Y cuándo respiró por última vez?

Transcripción

1 Fuente: Y cuándo respiró por última vez? Maricruz Ramírez Vázquez Con ustedes el carbono 14 Martin David Kamen obtuvo un doctorado en química física en la Universidad de Chicago, 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 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

2 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 CO 2 y otros productos de desecho orgánico, y lo Y cuándo respire por última vez? / CIENCIORAMA 2

3 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 Y cuándo respire por última vez? / CIENCIORAMA 3

4 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

5 Figura 3. Ciclo del carbono. Fuente: 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 Y cuándo respire por última vez? / CIENCIORAMA 5

6 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. Y cuándo respire por última vez? / CIENCIORAMA 6

7 Figura 4. Esquema de espectrómetro de masas con aceleradores. Figura 5. Ejemplo de espectrómetro de masas con acelerador del Laboratorio del Instituto de 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 Y cuándo respire por última vez? / CIENCIORAMA 7

8 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 Y cuándo respire por última vez? / CIENCIORAMA 8

9 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: Figura 7. Anillos de roble usados para realizar la calibración de edades. Fuente: 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 Y cuándo respire por última vez? / CIENCIORAMA 9

10 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: Y cuándo respire por última vez? / CIENCIORAMA 10

11 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 fue por ello que los científicos decidieron realizar una excavación en el lugar donde fue hallado para así recabar 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, [Fecha de consulta: 13 de junio de 2015]. Disponible: _rescatado_las_cumbres_alpinas.html 2. Beta Analitic Radiocarbon Dating. (s.f.). Recuperado el 13 de Junio de 2015, de 3. Flori, J. y Rasolofomasandro, H., En busca de los orígenes Evolución o creación? España, Compañía editorial Sanfeliz, Museo de Antropología. (s.f.). Recuperado 11 de junio de 2015 de Y cuándo respire por última vez? / CIENCIORAMA 11