V minulom článku sme sa zaoberali draslíkom-40, ktorý je význačným rádioaktívnym zdrojom v našom tele. Okrem neho je tiež takým dôležitým zdrojom, druhým v poradí aj rádioaktívny uhlík-14 (po latinsky a anglicky “Carbon, teda značka C”), s polčasom rozpadu 5730 rokov, ktorý sa fakticky nedá eliminovať, a ktorý tiež naše telo obsahuje. Dnes si pohovoríme o ňom.
Uhlík má priemerné zastúpenie v ľudskom organizme 18%. Zdrojom uhlíka pre živú prírodu je atmosférický oxid uhličitý, ktorý rastlinné organizmy v priebehu fotosyntézy menia na organické zlúčeniny. Ľudské telo obsahuje cca 12,6 kg uhlíka, je súčasťou a tvorí kostru každej organickej zlúčeniny.
Je známe, že Zem je nepretržite ožarovaná kozmickými časticami. Nebyť atmosféry, ktorá prepúšťa na zemský povrch len malú časť kozmického žiarenia, život na Zemi by bol sotva možný.
Vznik a tvorba uhlíka v atmosfére
Uhlík-14 je produkovaný v hornej troposfére a stratosfére tepelnými neutrónmi absorbovanými atómami dusíka. Keď kozmické žiarenie vstupuje do atmosféry, prechádza rôznymi transformáciami, vrátane produkcie neutrónov. Z rôznych jadrových reakcií prebiehajúcich v horných vrstvách atmosféry nás teraz zaujíma len jedna – a to zachytávanie neutrónov atómami dusíka, pri ktorom je z jadra emitovaný jeden protón:
14-N + n → 14-C + p.
Najvyššia miera produkcie uhlíka-14 prebieha vo výškach 9 až 15 kilometrov a vo vysokých geomagnetických šírkach.
Rýchlosť produkcie 14-C sa dá modelovať, čím sa získajú hodnoty od 16 400 do 18 800 atómov zo 14-C za sekundu na meter štvorcový zemského povrchu, čo je v súlade s globálnym uhlíkovým rozpočtom, ktorý možno použiť na spätné sledovanie, ale pokusy o meranie výrobného času priamo in situ neboli veľmi úspešné.
Rýchlosť jeho produkcie sa tiež líši v dôsledku zmien toku kozmického žiarenia spôsobených heliosférickou moduláciou (slnečný vietor a slnečné magnetické pole) a má veľký význam v dôsledku zmien magnetického poľa Zeme. Zmeny v uhlíkovom cykle však môžu sťažiť izoláciu a kvantifikáciu takýchto účinkov.
Existujú aj historické výnimky v sledovaní, napríklad sú dôkazy o nezvyčajne vysokej rýchlosti produkcie C-14 v rokoch 774 – 775 (červená línia na obrázku), čo bolo spôsobené mimoriadnou slnečnou aktivitou - extrémnym tokom slnečných energetických častíc, najsilnejšou udalosťou, aká sa vyskytla za posledných desať tisícročí.
Ďalší „mimoriadne veľký“ nárast 14-C (až 2 %) bol spojený s udalosťou z roku 5480 pred Kristom, ktorého dôvod však nie je doteraz dobre objasnený a je (zatiaľ) nepravdepodobné, že by išlo o mimoriadnu slnečnú energetickú aktivitu.
Uhlík-14 môže byť produkovaný aj bleskom, ale v porovnaní s produkciou z kozmických lúčov je toto množstvo zanedbateľné. Doterajšie skúmanie ukazuje, že miestne účinky tvorby C-14 výbojov z mrakov sú možno aj významné, ale zatiaľ sú nejasné….
Uhlík-14 môže vznikať aj inými neutrónovými reakciami, vrátane najmä 13-C(n,γ)14-C a 17-O(n,α)14-C s tepelnými neutrónmi a 15-N(n,d)14-C a 16-O(n,3He)14-C s rýchlymi neutrónmi. C-14 môže byť napríklad vytváraný umelo aj v jadrovom reaktore pomocou tepelných neutrónov.
Ďalším zdrojom uhlíka-14 sú aj vetvy rozpadu klastra zo stôp prirodzene sa vyskytujúcich izotopov rádia, hoci tento spôsob rozpadu má pomer vetvenia veľmi nízky - rádovo iba 10*-8 v pomere k rozpadu alfa, takže takýto rádiogénny uhlík-14 je extrémne zriedkavý.
Ako je všeobecne známe, jadro tvorí nepodstatnú časť objemu atómu, a preto sa neutróny aj pri vysokej hustote toku do jadra dostávajú len zriedka a priemerne sa na 1 cm2 zemského povrchu vytvorí za 1 s len 2,4 jadier 14-C.
Ak vezmeme do úvahy povrch Zeme, ukáže sa, že každý rok sa v atmosfére vytvorí približne 8 kg tohto nuklidu Zem existuje už miliardy rokov a ak by boli jadrá 14-C stabilné, ich hmotnosť na Zemi by bola desiatky miliónov ton. Nuklid 14-C je však rádioaktívny a neustále sa rozkladá. Celkovo je teda na Zemi asi 60 ton rádioaktívneho uhlíka, z čoho sa ročne rozpadne 8 kg - rovnaké množstvo, ako sa vytvorí (v tomto prípade sa hovorí o rádioaktívnej rovnováhe). Pre našu Zem je 60 ton extrémne malé množstvo. V atmosférickom oxide uhličitom je teda množstvo rádioaktívneho uhlíka v priemere len asi 1 tona alebo 3,10–11 % „obyčajného“ atmosférického uhlíka (12-C + 13-C); zvyšok rádioaktívneho uhlíka je väčšinou rozpustený v oceánskej vode.
Uhlík-14, (C-14, 14-C) alebo rádioaktívny uhlík, je rádioaktívny izotop uhlíka s atómovým jadrom obsahujúcim 6 protónov a 8 neutrónov.
Uhlík-14 objavili 27. februára 1940 Martin Kamen a Sam Ruben v laboratóriu žiarenia Kalifornskej univerzity v Berkeley v Kalifornii. Jeho existenciu však predpokladal Franz Kurie už v roku 1934.
Na Zemi sú tri prirodzene sa vyskytujúce izotopy uhlíka:
- uhlík-12 (12-C), ktorý tvorí 99 % všetkého uhlíka na Zemi;
- uhlík-13 (13C), ktorý tvorí 1 %; a
- uhlík-14 (14C), ktorý sa vyskytuje v stopových množstvách a tvorí asi 1-1,5 atómu na 10*12 atómov uhlíka v atmosfére.
Izotopy uhlíka 12-C a 13-C sú stabilné; 14-C je nestabilný, s polčasom rozpadu 5700 ± 30 rokov. Uhlík-14 má špecifickú aktivitu 62,4 mCi/mmol (2,31 GBq/mmol) alebo 164,9 GBq/g. Uhlík-14 sa rozkladá na dusík-14 (14-N) a to prostredníctvom beta rozpadu. Gram uhlíka obsahujúci 1 atóm uhlíka-14 na 10*12 atómov emituje ~0,2 beta (β) častíc za sekundu. Primárnym prírodným zdrojom uhlíka-14 na Zemi je pôsobenie kozmického žiarenia na dusík v atmosfére, a ide preto o tzv. kozmogénny nuklid.
Atmosférické (nadzemné) jadrové testy, ku ktorým došlo v niekoľkých krajinách v rokoch 1955-1980, dramaticky zvýšili množstvo 14-C v atmosfére a následne v biosfére; po skončení testov začala atmosferická koncentrácia izotopu klesať, pretože rádioaktívny CO2 bol fixovaný v rastlinnom a živočíšnom tkanive a rozpustený v oceánoch. Začiatkom 21. storočia sa koncentrácia takmer vrátila na predchádzajúcu úroveň.
Ako sme spomenuli - uhlík-14 sa tvori aj vo vode vo varných jadrových reaktoroch (BWR) a tlakovodných reaktoroch (PWR, resp. VVER). Okrem toho je uhlík-14 vytváraný aj pri výrobe jadrového paliva (časť v dôsledku transmutácie kyslíka v oxide uránu, ale hlavne z transmutácie nečistôt dusíka-14), ale je blokovaný vo vnútri (paliva). Keď je však vyhorené palivo poslané na jadrové prepracovanie, potom je 14-C uvoľnený, a vypustený napr. napríklad ako CO2 počas procesu PUREX.
Väčšina novovytvorených atómov 14-C bude mať dlhú životnosť – mnoho tisíc rokov. Po vytvorení sa takmer okamžite oxidujú vo vzduchu na 14-CO a potom v priebehu niekoľkých týždňov na 14-CO2, ktorého molekuly sa rovnomerne zmiešajú so vzduchom. Atmosférický oxid uhličitý je potom hlavným zdrojom uhlíka, ktorý je vo veľkom množstve absorbovaný rastlinami v procesoch fotosyntézy. Takto sa následne rádiokarbón dostáva do biosféry.
Živočíchy sa živia rastlinami, takže všetka živá organická hmota obsahuje rádioaktívny uhlík, hoci v zanedbateľných množstvách (1,18·10–14 % v porovnaní s uhlíkom-12). Jeho dlhá životnosť tu navyše prispieva k jeho rovnomernému rozloženiu.
Veľmi dôležité je, že v dôsledku metabolických procesov prebiehajúcich v živej prírode zostáva obsah 14-C v rastlinách a živočíchoch počas ich života konštantný (hoci sa v rôznych rastlinách môže líšiť). No akonáhle sa výmena s okolím zastaví, obsah rádiokarbónu začne veľmi pomaly klesať – každých 5730 rokov o polovicu. Rádiokarbón je tiež súčasťou anorganických zlúčenín, ktoré sú rozpustené vo vode morí a oceánov, v podzemnej vode a sú vo výmennej rovnováhe s atmosférickým oxidom uhličitým. Ide najmä o rozpustné hydrouhličitany, na ktoré sú minerálne vody také bohaté. No akonáhle sa výmena zastaví (napríklad uhlík sa stal súčasťou minerálu), deje sa to isté, čo v živej prírode po smrti organizmu – obsah 14-C v bežnom uhlíku začne časom klesať.
Podrobné skúmanie vzorcov vzniku a rozpadu rádiokarbónu umožnilo americkému fyzikálnemu chemikovi Willardovi Frankovi Libbymu (1908 – 1980) koncom 40-tych rokov urobiť výnimočný objav a o niekoľko rokov neskôr dostal Nobelovu cenu za chémiu „za vyvinutie metódy za použitie uhlíka-14 na určenie veku v geológii, geofyzike a iných oblastiach vedy."
Rôzne izotopy uhlíka sa svojimi chemickými vlastnosťami výrazne nelíšia. Táto podobnosť sa využíva v chemickom a biologickom výskume v technike nazývanej značenie uhlíka: vtedy sa atómy uhlíka-14 môžu použiť na nahradenie nerádioaktívneho uhlíka, aby bolo možné sledovať chemické a biochemické reakcie zahŕňajúce atómy uhlíka z akejkoľvek danej organickej zlúčeniny.
Uhlík-14 v ľudskom tele
Pretože mnohé zdroje ľudskej potravy sú v konečnom dôsledku odvodené od suchozemských rastlín, relatívna koncentrácia 14-C v ľudskom tele je takmer totožná s relatívnou koncentráciou v atmosfére. Rýchlosti rozpadu draslíka-40 (40-K) a 14-C v normálnom dospelom tele sú porovnateľné (niekoľko tisíc rozpadov za sekundu). Beta rozpady z externého (environmentálneho) rádiokarbónu prispievajú asi 0,01 mSv/rok (1 mrem/rok) k dávke ionizujúceho žiarenia každého človeka. V porovnaní s dávkami od draslíka 40-K (0,39 mSv/rok) a radónu (variabilné) je to veľmi málo.
Vráťme sa však teraz opäť k nášmu „priemernému“ človeku a vypočítajme rýchlosť rozpadu rádiokarbónu v jeho tele. Je známe, že v 1 g prírodného „živého“ uhlíka sa za minútu vyskytne 15,3 rozpadu 14-C. Táto nízka aktivita (oveľa menšia ako pozadie) veľmi sťažovala merania pomocou počítadiel, takže na presné určenie obsahu rádioaktívneho uhlíka sa teraz používajú hmotnostné spektrometrické metódy. Osoba s hmotnosťou 70 kg obsahuje asi 14 kg uhlíka. V dôsledku toho sa v ňom za minútu rozpadne 15,3 103 × 70 = 1,07 10*6 atómov a za rok 5,63 10*11 atómov 14-C, čo je hodnota rovnakého rádu ako pre 40-K atómov (samozrejme, je to náhodná zhoda). Uvoľnená energia však nie je taká veľká.
Uhlík-14, podobne ako draslík-40, podlieha β-rozpadu, ale s výrazne nižšou energiou - iba 0,156 MeV = 0,156 106 eV. Vyžiarením elektrónu a elektrónového antineutrína sa jeden z neutrónov v uhlíku-14 rozpadne na protón a uhlík-14 (s polčasom rozpadu 5700 ± 30 rokov) sa rozpadne na stabilný (nerádioaktívny) izotop dusíka -14. To znamená, že celková energia všetkých β-častíc sa rovná 0,156·10*6 × 1,6·10–19 × 5,63·10*11 = 0,014 J alebo 0,2 mSv. Celková dávka z „vnútorného“ žiarenia bude 0,36 + 0,2 = 0,56 mSv, teda prakticky rovnaká ako z vonkajších zdrojov! Treba však poznamenať (a do je dôležité), že mäkké rádiouhlíkové žiarenie je úplne zadržané v tkanivách, zatiaľ čo energetickejšie častice emitované 40K atómami môžu byť čiastočne vymrštené z tela. Ako je obvyklé pri beta rozpade, takmer všetku energiu rozpadu odnesie beta častica a neutríno. Ako sme spomenuli, emitované beta častice majú maximálnu energiu asi 156 keV, pričom ich vážená stredná energia je 49 keV. Ide o relatívne nízke energie; maximálna prejdená vzdialenosť sa odhaduje na 22 cm vo vzduchu a 0,27 mm v telesnom tkanive. Podiel žiarenia preneseného cez odumretú vrstvu kože sa odhaduje na 0,11. Malé množstvá uhlíka-14 nie sú ľahko detekované typickými Geiger-Müllerovými (G-M) detektormi; odhaduje sa, že G-M detektory normálne nezistia kontamináciu menšiu ako asi 100 000 rozpadov za minútu (0,05 μCi). Uprednostňovanou metódou sú teda kvapalinové scintilačné počítanie, aj keď nedávno sa metódou voľby stala hmotnostná spektrometria s urýchľovačom; tá totiž počíta všetky atómy uhlíka-14 vo vzorke a nie len tých pár, ktoré sa náhodou počas meraní rozložia; možno ho preto použiť s oveľa menšími vzorkami (takými malými ako jednotlivé semená rastlín) a poskytuje výsledky oveľa rýchlejšie. Účinnosť počítania G-M sa odhaduje na 3 %. Vrstva polovičnej vzdialenosti vo vode je 0,05 mm.
Uhlík 14-C je možné použiť ako rádioaktívny indikátor v medicíne.
Rádioaktívne značenie uhlíkom-14 je poprednou aplikáciou rádioaktívne značených zlúčenín je štúdium absorpcie, distribúcie a metabolizmu u ľudí. Zber údajov je kritický, pretože definuje funkciu a účinnosť konkrétneho lieku prostredníctvom jeho rýchlosti metabolizmu. Hoci prítomnosť uhlíka-14 nemá žiadny významný vplyv na biologické vlastnosti liečiv, výskumníci vidia výsledky v absorpcii. Výskumníci používajú uhlík-14 aj na izotopové značenie molekúl na testovanie bezpečnosti a účinnosti liekov v ľudskom tele. Rádioaktívne značenie môže odhaliť novšie metabolické dráhy alebo sledovať cestu metabolizmu nových farmaceutických molekúl. Okrem toho je C-14 populárny, pretože poskytuje stabilnú polohu uhlíka na akejkoľvek vybranej molekule. Uhlík-14 sa ľahko deteguje pomocou štandardných techník. Vo farmaceutickom sektore v oblasti medicíny príprava vlastných rádioaktívne značených aktívnych farmaceutických prísad (API) koreluje s úspechom klinických skúšok.
Napríklad sa používa v počiatočnom variante močovinového dychového testu, diagnostického testu na Helicobacter pylori, keď sa pacientovi podáva močovina označená asi 37 kBq (1,0 μCi) 14-C (t. j. 37 000 rozpadov za sekundu). V prípade infekcie Helicobacteru pylori bakteriálny enzým ureázy rozkladá močovinu na amoniak a na rádioaktívne (o)značený oxid uhličitý. Tento je potom monitorovaný a vyhodnotený pomocou nízkoúrovňového počítača z dychu pacienta.
Ako vidíme, celkový počet vysoko energetických častíc emitovaných v ľudskom tele nuklidmi 40-K a 14-C počas roka sa blíži až k biliónu (10*12). A v našom tele je asi sto biliónov buniek. Tu treba opäť však vziať do úvahy, že sme vypočítali iba „vnútorné“ častice, pričom človek je vystavený aj vonkajšiemu žiareniu. Ešte dôležitejšie je, že jedna vysoko energetická častica môže spôsobiť aj celú kaskádu transformácií a ovplyvniť viac ako jednu bunku.
Ako to teda je? Môžeme bez uhlíka (14) vôbec žiť? Alebo inak, je uhlík pre náš život vôbec potrebný?
Odpoveď je veľmi ľahká a priezračne jasná:
Život na Zemi by bez uhlíka nebol možný. Je to čiastočne kvôli schopnosti uhlíka ľahko vytvárať väzby s inými atómami, čo dáva flexibilitu forme a funkcii, ktorú môžu mať bio molekuly, ako napríklad DNA a RNA, ktoré sú nevyhnutné pre definujúce vlastnosti života: rast a replikáciu. Okrem toho napríklad tiež nemôžeme žiť bez oxidu uhličitého. Oxid uhličitý (alebo CO2) je nevyhnutnou súčasťou kolobehu života. Bez CO2 rastliny vymrú a bez rastlín by bol biologický potravinový reťazec Zeme definitívne prerušený.
Jednoducho bez uhlíka nemôžeme žiť.
Čo na záver?
Môžeme teda konštatovať, že všetci máme v sebe vnútorné rádioaktívne žiarenie (teda všetci sme rádioaktívni).
Je to hlavne od rádioaktívneho draslíka-40 a uhlíka-14, ktoré máme vo svojom tele už od narodenia, a preto sa nielen my sami seba zvnútra ožarujeme, ale vystavujeme žiareniu od nás aj iných. Nie je to pre všetkých ľudí úplne rovnaké (tak ako sa hovorí – že “všetci sme rovnakí, ale každý sme iný…”), v tej v dávke od jednej osoby k druhej sú rozdiely.
Ale nemusíte sa vôbec obávať, naše vnútorné rádioaktívne zdroje (a ožiarenie z nich) nie sú zďaleka také veľké ako tie, ktoré súvisia s kozmickými a (externými) pozemskými zdrojmi.
