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Titolo: Isotopi del carbonio e fotosintesi

Sto leggendo su "Le Scienze" un interessante articolo dal titolo "Impatto
dal Profondo".
A pag.74 si riporta una correlazione tra l'attività fotosintetica delle
piante e la percentuale dell'isotopo 13C in atmosfera:
un'alta percentuale di 13C indica molta vegetazione.
Mi ha colpito poi la seguente frase (pag. 76, paragrafo "il racconto degli
isotopi") che recita: " ....Ma le piante sono esigenti, e scelgono di
preferenza C02 contenente 12C...".
Quindi mi par di capire che tendono a rifiutare il 13C (!)
La mia domanda è: e che dire allora del 14C normalmente
impiegato per la datazione dei reperti? Perchè mai dovrebbero accettare il
12C, rifiutare il 13C ed assorbire il 14C?
Quali meccanismi sono alla base i simili "preferenze"?
Se fossero "esigenti" anche verso il 14C allora chi usa il metodo del
radiocarbonio dovrebbe
conoscere qual è la percentuale di 14C assorbita dall'organismo vegetale al
momento della sua morte.
Se poi le piante fossero così esigenti mi verrebbe anche il sospetto che ce
ne possano essere di più e di meno esigenti e a tal punto, per una corretta
datazione, si deve conoscere anche la specie vegetale; se poi vogliamo
datare un organismo animale dovremmo conoscere quali vegetali componevano la
dieta di questo animale.....e così via.
Ne sapete qualcosa?
Grazie per l'attenzione.
Piero

 preferenza C02 contenente 12C...".
mi sorprende molto. non penso che ci possano essere differenze chimiche 
tra i due isotopi per cui non capisco come potrebbe essere possibile. 
sono curioso di sapere se qualcuno può darci delucidazioni in merito.
-- 
Rob
"Qualcuno doveva aver calunniato Josef K. perchè una mattina, senza che 
avesse fatto nulla, venne arrestato."


Credo che avresti fatto meglio a porre la domanda su
it.scienza.chimica. Comunque, il testo ti dice che "scelgono di
preferenza CO2 contenente C-12", di preferenza. Questo significa che
se si mette una pianta in un ambiente chiuso ma illuminato in cui
siano note le concentrazioni relative iniziali di CO2 contenente
rispettivamente C-12, C-13 e C14. Dopo un certo periodo di attività
fotosintetica e quindi di consumo di CO2, si avrà una diminuzione
relativa di C-12 maggiore rispetto a quella di C-13 che a sua volta
sarà diminuito maggiormente rispetto a C-14. Ma la selettività della
pianta non è perfetta, fisserà tutti e tre gli isotopi, C-12 più degli
altri.
Il motivo del differente comportamento degli isotopomeri (molecole che
si distinguono solo per la composizione isotopica, sono per esempio
isotopomeri l'acqua, H2O, e l'acqua pesante o deuterata, D2O) è dovuto
all'effetto noto come "effetto isotopico". Molecole contenenti
l'isotopo più leggero tendono a reagire più rapidamente rispetto a
quelle con isotopi più pesanti. L'effetto può essere più o meno
marcato a seconda di diversi fattori:
*rapporto delle masse tra gli isotopi (l'effetto è quindi più
importante per gli elementi leggeri)
*temperatura (l'effetto si attenua aumentando la temperatura)
*meccanismo di reazione (l'effetto è poco marcato se lo stadio lento
della reazione non coinvolge la rottura di un legame dell'isotopo in
questione).
Qui ho considerato solo l'effetto cinetico, ma c'è anche un effetto
termodinamico. Le energie degli isotopomeri sono differenti e questo
comporta in genere costanti diverse per gli equilibri.
L'effetto isotopico viene spiegato in maniera soddisfacente grazie
alla meccanica quantistica e all'approssimazione di Born & Oppenheimer.

 Quali meccanismi sono alla base i simili "preferenze"?
ho tentato di spiegare il poco che sapevo e abbozzare qualche 
ipotesi su quanto non so per certo.
Mi piacerebbe anche a me sapere come è correlata la dimensione 
molecolare alla presenza di atomi isotopi.
ciao
Soviet_Mario


 momento della sua morte.
Non è che ne sappia moltissimo, ma qualcosa sì (sono diplomato in chimica),
e quel qualcosa ve lo racconto.
Tranquillizzo subito Piero e tutti quanti: le
differenze di assorbimento dei vari isotopi del Carbonio sono così piccole
che non influenzano significativamente la datazione determinata col metodo 
al
radiocarbonio, perchè ricadono abbondantemente entro il margine di errore
sperimentale che accompagna la datazione, la quale dovrebbe *sempre* essere
espressa da un valore medio associato a un range di approssimazione, tipo:
3.332 anni più o meno 450. L'influenza del diverso assorbimento dovrebbe
costituire si e no un 10 % di questa incertezza (secondo alcuni darebbe
invece una incertezza cosante di 80 anni in più del reale).
Più grosso è
invece il problema dell'assorbimento di Carbonio antico da parte di piante
che vivono su suoli calcarei, perchè assorbono anche carbonio privo di C14 
dal
suolo,  e dalle conchiglie di acqua dolce che lo assumono dai carbonati
sciolti nell'acqua stessa. E' da parecchio tempo che questi vegetali e
molluschi non sono considerati affidabili per la datazione.
Ai tempi di Libby, l'ideatore del metodo di datazione al radiocarbonio,
(1949) le differenze  di reattività chimica fra gli isotopi di uno stesso
elemento erano al di sotto delle capacità di misurazione delle tecniche
dell'epoca (ad eccezione dell'idrogeno di cui si conoscevano le differenze).
Da poco più di trent'anni  il perfezionamento degli strumenti ha reso
possibile misurare l'effetto del frazionamento
fotosintetico degli isotopi, che, come detto sopra, non è tale da inficiare 
il metodo di datazione.
L'idea di fondo della datazione basata sul 14C risiede nell'assunto che:
*all'interno degli organismi viventi la proporzione 14C/Ctotale é  identica 
a
quella presente nell'atmosfera*. Assunto che è stato confermato da
misurazioni ed esperimenti effettuati su esemplari viventi attualmente in
vari continenti e a varie quote.
Cessata la vita la quantità di 12C nell'organismo rimane inalterata, mentre 
quella del 14C diminuisce con un'emivita di circa 5.600
anni. Il che significa che *ogni* circa 5.600 anni dalla morte del vivente,
la proporzione 14C/Ctot si dimezza.
Dopo quattro dimezzamenti e mezzo (circa 70.000 anni) il 14C non è
praticamente più presente.
Per dare un idea della delicatezza del metodo occorre considerare le
proporzioni dei vari isotopi presenti nell'atmosfera:
12C - circa 99 %
13C - circa 1 %
14C - 1 parte ogni 0,8 milioni di milioni di C totale (1 atomo di C14 ogni
8x10^11 atomi di C12 o C13).
I quattro assunti su cui posa il metodo di datazione al Radiocarbonio sono:
- CONOSCENZA ESATTA DELLA VITA MEDIA DEL 14C
Nel 1949 Libby usò un valore
di 5568 + - 30 anni. Misurazioni più recenti hanno portato questo valore a
5730 + -30 anni. Pertanto tutte le anzianità calcolate col valore di Libby
dovrebbero essere aumentate del 3,4 %. Per evitare confusioni le convenzioni
internazionali hanno stabilito che le età al radiocarbonio siano
convenzionalmente intese come *prima del 1950 A.D. (anno Domini) e calcolate
coll'emivita di Libby*. Questo valore deve essere espresso con la notazione
B.P. (before present). In questo modo si evitano confusioni, soprattutto non
occorre sapere quando il campione è stato analizzato. Un reperto datato
5.000 anni B.P. è collocato nel (5.000-1.950) 3.050 a.C. Uno datato 700 anni
B.P. risale al (1950-700) 1.250 d.C. e non da 5.000 anni (rispettivamente
700) dall'analisi del campione.
- ASSENZA DI CONTAMINAZIONE - Cioè assenza di carbonio più antico o più
recente. Carbonio recente può essere costituito da radici e funghi. Anche i
batteri costituiscono un possibile inquinamento ma di influenza quantitativa
trascurabile. Carbonio più antico può provenire da vecchio legname impiegato
per le cremazioni o per produrre la calce (come nel caso delle particelle di
carbone rimaste inglobate nelle malte usate per le costruzioni medioevali.
In questo caso si data l'età del legno e non quella della costruzione).
Renfrew cita addirittura di contaminazioni da cenere di sigaretta apportate
da gente che fumava durante l'estrazione dei reperti. In caso di legname
grosso bisogna fare inoltre molta attenzione perchè il cuore degli alberi
può essere molto più antico degli anelli vicini alla corteccia.
- DISTRIBUZIONE MONDIALE UNIFORME DEL 14C -
E' stato confermato da esperimenti che il C14 si origina
nell'atmosfera a un'altezza di circa 16 km, dall'interazione dei raggi
cosmici con i nuclei di azoto e ossigeno, generando neutroni. I quali vanno
a colpire a loro volta altri nuclei di azoto trasformandoli in nuclei di
14C. Anche gli esperimenti nucleari determinano un aumento del 14C presente
nell'atmosfera (35% in più nel 1953 rispetto al 1944), ma questo non
costituirà un problema per gli archeologi del futuro a patto che si conservi
la registrazione delle concentrazioni di 14C anno per anno. Una diluizione,
invece, del 14C è determinata dalla immissione nell'atmosfera della CO2
proveniente da combustibili fossili che, data la loro antichità sono privi
di 14C (si è avuta una caduta del 3% nella proporzione 14C/Ctot negli ultimi
due secoli). Il rimescolamento dell'atmosfera è tale che queste differenti
fonti determinano comunque una concentrazione uniforme per latitudine,
longitudine e altezza sul mare. Misurazioni ed esperimenti hanno accertato
solo una carenza di C14 nell'emisfero meridionale, che determina una
sovrastima di 40 anni nell'antichità dei reperti provenienti da sud
dell'equatore.
- VARIAZIONE NEL TEMPO DELLA PROPORZIONE 14C/Ctot nell'atmosfera.
questa è la
fonte di errore più importante. In mancanza di altri dati Libby assunse che
la proporzione fosse rimasta inalterata negli utlimi 50.000 anni. Invece
pare che la radiazione cosmica sia variata notevolmente in questo periodo di
tempo, quindi la produzione di C14 non è stata per niente uniforme nel
tempo. La responsabile di questa scoperta è la dendrocronologia, una 
particolare disciplina che studia gli anelli di crescita annuali delle 
piante. Applicando l'analisi del 14C agli anelli di piante millenarie 
millenarie sono stati evidenziati scarti nella proporzione 14C/Ctot rispetto 
alla curva esponenziale
teorica di Libby. In particolare: gli anelli di crescita fino a quello 
corrispondente
a circa 1.200 anni fa mostrano valori di 14C/Ctot abbastanza conformi alla 
curva
esponenziale pura di Libby (le differenze non superano il 2 %), mentre 
quelli più antichi mostrano di contenere più 14C di quello che dovrebbero. 
Verrebbero quindi stimati per più recenti di quello che sono in realtà. Per 
anzianità dell'ordine dei 6.000 anni la differenza può arrivare anche a 800 
anni.
 Poichè gli anelli si formano uno all'anno, non c'è
possibilità di errore nella loro datazione. Quindi la maggior quantità di 
C14 può
essere attribuita solo a una maggior concentrazione iniziale dell'isotopo.
Sulla base degli anelli di accrescimento annuale delle piante è stata 
costruita una curva di correzione (detta *calibratura*) in base alla quale 
dall'età apparente (sempre B.P.) si risale agli anni solari effettivi 
trascorsi.
G. De M.

 praticamente più presente.
Scusate lo svarione:
i quattro dimezzamenti e mezzo (25.000 anni) erano il limite di datazione ai 
tempi di Libby (contatori Geiger). Il limite di 70.000 (11 dimezzamentei) 
anni è quello raggiungibile con le attuali tecniche di frazionamento 
isotopico.
G. De M.