18 octubre, 2010

El Carbono 14 para torpes

El Carbono 14 para torpes: "

Cuando escribimos un post sobre ciencia en una página de divulgación como ésta podemos caer en el error de asumir que los lectores van a ser capaces de entender aquello sobre lo que queremos hablar; sin embargo, esto no tiene porqué ser necesariamente así. Mi libro de ciencia favorito, Una breve historia del tiempo, de Stephen Hawking, no contiene ni una sola fórmula matemática, lo que facilita la comprensión de las conclusiones del autor sin perdernos en unas complicadas matemáticas. El lector no familiarizado con la física ni con las matemáticas no tiene más remedio que creer que lo que lee es cierto, ya que no dispone de medios para comprobarlo por sí mismo.


Aunque pueda cotejar la información en otras publicaciones, son otros científicos con los conocimientos necesarios quienes únicamente pueden certificar la autenticidad de lo escrito. Afortunadamente, cualquier persona que se esfuerce en estudiar puede llegar a comprender la ciencia e incluso llegar a «hacer ciencia» por sí mismo. La ciencia no es, como si dijéramos, una religión, y la comunidad científica tiene como sana costumbre basar su modus operandi en el escepticismo: Ningún experimento se da nunca por válido hasta que ha sido repetido al menos por otro equipo de científicos por sus propios medios con resultados satisfactorios. Por eso animo a los lectores de este post a examinarlo con espíritu crítico, cotejando lo que aquí diré en otras partes si el interés por la materia le mueve a ello y criticando sin pudor cualquier información que se demuestre errónea. Como debe ser.


Hoy voy a contar la peculiar historia del carbono 14 (14C). Este raro y escaso elemento de la naturaleza es desde hace mucho tiempo un asiduo protagonista en las noticias sobre ciencia e historia. Gracias a las dataciones por el método del carbono 14 ha podido establecerse una cronología absoluta de las edades y la evolución del hombre desde la prehistoria hasta nuestros días. Esto lo convierte en una valiosísima herramienta para el estudio de nuestro pasado.


Pero empecemos desde el principio: ¿qué es el carbono 14? ¿de dónde procede? y sobre todo ¿cómo se utiliza para determinar la antigüedad de algo?


Representación esquemática de un átomo de carbono 14. | Imagen: Carlenton Colege


Para saber qué es el carbono 14, antes debemos conocer un poco la estructura de los elementos químicos: Los átomos se componen principalmente de un núcleo y una «nube» de electrones que gira alrededor de éste. Dentro del núcleo se encuentran los protones (que son los que realmente dan las características químicas al átomo) y los neutrones, que contribuyen a dar estabilidad al núcleo y que junto con los protones determinan la masa atómica del mismo.


En el caso del átomo común de carbono (C), el núcleo está compuesto por seis protones y seis neutrones, y su masa es, aproximadamente, de 12u (unidades de masa atómica, cuyo cálculo excede las pretensiones de este post). El carbono constituye el elemento esencial de toda la química de la vida, y se encuentra presente en gran abundancia en todos los organismos vivos del planeta, así como en el suelo y en la atmósfera.


Otro elemento que también se halla en abundancia tanto en el suelo como en la atmósfera es el nitrógeno (N), cuya masa atómica es 14. El ochenta por ciento del aire que respiramos es, básicamente, nitrógeno.


Estamos en realidad viviendo dentro de una gran sopa de moléculas de nitrógeno que es el aire, que constantemente entra y sale de nuestro organismo. Por suerte para nosotros, el nitrógeno, en su forma molecular N2 es incoloro, inodoro e insípido, y para nosotros es totalmente inocuo.


Pues bien, la apasionante historia del carbono 14 comienza precisamente con el nitrógeno atmosférico, especialmente a determinadas altitudes, donde los átomos de nitrógeno se encuentran expuestos a las radiaciones de partículas que constantemente bombardean nuestro planeta procedentes del espacio. Esta radiación, conocida como «rayos cósmicos» tienen la capacidad de alterar los núcleos de aquellos átomos que encuentran en su camino, liberando neutrones en estos choques (El proceso de formación de estos neutrones también excede el propósito de este post).


En ocasiones, un átomo de nitrógeno recibe el impacto de uno de estos neutrones liberados por los rayos cósmicos, que desplaza a un protón, lo expulsa del núcleo atómico y ocupa su lugar.


Pero como dijimos antes, son los protones los que proporcionan al átomo sus características químicas. Al perder el átomo de nitrógeno uno de sus siete protones, automáticamente se convierte en un átomo de carbono; un átomo de carbono muy especial, con seis protones y… ¡ocho neutrones! Acabamos de asistir al nacimiento de un átomo de carbono 14, a la transmutación de la materia por obra y gracia de la radiación emitida por moribundas estrellas lejanas hace miles, tal vez millones de años. De todo el carbono presente en la naturaleza, el 98,89% es «carbono 12» (C), un 1,11% es «carbono 13» (13C) (un isótopo estable del carbono que contiene un neutrón de más), y tan sólo un 1x10E-10 , o sea, un 0,0000000001% es «carbono 14» (14C). Como se puede ver, la proporción de carbono 14 es ínfima, pero aún así, perfectamente medible con la tecnología actual.


Estos nuevos átomos de carbono 14 se distribuyen por la atmósfera de forma regular, combinándose rápidamente con el oxígeno para formar dióxido de carbono que, en el ciclo natural de la biosfera terrestre, termina siendo procesado por las plantas en la fotosíntesis y absorbido por éstas. Luego, la cadena trófica hace que todos los animales (que de una u otra forma se alimentan de plantas o de seres que comen plantas) terminen absorbiendo en su organismo el mismo porcentaje de carbono 14 presente en la atmósfera. Mientras la planta o el animal siguen con vida, esta absorción se seguirá produciendo de forma constante, y sólo terminará cuando este ser vivo muera y concluya su intercambio con el resto de la biosfera (generalmente al quedar enterrado o aislado de la naturaleza).


Y ahora es cuando el carbono 14, este raro isótopo radiactivo del carbono, va a jugar su importante papel: como todos los isótopos radiactivos, el carbono 14 es un átomo inestable. Su equilibrio «natural» ha sido alterado y tarde o temprano lo recuperará de nuevo.


Uno de los neutrones del núcleo se convertirá espontáneamente en un protón, emitiendo un electrón y un antineutrino en ese proceso conocido como «desintegración beta». El átomo de carbono 14 se transmutará así de nuevo en un vulgar átomo de nitrógeno. Ese «tarde o temprano» quiere decir en realidad que en los siguientes 5568 años la mitad de los átomos de carbono 14 habrán vuelto a convertirse en nitrógeno. Cuanto más tiempo permanezca un resto orgánico enterrado, menor será la cantidad de carbono 14 que contenga.

Claro que una cosa es conocer los principios teóricos del ciclo del carbono 14, y otra muy distinta es medir con precisión la cantidad de carbono 14 de una muestra para determinar su edad. Hasta ahora, todos los métodos para medir la concentración de carbono 14 en una muestra implican la destrucción de la misma, o por lo menos de una parte de ésta. Además, se trata de unos métodos muy, muy caros. Los arqueólogos deben elegir con mucho cuidado qué muestra escogen para realizar la datación, ya que en el proceso van a perderla para siempre.


Como es lógico, y debido a este problema, los criterios de selección para datar una muestra son extremadamente cuidadosos. Se eligen muestras cuyo valor material sea el menor posible; a veces basta con un pequeño trozo de un resto orgánico para poder establecer la edad de un extenso conjunto de restos. Se procura escoger aquellas muestras que permitan la datación de un conjunto de restos de forma indirecta, por comparación con otros presentes en el mismo nivel de excavación del mismo yacimiento. En la datación por carbono 14 siempre se busca obtener la mayor cantidad de datos directos o indirectos con la menor cantidad posible de destrucción de restos.


Y en este preciso momento, es cuando la ciencia y la historia se van a dar la mano para alcanzar un mismo objetivo. La datación por el método del carbono 14 tiene su propia historia, digna de ser estudiada con detenimiento, y que yo resumiré aquí lo más brevemente posible. El origen de este procedimiento de datación se encuentra en las investigaciones realizadas durante la Segunda Guerra mundial sobre la separación de isótopos de Uranio para la fabricación de la bomba atómica.


Willard Libby. | Imagen


El químico Willard Libby, encargado de separar los isótopos de Uranio que posteriormente se emplearían para arrasar Hiroshima y Nagasaki, se convirtió después de la guerra en un experto en el estudio de la radiactividad en los tejidos vivos, y fue el primero en idear un método para utilizar el carbono 14 como «reloj atómico».


Su método consiste en quemar la muestra una vez limpiada de impurezas, de forma que el carbono contenido en la misma se convierta en dióxido de carbono (CO2). Un vez purificado este CO2, se introduce en un aparato llamado «contador proporcional». El contador proporcional cuenta el número de electrones emitidos por la muestra (cada descomposición atómica del carbono 14 emite un electrón).


Según la cantidad de electrones detectados en un plazo de tiempo concreto, puede determinarse la cantidad de carbono 14 presente en la muestra y, por lo tanto, determinar cuánto tiempo ha pasado desde la muerte de la muestra biológica.


Aunque Libby obtuvo el premio Nobel por su procedimiento de datación, éste método es el menos preciso y el que requiere una mayor cantidad de material para obtener una datación fiable. Hay que tener en cuenta que depende del número de desintegraciones del carbono 14, que tiene un importante componente aleatorio. Aún así, el método de Libby consigue dataciones con un error aproximado de sólo +-200 años, lo que para muestras muy antiguas puede ser suficiente.


Posteriormente se desarrolló un nuevo sistema, basado en el anterior, para aumentar la precisión de la detección de desintegraciones y reducir el margen de error en la datación. Se trata del «contador de centelleo líquido». Básicamente, se disuelve la muestra en benceno y se utiliza un líquido que emite centelleos de luz al recibir los electrones resultantes de la desintegración del carbono 14. A pesar de la mejora, este procedimiento sigue dependiendo de la imprevisibilidad de la desintegración atómica, de la cantidad de muestra analizada y de posible contaminación externa.


Finalmente se desarrolló un método para medir directamente la cantidad de átomos de carbono 14, y no la desintegración de los mismos por métodos indirectos: se trata de la «espectrometría de masas». Aunque este método es el más costoso de todos, también es el que ofrece una mayor precisión en las dataciones, reduciendo el margen de error a +-40 años. Su funcionamiento es el que sigue: después de calentar la muestra y separar los átomos de carbono, estos son ionizados (separados de sus electrones, con lo que se convierten en partículas cargadas de electricidad) y una vez ionizados se introducen en un acelerador de partículas.


A estos átomos de carbono cargados y acelerados a gran velocidad se las desvía mediante potentes electroimanes, de manera que describan una curva. Mientras el carbono «normal» se desvía más por su menor masa, los isótopos del carbono (C13 y C14) siguen trayectorias distintas (tienden a desviarse menos de su trayectoria por su mayor masa e inercia) y terminan en detectores distintos. De esta forma puede medirse con exactitud la cantidad de átomos de la muestra independientemente de su actividad radiactiva, y con mucha menor cantidad de material. Mientras el método original de Libby precisaba de muestras de hasta 1kg, la espectrometría de masas puede obtener resultados satisfactorios con sólo 1mg de material.


A pesar de todo, el proceso de datación no termina aquí: resulta que a lo largo de los siglos y los milenios, la radiación cósmica no ha sido siempre la misma, lo cual significa que hubo periodos de mayor concentración de carbono 14 en la atmósfera y otros de menor concentración, y esto puede aumentar el error de la datación. Además, la muestra podría haber sido contaminada desde su depósito original, recibiendo aportaciones de carbono 14 extra que impedirían una datación correcta. Por otro lado, el cálculo de la vida media del carbono 14 aún no ha sido establecido con toda exactitud, y se mantiene un margen de error de +-30 años, por lo que las dataciones realizadas en la actualidad posiblemente tengan que ser revisadas en un futuro.


Para concretar las dataciones por carbono 14, la comunidad científica debe realizar además un proceso de «calibración» que les permita afinar los resultados y establecer una tabla cronológica. Para ello se utilizan, entre otros métodos, la datación por carbono 14 de muestras de edad conocida, como las de los milenarios pinos de Colorado o las secuoyas. Estas tablas de calibración son establecidas por consenso por la comunidad científica y publicadas en la revista Radiocarbon.


Existen otros métodos de datación radiológica además del carbono 14: el del uranio, del del potasio/argón, la termoluminiscencia, etc, y otros de tipo físico-químicos, como el paleomagnetismo, la racemización de aminoácidos y muchos otros. Siempre que es posible, estos métodos de datación se usan de forma complementaria para obtener la mayor precisión posible en cada caso.


Gráfico de concentración de 14C a partir de 1950 | Wikipedia Commons


Todas las dataciones radiológicas se miden en años hasta 1950, expresándose como años BP (por la expresión inglesa before present, «antes del presente»). A partir de la década de los cincuenta del pasado siglo la proliferación de pruebas de armas nucleares en la atmósfera alteró gravemente los porcentajes de isótopos radiactivos de todo tipo presentes en la atmósfera (y por ende en todos los organismos vivos); un problema más que nuestro mundo dejará a las generaciones futuras.

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