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¿Te imaginas poder conocer los hábitos alimenticios de organismos que murieron hace miles o millones de años solo con una muestra de alguno de sus huesos como los dientes? La biogeoquímica isotópica podría ayudar a los paleontólogos a la comprensión de este y muchos otros aspectos. 

En paleontología ha utilizado ampliamente el análisis de isótopos estables de algunos elementos en restos fósiles pertenecientes principalmente a megafauna y homínido; en conjunto con otras técnicas, ayudan de manera importante a mejorar la interpretación de los organismos en cuestión, desde hábitos alimenticios hasta la identificación de posibles migraciones. Los usos del análisis de isótopos estables son tan numerosos y extensos que solo abarcaremos algunas aplicaciones.

Los elementos con el mismo número de protones, pero con diferente número de neutrones son comúnmente llamados isótopos (Aston, 1922; Fry, 2006). Esta diferencia en los pesos atómicos, provoca cambios en las propiedades físicas y químicas de las moléculas (Craig, 1953), por ejemplo, las moléculas más ligeras tienden a formar enlaces más débiles y a reaccionar más rápido que las más pesadas; esto ocasiona diferencias en la abundancia de los diferentes isótopos en la naturaleza y en los organismos (Attendorn y Bowen, 2012; Higgins, 2018; Hoefs, 2018). 

El análisis de las relaciones isotópicas de algún elemento en muestras obtenidas  muchas veces de huesos o piezas dentales se realizan en laboratorios especializados utilizando principalmente espectrómetros de masas; en México, la Universidad Nacional Autónoma de México (UNAM) posee el Laboratorio de Isótopos Estables del Laboratorio Nacional de Geoquímica y Mineralogía (LANGEM), ubicado en el Instituto de Geología, donde se realizan determinaciones de abundancia isotópica con los estándares internacionales de los elementos: carbono, hidrógeno, oxígeno y nitrógeno.

En paleontología comúnmente se analizan las relaciones isotópicas del oxígeno (¹⁶O/¹⁸O), del carbono (¹²C/¹³C) y del nitrógeno (¹⁴N/¹⁵N),  los cuales serán herramientas clave para  comenzar un emocionante e importante análisis del comportamiento de los organismos fósiles hallados, por su puesto sin dejar a un lado la tafonomía, los antecedentes de la especie o especies estudiadas y las evidencias físicas encontradas en los fósiles obtenidos. 

Es importante mencionar que no todos los tejidos son preservados a través del tiempo, en yacimientos fósiles los tejidos encontrados son también los que tienen menos probabilidad de ser afectados por procesos diagenéticos; los tejidos mineralizados de los vertebrados como los huesos, esmalte dental y la dentina, tienen una gran resistencia a la diagénesis postmortem (aproximadamente hasta 10⁸ años) (Koch 2007), por lo que todos los huesos, incluyendo los dientes serán los restos más utilizados para los análisis isotópicos.

Preferencia dietética: ¿Plantas C3 o C4?

El CO₂ atmosférico es obtenido y procesado por las plantas para obtener energía mediante una de las tres vías fotosintéticas, la vía C3 (Ciclo de Calvin-Benson), La via C4 (Hatch-Slack) y la via CAM (Metabolismo Ácido Crasuláceo) (Bender, 1971; Koch, 1998). Las moléculas ingresadas de dióxido de carbono contienen  principalmente dos isótopos estables, ¹²C y ¹³C, por lo que las proporciones de estos dos se verán reflejados en los tejidos de las plantas (Farquhar et al., 1989; Ordóñez y Masera, 2001), y las cuales mostraran diferencias isotópicas evidentes entre las tres vías fotosintéticas (Osmond et al., 1973; Nalborczyk et al., 1975; O´Leary, 1981,1988); Así mismo, los mamíferos herbívoros mostraran en sus tejidos las relaciones isotópicas del carbono de la vía fotosintética de la planta consumida (DeNiro y Epstein, 1978; Koch, 1991,1994; Cerling et al., 1997).

Por si fuera poco, se ha observado que organismos que habitaban  zonas cerradas como bosques densos exhiben evidentes diferencias a los que habitaban lugares abiertos como pastizales (Vogel, 1978; Van der Merwe y Medina, 1991; Bonafini et al., 2013). Así mismo, estas relaciones isotópicas podrían rastrearse también en los carnívoros, que, en conjunto con otras evidencias morfológicas y tafonómicas ofrecen la posibilidad de una reconstrucción depredador-presa (Palmqvist et al., 2008)

¿Herbívoros o carnívoros? 

El nitrógeno también es principalmente adquirido por los mamíferos por medio de la alimentación, en el colágeno óseo y la dentina bien preservados es posible realizar un análisis isotópico del nitrógeno (DeNiro y Epstein, 1978); este análisis ha hecho posible entre muchas otras cosas, la reconstrucción de niveles tróficos en comunidades de mamíferos adultos fósiles, ya que se han observado diferencias sustanciales por cada paso hacia arriba de estos niveles (DeNiro y Epstein, 1981; Bocherens y Drucker, 2003). 

Agua ingerida y migración. Los isótopos estables de oxígeno comúnmente estudiados que contienen las moléculas de agua son, ¹⁶O y ¹⁸O; existen variaciones naturales en la abundancia de estos isótopos en las diferentes fuentes de agua de la superficie de la Tierra, estas variaciones están controladas principalmente por: la salinidad, altitud, longitud, precipitación, estacionalidad, evaporación y condensación (Epstein et al., 1951; Epstein y Mayeda, 1953; Rozanski y Araguás-Araguás, 1995). De manera que analizando los oxígenos provenientes de fosfatos y carbonatos en huesos y piezas dentales es posible observar diferencias en las fuentes de agua de donde ingirieron este líquido, y por lo tanto identificar a organismos provenientes de lugares geográficos diferentes, lo cual podría dar pauta a hipótesis de posibles migraciones.

Referencias

1. Aston, F.W. (1922). Isotopes. London, E. Arnold & Co.
2. Attendorn, H.G., Bowen, R. (2012). Radioactive and stable isotope geology. India, Springer science and business media.
3. Bender, M. M. (1971). Variations in the ¹³C/¹²C ratios of plants in relation to the pathway of photosynthetic carbon dioxide fixation. Phytochemistry. 10(6):1239-1244. 
4. Bocherens, H., Drucker, D. (2003). Trophic level isotopic enrichment of carbon and nitrogen in bone collagen: case studies from recent and ancient terrestrial ecosystems. International journal of osteoarchaeology. 13(1-2), 46-53
5. Bonafini, M., Pellegrini, M., Ditchfield, P., Pollard, A. M. (2013).Investigation of the ‘canopy effect’ in the isotope ecology of temperate woodlands. Journal of Archaeological Science. 40(11), 3926-3935. 
6. Cerling, T. E., Harris, J. M., Ambrose, S. H., Leakey, M. G., Solounias, N. (1997). Dietary and environmental reconstruction with stable isotope analyses of herbivore tooth enamel from the Miocene locality of Fort Ternan, Kenya. Journal of Human Evolution. 33(6), 635-650. 
7. Craig, H. (1953). The geochemistry of the stable carbon isotopes. Geochimica et cosmochimica acta. 3(2-3), 53-92.
8. DeNiro, M. J., Epstein, S. (1978). Influence of diet on the distribution of carbon isotopes in animals. Geochimica et cosmochimica acta. 42(5), 495506. 
9. DeNiro, M. J., Epstein, S. (1981). Influence of diet on the distribution of nitrogen isotopes in animals. Geochimica et cosmochimica acta. 45(3), 341-351.
10. Epstein, S., Buchsbaum, R., Lowenstam, H., Urey, H. C. (1951). Carbonate-waterisotopic temperatura scale. Geological Society of America Bulletin. 62(4), 417-426
11. Epstein, S., Mayeda, T. Variation of ¹⁸O content of waters from natural sources. (1953). Geochimica et cosmochimica acta. 4.5, 213-224.
12. Farquhar, G. D., Ehleringer, J. R., Hubick, K. T. (1989). Carbon isotope discrimination and photosynthesis. Annual review of plant biology. 40(1), 503-537. 
13. Fry, B. (2006). Stable isotope ecology. New York, Springer.
14. Higgins, P. (2018). Isotope ecology from biominerals. En: Croft D., Su, D., Simpson, S. Methods in Paleoecology. Vertebrate Paleobiology and Paleoanthropology. Cham, Springer. 99-120. 
15. Hoefs, J. (2018). Stable isotopes geochemistry. Berlin, springer.
16. Koch, P. L. (1994). Tracing the diets of fossil animals using stable isotopes. Stable isotopes in ecology and environmental science. 63-92. 
17. Koch, P. L. (1998). Isotopic reconstruction of past continental environments. Annual Review of Earth and Planetary Sciences. 26(1), 573-613.
18. Koch, P. L. (2007). Isotopic study of the biology of modern and fossil vertebrates. En:  Michener, R., Lajtha, K. Stable isotopes in ecology and Environmental Science. Boston, Blackwell Publishing. 99-154.  
19. Koch PL., Behrensmeyer AK., Fogel ML. (1991). The isotopic ecology of plants and animals in Amboseli National Park, Kenya. Annual Report of the Director of the Geophysical Laboratory, Carnegie Institution of Washington 1990-1991. 163-171. 
20. Nalborczyk, E., LaCroix, L. J., Hill, R. D. (1975). Environmental influences on light and dark CO2 fixation by Kalanchoe daigremontiana. Canadian Journal of Botany. 53(11), 1132-1138. 
21. O´Leary, M.H. (1988), Carbon isotopes in photosynthesis: Bioscience. 38, 328-336.
22. O’Leary, M. H. (1981). Carbon isotope fractionation in plants. Phytochemistry. 20(4), 553-567. 
23. Ordóñez, J. A. B., Masera, O. (2001). Captura de carbono ante el cambio climático. Madera y bosques. 7(1), 3-12. 
24. Osmond, C.B., Allaway, W.G., Sutton, B.G., Troughton, J.H., Queiroz, O., Lüttge, U., Winter, K. (1973). Carbon isotope discrimination in photosynthesis of CAM plants. Nature. 246: 41-42. 
25. Palmqvist, P., Pérez-Claros, J. A., Janis, C. M., Gröcke, D. R. (2008). Tracing the ecophysiology of ungulates and predator–prey relationships in an early Pleistocene large mammal community. Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology. 266(1-2), 95-111. 
26. Rozanski, K., Araguás-Araguás, L. (1995). Spatial and temporal variability of stable isotope composition of precipitation overthe South American continent. Bulletin de l’Institut Français d’études Andines. 24(3): 379-390. 
27.  Van der Merwe, N. J., Medina, E. (1991). The canopy effect, carbon isotope ratios and foodwebs in Amazonia. Journal of Archaeological Science. 18(3): 249-259.
28. Vogel, J.C., (1978). Recycling of CO₂ in a forest environment. Oecologia Plantarum. 13: 89-94.