AB EA_2
Thema: Wie ein Krimi – Leichen und Isotope / Radiocarbonmethode

zurück zur Übersicht: Arbeitsblätter (AB) Exkurs A

Wenn die Umgebung extrem kalt oder heiß, sehr trocken und/oder nahezu sauerstofffrei ist, stoppt die Verwesung von Leichen nach kurzer Zeit. Diesen Vorgang nennt man Mumifikation. In einer lederartigen Hauthülle bleibt die Leiche über eine lange Zeit so gut erhalten, dass man innere Organe, Gewebe und Zellen mit Hilfe verschiedenster Methoden gut untersuchen kann.

1991 wurde im Gletschereis der Ötztaler Alpen eine Kältemumie gefunden, die als „Ötzi” (Abb. AB EA_2-1) weltbekannt wurde. Bereits 1977 wurde die Kältemumie eines ca. 6 bis 8 Monate alten Mammuts (Abb. AB EA_2-1) im sibirischen Dauerfrostboden entdeckt.

Eine wichtige Frage, der Wissenschaftler in Zusammenhang mit solchen Funden nachgehen, lautet: „Wie alt ist diese Mumie?”

Abb. AB EA_2-1 Kältemumie „Ötzi“ (Rekonstruktion)

Abb. AB EA_2-2 Permafrostleiche eines Mammuts

Abb. AB EA_2-2 Kältemumie eines Mammuts

Hinweis: Zum Verständnis des folgenden Textes und der dazugehörigen Abbildung (Abb. AB EA_2-3) ist es hilfreich, die Grundbegriffe des Atomaufbaus und den Begriff „Isotop” zu kennen (siehe auch: Exkurs A „Chemie gar nicht so schwer”).

Die bekannteste naturwissenschaftliche Methode zur Altersbestimmung von organischen Materialien, z.B. Mumien, ist die 1946/47 von W.F. Libby entwickelte ¹⁴C-Methode. (Abb. AB EA_2-2 / Abb. AB EA_2-3)

Grundlagen der ¹⁴C-Methode:
In der Natur kommen mehrere Isotope des Kohlenstoffs vor, z.B. ¹²C und ¹⁴C. Während ¹²C am häufigsten vorkommt, ist ¹⁴C im Vergleich dazu äußerst selten. Im Kohlenstoffdioxid der Luft kommt statistisch gesehen auf 1 Billion ¹²C-Kerne etwas mehr als ein einziger ¹⁴C-Kern. Die Anteile der C-Isotope in der Luft sind seit vielen tausend Jahren konstant.

Die Entstehung von ¹⁴C hat seinen Ursprung in den oberen Schichten der Atmosphäre. Durch „Beschuss“ eines Stickstoffatoms mit Neutronen kommt es zu einer Veränderung im Kern des Stickstoffatoms: Ein Neutron wird gewissermaßen „eingefangen“ und dafür ein Proton „abgegeben“. Aus einem ¹⁴N-Kern ist ein ¹⁴C-Kern entstanden.
Ein besonderes Kennzeichen von ¹⁴C ist die Instabilität dieses Kohlenstoffisotops: Es zerfällt mit einer Halbwertszeit von 5730 +/- 40 Jahren, d.h. unter Abgabe eines Elektrons wird es wieder zu ¹⁴N.
Dieses bedeutet, dass von den in diesem Moment gebildeten ¹⁴C-Kernen in 5730 Jahren nur noch die Hälfte (Halbwertszeit = HWZ) vorhanden ist, nach weiteren 5730 Jahren nur noch ein Viertel usw.

Stoffkreislauf und ¹⁴C-Methode:
Zunächst gelangt das Kohlenstoffisotop ¹⁴C über die Fotosynthese in die Pflanzen, wo es in der pflanzlichen Biomasse gebunden vorliegt. Über die Nahrungskette erreicht es die Körper tierischer Lebewesen. Dort herrscht nahezu ein Gleichgewicht zwischen der Aufnahme und der Abgabe (= Stoffausscheidungen, Atmung) von ¹⁴C. Wenn ein Lebewesen stirbt, bricht die ¹⁴C-Zufuhr ab und ¹⁴C wird aufgrund seines Zerfalls immer weniger im Körper.

Mit Hilfe spezieller Geräte kann die noch vorhandene Anzahl der ¹⁴C -Isotope gemessen werden. Zur Berechnung des Todeszeitpunktes dient dann das vorliegende Verhältnis von ¹²C : ¹⁴C.

Abb. AB EA_2-3 Grundlagen der Radiocarbonmethode

Diese Methode zur Altersbestimmung von organischem Material wird in der Archäologie häufig angewandt. An vier verschiedenen Instituten wurden mehrere Gewebeproben aus der Mumie „Ötzi“ getestet.
Das Ergebnis war eindeutig: Die Lebenszeit des Mannes aus dem Eis liegt über 5000 Jahre zurück, und fällt in eine Zeit, in der in Europa die Einführung des neuen Werkstoffes Kupfer zu einem grundlegenden wirtschaftlichen und gesellschaftlichen Wandel führte.

Erläutere die entscheidenden Schritte in der Abbildung (AB EA_2-3) mit Hilfe des Schalenmodells. Wenn du Hilfe benötigst, siehe Exkurs – A / Pkt. 1. u. 2. .
Beschreibe in eigenen Worten die Grundlagen der Radiokohlenstoffdatierung anhand der Altersbestimmung von “Ötzi” und erkläre in diesem Zusammenhang den Begrifff „HWZ = Halbwertszeit“ anhand der Abbildung AB EA_2-4.
Stelle eine Hypothese auf,
– warum der ermittelte ¹⁴C-Wert nicht exakt das Alter von „Ötzi“ wiedergibt und noch andere Altersbestimmungsverfahren genutzt werden mussten,
– warum das Alter des Mammuts – ca. 39.000 J – gar nicht mit Hilfe dieser Methode bestimmt werden konnte.
Nenne eine Lösung – zumindest theoretisch – für das „Mammut-Problem” auf der Basis von Isotopen.