Isótopos: las huellas invisibles que cuentan la historia de la Tierra
Aunque no podemos verlos a simple vista, los isótopos son pequeñas “huellas” que permiten conocer acontecimientos ocurridos hace miles, millones e incluso miles de millones de años.
Gracias a ellos, los científicos pueden determinar la edad de una roca, reconstruir antiguos climas, conocer el origen del agua, estudiar la formación de volcanes e incluso investigar los movimientos de poblaciones humanas del pasado.
De esta manera, los isótopos permiten reconstruir la historia de nuestro planeta y de quienes lo han habitado.
En el podcast Geofísica al descubierto, del Instituto de Geofísica de la UNAM, la doctora Yuly Tatiana Valencia Morales, investigadora de este instituto, habló sobre qué son los isótopos, cómo funcionan y por qué son importantes para la ciencia.
Para comprender qué es un isótopo, primero es necesario conocer el átomo. La doctora Tatiana Valencia explicó que los átomos están formados por un núcleo que contiene protones y neutrones, mientras que alrededor del núcleo se encuentran los electrones.
La cantidad de protones determina qué elemento es un átomo. Por ejemplo, todos los átomos de carbono tienen seis protones.
Sin embargo, un mismo elemento puede tener diferente cantidad de neutrones. Cuando esto ocurre, se trata de isótopos. Por lo tanto, los isótopos son átomos de un mismo elemento que tienen diferente número de neutrones y, en consecuencia, diferente masa.
Por ejemplo, existen el carbono-12 y el carbono-14. Ambos son carbono porque tienen seis protones, pero poseen diferente cantidad de neutrones.
No todos los isótopos se comportan de la misma manera. Algunos permanecen sin cambios, mientras que otros son inestables y se transforman con el tiempo. Esta diferencia permite clasificarlos en dos grandes grupos: estables e inestables.
Los isótopos estables no se transforman espontáneamente, mientras que los inestables cambian y se convierten en otros núcleos mediante un proceso llamado desintegración radiactiva.
Durante este proceso, un isótopo denominado “padre” se transforma en otro llamado “hijo”. Esta transformación ocurre a una velocidad característica y predecible. Precisamente esta propiedad permite utilizar determinados isótopos como relojes naturales.
Al experimentar una transformación radiactiva, los isótopos pueden funcionar como relojes porque su desintegración ocurre de manera predecible. Si se conoce la cantidad del isótopo padre que había originalmente, la cantidad que queda actualmente y la cantidad del isótopo hijo producido, es posible calcular cuánto tiempo ha transcurrido.
Un ejemplo conocido es el carbono-14. Mientras un organismo está vivo, intercambia carbono con el ambiente. Cuando muere, este intercambio termina y el carbono-14 comienza a disminuir por desintegración radiactiva y a transformarse en nitrógeno-14. Al medir cuánto carbono-14 queda en los restos, los científicos pueden estimar cuánto tiempo ha pasado desde la muerte del organismo.
Este método es especialmente útil para materiales orgánicos, como huesos y restos de plantas o animales. Sin embargo, el carbono-14 no es el único reloj isotópico. Dependiendo de la edad y del tipo de material que se quiera estudiar, los científicos recurren a diferentes sistemas de datación. Las rocas, por ejemplo, pueden conservar información durante millones o incluso miles de millones de años.
Para fechar rocas se utilizan diferentes sistemas isotópicos, dependiendo de los minerales que las componen, explicó la investigadora del Instituto de Geofísica. Entre los principales se encuentran los sistemas uranio-plomo, samario-neodimio, rubidio-estroncio y argón-argón.
Uno de los métodos más importantes es el uranio-plomo, que puede utilizarse en minerales como el circón. Algunos isótopos de uranio se transforman mediante cadenas de desintegración radiactiva que conducen finalmente a isótopos de plomo. Al medir las cantidades de estos elementos y sus proporciones isotópicas, se puede calcular la edad del mineral y, en determinados casos, conocer cuándo cristalizó la roca.
También se puede estudiar la transformación del samario-147 en neodimio-143, especialmente en minerales como el granate. El sistema rubidio-estroncio puede analizarse, por ejemplo, en minerales como las micas.
Cada sistema isotópico proporciona información diferente. Algunos permiten conocer cuándo se formó un mineral, mientras que otros permiten determinar cuándo una roca se enfrió o experimentó determinados procesos geológicos.
Sin embargo, una edad isotópica no siempre representa exactamente el momento en que se formó una roca. Para entender qué acontecimiento está registrando cada sistema isotópico, es necesario considerar un concepto fundamental: la temperatura de cierre.
Cuando una roca se enfría, llega un momento en que la temperatura es suficientemente baja para que disminuya la difusión o el intercambio de elementos dentro de la estructura cristalina de un mineral. A partir de entonces, el sistema queda suficientemente cerrado para conservar de manera más efectiva la información isotópica.
Por eso, dependiendo del mineral y del sistema isotópico utilizado, los científicos pueden obtener información sobre diferentes momentos de la historia de una roca.
Conocer cuándo se formó o se enfrió una roca no solo permite establecer una fecha. Al comparar las edades y características isotópicas de distintas rocas, los científicos pueden reconstruir procesos que ocurrieron a escalas mucho mayores, como el magmatismo, el metamorfismo, la actividad tectónica y los cambios que ha experimentado la corteza terrestre.
Además, las firmas isotópicas permiten conocer el origen de determinadas rocas. La corteza y el manto poseen características isotópicas diferentes, por lo que los científicos pueden analizar una roca y obtener indicios sobre el lugar y las condiciones en las que se formó.
Esta información también ayuda a comprender cómo se formaron y modificaron los continentes a lo largo del tiempo. En el caso de Oaxaca, por ejemplo, existen rocas con edades cercanas a los 1,000 millones de años que permiten investigar procesos relacionados con antiguos supercontinentes, como Rodinia.
Los continentes actuales no siempre tuvieron la configuración que conocemos. A lo largo de millones de años, diferentes masas continentales se han unido, separado y vuelto a colisionar. Supercontinentes como Rodinia y Pangea son ejemplos de estas grandes agrupaciones.
Las rocas de México contienen evidencias de diferentes masas continentales que participaron en estos procesos. Por ello, el análisis de sus edades y firmas isotópicas permite formular modelos sobre cómo se ensamblaron los continentes y cómo evolucionó la corteza terrestre.
La datación isotópica también permite determinar cuándo ocurrieron determinados procesos volcánicos. Por ejemplo, el método argón-argón permite fechar ciertos minerales y materiales relacionados con las erupciones.
Estos métodos también han sido utilizados para estudiar grandes acontecimientos de la historia de la Tierra. Un ejemplo es el impacto del asteroide que formó el cráter de Chicxulub, en la península de Yucatán. El enorme calor y la presión producidos por el impacto fundieron las rocas, que posteriormente se enfriaron rápidamente y formaron vidrio. Estos materiales pueden ser fechados mediante métodos isotópicos, lo que ha permitido establecer la antigüedad del impacto en aproximadamente 66 millones de años.
La capacidad de los isótopos para conservar información sobre su origen y recorrido también permite estudiar el agua. La doctora Tatiana Valencia mencionó que los isótopos de oxígeno presentes en el agua pueden proporcionar información sobre su procedencia.
Por medio de estos análisis es posible investigar el origen del agua y seguir su recorrido a través del ciclo hidrológico. Esto resulta especialmente útil para estudiar las aguas subterráneas y comprender el funcionamiento de los acuíferos.
Los mismos isótopos de oxígeno que permiten investigar el agua también pueden conservar información sobre las condiciones climáticas del pasado. Las proporciones de determinados isótopos pueden variar de acuerdo con la temperatura y con diferentes procesos relacionados con el ciclo del agua.
El análisis de hielo, por ejemplo, permite identificar variaciones isotópicas relacionadas con cambios de temperatura ocurridos durante diferentes periodos. De esta manera, los isótopos proporcionan evidencias que ayudan a reconstruir cómo ha cambiado el clima de la Tierra.
Esta capacidad de los isótopos para registrar el lugar y las condiciones en que se desarrolló un material también puede aplicarse a los restos humanos. Un ejemplo es el análisis del estroncio presente en los dientes y los huesos.
El esmalte dental se forma durante el desarrollo y conserva una firma isotópica asociada al entorno en el que creció una persona. En cambio, los huesos se renuevan constantemente y pueden reflejar cambios posteriores en el lugar donde vivió.
Si las firmas isotópicas de los dientes y los huesos son diferentes, los investigadores pueden obtener evidencias de que una persona cambió de lugar de residencia durante su vida. Además, los isótopos pueden aportar información sobre la alimentación y el ambiente en el que vivió un individuo.
Pero para que todas estas “huellas” puedan convertirse en información sobre el pasado, primero es necesario medirlas con gran precisión.
En el caso de una roca, primero puede ser necesario triturarla y pulverizarla. Posteriormente, se realiza un tratamiento químico para separar los elementos que se desean analizar.
Después, los elementos pueden introducirse en un espectrómetro de masas por ionización térmica. Este instrumento ioniza los elementos y utiliza un campo magnético para separar los iones de acuerdo con su masa. Los detectores registran estos iones y permiten determinar las cantidades relativas de los diferentes isótopos.
En el Instituto de Geofísica de la UNAM, estos análisis se realizan, entre otros lugares, en el Laboratorio Universitario de Geoquímica Isotópica (LUGIS), donde se estudian sistemas como samario-neodimio y rubidio-estroncio en investigaciones geológicas y antropológicas.
Los isótopos son mucho más que una herramienta para determinar edades. Permiten investigar la historia de la Tierra, el clima, el agua, los volcanes, las rocas y las poblaciones humanas.
Aunque son invisibles a simple vista, conservan huellas de los procesos que han experimentado los materiales a lo largo del tiempo. Al aprender a leer esas señales, los científicos pueden reconstruir acontecimientos que ocurrieron mucho antes de que existieran los seres humanos y comprender mejor cómo se formó y evolucionó el planeta que habitamos.
En ese sentido, los isótopos pueden considerarse auténticos registros naturales del pasado: pequeñas huellas invisibles que permiten leer la historia de la Tierra.
Con información de la UNAM
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