¿Y cuándo respiró por última vez? - Cienciorama

Fuente: http://4bg-naturalmente.blogspot.mx/2011/03/4bio-ud13-la-edad-de-la-tierra.html
¿Y cuándo respiró por última vez?
Maricruz Ramírez Vázquez
Con ustedes el carbono 14
Martin
David
Kamen
obtuvo
Universidad de Chicago,
un
doctorado
en
química
física
en
la
y Sam Ruben lo obtuvo en la Universidad de
California, Berkeley. Ellos se conocieron y comenzaron a recorrer un largo
camino de investigación en el Laboratorio de Radiación de la Universidad
de Berkeley en 1940. Kamen y Rubén hicieron un gran descubrimiento a
partir de bombardear átomos de grafito –el grafito es la forma más
estable del carbono– con la esperanza de producir un isótopo radiactivo
del carbón; es decir, una forma atómica inestable del carbono que se
desintegra para alcanzar un estado físico más estable. Con este isótopo
radiactivo del carbón pretendían conseguir un patrón para investigar las
reacciones químicas que ocurren durante la fotosíntesis. Su experimento
dio lugar a la producción artificial de carbono 14, un isotopo inestable que
se encuentra en abundancia en la naturaleza pero que en ese momento
no se conocía.
¿Y cuándo respire por última vez? / CIENCIORAMA 1
Figura 1. Átomo de carbono 14. Fuente: Cienciorama.
El carbono 14 se produce continuamente en la atmósfera bombardeada
contantemente por rayos cósmicos; éstos están formados de partículas de
alta energía provenientes del espacio que chocan con los núcleos de los
átomos de los gases atmosféricos liberando neutrones. Algunos de los
neutrones son absorbidos por los átomos de nitrógeno, cuyo número
atómico es 7 y su número de masa es 14, y en este proceso cada núcleo
emite un protón. Como consecuencia, el número atómico del nitrógeno
baja a 6 y se crea nuestro protagonista, el carbono 14, ver figura 2.
Este isótopo del carbono –elemento con mismo número atómico pero
diferente masa atómica– se incorpora rápidamente al dióxido de carbono
atmosférico y, como se sabe, lo absorben las plantas a partir de la
fotosíntesis. Por lo tanto, todos los organismos contenemos una pequeña
cantidad de carbono 14. Mientras un organismo está vivo mantiene una
proporción constante de carbono 14 en relación con la cantidad de
carbono 12, que es estable. Un organismo vivo pierde continuamente
carbono en forma de CO2 y otros productos de desecho orgánico, y lo
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ingiere de nuevo con los alimentos. Las plantas obtienen directamente el
carbono de la atmósfera por medio de la fotosíntesis. Puesto que el ciclo
de los átomos de carbono en la cadena alimenticia es muy rápido,
comparado con la vida media de la desintegración del carbono 14, la
composición isotópica de carbono en un organismo viviente es la misma
que la de la atmósfera que lo rodea; es decir, se mantiene la proporción
entre el carbono 12 y el 14. Pero tan pronto como el organismo muere,
cesa este equilibrio y empieza la desintegración del carbono 14.
Figura 2.
Formación del Carbono 14.
En 1946 Williard F. Libby y sus colaboradores de la Universidad de
Chicago, determinaron
el periodo de semi-desintegración del carbono 14,
o sea el tiempo que debe transcurrir para que el número de núcleos
presentes en una determinada muestra de material orgánico se reduzca a
la
mitad,
y
concluyeron
que
era
de
5,568
años.
Otro
grupo
de
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investigación de la Universidad de Cambridge, en el Reino Unido, llegó a
otro valor, 5,730 años, que en la actualidad sigue en vigor.
Cuando el reloj se echa a andar
Las plantas y los animales asimilan durante toda su vida el carbono 14 a
partir del dióxido de carbono. Cuando mueren dejan de intercambiar
carbono con la biósfera y su contenido de carbono 14 empieza a
disminuir a una tasa determinada por la ley de decaimiento radioactivo.
Esto significa que un núcleo inestable se transforma con el tiempo en uno
más estable emitiendo partículas y/o fotones y liberando energía durante
el proceso (ver “El experimento de la hoja de oro, Hacia la Regla de Oro:
química y radiación” y “Hasta con los ojos cerrados” en Cienciorama). Es
ahí donde comienza a correr el reloj.
Veamos más a fondo cómo las plantas y animales incorporan el
carbono 14 a sus tejidos. Durante la fotosíntesis, o transformación de la
energía luminosa en energía química, proceso que sólo tiene lugar en las
plantas con clorofila, éstas incorporan átomos radiactivos, de manera que
la proporción carbono 14/carbono 12 es similar a la atmosférica. Los
animales incorporan al ingerirlas el carbono de las plantas y el de la
atmósfera a través de la respiración. Tras la muerte de un organismo vivo
no se incorporan nuevos átomos de carbono 14 a los tejidos, la
concentración
del
isótopo
decrece
conforme
va
transformándose
en
nitrógeno.
¿Y cuándo respire por última vez? / CIENCIORAMA 4
Figura 3. Ciclo del carbono. Fuente: Cienciorama.
Cienciorama
A medir se ha dicho.
Para medir la cantidad de carbono 14 en una muestra hay tres técnicas
basadas en propiedades físicas de la materia: el recuento proporcional de
gas, que básicamente es la recolección directa de la ionización producida
por la partícula β emitida en la desintegración del carbono 14, al atravesar
un gas sometido a una diferencia de potencial. Otra técnica es el recuento
de centelleo líquido
y, por último, la espectrometría de masas con
acelerador, la cual es una técnica experimental que permite la medición de
iones derivados de moléculas. Y ahora viene lo más interesante del
método de fechamiento por carbono 14, y para ello me centraré sólo en
una de las técnicas: la espectrometría de masas con acelerador.
Comencemos por imaginar que somos parte de un importante equipo
de investigación que se encarga del fechamiento de materiales orgánicos
de épocas remotas y un buen día nos encargan el fechamiento de un
diente mamut, y como buenos investigadores que somos nos ponemos de
inmediato a trabajar. Comenzamos por limpiar nuestra valiosa muestra y
después la preparamos para introducirla en el espectrómetro de masas
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con aceleradores para transformarla en una forma de grafito o mineral de
carbono. Esto se realiza mediante la conversión a dióxido de carbono con
la subsiguiente grafitización de las muestras, es decir,
se queman las
muestras para convertirlas en grafito, en dicha acción se introducen otros
elementos en la misma, como nitrógeno-14.
En la espectrometría de masas con aceleradores nuestra muestra es
ionizada usando diversos procedimientos para ello. La técnica más usada
se llama impacto electrónico y consiste en bombardear la muestra
previamente vaporizada mediante el uso de alto vacío y una fuente de
calor, con una corriente de electrones a alta velocidad. Mediante este
proceso
la
sustancia
pierde
algunos
electrones
y
se
fragmenta
en
diferentes iones, radicales y moléculas neutras. Los iones (moléculas o
fragmentos cargados eléctricamente) son conducidos por un acelerador a
un tubo sobre el que hay un fuerte campo magnético y después a un
colector/analizador donde se juntan rastros únicos de los impactos de los
iones en función de su relación carga-masa. Cada compuesto es único, y
cada uno se ionizará y fragmentará de una determinada manera; en este
principio se basa la espectrometría de masas con aceleradores para
identificar cada analito o elemento que nos interesa.
Al final del proceso de espectrometría de masas con acelerador se
obtiene el número de átomos de carbono 14 en la muestra, así como la
cantidad de carbono 12 y carbono 13. A partir de estos datos, la relación
de
la
concentración
de
los
isótopos
permite
evaluar
el
nivel
de
fragmentación ¡y listo! Por medio de un par de cálculos podemos obtener
la edad del diente de mamut, ya que se puede conocer a grosso modo el
tiempo que ha transcurrido para que el carbono 14 de la muestra llegue a
cierto grado de desintegración.
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Figura 4. Esquema de espectrómetro de masas con aceleradores.
Figura 5. Ejemplo de espectrómetro de masas con acelerador del Laboratorio del Instituto
de
Física de la UNAM.
Calibrando se entiende la gente
La calibración es un proceso que establece la relación entre el instrumento
y las unidades de medida para disipar dudas sobre la exactitud y
confiabilidad de los datos recogidos. Los resultados del fechamiento por
carbono 14 corresponden a la edad radiocarbónica o del carbono 14, y se
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expresan en años BP (before present). Esta escala equivale a los años
transcurridos desde la muerte del organismo hasta el año 1950
de
nuestro calendario. La calibración es necesaria para convertir los años del
carbono 14 en años del calendario en uso actual en Occidente. La
calibración de los resultados de radiocarbono es necesaria para tener en
cuenta los cambios en la concentración atmosférica de carbono 14 a
través de los años y que pudieron ser provocados por factores como la
variación de
la intensidad de la radiación cósmica y de la actividad solar,
las fluctuaciones en el momento geomagnético de la Tierra, la quema de
combustibles fósiles y las pruebas nucleares.
El método más usado para calibrar es por dendrocronología, que es
la parte de la botánica que establece la edad de un árbol y los cambios
climáticos a los que ha estado sometido a lo largo de su vida y que
quedan reflejados en los anillos de crecimiento anual. Sé que muchos de
ustedes se preguntan por qué se usan los anillos de los árboles para
calibrar. Pues bien, si somos curiosos y miramos el corte transversal de un
tronco de árbol, veremos que se compone de una serie de anillos
concéntricos. El diámetro de cada uno de estos anillos crece del centro
hacia fuera. Cada año en las regiones templadas, los árboles añaden una
capa de madera nueva a su corteza. Características de cada anillo como
el
tamaño
y
la
densidad,
reflejan
las
condiciones
ambientales
predominantes del año en el que se formó el anillo. Dado que hay un solo
anillo
de
crecimiento
cada
año,
la
edad
del
árbol
talado
puede
determinarse contando los anillos. Si se conoce el año en que se taló, se
pueden determinar la edad del árbol y el año en el que se formó cada
anillo contando desde el más externo.
Ahora veamos exactamente cómo se calibran los resultados de
fechamiento por carbono 14 por medio de los anillos de los árboles. En
principio,
la
edad
de
una
muestra
carbonosa
se
puede
determinar
fácilmente mediante la comparación de su contenido de radiocarbono con
la de un anillo de árbol con una edad cronológica conocida. Si la muestra
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tiene la misma proporción de radiocarbono que la del anillo del árbol, se
puede concluir con seguridad que son de la misma edad.
Figura 6. Ejemplo de la tabla propuesta por Stuiver y Pearson basada en los anillos de
roble Irlandés.
Fuente: http://www.tiwanakuarcheo.net/curso_arqpreh/rec/2/F_2_5_c14.html
Figura 7. Anillos de roble usados para realizar la calibración de edades.
Fuente: http://www.radiocarbon.com
En la práctica, la calibración con anillos de árboles no es tan sencilla
debido a varios factores. El más importante es que las mediciones
individuales hechas en los anillos de los árboles y en la muestra tienen
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una precisión limitada, por lo que se obtiene un intervalo de posibles años
de calendario.
El último suspiro de Ötzi
El método de fechamiento por carbono 14 ha sido aplicado a distintos
materiales orgánicos que han sido importantes para la sociedad y en
particular han generado grandes avances científicos. Un ejemplo claro de
la aplicación del método es el caso del Hombre de Hielo encontrado en
septiembre de 1991 por dos excursionistas en una región montañosa de
los Alpes Italianos, exactamente en el valle de Ötztal; ambos vieron su
cuerpo sobresaliendo del hielo. Junto con este hombre apodado Ötzi por
el sitio donde fue encontrado, se localizaron algunos utensilios de caza,
los cuales por sorprendente que parezca se encontraban intactos.
Figura 6. Ötzi, el Hombre de Hielo. Fuente:
https://dnaexplained.files.wordpress.com/2012/11/otzi-reconstructed.jpg
¿Y cuándo respire por última vez? / CIENCIORAMA 10
Se realizó la prueba de carbono 14 en los restos del hombre, en su
vestimenta y utensilios de caza y ésta arrojó un resultado de 5,300 años.
A partir de esto se supo que se trataba de un hombre que vivió en el
Neolítico
y
excavación
fue por
en
el
ello
lugar
que los científicos decidieron realizar
donde
fue
hallado
para
así
recabar
una
más
información de este periodo.
Además de la prueba de carbono 14, se hicieron una serie de
radiografías del cuerpo, que mostraron una flecha en el hombro de Ötzi;
por ello se cree que su muerte no fue un accidente sino un asesinato, ya
que también le encontraron diferentes heridas en las manos y el torso.
Para complementar la información sobre Ötzi se realizó una prueba de
ADN a la sangre encontrada en su cuchillo y en su ropa. Los resultados
revelaron que la sangre pertenecía a tres diferentes personas. Después de
obtener los resultados de ADN los científicos se plantearon todo tipo de
hipótesis sobre los últimos momentos de vida de Ötzi. Una de ellas fue
que tuvo una fuerte pelea con unos hombres por querer marcar su
territorio de cacería, pero la verdad, a mí nadie me quita de la cabeza
que Ötzi y esos otros dos hombres se pelearon por una mujer.
Referencias
1.
Mayans, Carme, “Ötzi, el hombre de hielo rescatado en las cumbres alpinas” [en línea].
National Geographic España, 2015. [Fecha de consulta: 13 de junio de 2015].
Disponible:
http://www.nationalgeohraphic.com.es/articulo/historia/secciones/9853/otzi_hombre
_rescatado_las_cumbres_alpinas.html
2.
Beta Analitic Radiocarbon Dating. (s.f.). Recuperado el 13 de Junio de 2015, de
http://www.radiocarbon.com/espanol/sobre-carbono-datation.htm
3.
Flori, J. y
Rasolofomasandro, H., En busca de los orígenes ¿Evolución o creación?
España, Compañía editorial Sanfeliz, 2000.
4.
Museo
de
Antropología.
(s.f.).
Recuperado
11
de
junio
de
2015
de
http://www.museoantropologia.unc.edu.ar/carbono%2014.htm
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