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Marcaje isotópico

El marcaje isotópico (o etiquetado isotópico ) es una técnica utilizada para rastrear el paso de un isótopo (un átomo con una variación detectable en el número de neutrones ) a ...

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El marcaje isotópico (o etiquetado isotópico ) es una técnica utilizada para rastrear el paso de un isótopo (un átomo con una variación detectable en el número de neutrones ) a través de una reacción química , una vía metabólica o una célula biológica . [ 1 ] El reactivo se "marca" reemplazando uno o más átomos específicos con sus isótopos. Luego se permite que el reactivo experimente la reacción. La posición de los isótopos en los productos se mide para determinar qué secuencia siguió el átomo isotópico en la reacción o la vía metabólica de la célula. Los nucleidos utilizados en el marcaje isotópico pueden ser nucleidos estables o radionucleidos . En este último caso, el marcaje se llama radiomarcaje .

En el marcaje isotópico, existen múltiples maneras de detectar la presencia de isótopos marcadores: mediante su masa , espín nuclear , modo vibracional o desintegración radiactiva . La espectrometría de masas detecta la diferencia en la masa de un isótopo, mientras que la espectroscopia vibracional (como la infrarroja o la Raman ) detecta la diferencia en las frecuencias vibracionales del isótopo. La resonancia magnética nuclear detecta núcleos con espín no entero . La desintegración radiactiva se puede detectar mediante una cámara de ionización o autorradiografías de geles.

Un ejemplo del uso del marcaje isotópico es el estudio del fenol ( C₆H₅OH ) en agua mediante la sustitución del hidrógeno común ( protio ) por deuterio ( marcaje con deuterio ) . Al añadir fenol a agua deuterada (agua que contiene D₂O además del H₂O habitual ), se observa un intercambio hidrógeno-deuterio que afecta al grupo hidroxilo del fenol (dando como resultado C₆H₅OD ) , lo que indica que el fenol experimenta fácilmente reacciones de intercambio de hidrógeno con el agua. Principalmente se ve afectado el grupo hidroxilo; sin un catalizador , los otros cinco átomos de hidrógeno experimentan el intercambio mucho más lentamente, lo que refleja la diferencia en los entornos químicos entre el hidrógeno del grupo hidroxilo y los hidrógenos del grupo arilo . [ 2 ]

trazador isotópico

Se utilizó un marcador de carbono-13 para determinar el mecanismo en la conversión de 1,2- a 1,3-didehidrobenceno del precursor de arino sustituido con fenilo 1 a acenaftileno. [ 3 ]

Un trazador isotópico (también llamado "marcador isotópico" o "etiqueta isotópica") se utiliza en química y bioquímica para comprender las reacciones e interacciones químicas. En esta técnica, uno o más átomos de la molécula de interés se sustituyen por un átomo del mismo elemento químico , pero de un isótopo diferente (como un isótopo radiactivo utilizado en el rastreo radiactivo ). Dado que el átomo marcado tiene el mismo número de protones, se comportará prácticamente igual que su contraparte no marcada y, salvo contadas excepciones, no interferirá con la reacción en estudio. Sin embargo, la diferencia en el número de neutrones permite detectarlo por separado de los demás átomos del mismo elemento.

La resonancia magnética nuclear (RMN) y la espectrometría de masas (EM) se utilizan para investigar los mecanismos de las reacciones químicas. La RMN y la EM detectan diferencias isotópicas, lo que permite determinar la posición de los átomos marcados en la estructura de los productos. Con esta información, se puede determinar la ruta de reacción que siguen los metabolitos iniciales para transformarse en los productos. Los isótopos radiactivos se pueden analizar mediante autorradiografías de geles en electroforesis en gel . La radiación emitida por los compuestos que contienen los isótopos radiactivos oscurece una película fotográfica , registrando la posición relativa de los compuestos marcados en el gel.

Los trazadores isotópicos se utilizan comúnmente en forma de cocientes isotópicos. Al estudiar el cociente entre dos isótopos del mismo elemento, evitamos los efectos relacionados con la abundancia total del elemento, que suelen enmascarar las variaciones mucho menores en las abundancias isotópicas. Los trazadores isotópicos son algunas de las herramientas más importantes en geología, ya que permiten comprender procesos de mezcla complejos en los sistemas terrestres. Se aborda con mayor detalle la aplicación de los trazadores isotópicos en geología en el apartado de geoquímica isotópica .

Los trazadores isotópicos se subdividen generalmente en dos categorías: trazadores de isótopos estables y trazadores de isótopos radiogénicos . Los trazadores de isótopos estables involucran solo isótopos no radiogénicos y generalmente dependen de la masa. En teoría, cualquier elemento con dos isótopos estables puede usarse como trazador isotópico. Sin embargo, los trazadores de isótopos estables más utilizados involucran isótopos relativamente ligeros, que sufren fácilmente fraccionamiento en sistemas naturales. Véase también firma isotópica . Un trazador de isótopo radiogénico [ 4 ] involucra un isótopo producido por desintegración radiactiva , que generalmente está en una proporción con un isótopo no radiogénico (cuya abundancia en la tierra no varía debido a la desintegración radiactiva).

Marcaje con isótopos estables

Seguimiento isotópico a través de reacciones en la vía de las pentosas fosfato. Los círculos azules indican un átomo de carbono marcado, mientras que los círculos blancos son átomos de carbono no marcados. [ 5 ]

El marcaje con isótopos estables implica el uso de isótopos no radiactivos que pueden actuar como trazadores para modelar diversos sistemas químicos y bioquímicos. El isótopo elegido puede actuar como marcador en el compuesto, el cual puede identificarse mediante resonancia magnética nuclear (RMN) y espectrometría de masas (EM). Algunos de los isótopos estables más comunes son 2H, 13C , 15N y 18O , que pueden incorporarse a disolventes para RMN , aminoácidos , ácidos nucleicos , lípidos , metabolitos comunes y medios de cultivo celular . [ 6 ] Los compuestos producidos mediante isótopos estables se especifican por el porcentaje de isótopos marcados (por ejemplo, la glucosa marcada uniformemente con 13C al 30% contiene una mezcla de 30% marcada con el isótopo 13C y 70% de carbono marcado naturalmente) o por las posiciones específicas del carbono marcado en el compuesto (por ejemplo, la glucosa marcada con 13C al 1-13C se encuentra en la primera posición del carbono de la glucosa).

Se muestra una red de reacciones adoptadas de la vía glucolítica y la vía de las pentosas fosfato en la que el isótopo de carbono marcado se reorganiza en diferentes posiciones de carbono a lo largo de la red de reacciones. La red comienza con fructosa 6-fosfato (F6P), que tiene seis átomos de carbono con una marca de 13C en las posiciones de carbono 1 y 2. El F6P 1,2-13C se convierte en dos gliceraldehído 3-fosfato (G3P), un T3P 2,3-13C y un T3P sin marcar. El T3P 2,3-13C puede reaccionar ahora con sedoheptulosa 7-fosfato (S7P) para formar un eritrosa 4-fosfato (E4P) sin marcar y un F6P 5,6-13C . El T3P sin marcar reaccionará con el S7P para sintetizar productos sin marcar. [ 5 ] La figura demuestra el uso del marcaje con isótopos estables para descubrir el reordenamiento del átomo de carbono a través de reacciones que utilizan compuestos marcados en posiciones específicas.

Análisis del flujo metabólico mediante marcaje con isótopos estables

Determinación del porcentaje de marcaje isotópico durante una reacción. Si un metabolito con un 50 % de marcaje y un 50 % de isótopos sin marcar se divide como se muestra, se puede calcular el porcentaje esperado de cada resultado. Los círculos azules indican un átomo marcado, mientras que los círculos blancos indican un átomo sin marcar.

El análisis de flujo metabólico (AFM) mediante marcaje con isótopos estables es una herramienta importante para explicar el flujo de ciertos elementos a través de las vías metabólicas y las reacciones dentro de una célula . Se introduce un marcador isotópico en la célula y se le permite crecer utilizando dicho marcador. Para el análisis de flujo metabólico estacionario, la célula debe alcanzar un estado estacionario (los isótopos que entran y salen de la célula permanecen constantes en el tiempo) o un estado cuasiestacionario (el estado estacionario se alcanza durante un período de tiempo determinado). [ 7 ] Se determina el patrón isotópico del metabolito de salida . Este patrón isotópico proporciona información valiosa que puede utilizarse para determinar la magnitud del flujo y la tasa de conversión de reactivos a productos en cada reacción. [ 8 ]

La figura demuestra la capacidad de usar diferentes etiquetas para determinar el flujo a través de una reacción determinada. Supongamos que el metabolito original, un compuesto de tres carbonos, tiene la capacidad de dividirse en un metabolito de dos carbonos y otro de un carbono en una reacción, para luego recombinarse, o bien permanecer como un metabolito de tres carbonos. Si la reacción se realiza con dos isótopos del metabolito en igual proporción, uno completamente marcado (círculos azules), comúnmente conocido como marcado uniforme, y otro completamente sin marcar (círculos blancos), la ruta metabólica del lado izquierdo del diagrama no muestra ningún cambio en los metabolitos, mientras que el lado derecho muestra la división y la recombinación. Como se muestra, si el metabolito solo sigue la ruta del lado izquierdo, se mantiene en una proporción 50-50 de metabolito marcado uniformemente y metabolito sin marcar. Si el metabolito solo sigue el lado derecho, pueden ocurrir nuevos patrones de marcaje, todos en igual proporción. Pueden ocurrir otras proporciones dependiendo de cuánto del metabolito original siga el lado izquierdo de la ruta metabólica en comparación con el lado derecho. Aquí se muestran las proporciones para una situación en la que la mitad de los metabolitos ocupan el lado izquierdo y la otra mitad el derecho, pero pueden darse otras proporciones. [ 9 ] Estos patrones de átomos marcados y no marcados en un compuesto representan isótopos . Al medir la distribución de isótopos de los metabolitos marcados de forma diferente, se puede determinar el flujo a través de cada reacción. [ 10 ]

MFA combina los datos obtenidos del marcaje isotópico con la estequiometría de cada reacción, restricciones y un procedimiento de optimización para resolver un mapa de flujo. Las reacciones reversibles proporcionan las restricciones termodinámicas necesarias para encontrar los flujos. Se construye una matriz que contiene la estequiometría de las reacciones. Los flujos intracelulares se estiman mediante un método iterativo en el que los flujos simulados se introducen en el modelo estequiométrico. Los flujos simulados se muestran en un mapa de flujo, que muestra la velocidad de conversión de reactivos en productos para cada reacción. [ 8 ] En la mayoría de los mapas de flujo, cuanto más gruesa es la flecha, mayor es el valor del flujo de la reacción. [ 11 ]

Técnicas de medición del marcaje isotópico

Se puede utilizar cualquier técnica para medir la diferencia entre isótopos . Los dos métodos principales, la resonancia magnética nuclear (RMN) y la espectrometría de masas (EM), se han desarrollado para medir la masa de los isótopos en el marcaje con isótopos estables.

La RMN de protón fue la primera técnica utilizada para experimentos de marcaje con 13C. Mediante este método, cada posición de carbono protonado dentro de un conjunto particular de metabolitos puede observarse por separado de las demás posiciones. [ 12 ] Esto permite conocer el porcentaje de isótopos marcados en esa posición específica. La limitación de la RMN de protón es que, si hay n átomos de carbono en un metabolito, solo puede haber como máximo n valores de enriquecimiento posicional diferentes, lo que representa solo una pequeña fracción de la información isotópica total. Si bien el uso del marcaje por RMN de protón es limitado, los experimentos de RMN de protón puros son mucho más fáciles de evaluar que los experimentos con mayor información isotópica.

Además de la RMN de protón , el uso de técnicas de RMN de 13C permitirá una visión más detallada de la distribución de los isótopos. Un átomo de carbono marcado producirá diferentes señales de desdoblamiento hiperfino dependiendo del estado de marcaje de sus vecinos directos en la molécula. [ 12 ] Un pico singlete emerge si los átomos de carbono vecinos no están marcados. Un pico doblete emerge si solo un átomo de carbono vecino está marcado. El tamaño del desdoblamiento doblete depende del grupo funcional del átomo de carbono vecino. Si dos átomos de carbono vecinos están marcados, un doblete de dobletes puede degenerar en un triplete si los desdoblamientos dobletes son iguales.

La desventaja de utilizar técnicas de RMN para el análisis del flujo metabólico radica en su naturaleza especializada, que las diferencia de otras aplicaciones de RMN. Un espectrómetro de RMN no siempre está disponible para todos los equipos de investigación. La optimización de los parámetros de medición y el análisis adecuado de las estructuras de los picos requieren un especialista en RMN. Ciertos metabolitos también pueden requerir procedimientos de medición especializados para obtener datos isotópicos adicionales. Además, se necesitan herramientas de software específicas para determinar la cantidad precisa de áreas de picos e identificar la descomposición de picos singlete, doblete y triplete entrelazados.

A diferencia de la resonancia magnética nuclear, la espectrometría de masas (EM) es otro método más aplicable y sensible para experimentos de análisis de flujo metabólico. Los espectrómetros de masas están disponibles en diferentes variantes. A diferencia de la resonancia magnética nuclear bidimensional ( RMN 2D ), los espectrómetros de masas trabajan directamente con el hidrolizado . [ 12 ]

En la cromatografía de gases acoplada a espectrometría de masas ( GC-MS ), el espectrómetro de masas se acopla a un cromatógrafo de gases para separar los compuestos del hidrolizado. Los compuestos que eluyen de la columna de GC se ionizan y fragmentan simultáneamente. La ventaja de utilizar GC-MS radica en que no solo se miden los isótopos de masa del ion molecular, sino también el espectro de isótopos de masa de varios fragmentos, lo que incrementa significativamente la información obtenida.

En la cromatografía líquida-espectrometría de masas ( LC-MS ), el GC se reemplaza por un cromatógrafo líquido. [ 13 ] La principal diferencia es que no se requiere derivatización química. Sin embargo, las aplicaciones de LC-MS al MFA son poco frecuentes.

En cada caso, los instrumentos de espectrometría de masas dividen una distribución de isótopos particular por su peso molecular. Todos los isótopos de un metabolito particular que contienen el mismo número de átomos de carbono marcados se recogen en una señal de pico. Dado que cada isótopo contribuye a exactamente un pico en el espectro de masas, se puede calcular el valor porcentual para cada pico, obteniendo así la fracción de isótopos de masa. [ 12 ] Para un metabolito con n átomos de carbono, se producen n+1 mediciones. Después de la normalización, quedan exactamente n cantidades informativas de isótopos de masa. [ 12 ]

La desventaja de usar técnicas de espectrometría de masas es que, para la cromatografía de gases, la muestra debe prepararse mediante derivatización química para obtener moléculas con carga. Existen numerosos compuestos que se utilizan para derivatizar muestras. El dimetilacetal de N,N-dimetilformamida (DMFDMA) [ 14 ] y la N- ( tert- butildimetilsilil)-N - metiltrifluoroacetamida ( MTBSTFA) [ 15 ] son ​​dos ejemplos de compuestos que se han utilizado para derivatizar aminoácidos.

Además, los fuertes efectos isotópicos observados afectan el tiempo de retención de los isótopos marcados de forma diferente en la columna de GC. También debe evitarse la sobrecarga de la columna de GC. [ 15 ]

Por último, la abundancia natural de otros átomos además del carbono también produce una alteración en el espectro de isótopos de masa. Por ejemplo, cada átomo de oxígeno en la molécula podría estar presente como isótopo 17O y como isótopo 18O . Un impacto más significativo de la abundancia natural de isótopos es el efecto del silicio, con una abundancia natural de los isótopos 29Si y 30Si . El Si se utiliza como agente derivatizante para técnicas de espectrometría de masas. [ 12 ]

Marcaje radioisotópico

El marcaje radioisotópico es una técnica para rastrear el paso de una muestra de sustancia a través de un sistema. La sustancia se "marca" mediante la inclusión de radionúclidos en su composición química. Cuando estos se desintegran , su presencia puede determinarse detectando la radiación que emiten. El marcaje radioisotópico es un caso especial del marcaje isotópico.

La tomografía por emisión de positrones es un método importante de diagnóstico por imagen médica que utiliza el isótopo radiactivo 18F (y, más raramente, 15O o 11C ) . Durante la desintegración de dicho núcleo, se produce un positrón en el tejido analizado. Este positrón se aniquila con un electrón del tejido circundante, lo que da lugar a la emisión de dos fotones gamma con un ángulo cercano a 180° entre sí. Si se detectan ambos fotones, se puede determinar la ubicación de la desintegración con una precisión de aproximadamente 0,5 mm. [ 16 ] 

En rigor, el marcaje radioisotópico solo incluye los casos en que la radiactividad es introducida artificialmente por los experimentadores, pero algunos fenómenos naturales permiten realizar análisis similares. En particular, la datación radiométrica utiliza un principio muy similar.

Aplicaciones

Aplicaciones en la investigación sobre nutrición mineral humana

El uso de trazadores de isótopos estables para estudiar la nutrición y el metabolismo mineral en humanos se informó por primera vez en la década de 1960. [ 17 ] Si bien los radioisótopos se habían utilizado en la investigación de la nutrición humana durante varias décadas antes, los isótopos estables presentaron una opción más segura, especialmente en sujetos para los que existe una mayor preocupación por la exposición a la radiación, por ejemplo, mujeres embarazadas y lactantes y niños. Otras ventajas que ofrecen los isótopos estables incluyen la capacidad de estudiar elementos que no tienen radioisótopos adecuados y estudiar el comportamiento del trazador a largo plazo. [ 18 ] [ 19 ] Por lo tanto, el uso de isótopos estables se volvió común con la creciente disponibilidad de materiales enriquecidos isotópicamente y espectrómetros de masas inorgánicos. El uso de isótopos estables en lugar de radioisótopos tiene varios inconvenientes: se requieren mayores cantidades de trazador, con el potencial de perturbar el mineral existente naturalmente; la preparación de la muestra analítica es más compleja y la instrumentación de espectrometría de masas más costosa; la presencia del trazador en cuerpos enteros o tejidos particulares no se puede medir externamente. [ 20 ] No obstante, las ventajas han prevalecido, convirtiendo a los isótopos estables en el estándar en los estudios humanos.

La mayoría de los minerales esenciales para la salud humana y de particular interés para los investigadores en nutrición poseen isótopos estables, algunos de los cuales son idóneos como trazadores biológicos debido a su baja abundancia natural. [ 18 ] [ 20 ] El hierro , el zinc , el calcio , el cobre , el magnesio , el selenio y el molibdeno se encuentran entre los minerales esenciales que poseen isótopos estables a los que se han aplicado métodos de trazadores isotópicos. El hierro, el zinc y el calcio, en particular, han sido objeto de numerosos estudios.

Los aspectos de la nutrición/metabolismo mineral que se estudian incluyen la absorción (desde el tracto gastrointestinal hacia el cuerpo), la distribución, el almacenamiento, la excreción y la cinética de estos procesos. Se administran trazadores isotópicos a los sujetos por vía oral (con o sin alimentos, o con un suplemento mineral) y/o intravenosa. El enriquecimiento isotópico se mide en plasma sanguíneo, eritrocitos, orina y/o heces. [ 21 ] [ 22 ] También se ha medido el enriquecimiento en leche materna [ 23 ] y contenido intestinal. El diseño del experimento con trazadores a veces difiere entre minerales debido a las diferencias en su metabolismo. Por ejemplo, la absorción de hierro generalmente se determina a partir de la incorporación del trazador en los eritrocitos, mientras que la absorción de zinc o calcio se mide a partir de la aparición del trazador en plasma, orina o heces. [ 24 ] [ 25 ] La administración de múltiples trazadores isotópicos en un solo estudio es común, lo que permite el uso de métodos de medición más fiables e investigaciones simultáneas de múltiples aspectos del metabolismo.

La medición de la absorción de minerales de la dieta, a menudo concebida como biodisponibilidad , es la aplicación más común de los métodos de trazadores isotópicos en la investigación nutricional. Entre los objetivos de estos estudios se encuentran las investigaciones sobre cómo la absorción se ve influenciada por el tipo de alimento (p. ej., de origen vegetal frente a animal, leche materna frente a fórmula), otros componentes de la dieta (p. ej., fitato ), enfermedades y trastornos metabólicos (p. ej. , disfunción entérica ambiental ), el ciclo reproductivo, la cantidad de mineral en la dieta, la deficiencia mineral crónica , la edad del sujeto y los mecanismos homeostáticos. Cuando se dispone de resultados de estos estudios para un mineral, estos pueden servir de base para estimar los requerimientos fisiológicos y dietéticos humanos de dicho mineral. [ 26 ] [ 27 ]

Cuando se administra un trazador con los alimentos para observar la absorción y el metabolismo de los minerales, puede ser en forma de marcador intrínseco o extrínseco. [ 28 ] [ 29 ] Un marcador intrínseco es un isótopo que se ha introducido en el alimento durante su producción, enriqueciendo así el contenido mineral natural del alimento, mientras que el marcaje extrínseco se refiere a la adición de un isótopo trazador al alimento durante el estudio. Debido a que es un método muy laborioso y costoso, el marcaje intrínseco no se utiliza de forma rutinaria. Los estudios que comparan las mediciones de absorción utilizando marcaje intrínseco y extrínseco de diversos alimentos han demostrado, en general, una buena concordancia entre los dos métodos de marcaje, lo que respalda la hipótesis de que los minerales extrínsecos y naturales se procesan de manera similar en el tracto gastrointestinal humano.

El enriquecimiento se cuantifica a partir de la medición de las relaciones isotópicas , es decir, la relación entre el isótopo trazador y un isótopo de referencia, mediante espectrometría de masas. Diferentes investigadores han adoptado múltiples definiciones y cálculos de enriquecimiento. [ 30 ] Los cálculos de enriquecimiento se vuelven más complejos cuando se utilizan varios trazadores simultáneamente. Dado que las preparaciones de isótopos enriquecidos nunca son isotópicamente puras, es decir, contienen todos los isótopos del elemento en abundancias no naturales, los cálculos de enriquecimiento de múltiples trazadores isotópicos deben tener en cuenta la perturbación de cada relación isotópica por la presencia de los otros trazadores. [ 30 ]

Debido a la prevalencia de deficiencias minerales y su impacto crítico en la salud y el bienestar humanos en países con escasos recursos, el Organismo Internacional de Energía Atómica ha publicado recientemente descripciones detalladas y completas de los métodos de isótopos estables para facilitar la difusión de este conocimiento a investigadores fuera de los centros académicos occidentales. [ 24 ] [ 31 ]

Aplicaciones en proteómica

En proteómica , el estudio del conjunto completo de proteínas expresadas por un genoma , la identificación de biomarcadores de enfermedades puede implicar el uso del marcaje con isótopos estables de aminoácidos en cultivos celulares (SILAC), que proporciona formas de aminoácidos marcadas isotópicamente utilizadas para estimar los niveles de proteínas. [ 32 ] En la recombinante de proteínas, las proteínas manipuladas se producen en grandes cantidades y el marcaje isotópico es una herramienta para probar las proteínas relevantes. El método utilizado consistía en enriquecer selectivamente los núcleos con 13 C o 15 N o agotar 1 H de ellos. El recombinante se expresaría en E. coli con medios que contienen cloruro de amonio 15 N como fuente de nitrógeno. [ 33 ] Las proteínas marcadas con 15 N resultantes se purifican luego por afinidad de metal inmovilizado y se estima su porcentaje. Para aumentar el rendimiento de proteínas marcadas y reducir el costo de los medios marcados isotópicamente, un procedimiento alternativo aumenta principalmente la masa celular utilizando medios no marcados antes de introducirla en una cantidad mínima de medios marcados. [ 34 ] Otra aplicación del marcaje isotópico sería la medición de la síntesis de ADN, es decir, la proliferación celular in vitro . Utiliza el marcaje con H 3 -timidina para comparar el patrón de síntesis (o secuencia) en las células. [ 35 ]

Aplicaciones para el análisis de procesos ecosistémicos

Los trazadores isotópicos se utilizan para examinar procesos en sistemas naturales, especialmente en ambientes terrestres y acuáticos. En la ciencia del suelo, los trazadores de 15N se utilizan ampliamente para estudiar el ciclo del nitrógeno, mientras que el 13C y el 14C , isótopos estables y radioisótopos de carbono respectivamente, se utilizan para estudiar el recambio de compuestos orgánicos y la fijación de CO2 por autótrofos . Por ejemplo, Marsh et al. (2005) utilizaron urea doblemente marcada ( 15N y 14C ) para demostrar la utilización del compuesto por oxidadores de amoníaco como fuente de energía (oxidación de amoníaco) y fuente de carbono (fijación quimioautotrófica de carbono). [ 36 ] El agua deuterada también se utiliza para rastrear el destino y la edad del agua en un árbol [ 37 ] o en un ecosistema. [ 38 ]

Aplicaciones para la oceanografía

Los trazadores también se utilizan ampliamente en oceanografía para estudiar una gran variedad de procesos. Los isótopos empleados suelen ser de origen natural, con fuentes y tasas de formación y desintegración bien establecidas. Sin embargo, los isótopos antropogénicos también pueden utilizarse con gran éxito. Los investigadores miden las proporciones isotópicas en diferentes lugares y momentos para obtener información sobre los procesos físicos del océano.

Transporte de partículas

El océano es una extensa red de transporte de partículas. Los isótopos de torio pueden ayudar a los investigadores a descifrar el movimiento vertical y horizontal de la materia. El 234Th tiene una tasa de producción constante y bien definida en el océano y una vida media de 24 días. Se ha demostrado que este isótopo natural varía linealmente con la profundidad. Por lo tanto, cualquier cambio en este patrón lineal puede atribuirse al transporte de 234Th en partículas. Por ejemplo, bajas proporciones isotópicas en el agua superficial con valores muy altos a pocos metros de profundidad indicarían un flujo vertical hacia abajo. Además, el isótopo de torio puede rastrearse dentro de una profundidad específica para descifrar el transporte lateral de partículas. [ 39 ]

Circulación

La circulación dentro de sistemas locales, como bahías, estuarios y aguas subterráneas, puede examinarse con isótopos de radio. El 223Ra tiene una vida media de 11 días y puede presentarse de forma natural en lugares específicos de ríos y acuíferos. La proporción isotópica del radio disminuye a medida que el agua del río de origen entra en una bahía o estuario. Al medir la cantidad de 223Ra en diferentes lugares, se puede descifrar un patrón de circulación. [ 40 ] Este mismo proceso también puede utilizarse para estudiar el movimiento y la descarga de aguas subterráneas. [ 41 ]

Se pueden utilizar diversos isótopos de plomo para estudiar la circulación a escala global. Los distintos océanos (por ejemplo, el Atlántico, el Pacífico, el Índico, etc.) presentan diferentes firmas isotópicas. Esto se debe a las diferencias en las proporciones isotópicas de los sedimentos y las rocas dentro de los distintos océanos. [ 42 ] Dado que los diferentes isótopos de plomo tienen vidas medias de 50 a 200 años, no hay tiempo suficiente para que las proporciones isotópicas se homogenicen en todo el océano. Por lo tanto, el análisis preciso de las proporciones isotópicas de Pb puede utilizarse para estudiar la circulación de los diferentes océanos. [ 43 ]

Procesos tectónicos y cambio climático

Los isótopos con vidas medias extremadamente largas y sus productos de desintegración pueden utilizarse para estudiar procesos multimillonarios, como la tectónica y el cambio climático extremo. Por ejemplo, en la datación rubidio-estroncio , la relación isotópica del estroncio ( ⁸⁷Sr / ⁸⁶Sr ) puede analizarse en núcleos de hielo para examinar los cambios a lo largo de la historia de la Tierra. Las diferencias en esta relación dentro del núcleo de hielo indicarían alteraciones significativas en la geoquímica terrestre. [ 43 ]

Los procesos mencionados pueden medirse utilizando isótopos naturales. Sin embargo, los isótopos antropogénicos también son extremadamente útiles para mediciones oceanográficas. Las pruebas de armas nucleares liberaron una gran cantidad de isótopos poco comunes en los océanos del mundo. El 3H , el 129I y el 137Cs se pueden encontrar disueltos en el agua de mar, mientras que el 241Am y el 238Pu están unidos a partículas. Los isótopos disueltos en el agua son particularmente útiles para estudiar la circulación global. Por ejemplo, las diferencias en las proporciones isotópicas laterales dentro de un océano pueden indicar fuertes frentes de agua o giros. [ 44 ] Por el contrario, los isótopos unidos a partículas pueden usarse para estudiar el transporte de masa dentro de las columnas de agua. Por ejemplo, los altos niveles de Am o Pu pueden indicar hundimiento cuando se observan a grandes profundidades, o afloramiento cuando se observan en la superficie. [ 45 ]

Véase también

Referencias

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