A idade da vida, das rochas e da Terra

Somos curiosos quando crianças. Não devemos deixar essa curiosidade morrer quando crescemos. Parafraseando Neil deGrasse Tyson, os poucos que crescem e ainda são curiosos, viram cientistas.

Eu sempre fui uma criança curiosa. Não tanto no sentido de deixar minha mãe com vergonha ao me levar em visita à casa dos amigos dela (apesar de passar algum tempo estudando a estante da pessoa e ver um jeito de abrir a porta ou gaveta sem que as coisas caíssem e denunciassem minha presença), mas curioso do ponto de vista de querer entender porque o mundo era o que era.

Apesar de não-praticante, fui criado em uma família católica[1], e a bíblia era um dos livros expostos em casa[2]. Lá, o Gênesis se fazia presente e lá descobri sobre os ritos de criação do mundo que os católicos e cristãos em geral sabem de cor. Vi as provações que a humanidade e os animais passaram por causa do dilúvio e todas as dificuldades que a fuga do Egito causaram.

Entretanto, fui apresentado a outros livros com o passar do tempo. Esses livros mostravam outras coisas sobre as origens das coisas, a idade das coisas e a composição das coisas. Esses livros de ciências apontavam que a Terra não tinham alguns poucos milhares de anos, nem alguns milhões de anos: tinha bilhões. Esses livros mostraram que os animais e plantas e bactérias nem sempre estiveram aqui: eles tinham outras caras e formas e que passaram por processos evolutivos, como resposta as mudanças sofridas no ambiente.

Talvez, por não ter entendido direito sobre a evolução na época em que li, o que me chamou mais a atenção na época foi sobre a idade das coisas. Os caras sabiam dizer quantos anos tinham os fósseis que eles encontravam, as rochas que eles perfuravam e até mesmo a idade do planeta em que vivemos. Como assim?[3]

Os cientistas que realizam a datação de algum fóssil ou rocha usam do conhecimento científico sobre a natureza física e química que compõe as coisas para realizar esses procedimentos e descobrir a idade do objeto que ele está pesquisando. Um dos princípio-chave que esses cientistas usam é a meia-vida.

Meia-vida e a datação radioisotópica

Antes de tudo: leia as notas de rodapé, elas são importantes!

Nada é eterno na natureza. As coisas sempre mudam. Com os elementos químicos, acontece coisa semelhante. Apesar de alguns elementos químicos serem mais estáveis, muitos deles (sobretudo os radioativos), estão em mudança constante. Isso acontece pelo fato de alguns elementos estarem sempre emitindo energia para o meio externo. Essa energia jogada dos átomos que compõem esses elementos acabam modificando a estrutura física dos átomos, realmente o transformando em outros elementos.

Um dos exemplos mais conhecidos e mais utilizados em alguns ramos da ciência é a datação por carbono-14. O carbono existe em vários formatos na natureza - chamamos de isótopos -, sendo a mais estável (e a mais conhecida) o carbono-12. O carbono-12 possui em sua composição 6 prótons e 6 nêutrons[4] e 98,9% do carbono que existe na natureza é dessa forma. Ele é o que compõe eu, você e tudo que tem carbono nessa vida. Mas existe outros isótopos na natureza, menos comuns, como o carbono-14. Ele possui os mesmos 6 prótons, mas possui 8 nêutrons. Representando uma fração do carbono na natureza, ele ainda é um carbono e pode participar dos processos metabólicos dos organismos vivos.

Diferenças esquemática entre os núcleos dos átomos de carbono-12 e carbono-14. Os prótons (em amarelo) são constantes para cada elemento químico. As diferenças entre os nêutrons (roxo) são os responsáveis pela variedade de isótopos de um elemento químico. Tanto o carbono-12 como o carbono-14 são isótopos do elemento carbono.

O diferencial desse isótopo carbono-14 é que ele é instável. Isso significa que sua composição não permite mantê-lo da mesma forma para sempre. Com o tempo, a energia nesse sistema que mantém todos esses nêutrons a mais no carbono-14 cai naturalmente[5], em um processo radioativo chamado 'decaimento Beta'. Nessa forma de decaimento Beta, o carbon-14 emite radiação beta (nessa caso, um elétron energético) acompanhado de mais uma partícula leve (o antineutrino do elétron), como podemos ver no esquema abaixo:

Esquema do decaimento Beta minus do carbono-14. Com a transformação de um nêutron em próton, o elemento químico muda (já que temos um próton a mais agora), em um processo chamado transmutação nuclear. Assim, o carbono-14 transforma-se em nitrogênio-14, a forma estável do elemento nitrogênio. Nesse decaimento, ocorre liberação de radiação beta, na forma de elétron e de uma partícula chamada antineutrino do elétron.

Não entraremos em muitos detalhes, mas o mais importante aqui é que o carbono-14 transmuta um de seus nêutrons e um próton. Ao fazer isso, o que era seis prótons, passam a ser sete (assim como o que era oito nêutrons, passam a ser sete). Contudo, ao mudar a quantidade de prótons, o elemento químico muda. Assim, durante esse processo de decaimento beta, o carbono-14 se transforma em nitrogênio-14. Ao fazer isso, essa maçaroca de partículas se estabiliza.

Perceberam o que aconteceu aqui? Um elemento químico (o carbono) se transformou em outro (nitrogênio). Agora vem a melhor parte dessa história: apesar desse fenômeno acontecer de forma aleatória em um átomo individual, ele possui uma padrão temporal quando observamos esses átomos de carbono-14 em grupo. Sim, podemos estimar a quantidade do carbono-14 decaindo (virando nitrogênio) ao longo do tempo.

E aí que chegamos na meia-vida! A meia-vida é a quantidade de tempo em que um amontoado de um isótopo radioativo leva para decair e se tornar uma forma mais estável. O carbono-14, por exemplo, tem uma meia-vida de mais ou menos 5.730 anos. Ou seja, quando analisamos uma amostra, por exemplo, verificamos a quantidade de carbono-14 que ela apresenta. Se ela tiver cerca de metade do total que deveria ter, podemos supor que a amostra tem aproximadamente 5.730 anos! Não é demais!

Simplificação das etapas de meia-vida do carbono-14 em uma amostra de interesse. As bolas verdes em destaque do osso amostrado é apenas uma representação, já que não é assim que os pesquisadores estimam o isótopo radioativo da amostra, mas serve de apoio visual. Com o passar do tempo, a quantidade de carbono-14 que decaiu em nitrogênio aumenta, reduzindo a quantidade de carbono-14 na amostra em si. Depois de 5.730 anos, metade do carbono-14 ainda está presente (uma meia-vida). Passados mais 5.730 anos, a metade da metade original decaiu (segunda meia-vida). Isso ocorre de forma intermitente, até atingirmos níveis indetectáveis.

Com isso, podemos usar as diferenças entre a quantidade de carbono-14 esperada e o encontrado em um fóssil, por exemplo, e conseguiremos saber a idade daquilo que estamos trabalhando![6]

O carbono-14 é um dos mais conhecidos métodos de datação por meia-vida conhecidos, mas ele tem uma séria limitação: sua meia-vida é relativamente boa para datações curtas (usados na arqueologia, por exemplo, e em fósseis que suspeitamos serem novos (quando encontramos ossadas de algum cemitério antigo, por exemplo)), mas começa a pecar em datas muito antigas (acima de 40 a 50 mil anos). Além disso, o carbono-14 é sensível a contaminação do mundo moderno (já que testes e acidentes nucleares, por exemplo, podem criar mais carbono-14 em um determinado local do que o esperado, o que pode atrapalhar as análises).

Existem alguns isótopos que decaem tão rápido que simplesmente não podem ser usados para esse fim de datações longas. Alguns isótopos de boro, como o boro-18 (5 prótons e 13 nêutrons) são muito instáveis e decaem por volta de 30 nanossegundos, rápidos demais para serem usados em análises de fósseis e de rocha, por exemplo. Mas existem outros elementos, úteis em análises de rochas, como o plutônio-239 (94 prótons e 145 nêutrons), com meia-vida de mais de 24 mil anos. O urânio-235 (92 prótons e 143 nêutrons) tem meia-vida de mais de 703 milhões de anos, o que é muito útil para determinar com grande precisão a idade de rochas super antigas e até mesmo da própria Terra [7].

Ou seja, com o conhecimento sobre a natureza dos elementos químicos e radioativos, podemos mensurar com alto grau de confiabilidade, a idade das coisas antigas. Com isso, podemos reconstruir o passado da Terra, já que podemos construir um panorama detalhado e relacionar os fósseis que encontramos e colocá-los em uma linha coerente no tempo. Assim, misturando aquilo que eu comecei a entender quando criança com aquilo que ainda não entendia, podemos ver a evolução se formando diante de nós.

Por isso que, quando criança, achei isso uma das coisas mais incríveis que a ciência estava mostrando para mim. Entender a datação radioisotópica e como funciona o conceito de meia-vida, simplesmente metade dos problemas em entendermos sobre o passado da Terra somem.

Na realidade, ainda vejo como uma das coisas mais incríveis que a ciência tem para mostrar para gente! 

Rodapé:

[1]: sim, fiz comunhão e crisma e até mesmo cogitei a possibilidade de me tornar padre.

[2]: lembro de meu avô (in memoriam) lendo diariamente uma versão levemente surrada de uma bíblia que ele deixava exposta em seu quarto. Ganhei dele, na época, uma enorme bíblia, de capa dura preta e com o miolo com as bordas das folhas pintadas de dourado. Ricamente ilustrado, as primeiras dezenas de páginas continham reproduções de grandes obras de arte que ilustravam a vida de Cristo e, mais para o meio, mais ilustrações trazendo a Via Sacra. Com um português antes de 1960, o livro é um desafio para ser lido (mais pelo peso do que pela gramática em si).

[3]: isso surgiu depois de uma saudável discussão no laboratório - o qual eu desenvolvo meu doutorado - sobre várias coisas que os biólogos e o pessoal da ciências da vida adoram debater: sobre doenças, evolução e como as coisas são o que são. Num dado momento, estávamos falando sobre a idade das coisas e como isso tudo se encaixa na evolução. Nesse momento, me vi novamente na infância, com algum livro na mão descobrindo tudo isso.

[4]: apenas para refrescar a memória: os prótons são os responsáveis por identificar o elemento químico. Assim, o carbono sempre vai ter o mesmo número de prótons, independente do seu isótopo. Assim, o que determina as diferenças nos isótopos é a quantidade de nêutrons que ele possui.

[5]: existe toda uma explicação na física de partículas sobre essa perda de energia. De forma simplificada, ocorre uma mudança na força fraca, que mantém a estrutura atômica coesa. Com a mudança da força fraca, a quantidade dos quarks que compõem os nêutrons mudam, mudando-os para prótons. Durante esse processo, ocorre uma perda de energia em forma de partícula que, no caso do carbono-14, é liberado um elétron e um antineutrino de elétron.

[6]: o caso do carbono-14 é especial, já que sua forma estável é o nitrogênio-14, que é gasoso. Ou seja, ele não fica na amostra que estamos trabalhando. Contudo, os níveis de carbono-14 na natureza são estáveis (eles são gerados quando o nitrogênio recebe radiação cósmica em altas altitudes, por exemplo). Esse carbono é absorvido pelas plantas e entra no ciclo orgânico. Os animais mantém o carbono-14 ao ingerir as plantas ou animais que se alimentaram de plantas com carbono-14. Assim, ele se mantém estável e podemos mensurar a quantidade esperada em uma amostra. Ao morrerem, o carbono-14 para de ser reposto no organismo, e assim podemos estimar a data do fóssil baseado na quantidade restante de carbono-14 ainda detectável no organismo, quando comparamos com o níveis esperados se ele tivesse morrido na hora da análise.

[7]: a idade da Terra foi calculada usando dados tanto de amostras coletadas em diversos pontos do planeta como amostras que vieram das missões Apollo à Lua. Como a lua e os planetas (incluindo a Terra) tem origem na mesma massa de poeira que circundava o Sol, uma fonte externa ao planeta garantiu melhor veracidade aos dados, onde os cientistas descobriram que a Terra tem cerca de 4,54 bilhões de anos de idade.

Imagem que abre a postagem por Fruitmixer em seu deviantART. Demais imagens produzidas por mim, Wesley Santos, para o Do Nano ao Macro e protegidas por CC.