per questo motivo, l’età radiocarbonica di questi organismi alla morte è zero.

I risultati della datazione al radiocarbonio delle ossa non devono essere sottoposti ad una valutazione compensativa, tuttavia è necessario considerare il ciclo vitale di questi campioni. Le pubblicazioni scientifiche a riguardo indicano che le ossa non smettono di assimilare carbonio dall’atmosfera fino al momento della morte; esiste un periodo di transizione di circa 30 anni per le ossa umane e più breve per le ossa animali.

I dati sul ciclo vitale sono necessari, poiché influenzano la calibrazione dei risultati della datazione al radiocarbonio e, di conseguenza, il metodo di conversione dell’età radiocarbonica agli anni solari.

Qualsiasi materiale che contiene carbonio e che può influenzare il contenuto di carbonio-14 delle ossa è considerato un contaminante. Considerando il fatto che al ritrovamento le ossa sono spesso circondate da diversi tipi di materia organica, si tratta di uno dei tipi di campioni più contaminati che vengono inviati ai laboratori AMS per la datazione al radiocarbonio.

I contaminanti più comuni sono gli acidi umici e fulvici, che sono gli acidi organici presenti nel terreno prodotti dalla decomposizione microbica di tessuti vegetali e animali. Secondo la letteratura scientifica, gli altri composti organici che possono contaminare i campioni d’ossa sono polifenoli, polisaccaridi, lignina e collagene decomposto. A seconda del luogo degli scavi, le ossa possono anche essere contaminate dal calcare. Questi contaminanti sono considerati naturali, poiché sono entrati in contatto con le ossa per cause naturali.

I contaminanti artificiali, invece, sono quelli introdotti dall’uomo durante la raccolta, la conservazione o l’imballaggio dei campioni. Quando viene applicata colla animale alle ossa durante l’etichettatura, un contaminante è stato già introdotto nel campione. Questo perché la colla animale è chimicamente identica al campione d’ossa. I risultati prodotti da un laboratorio con AMS per questo campione non saranno accurati.

Altri contaminanti potenziali che possono essere introdotti nei campioni d’ossa dopo gli scavi includono biocidi, colla vinilica e glicole polietilenico (prodotti chimici conservanti), cenere di sigaretta ed etichette o confezioni di carta.

Gli effetti della contaminazione di campioni d’ossa sottoposti alla datazione con AMS dipendono dal tipo di contaminante, dal grado di contaminazione e dall’età relativa dei campioni e del contaminante.

Se il calcare non è stato rimosso prima della datazione al carbonio con AMS, l’età radiocarbonica sarà molto più antica dell’età reale del campione. Il calcare ha origine geologica ed è quindi molto più antico di qualsiasi campione archeologico.

Anche la presenza di acidi umici e fulvici durante la datazione al radiocarbonio con AMS causa risultati inaccurati. A seconda dell’età dell’organismo che ha prodotto gli acidi organici, i risultati del laboratorio AMS potrebbero riflettere un’età radiocarbonica più antica o recente dell’età reale del campione d’ossa.

Le ossa possono anche essere esposte a fonti moderne di carbonio, a causa dell’intrusione di radichette. Le fonti moderne di carbonio possono rendere i risultati della datazione al carbonio con AMS di un osso più recenti della sua data reale.

In generale, i contaminanti con età infinita aggiungono un numero considerevole di anni all’età reale di un campione d’ossa, rendendolo più antico di quanto sia. Invece, il carbonio moderno rende l’osso significativamente più giovane.

Per prevenire queste imprecisioni, i laboratori AMS effettuano pretrattamenti su tutti i campioni d’ossa prima di sottoporli alla datazione al radiocarbonio con AMS.

I pretrattamenti fisici includono le operazioni effettuate sui campioni d’ossa senza l’uso di prodotti chimici. Alcuni esempi dei pretrattamenti fisici effettuati sulle ossa nei laboratori AMS sono la rimozione di radichette e la riduzione delle dimensioni del campione per frantumazione.

Il personale del laboratorio AMS effettua un indagine visiva dei campioni d’ossa ricevuti per verificare la presenza di contaminanti evidenti.

Le radichette sono rimosse utilizzando delle pinze o pinzette. Gli strati esterni contaminati dei campioni ossei vengono rimossi con un bisturi o un raschietto odontoiatrico.

I laboratori AMS controllano inoltre la durezza dell’osso. La morbidezza indica la potenziale assenza di collagene, che è necessario per la datazione al carbonio-14 con AMS.

Dopo la rimozione iniziale dei contaminanti visibili, il personale del laboratorio AMS frantuma i campioni ossei in un mortaio. La riduzione delle dimensioni serve ad aumentare l’area superficiale del campione per i pretrattamenti seguenti.

Ogni laboratorio AMS può effettuare pretrattamenti chimici leggermente diversi, ma la maggior parte utilizza gli stessi reagenti nel trattamento dei campioni d’ossa.

Il campione osseo frantumato viene sottoposto ad un ciclo di lavaggi a freddo con soluzione diluita di acido cloridrico (HCl) fino all’eliminazione dell’idrossiapatite e all’isolamento del collagene. Le radichette, se presenti, vengono quindi rimosse dal collagene.

Per garantire la completa rimozione degli acidi organici, il collagene viene sottoposto ad un lavaggio in soluzione basica, solitamente con idrossido di sodio (NaOH). I laboratori AMS, tuttavia, non effettuano il lavaggio basico quando il campione di collagene non è ben conservato e questo trattamento potrebbe rimuovere i materiali organici residui che possono essere datati.