Onlangs heb ik een artikel geschreven waarin ik onderzoek naar de ijstijden ben begonnen uit te leggen. Van de vele zaken die hieruit naar voren komen is het onderzoek naar de isotopen een van de belangrijkste. Daarbij is het ook een lastig onderwerp dus ga ik eerst het een en ander uitleggen voordat we verder gaan. Wat is een isotoop eigenlijk en hoe doe je daar onderzoek naar, en waar dan?

Atomen en het leven

Al het leven op aarde bestaat uit een aantal bouwstenen, deze noemt men ook wel de basiselementen. De belangrijkste en meest voorkomende zijn koolstof, zuurstof, waterstof, stikstof en fosfor, enkele andere belangrijke elementen zijn silicium, calcium en ijzer.  Overal op aarde vinden wij organismen terug die met deze elementen zijn opgebouwd. We noemen ze organismen, omdat de elementen koolstof, zuurstof, waterstof, stikstof en fosfor moleculen vormen die wij organisch noemen (tegenwoordig worden veel van deze atomen gebruikt in synthetische stoffen). Moleculen zijn dus combinaties van verschillende elementen met een bepaalde verhouding. Koolstofdioxide bestaat bijvoorbeeld uit een koolstofatoom en twee zuurstofatomen en wordt als volgt genoteerd: CO₂. Deze elementen bestaan zelf ook weer uit deeltjes. Deze zijn niet allemaal gelijk, sommige hebben iets meer atomaire massa dan andere maar hebben verder wel dezelfde eigenschappen, dit noemen wij isotopen. Sommige isotopen zijn echter niet stabiel, deze worden ook wel radio-isotopen genoemd en geven straling af. De combinatie van gewone atomen en de stabiele en onstabiele isotopen komen in verschillende verhoudingen voor op aarde en dus ook in de organismen die op dat moment in leven waren of zijn.

Wat meet je dan?

Onderzoekers zijn in staat om zowel de stabiele als de onstabiele isotopen te meten en daarmee relevante vragen te beantwoorden. Je kunt het meeste aflezen in de verhouding tussen bepaalde stabiele en onstabiele producten. Eén van de cruciale meetwaarden hierbij is het gewicht, een zwaarder atoom reageert anders op de temperatuur. Het kan dus zijn dat het minder snel verdampt of dat de ionisatie van een isotoop dezelfde verschillen vertoont als het element. Onderzoekers kunnen deeltjesversnellers gebruiken om onderzoek te doen naar de verhouding tussen de isotopen en het element (en atomen in het algemeen). Verder kan een isotopenverschil aanwijzingen geven over het dieet van  dierlijke of menselijke vondsten.

We meten dus de verschillen tussen elke isotoop en atoom in een genomen monster. Nu dient men nog na te gaan hoe deze verschillen tot stand kunnen komen, hier zijn vaak verschillende oorzaken voor. De eerste oorzaak die we bespreken is het natuurlijke radioactieve verval. Als voorbeeld nemen we hierbij het verval van Uranium tot Thorium en de vervolgstappen (totaal 14). Dit laat dus zien dat U-238 dermate onstabiel is dat er pas na 14 stappen een stabiele situatie is ontstaan met lood (Pb-206). Al deze onstabiele isotopen ontstaan door natuurlijke processen zoals we die vinden in de aardkern of na instraling van deeltjes uit de zon. Het tweede aandachtspunt is het maken van medische isotopen of andere voor civiele of militaire doeleinden. Een voorbeeld hiervan is Kobalt-57, dat voor medisch onderzoek gebruikt wordt en dan zal vervallen tot ijzer-57. Bij beide voorbeelden speelt het begrip halfwaardetijd een zeer grote rol. De halfwaarde tijd van een isotoop is de tijd die het duurt om 50% van de bekeken massa omgezet te zien worden tot het volgende vervalproduct.

Nu weten we dus dat we isotopen kunnen meten door hun gewicht en kunnen we ze scheiden op basis van massa in verschillende meetapparaten. Voor onderzoekers kan dit dus zeer handig zijn voor het ontdekken van de ouderdom van een object of voor het bestuderen van een biologisch of medisch relevant mechanisme. Meten is dus absoluut weten in dit geval.

Belangen voor de Archeoloog

Het vinden van bepaalde isotopen (of het niet vinden) kan zeer waardevolle informatie bieden over de ouderdom van een object, het dieet van de restanten van dierlijke of menselijke vondsten of in sommige gevallen zelfs de leeftijd van de gevonden restanten van dieren of mensen. Dit is dus relevant voor een archeoloog, maar ook voor een klimaatonderzoeker, een historicus en vele andere wetenschappers. Met het onderzoeken van isotopen is dus veel direct relevante informatie te vinden. Ook is de indirecte informatie van groot belang. Een goed voorbeeld van een indirecte aanwijzing is de verhouding tussen Zuurstof-16 en Zuurstof-18 in ijskernen en de skeletjes van bijvoorbeeld Foraminiferen (in zee levende eencellige micro-organismen). Als we dus secuur en constant zijn met onze te onderzoeken materialen kunnen we met deze techniek veel informatie te weten te komen zonder verdere schade toe te hoeven brengen aan een vindplaats (bijvoorbeeld door verder te graven en andere lagen te zoeken om een vergelijking te maken).

Conclusie

Om af te sluiten wil ik zeggen dat door isotopen te gebruiken bij het onderzoek je een goed beeld krijgt van je onderzoeksobject door de tijd heen. Met een beetje geluk kun je de verschillende fases van het leven te weten komen en is het dus net alsof je zelf een deel van het verhaal kunt beleven met je eigen ogen. Binnenkort zal ik dit met een voorbeeld van koraalonderzoek demonstreren.