Un resumen de Richard Morlan.
¿Qué es el radiocarbono?
Hace unos 75 años, Williard F. Libby, profesor de química de la Universidad de Chicago, predijo que se encontraría en la naturaleza un isótopo radiactivo del carbono, conocido como carbono-14. Dado que el carbono es fundamental para la vida, ya que se encuentra junto con el hidrógeno en todos los compuestos orgánicos, la detección de dicho isótopo podría constituir la base de un método para establecer la edad de los materiales antiguos. Trabajando con varios colaboradores, Libby estableció la presencia natural del radiocarbono al detectar su radiactividad en el metano del alcantarillado de Baltimore. En cambio, el metano procedente de productos petrolíferos no presentaba radiactividad medible.
Este descubrimiento significó que existen tres isótopos naturales del carbono:
- carbono-12 (c12), que comprende el 99% de los átomos de carbono
- carbono-13 (c13), que comprende aproximadamente el 1% de los átomos de carbono
- carbono-14 (c14), representado por un átomo de carbono por billón
Mientras que el carbono-12 y el carbono-13 son isótopos estables, el carbono-14 es inestable o radiactivo.
¿Qué es la datación por radiocarbono?
El carbono-14 se produce en la atmósfera superior cuando los rayos cósmicos bombardean los átomos de nitrógeno. Las interacciones atómicas resultantes crean un suministro constante de c14 que se difunde rápidamente por la atmósfera. Las plantas absorben el c14 junto con otros isótopos de carbono durante la fotosíntesis en las proporciones que se dan en la atmósfera; los animales adquieren el c14 al comer las plantas (u otros animales). Durante la vida de un organismo, la cantidad de c14 en los tejidos se mantiene en equilibrio, ya que la pérdida (a través de la desintegración radiactiva) se equilibra con la ganancia (a través de la captación mediante la fotosíntesis o el consumo de carbono fijado orgánicamente). Sin embargo, cuando el organismo muere, la cantidad de c14 disminuye de manera que cuanto más tiempo pasa desde la muerte, más bajos son los niveles de c14 en el tejido orgánico. Este es el reloj que permite convertir los niveles de c14 en muestras orgánicas arqueológicas, geológicas y paleontológicas en una estimación del tiempo.
La medida de la tasa de desintegración radiactiva se conoce como su vida media, el tiempo que tarda la mitad de una muestra en desintegrarse. Libby calculó la vida media del c14 en 5568 ± 30 años. Esto significa que la mitad del c14 se ha descompuesto cuando un organismo lleva muerto 5568 años, y la mitad del resto se ha descompuesto 11.136 años después de la muerte, etc. La disminución de los niveles a través de la desintegración significa que el límite efectivo para utilizar el c14 para estimar el tiempo es de unos 50.000 años. Después de este tiempo, queda muy poco c14, si es que queda alguno. Trabajos posteriores han demostrado que la vida media del radiocarbono es en realidad de 5.730 ± 40 años, una diferencia del 3% respecto a la vida media de Libby. Sin embargo, para evitar confusiones, todos los laboratorios de radiocarbono siguen utilizando la vida media calculada por Libby, a veces redondeándola a 5570 años.
¿Qué se puede datar?
Cualquier material orgánico que esté disponible en cantidad suficiente puede ser preparado para la datación por radiocarbono. Los métodos modernos de AMS (espectroscopia de masas con acelerador) requieren cantidades minúsculas, unos 50 mg. La tecnología AMS nos ha permitido datar muestras muy pequeñas (como semillas) que antes eran inviables. Dado que el rango de edad del método tiene límites prácticos, la mayoría de las muestras deben ser menores de 50.000 años y mayores de 100 años. La mayoría de las muestras requieren un pretratamiento químico para garantizar su pureza o para recuperar determinados componentes del material. El objetivo del pretratamiento es asegurar que el carbono que se analiza es nativo de la muestra sometida a datación. El pretratamiento pretende eliminar de la muestra cualquier carbono contaminante que pueda dar lugar a una datación inexacta. Se pueden utilizar ácidos para eliminar los carbonatos contaminantes. Se pueden utilizar bases para eliminar los ácidos húmicos contaminantes.
Algunos tipos de muestras requieren un pretratamiento más extenso que otros, y estos métodos han evolucionado durante los primeros 50 años de datación por radiocarbono. Por ejemplo, antes era una práctica habitual limitarse a quemar huesos enteros, pero con el tiempo se vio que los resultados no eran fiables. Los métodos químicos para separar los componentes orgánicos (colágeno) de los inorgánicos (apatita) del hueso crearon la oportunidad de datar ambos componentes y comparar los resultados. La fracción de colágeno suele dar fechas más fiables que la fracción de apatita (ver Fechas en los huesos).
¿Cómo se mide el radiocarbono?
Además de varios pretratamientos, la muestra debe ser quemada y convertida a una forma adecuada para el contador. La muestra debe ser destruida para poder medir su contenido de c14.
Las primeras mediciones de radiocarbono se realizaron en contadores Geiger de pantalla con la muestra preparada para la medición en forma sólida. Pronto se descubrió que estas fechas denominadas de «carbono sólido» arrojaban edades algo más tempranas de lo esperado, y había muchos otros problemas técnicos relacionados con la preparación de la muestra y el funcionamiento de los contadores. Los contadores proporcionales de gas pronto sustituyeron al método del carbono sólido en todos los laboratorios, convirtiendo las muestras en gases como el dióxido de carbono, el disulfuro de carbono, el metano o el acetileno. En la actualidad, muchos laboratorios utilizan contadores de centelleo líquido en los que las muestras se convierten en benceno. Todos estos tipos de contadores miden el contenido de C-14 mediante el control de la tasa de desintegración por unidad de tiempo.
Una innovación más reciente es el recuento directo de átomos de c14 mediante espectrómetros de masas con acelerador (AMS). La muestra se convierte en grafito y se monta en una fuente de iones desde la que se pulveriza y acelera a través de un campo magnético. el campo desvía los átomos de diferentes masas de forma diferente (los átomos más pesados se desvían menos). Los objetivos sintonizados con diferentes pesos atómicos cuentan el número de átomos c12, c13 y c 14 en una muestra.
¿Cuáles son los límites de edad de la datación por radiocarbono?
Muchas muestras reportadas como «modernas» tienen niveles de radiactividad que son indistinguibles de los estándares modernos como el ácido oxálico. Debido a la contaminación de las pruebas con bombas, algunas muestras son incluso más radiactivas que los estándares modernos. Otras muestras muy jóvenes pueden tener límites máximos, como 40.000 años. Las muestras muy antiguas tienen una radiactividad tan baja que no pueden distinguirse de forma fiable de la radiación de fondo. Muy pocos laboratorios son capaces de medir edades de más de 40.000 años.
¿Por qué las fechas de radiocarbono tienen signos más o menos?
Varios aspectos de la medición del radiocarbono tienen incertidumbres incorporadas. Cada laboratorio debe tener en cuenta la radiación de fondo que varía geográficamente y a través del tiempo. La variación de la radiación de fondo se controla mediante la medición rutinaria de estándares como la antracita (carbón), el ácido oxálico y ciertos materiales de edad conocida. Los estándares ofrecen una base para interpretar la radiactividad de la muestra desconocida, pero siempre hay un grado de incertidumbre en cualquier medición. Dado que el recuento de desintegración registra eventos aleatorios por unidad de tiempo, la incertidumbre es un aspecto inherente al método.
La mayoría de los laboratorios expresan la incertidumbre en una desviación estándar (± 1 sigma), lo que significa que hay una probabilidad de alrededor del 67% de que la verdadera edad de la muestra caiga dentro del rango establecido, digamos ± 100 años. La mayoría de los laboratorios sólo tienen en cuenta las estadísticas de recuento, es decir, la actividad de la muestra, los estándares y el fondo, a la hora de establecer los límites de 1 sigma. Sin embargo, algunos laboratorios tienen en cuenta otras variables, como la incertidumbre en la medición de la vida media. Dos laboratorios, el Servicio Geológico de Canadá y la Universidad de Waterloo, siguen una práctica poco convencional al informar de errores de 2 sigmas, lo que implica una probabilidad de alrededor del 95% de que la verdadera edad de la muestra se encuentre dentro del rango establecido. Algunos laboratorios imponen un valor mínimo a sus términos de error.
La mayoría de los laboratorios utilizan un criterio de 2 sigmas para establecer las edades mínimas y máximas. En consonancia con su práctica de citar errores de 2 sigmas para las denominadas fechas finitas, el Servicio Geológico de Canadá utiliza un criterio de 4 sigmas para las fechas no finitas.
¿Qué significa BP?
Las primeras fechas de radiocarbono comunicadas tenían sus edades calculadas al año más cercano, expresadas en años antes del presente (BP). Pronto se vio que el significado de PA cambiaba cada año y que era necesario conocer la fecha del análisis para entender la edad de la muestra. Para evitar la confusión, una convención internacional estableció que se adoptaría el año 1950 d.C. como punto de referencia para la expresión PA. Por lo tanto, BP significa años antes de 1950 d.C.
Algunas personas continúan expresando las fechas de radiocarbono en relación con el calendario restando 1950 de la edad reportada. Esta práctica es incorrecta, porque ahora se sabe que los años de radiocarbono no son equivalentes a los años del calendario. Para expresar una fecha de radiocarbono en años de calendario debe ser normalizada, corregida según sea necesario por los efectos del depósito, y calibrada.
¿Cuál es la importancia de la asociación?
Las fechas de radiocarbono sólo pueden obtenerse a partir de materiales orgánicos, y muchos sitios arqueológicos ofrecen poca o ninguna preservación orgánica. Incluso si la preservación orgánica es excelente, los materiales orgánicos en sí mismos no son siempre los elementos de mayor interés para el arqueólogo. Sin embargo, su asociación con elementos culturales como restos de viviendas o chimeneas puede hacer que sustancias orgánicas como el carbón vegetal y los huesos sean opciones adecuadas para la datación por radiocarbono. Un problema crucial es que la fecha resultante sólo mide el tiempo transcurrido desde la muerte de una planta o un animal, y depende del arqueólogo registrar pruebas de que la muerte del organismo está directamente relacionada o asociada con las actividades humanas representadas por los artefactos y rasgos culturales.
Muchos yacimientos del Ártico canadiense contienen carbón vegetal derivado de la madera a la deriva que fue recogida por los antiguos y utilizada como combustible. La fecha de radiocarbono de la madera a la deriva puede ser varios siglos más antigua de lo esperado, ya que el árbol puede haber muerto cientos de años antes de ser utilizado para encender un fuego. En las zonas boscosas no es raro encontrar las raíces carbonizadas de los árboles que se extienden hacia abajo en los materiales arqueológicos enterrados en niveles más profundos de un yacimiento. El carbón vegetal de estas raíces puede ser el resultado de un incendio forestal que se produjo cientos de años después de que los materiales arqueológicos fueran enterrados, y una fecha de radiocarbono en este tipo de carbón vegetal arrojará una edad más joven de lo esperado.
Fechas en huesos
El hueso es el segundo material elegido para la datación por radiocarbono, después del carbón vegetal. Ofrece algunas ventajas sobre el carbón vegetal. Por ejemplo, demostrar una asociación segura entre los huesos y los artefactos es a menudo más fácil que demostrar un vínculo definitivo entre el carbón vegetal y los artefactos. De hecho, muchos estudios buscan determinar el momento de la muerte de un animal, y no hay duda en cuanto a la asociación si la muestra consiste en los huesos del animal.
Sin embargo, el hueso presenta algunos retos especiales, y los métodos de pretratamiento de las muestras de hueso, asta, cuerno y colmillo han sufrido profundos cambios durante los últimos 50 años. Al principio, la mayoría de los laboratorios se limitaban a quemar huesos enteros o fragmentos de hueso, reteniendo en la muestra tanto el carbono orgánico como el inorgánico nativo del hueso, así como los contaminantes carbonosos que pudieran estar presentes. De hecho, se creía, aparentemente por analogía con el carbón elemental, que el hueso era adecuado para la datación por radiocarbono «cuando estaba muy carbonizado» (Rainey y Ralph, 1959: 366). Las fechas de los huesos obtenidas con estos métodos son muy sospechosas. Lo más probable es que se equivoquen en el lado joven, pero no es posible predecir su fiabilidad.
El desarrollo de métodos químicos para aislar el carbono de los componentes orgánicos e inorgánicos del hueso fue un gran paso adelante. Berger, Horney y Libby (1964) publicaron un método para extraer el carbono orgánico del hueso. Muchos laboratorios adoptaron este método que producía una gelatina que se suponía estaba formada principalmente por colágeno. Este método se denomina «extracción de colágeno insoluble» en esta base de datos. Longin (1971) demostró que el colágeno podía extraerse en una forma soluble que permitía un mayor grado de descontaminación de la muestra. Muchos laboratorios adoptaron el método de Longin, denominado «extracción de colágeno soluble» en esta base de datos.
C.V. Haynes (1968) presentó un método de extracción del carbono inorgánico del hueso. Este método se consideraba adecuado para su uso en zonas en las que el colágeno está poco o mal conservado en los huesos. Investigaciones posteriores pusieron en duda la fiabilidad de este método. Hassan y otros (1977; Hassan y Ortner, 1977) demostraron que el carbono inorgánico contenido en la apatita de los huesos es muy susceptible de ser contaminado por el carbono más joven o más antiguo del entorno de enterramiento. Ahora parece que las extracciones de colágeno insoluble suelen errar en el lado joven, si es que lo hacen (Rutherford y Wittenberg, 1979), mientras que la apatita ósea puede producir edades más antiguas o más jóvenes que la edad real, a menudo por un margen considerable.
Las investigaciones en curso han seguido perfeccionando los métodos de extracción de colágeno, especialmente de las pequeñas muestras destinadas a la datación por AMS. Por ejemplo, D.E. Nelson y sus colaboradores han experimentado con modificaciones del método de Longin, incluyendo el uso de la ultrafiltración para aislar los componentes en «dos fracciones de pesos moleculares nominales >30 kD y <30 kD (kilo-Daltons)» (Morlan, et al. 1990: 77; Brown, et al. 1988; Nelson, et al. 1986). T.W. Stafford (1990; Stafford, et al. 1987) ha extraído aminoácidos de los huesos y ha medido su edad por separado. Hedges y Van Klinken (1992) revisan otros avances recientes en el pretratamiento de los huesos.
¿Por qué las fechas de radiocarbono requieren calibración?
Una de las suposiciones iniciales del método era que la tasa de producción de radiocarbono es constante. Ahora se sabe que esta suposición es incorrecta, lo que significa que los años de radiocarbono no son equivalentes a los años naturales. Las variaciones a largo plazo de la tasa de producción parecen corresponder a las fluctuaciones de la fuerza del campo magnético de la Tierra. Las variaciones a corto plazo, los «meneos», se conocen como efecto de Vries (por Hessel de Vries) y pueden estar relacionadas con las variaciones en la actividad de las manchas solares.
La colaboración internacional de muchos laboratorios ha producido curvas de calibración cada vez más refinadas. Minze Stuiver, uno de los estudiantes de de Vries, ha sido un líder importante en este esfuerzo. El último conjunto de datos de calibración, conocido como INTCAL98, vincula el registro de anillos de árboles fechados con la datación por uranio-torio de los corales y, por último, con las cronologías de varas terrestres para lograr la calibración en el intervalo de 0 a 24.000 años. CALIB 4.0 es un programa informático basado en INTCAL98.
Si las fechas de radiocarbono deben ser calibradas depende del propósito de uno. Algunos estudios pueden realizarse completamente en términos de años de radiocarbono. Otros estudios, como los que se centran en las tasas de cambio, pueden requerir calibraciones más o menos precisas.
¿Qué son los efectos de depósito?
Los ejemplos de depósitos de carbono se encuentran en la atmósfera, la litosfera (la corteza terrestre), los océanos y la biosfera (organismos vivos). Las plantas terrestres y las cadenas alimentarias que sustentan adquieren la mayor parte de su carbono de la atmósfera, mientras que las cadenas alimentarias marinas adquieren el carbono principalmente de los océanos. Cada año se producen unos 7,5 kg de C-14 en la atmósfera superior, y su mezcla con el carbono de los océanos es menos completa que su mezcla con el carbono atmosférico. El flujo ascendente de las aguas oceánicas profundas también aporta carbono antiguo no radiactivo a las aguas superficiales. Por lo tanto, los organismos marinos están relativamente agotados en C-14, y las plantas y los animales marinos modernos pueden arrojar edades aparentes de cientos de años. Esta discrepancia se denomina efecto reservorio.
Alguna vez se pensó que el efecto reservorio era de unos 400 años en todos los océanos, pero ahora se sabe que el tamaño del efecto varía geográficamente y a través del tiempo. Cada estudio regional que emplee fechas de radiocarbono en organismos marinos debe establecer el factor de corrección apropiado para esa región.
¿Qué es el efecto Suess?
Hans Suess fue el primero en señalar que la quema de combustibles fósiles tiene una profunda influencia en los depósitos de carbono. Estos combustibles, obtenidos de la corteza terrestre, son tan antiguos que no contienen nada de C-14. De hecho, algunos de estos materiales se utilizan como estándares para que los laboratorios puedan controlar la radiación de fondo. Cuando los combustibles se queman, su carbono se libera a la atmósfera en forma de dióxido de carbono y otros compuestos. La liberación anual de este carbono «muerto» asciende a aproximadamente 5.000.000.000.000 kg, en comparación con los 7,5 kg de C-14 producidos anualmente por la radiación cósmica en la atmósfera superior.
¿Qué es el fraccionamiento isotópico?
Durante la fotosíntesis, las plantas discriminan los isótopos más pesados del carbono, tomando proporcionalmente menos C-13 y C-14 que el disponible en su reserva de carbono. El resultado es el fraccionamiento isotópico, y se transmite a los consumidores de las plantas (los herbívoros) y a sus consumidores (los carnívoros). De hecho, se produce un fraccionamiento adicional cuando los herbívoros se comen las plantas y cuando los carnívoros se comen a los herbívoros. Se cree que todos los organismos discriminan el C-14 aproximadamente dos veces más que el C-13, y la relación entre los átomos estables C-12 y C-13 puede utilizarse para corregir el agotamiento inicial del C-14. Las fechas de radiocarbono pueden corregirse para tener en cuenta el fraccionamiento isotópico, una corrección denominada normalización. La cantidad de fraccionamiento isotópico depende de la vía fotosintética utilizada por la planta. La mayoría de las plantas con flores, árboles, arbustos y hierbas de zonas templadas se conocen como plantas C3, porque crean una molécula con tres átomos de carbono utilizando el ciclo fotosintético de Calvin-Benson. Las hierbas adaptadas a las regiones áridas, como la hierba de búfalo (Bouteloua) y el maíz (Zea), se conocen como plantas C4, porque crean una molécula con cuatro átomos de carbono mediante el ciclo Hatch-Slack. Las plantas C3 discriminan los isótopos de carbono más pesados más fuertemente que las plantas C4.
¿Cómo se normalizan las fechas de radiocarbono?
La normalización es una corrección para el fraccionamiento isotópico. Se basa en la relación entre C-12 y C-13, llamada δ13C, que se expresa en partes por mil (partes por millar) con respecto a un estándar conocido como Pee Dee Belemnite (PDB). La belemnita es un fósil calcáreo del Cretáceo encontrado en Pee Dee, Carolina del Sur. La mayoría de los materiales orgánicos contienen menos C-13 que el PDB, lo que produce valores negativos de δ13C. Por ejemplo, la mayoría de las plantas C3 tienen proporciones de C-13 cercanas a -25 partes por mil, mientras que las proporciones de C-13 en las plantas C4 están en el rango de -10 a -12,5 partes por mil. Los herbívoros son menos selectivos con los isótopos más pesados, y su colágeno óseo se enriquece en 5 partes por mil en relación con su dieta. Otro cambio se produce en los carnívoros, cuyo colágeno óseo se enriquece en 1 parte por mil adicional. Las plantas marinas son similares a las plantas C3, pero obtienen su carbono de los bicarbonatos oceánicos disueltos que difieren de la atmósfera en sus relaciones isotópicas, y esta diferencia se transmite a la cadena alimentaria marina.
Las fechas de radiocarbono pueden ser normalizadas a cualquier valor elegido, y el valor elegido por convención internacional es -25 partes por mil basado en un estándar de roble internacionalmente aceptado. Cada parte por mil de diferencia con respecto a -25 equivale a 16 años. Por ejemplo, el colágeno óseo de los mamíferos marinos suele tener una proporción de C-13 de -15 partes por mil. Esa diferencia de 10 partes por mil con respecto al estándar del roble significa que la edad del hueso de mamífero marino puede normalizarse añadiendo 160 años a su edad medida.
¿Qué ocurre si se desconoce la relación C-13?
Si no se ha medido el δ13C de una muestra determinada, puede estimarse sobre la base de miles de mediciones de este tipo que ya se han comunicado. Sin embargo, la estimación aporta un grado adicional de incertidumbre que se refleja en un término de error en las fórmulas de corrección. A continuación se resumen las correcciones para el fraccionamiento isotópico en materiales comúnmente datados:
| Material | δ13C | PPM |
|---|---|---|
| carbón, humus | -27 | 35 ± 95 |
| carbón, madera | -25 | 0 |
| grasa de mamíferos marinos | -23 | 20 ± 35 |
| colágeno terrestre | -20 | 80 ± 20 |
| colágeno de bisonte | -20 | 80 ± 20 |
| colágeno humano | -19 | 100 ± 20 |
| colágeno marino | -15 | 160 ± 20 |
| maíz | -10 | 245 ± 20 |
| apatita ósea | -10 | 245 ± 35 |
| conchas de agua dulce | -8 | 275 ± 50 |
| conchas marinas | 0 | 410 ± 70 |
Es importante señalar que las fórmulas para el colágeno de bisonte y el colágeno humano sólo proporcionan correcciones mínimas. En el caso del bisonte, no se puede saber, a menos que se haya medido el δ13C, la proporción de plantas C4 que componían la dieta del animal. El valor estimado, -20 partes por mil, sólo da una corrección adecuada si el animal nunca consumió plantas C4. Del mismo modo, el valor estimado para el colágeno humano, -19 partes por mil, produce una corrección adecuada para los seres humanos que no consumieron recursos marinos, ni bisontes que se alimentan de plantas C4, ni maíz. El aumento de cualquiera de estos recursos dietéticos enriquecería la proporción de C-13 por encima de -19 y haría que la corrección por edad fuera demasiado pequeña en 16 años por cada parte por mil de cambio en la proporción.