İzotoplar ve paleoenvironment (geçmiş çevre)

İzotoplarla ilgili bir yazı yazma önceliğim yoktu aslında ama baktım habire habire karşıma çıkıyorlar yazayım dedim 🙂 Bu izotop denilen nanelerle benim burada anlatacaklarımdan çok daha fazlasını yapmak mümkün. Ben burada daha ziyade geçmiş çevresel koşulların inşası yapılırken izotoplar bize ne anlatıyor ona bir giriş yapacağım.

Nedir bu izotoplar?

Çoğunuzun kimya derslerinden hatırlayacağınız gibi izotoplar aynı kimyasal elementin, farklı sayıda nötron içeren farklı atomlarıdır. Bir başka deyişle izotopların kütle numarası (proton+nötron) farklı, atom numarası (proton) aynıdır. [Ufak bir ayrıntı, eğer sözkonusu çalışma atomun kimyasal özelliklerinden ziyade nükleer özellikleriyle ilgiliyse izotop yerine nüklid denmesi daha doğru imiş.] C-12 ya da C-13 yazdığımızda sırayla karbon atomunun (12-6=)6 ve (13-6=)7 nötron içeren izotoplarını kasdetmiş oluyoruz. Efendim bazı izotoplar radyoaktif bazıları ise kararlı oluyor. İzotop teriminin 1913’te  İskoç fizikçi Margaret Todd tarafından ortaya atıldığını ve de izotopların kimyasal özelliklerinin aynı fiziksel özelliklerinin ise farklı olduğunu da söyleyip wikipedia bilgilerimizi noktalayalım, zira izotopların ne olduğuna dair bilgiye ulaşmakta zorluk çekeceğinizi sanmıyorum. Ben daha ziyade bu izotopları (geçmiş çevresel koşulları bilebilme/anlayabilme çalışmalarında) nasıl kullanıyoruz, o konuda bir şeyler söylemek istiyorum.

Çevre koşullarını etkileyen temel etmenler

Bildiğiniz gibi Yeryüzü’nde bir ısı ve nem sirkülasyonu söz konusu, bu ikisi de (ısı ve nem) bir yerin iklimini en çok etkileyen etmenlerden. Atmosferi, okyanusları ve karaları birbirine bağlayan bu sistemin deviniminin altında ise güneşten gelen ışınım dozajını belirleyen yörüngesel döngüler yatıyor (bu çok ayrıntılı bir konu olduğu için burada girmeyeceğim ama ileride bir yazı gelecek bunla ilgili). Tektonik hareketler de bu devinimi etkileyen bir başka etmen. Neyse, kısaca bu etmenleri maddeleyecek olursak:

-yıllık güneşlenme miktarı (ve yörüngeye göre pozisyonu diyelim)

-atmosfer ve yer tarafından soğurulan ve yansıtılan radyasyon miktarı

-buharlaşma, yağış, bulut oluşumu gibi atmosferik olaylar

-okyanus ve rüzgar dolaşımı (ısının ve nemin dağılmasında büyük rol oynarlar)

-buzulların, karaların ve okyanusların dağılımı

-tektonik ve volkanik hareketler

Denizel oksijen izotop analizi

1950’lerde ortaya çıkan “denizel oksijen izotop analizi”, bize okyanus ve atmosfer arasındaki etkileşimin en güzel örneklerinden birini sunar. Buharlaşma esnasında %10 daha ağır olan kararlı O-18 atomu (kütle numarası 18 olan oksijen atomu) O-16 atomundan daha zor serbest kalır, dolayısıyla buharlaşma sırasında O-16 atomu O-18’e göre suyu daha hızlı (ve daha fazla) terkeder, bu da sudaki O-18/O-16 oranını arttırır. Foraminiferler gibi denizel mikroorganizmalar ise kendi mikrokabuklarını oluştururken, etraflarındaki deniz suyunda bulunan oksijeni bünyelerine alırlar. Dolayısıyla bu mikroorganizmaların kabuklarındaki O-18/O-16 oranı oluştukları deniz suyunun O-18/O-16 oranı hakkında bilgi verir. Baştan alarak gelelim; bir yerde buharlaşma fazlaysa, daha hafif olan O-16 atomları daha çok kaçacak, denizdeki ve de foraminifer kabuklarındaki O-18/O-16 oranları yükselecektir. Böylelikle yıllar yıllar sonra bu mikrokabuk fosilleri kullanan bizler, bu organizmaların yaşadığı dönemin iklimsel özellikleri konusunda bilgi sahibi olabilmekteyiz.

Buz karotları

Buzul dönemlerinde buzulların yapısında ise benzer bir durum sözkonusu. Buzullar yağan karın kristtalleşmesi ile oluşur. Yağan karda ise O-18/O-16 oranı denizdekine göre çok daha düşük olacaktır çünkü ne demiştik O-16 daha hafif olduğundan daha kolay kaçıp kurtulabildiği, O-18’ler çoklukla denizde kaldığı için karı oluşturacak su buharında O-18/O-16 oranı iyice düşük olacaktır. Burası tamam. Ama bir de “sıcak kar” (yani yine soğuk da) ve “soğuk kar” (daha soğuk kar) diye bir durum var. Bunu da anlatmaya çalışayım. Sıcak kar dediğimiz donma noktasına yakın sıcaklıklarda oluşup yağarken, soğuk kar denen pudramsı kar çok daha düşük sıcaklıklarda oluşup yağar. Nasıl buharlaşırken O-16 atomları hafif olduğundan daha kolay buharlaşıyorsa, bu sefer de O-18 atomları daha ağır olduklarından daha kolay düşer yani yağışa dönüşür. İşte bu sıcak ve soğuk karlar oluşurken önce yağmur olup yağan su buharında, O-18’ler önce davranıp yağmur olarak O-16’lardan daha hızlı geri dönerler. Yerde kristallenerek buzulu oluşturacak olan kar yağışı ise O-16’ca daha da zengin bir muhteviyata sahip olacaktır. Kar daha düşük sıcaklıklarda oluştukça daha çok O-18 kaybı olacaktır. Dolayısıyla geçmişte daha soğuk olan dönemlerde, buzulun yapısında daha sıcak geçen dönemlere göre daha da az O-18 içeren bir katman oluyor. Bunların indeksleri var tabi, bilim insanları bu indekse göre hesaplar yaparak ahanda bu dönem yeryüzünde burasının sıcaklığı şu kadarmış (ya da şu civardaymış) diyebiliyorlar.

Topraktaki kararlı izotop analizi

İzotoplarla, bir diğer geçmiş çevreyi inşa etme çalışması da topraklardaki, geçmiş vejetasyondan (bitki örtüsü) kalan kararlı karbon izotoplarının sinyallerinin analiziyle gerçekleştiriliyor. Karbon izotoplarından bahsedecek olursak; C-12 ve C-13 radyoaktif olmayan kararlı izotoplar, C-14 ise radyoaktif bir izotop. C-14’ün kullanıldığı tarihlendirme yöntemlerinden biraz sonra bahsedeceğim ama burada kullanılan mekanizma için C-12 ve C-13’ü ele alacağım. Burada da O-18/O-16 oranı gibi C-13/C-12 oranlarına bakıyoruz. C-12 suda havada ve bitkilerde %99’luk bir orana sahip, geri kalanını ise C-13 oluşturuyor diye kabul edebiliriz (C-14 çok çok küçük bir miktar kaplıyor). Toprakta, bitki örtüsüne dair (C-12’ye göre yine düşük ama) yüksek C-13 sinyalleri bulunduğu yerde zengin bir bitki örtüsüne işaret ediyor çünkü bu miktarı arttırmanın tek yolu fotosentez yoluyla olağandan daha fazla C-13’ü bünyelerine katabilecek sayıdaki bitkilerin varlığı.

Bitki örtüsünün niteliğinin yorumu ise, gerçekleştirdiği fotosentez kimyasının toprakta bıraktığı ize bağlı olarak yapılıyor. Bitkiler fotosentez esnasında gerçekleşen kimyasal reaksiyonlarda kullandıkları karbon mekanizmalarına bağlı olarak C3 bitkileri ve C4 bitkileri olarak ikiye ayrılıyor. Kabaca C4 bitkilerine sıcak, kurak ve düşük karbondioksit koşullarına, C3 bitkilerine ise soğuk büyüme mevsimlerine ve gölgeye uyum sağlamış bitkiler diyebiliriz. Bu iki kategorinin C-13/C-12 oranlarının dağılımı birbirleriyle örtüşmediği için, yapılan hesaplamalar ile bölgenin geçmişte sıcak ve kuru bir iklime mi yoksa soğuk ve nemli bir iklime mi sahip olduğu konusunda fikir sahibi olunuyor (oran şu kadar çıkmışsa sıcak ve kuru, şöyle çıkmışsa soğuk ve nemli gibi).

Tarihlendirme

Geçmişte sahip olduğu iklim/çevresel koşullar vs diyorum ama tek bir geçmiş yok tabii.. yani ilk başta da bahsettiğim gibi yeryüzünde çeşitli sirkülasyonlar ve devirler sözkonusu. Bir yer 50 milyon yıl önce yemyeşilken, 15 milyon yıl önce çölleşmiş ve günümüzde yeniden yeşermekte olabilir. 50 milyon öncesi de 15 milyon yıl öncesi de geçmiş bir tarih. Sadede gelecek olursam, numunedeki izotop analizlerinin yapılması kadar numunenin doğru tarihlendirilmesi de önemli, yani burası bi ara sıcak, yağışlı ve yemyeşilmiş numune bunu söylüyor ama ne zaman böylemiş? Burada da yazının başından beri bahsetmediğimiz radyoaktif izotoplara iş düşüyor. Bunları da kimya derslerinden hatırlayacaksınızdır. Başta bir miktar bu radyoaktif izotoplardan bulunur, belirli bir müddet sonra (yarılanma ömrü) ana izotopun kütlesinin yarısı yavru izotopa dönüşür. Bir yarılanma ömrü sonra kalan yarının yarısı, bir sonraki yarılanma ömrü sonunda kalan yarının yarısının yarısı dönüşmüş olur. Bu yarılanma ömrü (sabit) ve son kalan yarı (ya da sonunda oluşmuş yavru izotopların miktarı) bilinirse, o örnek ya da madde her ne ise, oluştuğu esnada sahip olduğu ana izotop miktarı ve dolayısıyla ne kadar süredir bozunmakta olduğu (o maddenin kaç yaşında olduğu) hesaplanır. Bu şekilde yapılan hesaplamaların kesinliği ve hassasiyeti izotoptan izotopa değişir. Aşağıdaki tabloda hangi izotopun hangi yaşlar ve ne için kullanılabileceğine göz atabilirsiniz. Eğer orda burda açılan fosil sergilerinde “50 milyon yıllık bilmemne fosili, bakın 50 milyon yıldır aynı” diyen birini görürseniz, yaşını neyle tayin ettiğini bir sorun, bu soruya “C-14 tarihlendirmesi tabi ki” diye kendinden emin bir cevap alabilirsiniz ama aşağıdaki tabloda da görebileceğiniz üzere C-14 tarihlendirmesi, C-14’ün yarılanma ömrü nedeniyle 50 milyon yıl için değil 50 bin yıl ve daha az yaşlar için belirleyici olarak kullanılabilir.

(Elementlerin simgeleri için periyodik tabloya bakın bakalım J My = milyon yıl, By = milyar yıl)

ana izotop      yavru izotop           yarı ömür         yararlı olduğu yaşlar        yararlı olduğu nesneler

Rb-87                  Sr-87                        47 By                        100 My                        Granitler

U-238                 Pb-206                     4.5 By                      >100 My                      Pek çok kaya

U-235                 Pb-207                      0.7 By                     >100 My                      Pek çok kaya

K-40                   Ar-40                        1.3 By                    >100.000 y                      Bazalt

Th-230               Ra-226                     75.000 y                 <400.000 y                     Mercanlar

C-14                   N-14                        5.780 y                   <50.000 y                    C içeren her şey

Ve dahası…

Efendim ben burada çok az bir kısmına (ve de paleoenvironment ile ilgili bir kısma) değinebildim ama bu izotop dünyası inanılmaz bir dünya. Arkeolojide, paleontolojide, tıpta, fizikte, genetikte, kimyada, astrobiyolojide, astronomide neredeyse aklınıza gelebilecek her yerde kullanılıyorlar. Biraz kimya seviyorsanız, bir kimya lisans eğitimiyle izotopların dünyasına adım atmakta fayda var 🙂 İster bir jeolojik devri bitiren meteoru  ya da marstaki kayaları çalışın, ister bir kuyruklu yıldızda yaşamın kökenine dair kalıntıları araştırın, ister bulduğunuz taş aletleri tarihlendirin. İzotop çalışacak olursanız bana da haber verin 🙂