domingo, 11 de enero de 2015

Lo que dirán tus huesos (I)

Vista de un cráneo, Leonardo da Vinci (c. 1498)
Al público le interesan las ciencias forenses; desde Bones hasta CSI (Criminal Scene Investigation), dan a entender que muchas cosas pueden ser deducidas a partir de la evidencia que se encuentra en una escena del crimen: el último lugar en que estuvo, el lugar donde murió, su dieta, sus enfermedades, etcétera. Muchas cosas dejan huella en nosotros.

También la muerte deja su huella en nosotros y es posible saber muchas cosas del proceso de descomposición de un cadáver. A todos los procesos que ocurren después de la muerte de un organismo se les conoce como diagénsis. El proceso de diagénesis se aplica propiamente a las rocas sedimentarias y su formación, referidos a todos los cambios químicos, físicos y biológicos que experimenta un sedimento justo después de su depósito. En términos geológicos, en el momento en que un cadáver cae en el suelo, se convierte en un sedimento más y se verá afectado por los mismos factores ambientales que los sedimentos que lo rodean. Así pues, el término diagénesis se refiere a todo lo que sucedió al cadáver en su proceso de enterramiento. 


Muchas cosas pueden determinarse si se estudian los cambios que sufre el hueso una vez que es enterrado por millones de años. Por ejemplo, la composición química del hueso puede darnos información sobre nuestra edad, nuestras principales actividades, nuestras enfermedades o nuestra dieta.


¿Cómo analizar un hueso?

Los análisis de la paleodieta, es decir la dieta que solía tener el organismo cuyo cadáver vemos, suelen estar basados en análisis de la morfología esquelética, la estructura dentaria, las herramientas de piedra, artefactos culturales y la abundancia de registro de evidencias de alimento en el yacimiento. Sin embargo, los análisis que dependen de las variaciones de elementos traza (elementos que en la corteza se encuentran en pocas concentraciones) y su composición isotópica estable de las fases inorgánica (minerales de hidroxiapatita que dan rigidez al hueso) y orgánica (colágeno) del hueso fósil dependen de la alteración postmortem de los ratios de 87Sr/86Sr (estroncio 87-86), 13C/12C (carbono 13-12), 18O/16O  (oxígeno 16-18) y 15N/14N (nitrógeno 15-14).

Para poder entender estas alteraciones diagenéticas en el hueso se realizó en el año 1986 por Nelson y colaboradores un estudio comparativo con huesos de animales que tenían dietas marinas y terrestres en Groenlandia. Para este estudio se emplearon los huesos de Rangifer tarandus (reno), Ovibos moschatus (buey almizclero), Ovis/Capra (oveja o cabra, ya que los huesos no pudieron ser asignados más específicamente), Phoca vitulina (Foca común), Pagophilus groenlandicus (Foca pía) y Phoca sp. (Foca), que eran huesos exhibidos como especímenes de museo y que antes habían sido encontrados vivos en costas del suroeste de Groenlandia. Se compararon con organismos prehistóricos (con entre 610 y 5470 años de antigüedad, Pleistoceno) excavados cerca de la misma localidad de donde se obtuvieron los ejemplares recientes.


Los isótopos son variaciones del número de neutrones de átomos del
 mismo elemento, por ejemplo, en el hidrógeno existen tres isótopos: el protio,
cuando el hidrógeno no tiene neutrones, el deuterio, cuando tiene un neutrón, y el
tritio, cuando tiene dos. Dependiendo de las condiciones, uno u otro de estos
isótopos formará parte de las moléculas.
El objetivo del estudio fue probar la alteración diagenética de la mayoría de los marcadores isotópicos más comunes para la identificación de dietas, mencionados estos anteriormente y que se encuentran en el colágeno del hueso. En huesos frescos reflejan ciertos aspectos de la dieta de los animales modernos y de ahí que tenga tal utilidad en la reconstrucción de una dieta.

La concentración de estroncio en huesos recientes está determinada por los procesos de incorporación metabólica, de modo que los estudios a partir del colágeno del hueso han sido más fructíferos. El uso predominante de estroncio en huesos prehistóricos se ha usado para la determinación de una abundancia relativa entre plantas y carne en una dieta, determinando así si es marina o terrestre. Esto genera ratios 87Sr/86Sr (ambos isótopos son estables, no radiactivos) diferentes en una alimentación marina y terrestre. Los resultados han confirmado que la concentración y composición isotópica de estroncio en hueso reciente puede ser usado para determinar la utilización relativa de fuentes de alimentación marina o terrestre en diferentes localizaciones geológicas.

Los ratios de carbono y nitrógeno aplicados en colágeno fresco y en el carbonato que compone la matriz ósea de la hidroxiapatita del hueso también demostraron ser significativos para la dieta de los animales. 

Para los individuos que subsisten de alimentación herbívora, los ratios de carbono permiten determinar si la alimentación vegetariana era a base de plantas C3, C4 o CAM (diferentes tipos de almacenar el carbono durante la fotosíntesis), mientras que los ratios de nitrógeno permiten hacer la distinción entre una dieta a base de legumbres o no. Ambos permiten, por lo tanto, establecer una distinción entre dietas marinas y terrestres.
Foto panorámica de la ciudad de Nuuk, en el fiordo de Godthab.

Si bien en el colágeno se pueden realizar discriminaciones precisas, la relación entre la dieta y la composición oxigénica del carbonato de apatita en el hueso (la parte mineral o inorgánica) no está clara. El carbonato puede ser precipitado en equilibrio isotópico con el agua hematopoyética (agua que se encuentra en el plasma sanguíneo). La composición isotópica del agua sanguínea puede ser un indicativo de la ingesta de agua, pero el ratio de oxígeno puede variar debido a diversos factores.

Los huesos de organismos con dietas terrestres actuales tienen concentraciones más bajas de estroncio y más ratios radiogénicos para 87Sr/86Sr que los que se alimentan de modo marino. Este contraste no se ha preservado en muestras prehistóricas, lo que muestra un completo traslape de la concentración y composición isotópica de los huesos de los tipos de animales. Los análisis de difracción de rayos X y espectroscopia infrarroja indican que la alteración de la concentración de Sr y composición isotópica en huesos prehistóricos se debe probablemente a un intercambio completo con el agua subterránea.

Los isótopos de oxígeno en el carbonato de apatita y sus ratios respectivos tampoco mostraron hacer la determinación entre los dos tipos de dieta, la marina y la terrestre.

Los isótopos de C y sus ratios (δ) para el carbonato de apatita tampoco mostraron una diferencia discriminatoria para animales de alimentación terrestre y marina en los ejemplares modernos. Aun así, los rangos de apatita con δ13C en huesos prehistóricos están más dispersos que en las muestras modernas para ambos grupos, sugiriendo que una alteración ha ocurrido. Los valores de δ13C y δ15N en el colágeno en los huesos modernos, que son distintivamente más diferentes para los dos tipos de alimentación, y esa distinción se preserva para los ejemplares prehistóricos.

Esto implica que las alteraciones postmortem son mayores en la fase inorgánica del hueso, la mineral, mientras que son marcadores distintivos para la fase orgánica compuesta de colágeno. Por lo que para la fase inorgánica se debe tener un tanto más de reparo en todos los yacimientos. El colágeno probó ser resistente a la alteración, por lo que el proceso de diagénesis afecta en mayor parte a la porción mineral que a la orgánica. Los análisis, sin embargo, se restringen a la existencia de colágeno en el hueso, por lo que en los huesos fósiles con un recambio completo que haya desaparecido la parte orgánica del material no es posible realizar estos análisis. No es tan desalentador si se considera que en años recientes se han encontrado proteínas de colágeno en fósiles tanto de mastodontes como de dinosaurios.


Mapa fisiográfico de Groenlandia. Los huesos analizados provienen del fiordo de Nuuk (Godthab).



Referencias
  1. Nelson, B. K., DeNiro, M. J. Schoeninger, M. J., De Paolo, D. J. (1986) Effects of diagenesis on strontium, carbon, nitrogen and oxygen concentration and isotopic composition of bone. Pergamon Journals Ltd. USA. Geochimica et Cosmochimica Acta. Vol. 50 pp. 1941-1949.