Marcado isotópico
Técnica química y bioquímica para seguir reacciones mediante el uso de isótopos atómicos.

El etiquetado isotópico (o marcaje isotópico ) es una técnica utilizada para rastrear el paso de un isótopo (un átomo con una variación detectable en el recuento de neutrones ) a través de una reacción química , una vía metabólica o una célula biológica . [1] El reactivo se "etiqueta" 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 etiquetado isotópico pueden ser nucleidos estables o radionucleidos . En este último caso, el etiquetado se denomina radiomarcaje .

En el marcaje isotópico, existen múltiples formas de detectar la presencia de isótopos de marcaje; a través de su masa , modo vibracional o desintegración radiactiva . La espectrometría de masas detecta la diferencia en la masa de un isótopo, mientras que la espectroscopia infrarroja detecta la diferencia en los modos vibracionales del isótopo. La resonancia magnética nuclear detecta átomos con diferentes relaciones giromagnéticas. La desintegración radiactiva se puede detectar a través de una cámara de ionización o autorradiografías de geles.

Un ejemplo del uso del etiquetado isotópico es el estudio del fenol (C 6 H 5 OH) en agua mediante la sustitución del hidrógeno común ( protio ) por deuterio ( etiquetado con deuterio ). Al añadir fenol al agua deuterada (agua que contiene D 2 O además del H 2 O habitual ), se observa la sustitución del hidrógeno por deuterio en el grupo hidroxilo del fenol (lo que da lugar a C 6 H 5 OD), lo que indica que el fenol experimenta fácilmente reacciones de intercambio de hidrógeno con el agua. Solo se ve afectado el grupo hidroxilo, lo que indica que los otros 5 átomos de hidrógeno no participan en las reacciones de intercambio. [ cita requerida ]

Trazador isotópico

Se utilizó una etiqueta de carbono-13 para determinar el mecanismo de conversión de 1,2- a 1,3-dideshidrobenceno del precursor arino sustituido con fenilo 1 a acenaftileno. [2]

Un trazador isotópico (también llamado "marcador isotópico" o "etiqueta isotópica") se utiliza en química y bioquímica para ayudar a comprender las reacciones e interacciones químicas. En esta técnica, uno o más de los 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 ). Debido a que el átomo marcado tiene el mismo número de protones, se comportará casi exactamente de la misma manera que su contraparte no marcada y, con pocas excepciones, no interferirá con la reacción en investigación. Sin embargo, la diferencia en el número de neutrones significa que se puede detectar por separado de los otros 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 información sobre la posición de los átomos marcados en la estructura de los productos. Con información sobre la posición de los átomos isotópicos en los productos, se puede determinar la vía de reacción que utilizan los metabolitos iniciales para convertirse en los productos. Los isótopos radiactivos se pueden probar utilizando las autorradiografías de geles en la electroforesis en gel . La radiación emitida por los compuestos que contienen los isótopos radiactivos oscurece un trozo de película fotográfica , registrando la posición de los compuestos marcados entre sí en el gel.

Los trazadores isotópicos se utilizan habitualmente en forma de proporciones isotópicas. Al estudiar la proporción entre dos isótopos del mismo elemento, evitamos los efectos que afectan a la abundancia general del elemento, que suelen eclipsar las variaciones mucho más pequeñas en las abundancias isotópicas. Los trazadores isotópicos son unas de las herramientas más importantes en geología porque se pueden utilizar para comprender los procesos complejos de mezcla en los sistemas terrestres. En el apartado de geoquímica isotópica se incluye un análisis más detallado de la aplicación de los trazadores isotópicos en geología .

Los trazadores isotópicos se suelen subdividir en dos categorías: trazadores de isótopos estables y trazadores de isótopos radiogénicos . Los trazadores de isótopos estables implican solo isótopos no radiogénicos y normalmente dependen de la masa. En teoría, cualquier elemento con dos isótopos estables se puede utilizar como trazador isotópico. Sin embargo, los trazadores de isótopos estables más utilizados implican isótopos relativamente ligeros, que sufren fácilmente fraccionamiento en sistemas naturales. Véase también firma isotópica . Un trazador de isótopos radiogénicos [3] implica un isótopo producido por desintegración radiactiva , que normalmente está en proporción con un isótopo no radiogénico (cuya abundancia en la tierra no varía debido a la desintegración radiactiva).

Marcado de isótopos estables

Rastreo isotópico de las reacciones en la vía de las pentosas fosfato. Los círculos azules indican un átomo de carbono marcado, mientras que los círculos blancos son un átomo de carbono no marcado. [4]

El etiquetado de isótopos estables implica el uso de isótopos no radiactivos que pueden actuar como trazadores utilizados para modelar varios sistemas químicos y bioquímicos. El isótopo elegido puede actuar como una etiqueta en ese compuesto que puede identificarse a través de resonancia magnética nuclear (RMN) y espectrometría de masas (EM). Algunos de los isótopos estables más comunes son 2 H, 13 C y 15 N, que pueden producirse además en disolventes de RMN , aminoácidos , ácidos nucleicos , lípidos , metabolitos comunes y medios de crecimiento celular . [5] Los compuestos producidos utilizando isótopos estables se especifican por el porcentaje de isótopos marcados (es decir, el 30% de glucosa 13 C marcada uniformemente contiene una mezcla que está 30% marcada con isótopo 13 de carbono y 70% de carbono marcado naturalmente) o por las posiciones de carbono específicamente marcadas en el compuesto (es decir, 1- 13 C glucosa que está marcada en la primera posición de carbono de la glucosa).

Se muestra una red de reacciones adoptadas de la vía de la glicólisis y de la vía de la pentosa 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 la fructosa 6-fosfato (F6P), que tiene 6 átomos de carbono con una etiqueta 13 C en las posiciones de carbono 1 y 2. 1,2- 13 C F6P se convierte en dos gliceraldehído 3-fosfato (G3P), un 2,3- 13 C T3P y un T3P sin marcar. El 2,3- 13 C T3P ahora puede reaccionar con sedoheptulosa 7-fosfato (S7P) para formar una eritrosa 4-fosfato sin marcar (E4P) y un 5,6- 13 C F6P. El T3P sin marcar reaccionará con el S7P para sintetizar productos sin marcar. [4] La figura demuestra el uso del etiquetado de 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 el marcaje de isótopos estables

Determinación del porcentaje de isótopos marcados a lo largo de una reacción. Si se divide un metabolito 50 % marcado y 50 % no marcado de la manera que se muestra, se puede encontrar el porcentaje esperado de cada resultado. Los círculos azules indican un átomo marcado, mientras que un círculo blanco indica un átomo no marcado.

El análisis de flujo metabólico (MFA) mediante el etiquetado de isótopos estables es una herramienta importante para explicar el flujo de ciertos elementos a través de las vías metabólicas y reacciones dentro de una célula . Se introduce una etiqueta isotópica en la célula y luego se permite que crezca utilizando la alimentación etiquetada. Para el análisis de flujo metabólico estacionario, la célula debe alcanzar un estado estable (los isótopos que entran y salen de la célula permanecen constantes con el tiempo) o un estado cuasi estable (el estado estable se alcanza durante un período de tiempo determinado). [6] Se determina el patrón isotópico del metabolito de salida . El patrón isotópico de salida proporciona información valiosa, que se puede utilizar para encontrar la magnitud del flujo , la tasa de conversión de reactivos a productos , a través de cada reacción. [7]

La figura demuestra la capacidad de utilizar diferentes etiquetas para determinar el flujo a través de una determinada reacción. Supongamos que el metabolito original, un compuesto de tres carbonos, tiene la capacidad de dividirse en un metabolito de dos carbonos y un metabolito de un carbono en una reacción y luego recombinarse o permanecer como un metabolito de tres carbonos. Si la reacción se proporciona con dos isótopos del metabolito en proporción igual, uno completamente marcado (círculos azules), comúnmente conocido como marcado uniformemente, y uno completamente sin marcar (círculos blancos). La ruta hacia abajo 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 toma la ruta hacia el lado izquierdo, permanece en una proporción de 50-50 de metabolito marcado uniformemente a no marcado. Si el metabolito solo toma el lado derecho, pueden ocurrir nuevos patrones de marcado, todos en igual proporción. Pueden ocurrir otras proporciones dependiendo de qué cantidad del metabolito original sigue el lado izquierdo de la ruta en comparación con el lado derecho de la ruta. 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. [8] Estos patrones de átomos marcados y no marcados en un compuesto representan isotopómeros . Al medir la distribución de isotopómeros de los metabolitos marcados de forma diferente, se puede determinar el flujo a través de cada reacción. [9]

El MFA combina los datos obtenidos del etiquetado de isótopos con la estequiometría de cada reacción, las 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 utilizando 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 tasa de conversión de reactivos en productos para cada reacción. [7] En la mayoría de los mapas de flujo, cuanto más gruesa es la flecha, mayor es el valor del flujo de la reacción. [10]

Técnicas de medición del etiquetado de isótopos

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

La RMN de protones fue la primera técnica utilizada para experimentos de marcaje de 13 C. Con este método, cada posición de carbono protonada individual dentro de un grupo de metabolitos particular se puede observar por separado de las otras posiciones. [11] Esto permite conocer el porcentaje de isotopómeros marcados en esa posición específica. El límite de la RMN de protones es que si hay n átomos de carbono en un metabolito, solo puede haber como máximo n valores de enriquecimiento posicional diferentes, lo que es solo una pequeña fracción de la información total de isotopómeros. Aunque el uso del marcaje de RMN de protones es limitante, los experimentos de RMN de protones puros son mucho más fáciles de evaluar que los experimentos con más información de isotopómeros.

Además de la RMN de protones , el uso de técnicas de RMN de 13 C permitirá una visión más detallada de la distribución de los isotopómeros. Un átomo de carbono marcado producirá diferentes señales de división hiperfina dependiendo del estado de marcado de sus vecinos directos en la molécula. [11] 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 de la división del 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 las divisiones del doblete son iguales.

Las desventajas de utilizar técnicas de RMN para fines de análisis de flujo metabólico es que es diferente de otras aplicaciones de RMN porque es una disciplina bastante especializada. Es posible que no todos los equipos de investigación tengan a su disposición un espectrómetro de RMN. La optimización de los parámetros de medición de RMN y el análisis adecuado de las estructuras de los picos requieren un especialista en RMN capacitado. Ciertos metabolitos también pueden requerir procedimientos de medición especializados para obtener datos isotópicos adicionales. Además, se necesitan herramientas de software especialmente adaptadas para determinar la cantidad precisa de áreas de pico, así como para identificar la descomposición de picos singlete, doblete y triplete entrelazados.

A diferencia de la resonancia magnética nuclear, la espectrometría de masas (MS) es otro método que es más aplicable y sensible a los experimentos de análisis de flujo metabólico. Los instrumentos MS están disponibles en diferentes variantes. A diferencia de la resonancia magnética nuclear bidimensional ( 2D-NMR ), los instrumentos MS trabajan directamente con hidrolizado . [11]

En la cromatografía de gases-espectrometría de masas ( GC-MS ), la MS 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 es que no solo se miden los isotopómeros de masa del ion molecular, sino también el espectro de isotopómeros de masa de varios fragmentos, lo que aumenta significativamente la información medida.

En la cromatografía líquida-espectrometría de masas ( LC-MS ), el cromatógrafo de gases se reemplaza por un cromatógrafo de líquidos. [12] La principal diferencia es que no es necesaria la derivatización química. Sin embargo, las aplicaciones de LC-MS a MFA son poco frecuentes.

En cada caso, los instrumentos de MS dividen una distribución isotópomérica particular por su peso molecular. Todos los isotópomeros de un metabolito particular que contienen el mismo número de átomos de carbono marcados se recogen en una señal de pico. Debido a que cada isotópomero contribuye a exactamente un pico en el espectro de MS, el valor porcentual se puede calcular para cada pico, lo que produce la fracción de isotópomero másico. [11] Para un metabolito con n átomos de carbono, se producen n+1 mediciones. Después de la normalización, quedan exactamente n cantidades informativas de isotópomero másico. [11]

El inconveniente de utilizar 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 N,N-dimetilformamida dimetil acetal (DMFDMA) [13] y el N-(terc-butildimetilsilil)-N-metiltrifluoroacetamida (MTBSTFA) [14] son ​​dos ejemplos de compuestos que se han utilizado para derivatizar aminoácidos.

Además, los fuertes efectos isotópicos observados afectan el tiempo de retención de isotopómeros marcados de forma diferente en la columna de cromatografía de gases. También se debe evitar la sobrecarga de la columna de cromatografía de gases. [14]

Por último, la abundancia natural de otros átomos distintos del carbono también provoca una alteración en el espectro de masas de los isotopómeros. Por ejemplo, cada átomo de oxígeno de la molécula también puede estar presente como un isótopo 17 O y como un isótopo 18 O. Un impacto más significativo de la abundancia natural de isótopos es el efecto del silicio con una abundancia natural de los isótopos 29 Si y 30 Si. El Si se utiliza en agentes derivatizantes para técnicas de MS. [11]

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" incluyendo radionucleidos en su composición química. Cuando estos se desintegran , su presencia se puede determinar detectando la radiación que emiten. El marcaje radioisotópico es un caso especial de marcaje isotópico.

Para estos fines, un tipo de desintegración radiactiva particularmente útil es la emisión de positrones . Cuando un positrón choca con un electrón, libera dos fotones de alta energía que viajan en direcciones diametralmente opuestas. Si el positrón se produce dentro de un objeto sólido, es probable que lo haga antes de viajar más de un milímetro. [ cita requerida ] Si se pueden detectar ambos fotones, se puede determinar con mucha precisión la ubicación del evento de desintegración.

En sentido estricto, el marcaje radioisotópico incluye solo los casos en los que los experimentadores introducen radiactividad artificialmente, pero algunos fenómenos naturales permiten realizar análisis similares. En particular, la datación radiométrica utiliza un principio estrechamente relacionado.

Aplicaciones

Aplicaciones en la investigación de la nutrición mineral humana

El uso de trazadores de isótopos estables para estudiar la nutrición mineral y el metabolismo en humanos se informó por primera vez en la década de 1960. [15] Si bien los radioisótopos se habían utilizado en la investigación sobre nutrición humana durante varias décadas antes, los isótopos estables presentaban una opción más segura, especialmente en sujetos para los que existe una gran 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. [16] [17] 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 varias desventajas: se requieren mayores cantidades de trazador, que tienen el potencial de perturbar el mineral existente naturalmente; la preparación analítica de la muestra es más compleja y la instrumentación de espectrometría de masas más costosa; la presencia de trazador en cuerpos enteros o tejidos particulares no se puede medir externamente. [18] Sin embargo, las ventajas han prevalecido haciendo de los isótopos estables el estándar en los estudios en humanos.

La mayoría de los minerales que son esenciales para la salud humana y de particular interés para los investigadores en nutrición tienen isótopos estables, algunos de los cuales son muy adecuados como trazadores biológicos debido a su baja abundancia natural. [16] [18] El hierro , el zinc , el calcio , el cobre , el magnesio , el selenio y el molibdeno se encuentran entre los minerales esenciales que tienen isótopos estables a los que se han aplicado métodos de trazadores isotópicos. El hierro, el zinc y el calcio en particular se han estudiado ampliamente.

Los aspectos de la nutrición/metabolismo mineral que se estudian incluyen la absorción (del tracto gastrointestinal al cuerpo), la distribución, el almacenamiento, la excreción y la cinética de estos procesos. Los trazadores isotópicos se administran a los sujetos por vía oral (con o sin alimentos, o con un suplemento mineral) y/o por vía intravenosa. Luego, se mide el enriquecimiento de isótopos en el plasma sanguíneo, los eritrocitos, la orina y/o las heces. [19] [20] El enriquecimiento también se ha medido en la leche materna [21] y en el 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 el plasma, la orina o las heces. [22] [23] La administración de múltiples trazadores isotópicos en un solo estudio es común, lo que permite el uso de métodos de medición más confiables 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 a la investigación nutricional. Entre los propósitos de tales estudios se encuentran las investigaciones de cómo la absorción se ve influenciada por el tipo de alimento (por ejemplo, fuente vegetal vs. animal, leche materna vs. fórmula), otros componentes de la dieta (por ejemplo, fitato ), enfermedades y trastornos metabólicos (por ejemplo, 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 los resultados de tales estudios están disponibles para un mineral, pueden servir como base para estimaciones de los requisitos fisiológicos y dietéticos humanos del mineral. [24] [25]

Cuando se administra un trazador con los alimentos con el fin de observar la absorción y el metabolismo de minerales, puede ser en forma de una etiqueta intrínseca o extrínseca. [26] [27] Una etiqueta intrínseca es un isótopo que se ha introducido en el alimento durante su producción, enriqueciendo así el contenido mineral natural del alimento, mientras que el etiquetado extrínseco se refiere a la adición de un isótopo trazador al alimento durante el estudio. Debido a que es un enfoque muy costoso y que requiere mucho tiempo, el etiquetado intrínseco no se utiliza de forma rutinaria. Los estudios que comparan las mediciones de absorción utilizando el etiquetado intrínseco y extrínseco de varios alimentos han demostrado generalmente una buena concordancia entre los dos métodos de etiquetado, lo que respalda la hipótesis de que los minerales extrínsecos y naturales se manejan de manera similar en el tracto gastrointestinal humano.

El enriquecimiento se cuantifica a partir de la medición de las proporciones isotópicas , la proporción del isótopo trazador con respecto a un isótopo de referencia, mediante espectrometría de masas. Diferentes investigadores han adoptado múltiples definiciones y cálculos de enriquecimiento. [28] Los cálculos de enriquecimiento se vuelven más complejos cuando se utilizan múltiples trazadores simultáneamente. Debido a 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 proporción isotópica por la presencia de los otros trazadores. [28]

Debido a la prevalencia de deficiencias minerales y su impacto crítico en la salud y el bienestar humanos en países pobres en recursos, el Organismo Internacional de Energía Atómica ha publicado recientemente descripciones detalladas y completas de métodos de isótopos estables para facilitar la difusión de este conocimiento a investigadores más allá de los centros académicos occidentales. [22] [29]  

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 etiquetado de isótopos estables por aminoácidos en cultivos celulares (SILAC), que proporciona formas marcadas con isótopos de aminoácidos utilizadas para estimar los niveles de proteína. [30] En la proteína recombinante, las proteínas manipuladas se producen en grandes cantidades y el etiquetado de isótopos 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 15 N- cloruro de amonio como fuente de nitrógeno. [31] 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 las proteínas marcadas y reducir el costo de los medios marcados con isótopos, un procedimiento alternativo aumenta principalmente la masa celular utilizando medios no marcados antes de introducirlo en una cantidad mínima de medios marcados. [32] 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. [33]

Aplicaciones para el análisis de procesos ecosistémicos

Los trazadores isotópicos se utilizan para examinar procesos en sistemas naturales, especialmente ambientes terrestres y acuáticos. En la ciencia del suelo, los trazadores 15 N se utilizan ampliamente para estudiar el ciclo del nitrógeno, mientras que 13 C y 14 C, isótopos estables y radioactivos del carbono respectivamente, se utilizan para estudiar el recambio de compuestos orgánicos y la fijación de CO 2 por autótrofos . Por ejemplo, Marsh et al. (2005) utilizaron urea de doble marcado ( 15 N y 14 C) para demostrar la utilización del compuesto por oxidantes de amoníaco como fuente de energía (oxidación de amoníaco) y fuente de carbono (fijación de carbono quimioautotrófica). [34] El agua deuterada también se utiliza para rastrear el destino y las edades del agua en un árbol [35] o en un ecosistema. [36]

Aplicaciones de la oceanografía

Los trazadores también se utilizan ampliamente en oceanografía para estudiar una amplia gama de procesos. Los isótopos utilizados suelen ser de origen natural, con fuentes y tasas de formación y descomposición bien establecidas. Sin embargo, también se pueden utilizar con gran éxito isótopos antropogénicos. Los investigadores miden las proporciones isotópicas en diferentes lugares y momentos para inferir 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 234 Th 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 234 Th en partículas. Por ejemplo, proporciones isotópicas bajas en el agua superficial con valores muy altos a unos pocos metros de profundidad indicarían un flujo vertical en dirección descendente. Además, el isótopo de torio puede rastrearse dentro de una profundidad específica para descifrar el transporte lateral de partículas. [37]

Circulación

La circulación dentro de sistemas locales, como bahías, estuarios y aguas subterráneas, puede examinarse con isótopos de radio. El 223 Ra tiene una vida media de 11 días y puede aparecer de forma natural en lugares específicos de ríos y fuentes de agua subterránea. La proporción isotópica del radio disminuirá a medida que el agua del río de origen ingrese a una bahía o estuario. Al medir la cantidad de 223 Ra en varios lugares diferentes, se puede descifrar un patrón de circulación. [38] Este mismo proceso exacto también se puede utilizar para estudiar el movimiento y la descarga de aguas subterráneas. [39]

Se pueden utilizar diversos isótopos de plomo para estudiar la circulación a escala global. Los distintos océanos (es decir, el Atlántico, el Pacífico, el Índico, etc.) tienen diferentes firmas isotópicas. Esto es resultado de las diferencias en las proporciones isotópicas de los sedimentos y las rocas dentro de los diferentes océanos. [40] Debido a que los diferentes isótopos del plomo tienen vidas medias de 50 a 200 años, no hay tiempo suficiente para que las proporciones isotópicas se homogeneicen en todo el océano. Por lo tanto, se puede utilizar un análisis preciso de las proporciones isotópicas del Pb para estudiar la circulación de los diferentes océanos. [41]

Procesos tectónicos y cambio climático

Los isótopos con vidas medias extremadamente largas y sus productos de desintegración se pueden utilizar para estudiar procesos que duran varios millones de años, como la tectónica y el cambio climático extremo. Por ejemplo, en la datación por rubidio-estroncio , la proporción isotópica del estroncio ( 87 Sr/ 86 Sr) se puede analizar dentro de núcleos de hielo para examinar los cambios a lo largo de la vida de la Tierra. Las diferencias en esta proporción dentro del núcleo de hielo indicarían alteraciones significativas en la geoquímica de la Tierra. [41]

Los procesos antes mencionados pueden medirse utilizando isótopos naturales. Sin embargo, los isótopos antropogénicos también son extremadamente útiles para las mediciones oceanográficas. Las pruebas de armas nucleares liberaron una gran cantidad de isótopos poco comunes en los océanos del mundo. 3H , 129I y 137Cs se pueden encontrar disueltos en el agua de mar, mientras que 241Am y 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 frentes de agua fuertes o giros. [42] Por el contrario, los isótopos unidos a partículas se pueden utilizar para estudiar el transporte de masa dentro de las columnas de agua. Por ejemplo, los altos niveles de Am o Pu pueden indicar un hundimiento cuando se observan a grandes profundidades, o un surgimiento cuando se observan en la superficie. [43]

Véase también

Referencias

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