Análisis isotópico para niños
El análisis isotópico es una forma de identificar la "huella" única de ciertos isótopos estables en una muestra. Los isótopos son versiones de un mismo elemento que tienen diferente peso. Este análisis nos ayuda a entender cómo se distribuyen estos isótopos en diferentes sustancias, tanto naturales como creadas.
El análisis de isótopos estables tiene muchos usos. Por ejemplo, puede ayudarnos a saber cómo se mueven la energía y los nutrientes en una red trófica (la cadena alimentaria). También permite deducir qué comían animales y humanos en el pasado. Además, sirve para reconstruir cómo era el clima y el ambiente hace mucho tiempo. Se usa para verificar la autenticidad de alimentos y en investigaciones de ciencias forenses.
Para medir las diferencias en las proporciones de los isótopos, se usa una técnica llamada espectrometría de masas. Este método separa los isótopos de un elemento según su peso.
En el caso del oxígeno, sus isótopos se ven afectados por el clima global y la forma del terreno. Esto influye en cómo los isótopos gaseosos se mueven en la atmósfera. En lugares con poca humedad, el 18O se pierde más fácilmente del agua en forma de vapor y lluvia. Por otro lado, el agua con 16O vuelve más fácilmente a la atmósfera al evaporarse. El agua con 18O tiende a quedarse en forma líquida o en los líquidos de plantas y animales.
Contenido
¿Cómo afectan los isótopos a los tejidos del cuerpo?
Los isótopos de oxígeno entran en los organismos principalmente al comer o beber. Luego, se incorporan a tejidos como el pelo, las uñas, los huesos y los dientes. Esto es muy útil para estudios de arqueología y antropología. El oxígeno se une a una sustancia llamada hidroxiapatita en los huesos y el esmalte de los dientes. En el pelo y las uñas, el oxígeno se incorpora a los aminoácidos de la queratina.
El pelo y las uñas: un registro reciente
El pelo y las uñas crecen constantemente, lo que nos da información sobre la vida reciente de una persona. El pelo crece alrededor de un centímetro al mes. Las uñas crecen un centímetro cada tres meses. Dependiendo de su largo, la información puede ser de semanas o incluso años.
Los huesos: un registro a largo plazo
Los huesos se renuevan continuamente a lo largo de la vida. Aunque no se sabe exactamente qué tan rápido cambia el oxígeno isotópico en la hidroxiapatita del hueso, se cree que es similar al colágeno, alrededor de 10 años. Así, las proporciones de oxígeno en el hueso de alguien que vivió en un lugar por 10 años o más, reflejarán las proporciones de isótopos de oxígeno de esa región.
Los dientes: un registro de la infancia
Los dientes no se renuevan. Sus proporciones de oxígeno isotópicas se fijan cuando se forman. Esto significa que representan las proporciones de la región donde la persona nació y creció. En los dientes de leche, también se puede saber la edad en que un niño dejó de tomar leche materna. Esto se debe a que la leche materna incorpora agua del cuerpo de la madre con más 18O.
Aunque los dientes son más resistentes a los cambios químicos y físicos que los huesos, ambos pueden verse afectados por procesos de diagénesis (cambios después de la formación). En estos casos, el análisis se enfoca en los grupos fosfato, que son más resistentes.
¿Para qué se usa el análisis isotópico?
El análisis isotópico tiene muchas aplicaciones en las ciencias naturales. Se usa en biología, ciencias ambientales y ciencias de la Tierra.
Arqueología: Descubriendo el pasado
¿Qué comían nuestros antepasados?
Se pueden analizar restos de tejidos de sitios arqueológicos, como huesos, dientes, cabellos o conchas. Los isótopos de carbono y nitrógeno se usan para saber qué comían. Los isótopos de oxígeno suelen indicar el origen geográfico y el ambiente antiguo. Los isótopos de estroncio y plomo pueden usarse para estudiar los movimientos de las poblaciones.
En arqueología, es común combinar varios elementos en el análisis isotópico. Esto ayuda a reconstruir la dieta, los cambios en las fuentes de agua, las migraciones y las interacciones culturales. Por ejemplo, se confirmó que el crecimiento de la población en el Valle de Río Min en Tailandia durante la Edad del Hierro se debió a factores locales, no a la inmigración.
Los isótopos de carbono entran en la cadena alimentaria cuando los herbívoros comen plantas. Los isótopos de oxígeno entran al consumir agua. Al examinar la proporción de 12C/13C, se puede saber si los animales comieron plantas de tipo C3 o C4. Las plantas C3 incluyen arroz, tubérculos, frutas y muchas verduras. Las plantas C4 incluyen mijo y caña de azúcar. Los isótopos de carbono también distinguen entre alimentos del mar, de agua dulce y de tierra.
El carbono en el colágeno de los huesos viene de las proteínas de la dieta. El carbono en el mineral del hueso viene de todo el carbono consumido (carbohidratos, grasas, proteínas). Esto da una idea de la dieta total.
Para entender bien las dietas antiguas, es importante considerar los cambios que pueden afectar la huella isotópica original. También es clave conocer las variaciones de isótopos entre individuos y a lo largo del tiempo.
¿De dónde vienen los objetos arqueológicos?
El análisis isotópico es muy útil para saber de dónde vienen los materiales arqueológicos. Se compara la composición isotópica de objetos (como herramientas de metal) con la de metales de minas conocidas. Se ha determinado el origen de metales, vidrio y pigmentos de plomo. En la Edad del Bronce Mediterránea, el análisis de isótopos de plomo ayudó a identificar las fuentes de metales y los patrones de comercio. Sin embargo, interpretar estos datos puede ser complicado por la mezcla de metales o la contaminación de las muestras.
Ecología: Entendiendo los ecosistemas
Todos los elementos biológicamente importantes tienen diferentes formas isotópicas, y al menos dos son estables. Por ejemplo, la mayoría del carbono es 12C, con un 1% de 13C. Los procesos biológicos y geofísicos pueden cambiar estas proporciones. Estas diferencias se usan en estudios ecológicos. Los elementos principales usados son carbono, nitrógeno, oxígeno, hidrógeno y azufre.
El análisis de la proporción de 18O y 16O en conchas de almejas del Delta del Colorado ayudó a evaluar la extensión histórica del estuario antes de la construcción de diques.
Análisis de isótopos estables en ecosistemas acuáticos
Los isótopos estables son populares para entender los ecosistemas acuáticos. Ayudan a los científicos a comprender las redes tróficas marinas. También se usan, aunque menos, en sistemas terrestres. Ciertos isótopos pueden identificar los productores primarios (la base de las redes tróficas) y la posición de los organismos en los niveles tróficos.
Las composiciones de isótopos estables se expresan en valores delta (δ) por mil (‰). Esto significa diferencias en partes por mil respecto a un estándar. La fórmula es:
δX = [(Rmuestra / Restándard) – 1] x 103
Donde X es el isótopo (ej., 13C) y R es la proporción del isótopo analizado y su forma natural (ej., 13C/12C). Un valor delta más alto (menos negativo) indica más isótopo en la muestra. Un valor más bajo (más negativo) indica menos. Los materiales de referencia son la caliza Pee Dee Belamnite (PDB) para carbono, el gas nitrógeno atmosférico (AIR) para nitrógeno, y el meteorito del Cañón del Diablo (CDT) para azufre.
El análisis se hace con un espectrómetro de masa, que detecta pequeñas diferencias. Los isótopos estables permiten analizar redes tróficas y dietas animales. Esto se hace comparando los tejidos animales, que muestran un cambio fijo en los isótopos, con la dieta. Los músculos o proteínas son los tejidos más usados. La ventaja es que, a diferencia de observar el contenido del estómago, los isótopos permiten rastrear la posición del animal en la cadena trófica y sus fuentes de alimento, sin importar si el estómago está vacío.
Los tres isótopos importantes en el análisis de redes tróficas acuáticas son 13C, 15N y 34S. Es común analizar al menos dos para entender mejor las interacciones tróficas.
Carbono-13 (13C)
Los isótopos de carbono ayudan a determinar la fuente de producción primaria que impulsa la energía en un ecosistema. La transferencia de 13C a través de los niveles tróficos es bastante constante, con un pequeño aumento. Grandes diferencias de δ13C entre animales indican que tienen diferentes fuentes de alimento o que sus redes tróficas se basan en diferentes productores primarios (como distintos tipos de fitoplancton).
Como el δ13C indica la fuente original de los productores primarios, los isótopos también pueden mostrar cambios en las dietas, ya sean a corto o largo plazo. Estos cambios pueden relacionarse con las estaciones, reflejando la abundancia de fitoplancton. Los científicos han encontrado que los valores de δ13C en poblaciones de fitoplancton pueden variar mucho en una región. Las razones no se conocen con certeza, pero se cree que pueden deberse a variaciones en los isótopos de carbono disueltos en el agua o a cómo la tasa de crecimiento del fitoplancton afecta la asimilación de isótopos.
El δ13C se ha usado para rastrear la migración de animales jóvenes desde áreas costeras de cría a aguas más profundas, examinando los cambios en sus dietas. Un estudio de Freír (1983) analizó gambas jóvenes en el sur de Texas. Encontró que al principio, las gambas tenían valores isotópicos de δ13C = -11 a -14‰. Cuando maduraron y migraron, los valores cambiaron, pareciéndose a los de los organismos de su nuevo hábitat.
Azufre-34 (34S)
Como no hay un aumento significativo de 34S entre niveles tróficos, este isótopo es útil para distinguir entre organismos que viven en el fondo del mar (bentónicos) y los que viven en aguas abiertas (pelágicos). También ayuda a diferenciar entre organismos de marisma y fitoplancton. Al igual que el 13C, puede ayudar a distinguir entre diferentes tipos de fitoplancton como productores primarios clave. Las diferencias entre sulfatos y sulfuros en el agua de mar facilitan estas determinaciones. El azufre tiende a ser más abundante en áreas con menos oxígeno, como los sistemas bentónicos y las plantas de pantano.
Nitrógeno-15 (15N)
Los isótopos de nitrógeno indican el nivel trófico de varios organismos marinos. Hay un mayor aumento de δ15N porque su retención es más alta que la del 14N. Esto se puede ver al analizar los restos de los organismos. Cuando un organismo come a otro, el isótopo 15N se transfiere al depredador. Así, los organismos en la parte superior de la pirámide trófica acumulan más 15N (y valores más altos de δ15N) en relación con sus presas. Numerosos estudios en ecosistemas marinos han mostrado un aumento promedio de 3.2‰ de 15N entre especies de diferente nivel trófico.
Además de posicionar organismos en la cadena trófica, los valores de δ15N se han usado para distinguir entre fuentes de nutrientes naturales y las que provienen de la tierra. Por ejemplo, el agua rica en nitrógeno de sistemas de saneamiento humanos puede llegar a las áreas costeras. Los nitratos de estas aguas tienen concentraciones más altas de 15N que el nitrato natural. Las bacterias prefieren asimilar el 14N porque es más ligero. Así, el 14N se elimina más rápido, aumentando la proporción de 15N en el agua. Los valores de 15N de fuentes humanas suelen ser de 10-20‰, mientras que los naturales oscilan entre 2-8‰.
Estos niveles de δ15N pueden examinarse en criaturas que viven en un área determinada y no migran (como plantas acuáticas, almejas o algunos peces). Este método es cada vez más usado para controlar la entrada de nutrientes a estuarios y ecosistemas costeros. Los gestores ambientales están preocupados por el exceso de nutrientes de origen humano, ya que puede causar eutrofización (exceso de nutrientes que reduce el oxígeno) y episodios de falta de oxígeno, eliminando organismos de un área.
Forense: Ayudando en investigaciones
En las ciencias forenses, especialmente en la antropología forense, el análisis isotópico se usa para determinar el lugar de origen de una persona. Se analizan diferentes sustancias y tejidos humanos. Los resultados se comparan con bases de datos de referencia. En Argentina, existe BITACORA (Base de Información Isotópica de Tejidos Actuales Como Referencia Argentina).
Tejidos Queratinosos (Pelo y Uñas)
Los tejidos queratinosos están compuestos por queratina, como el cabello y las uñas. El cabello crece entre 9 y 11 milímetros por mes (unos 15 centímetros al año). El crecimiento del cabello depende principalmente de la dieta, sobre todo del agua que se bebe. Las proporciones isotópicas del agua potable son estables, pero varían según la ubicación y la geología del terreno. Estas diferencias en la proporción isotópica se fijan en el cabello a medida que crece. Esto permite identificar los lugares recientes donde ha estado una persona al analizar su cabello. Por ejemplo, se podría saber si una persona estuvo recientemente en un lugar específico. Este análisis del cabello es un procedimiento no invasivo y se usa cada vez más cuando el ADN u otros métodos no dan suficientes respuestas.
Dientes
Los dientes tienen dos partes: la dentina (orgánica) y el esmalte (mineral). El análisis isotópico de cada una da información diferente.
- Dentina
El análisis isotópico de la dentina mide carbono y nitrógeno en las fibras de colágeno. Esto ayuda a estimar la dieta.
- Esmalte
El análisis isotópico del esmalte dental mide carbono y oxígeno de la hidroxiapatita. Esto ayuda a determinar el origen geográfico.
Huesos
Al igual que los dientes, los huesos tienen una parte orgánica (fibras de colágeno) y una mineral (hidroxiapatita). El análisis isotópico de estas partes da la misma información que la de los dientes, pero con una diferencia de tiempo. La información de los dientes representa la infancia o adolescencia de la persona (cuando se forman los dientes). La información de los huesos representa los últimos años de vida de la persona, debido a que los huesos se renuevan.
Explosivos
El análisis de isótopos puede ser usado por los investigadores forenses para determinar si dos o más muestras de explosivos tienen un origen común. Los explosivos contienen átomos de carbono, hidrógeno, nitrógeno y oxígeno. Comparar sus cantidades relativas de isótopos puede revelar si provienen del mismo lugar. Los investigadores también han demostrado que el análisis de las proporciones de 12C/13C puede identificar el país de origen de un explosivo.
Paleoclimatología: El clima del pasado
La proporción de 18O y 16O en el hielo y en los núcleos de sedimentos marinos profundos depende de la temperatura. Se puede usar para reconstruir los cambios climáticos. Durante los periodos más fríos de la historia de la Tierra (como las edades de hielo), el 16O se evapora preferentemente de los océanos más fríos, dejando atrás el 18O, que es un poco más pesado. Por lo tanto, organismos como los foraminíferos, que usan el oxígeno disuelto en el agua para construir sus conchas, incorporan la proporción de 18O y 16O según la temperatura. Cuando estos organismos mueren, se depositan en el fondo del mar, guardando un registro valioso del cambio climático global durante gran parte del período Cuaternario.
De manera similar, los núcleos de hielo en tierra tienen más 18O que 16O durante fases climáticas más cálidas (interglaciales). Esto ocurre porque hay más energía para evaporar el isótopo 18O, que es más pesado. El registro de isótopos de oxígeno en los núcleos de hielo es como un "espejo" del registro en los sedimentos oceánicos.
Los isótopos de oxígeno guardan un registro de los efectos de los ciclos de Milankovitch relacionados con los cambios climáticos durante el Cuaternario. Revelan un ciclo de aproximadamente 100.000 años en el clima de la Tierra.
Galería de imágenes
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Espectrómetro de masas de sector magnético utilizado en análisis de proporciones de isótopos, mediante ionización térmica.
Véase también
En inglés: Isotope analysis Facts for Kids
