No. 94856

5 ข้อ 2.50 คะแนน

คาร์บอน-14 ในงานนิติทันตวิทยา

บทความ

คาร์บอน (carbon) เป็นธาตุที่พบได้ทั่วไปในธรรมชาติ ปรากฏในรูปไอโซโทป 3 ชนิด คือ คาร์บอน-12 คาร์บอน-13 และ คาร์บอน-14 โดย คาร์บอน-12 และ คาร์บอน-13 เป็นไอโซโทปเสถียร (stable isotope) พบ คาร์บอน-12 ได้เป็นจำนวนมากที่สุด ประมาณร้อยละ 98.89 ตามมาด้วย คาร์บอน-13 พบได้ประมาณร้อยละ 1.11 ในขณะที่คาร์บอน-14 เป็นไอโซโทปไม่เสถียร หรือ ไอโซโทปกัมมันตรังสี (radioisotope) จึงมักถูกเรียกว่าคาร์บอนกัมมันตรังสี (radiocarbon) จะพบในปริมาณน้อยมาก เพียงร้อยละ1.0x10 -10 หรืออาจกล่าวได้ว่าในธรรมชาติพบคาร์บอน-14 หนึ่งอะตอมต่อคาร์บอน-12 หนึ่งล้านล้านอะตอม (1-3) คาร์บอนกัมมันตรังสีที่พบในธรรมชาติมีกำเนิดจาก รังสีคอสมิก (cosmic ray) จากดวงอาทิตย์ที่ส่งมายังโลกตกกระทบกับอะตอมของไนโตรเจน (nitrogen) ในชั้นบรรยากาศ นิวตรอนของรังสีคอสมิกจะรวมกับนิวตรอนของไนโตรเจน กลายเป็น คาร์บอน-14 หรือคาร์บอนกัมมันตรังสี ซึ่งจะทำปฏิกิริยากับอะตอมของออกซิเจน (oxygen) ในอากาศอย่างรวดเร็วเกิดเป็นคาร์บอนไดออกไซด์ (carbon dioxide) ที่มีองค์ประกอบเป็น คาร์บอน-14 ปะปนอยู่กับโมเลกุลของคาร์บอนไดออกไซด์ธรรมดาที่มีองค์ประกอบเป็น คาร์บอน-12 ที่มีอยู่โดยทั่วไป หลังจากนั้นคาร์บอนไดออกไซด์ทั้งชนิดคาร์บอน-14 และ คาร์บอน-12 จะเข้าสู่ห่วงโซ่อาหารผ่านกระบวนการสังเคราะห์ด้วยแสงและสะสมอยู่ในพืช ผ่านเข้าสู่สัตว์จากการบริโภคพืชเหล่านั้น และเข้าสู่มนุษย์จากการบริโภคทั้งสัตว์และพืช เมื่อ คาร์บอน-14 เข้าสู่ร่างกายแล้วจะหมุนเวียนไปตามปฏิกิริยาเคมีของร่างกายตลอดเวลา ทำให้ปริมาณ คาร์บอน-14 และ คาร์บอน-12 สะสมในสัดส่วนโดยประมาณที่คงที่เท่ากับในชั้นบรรยากาศ คือ 1:1 ล้านล้านส่วน ต่อมาเมื่อสิ่งมีชีวิตตายลง จึงหยุดการรับเข้าของ คาร์บอน-14 และ คาร์บอน-12 จากนั้นคาร์บอน-14 เริ่มสลายตัวไปเป็นไนโตรเจน ในขณะที่ คาร์บอน-12 ซึ่งเป็นไอโซโทปเสถียร มีปริมาณคงที่หลังเสียชีวิต (2-4) จากหลักการดังกล่าว ทำให้ปี ค.ศ. 1949 WF Labby และคณะ (5) จึงพัฒนาวิธีการหาอายุหลังเสียชีวิตของสิ่งมีชีวิตได้จากคาร์บอนกัมมันตภาพรังสี (radiocarbon dating) โดยการตรวจวัดปริมาณ คาร์บอน-14 ที่เหลืออยู่ เปรียบเทียบกับปริมาณ คาร์บอน-14 ก่อนเสียชีวิต ประเมินจากปริมาณ คาร์บอน-12 และหารด้วย 1 ล้านล้าน จากนั้นคำนวณปริมาณ คาร์บอน- 14ที่สลายไปเทียบกับค่าครึ่งชีวิต (half life) ของ คาร์บอน-14 ประมาณ 5,570 ปี

จะได้อายุตั้งแต่สิ่งมีชีวิตนั้นตายลงได้ วิธีการหาอายุจากคาร์บอนกัมมันตภาพรังสี นี้มีความแม่นยำในช่วงประมาณ 300 ถึง 50,000 ปี เนื่องจากสิ่งมีชีวิตที่ตายเกิน 50,000 ปี คาร์บอน-14 จะสลายไปหมดจนไม่สามารถตรวจสอบเพื่อประเมินอายุได้ แต่หาก สิ่งมีชีวิตตายมาน้อยกว่า 300 ปี การสลายตัวของ คาร์บอน-14 จะน้อยเกินไปจนทำให้เกิดความคลาดเคลื่อนได้มาก (6) ดังนั้นการหาอายุวิธีนี้จึงเหมาะกับการวิเคราะห์ทางโบราณคดีมากกว่าจะนำมาใช้ในทางนิติวิทยาศาสตร์ ปริมาณของทั้ง คาร์บอน-14 และ คาร์บอน-12 ในชั้นบรรยากาศค่อนข้างคงที่มาตลอดในอดีต จนกระทั่งภายหลังปี ค.ศ. 1950 เป็นต้นมา เริ่มมีการทดสอบอาวุธนิวเคลียร์ในชั้นบรรยากาศ เป็นเหตุให้ปริมาณของ คาร์บอน-14 ในชั้นบรรยากาศเพิ่มขึ้นอย่างมาก จนถึง ปี ค.ศ. 1963 เกิดสนธิสัญญาห้ามการทดสอบอาวุธนิวเคลียร์ในชั้นบรรยากาศ นอกอวกาศและใต้น้ำ (Partial Nuclear Test Ban Treaty) ขึ้น การทดสอบอาวุธเหล่านั้นจึงยุติลง และส่งผลให้ปริมาณของ คาร์บอน-14 ในชั้นบรรยากาศลดลงอย่างรวดเร็ว ซึ่งการลดลงของคาร์บอน-14< ในชั้นบรรยากาศนี้ไม่ได้เกิดจากการสลายตัวของธาตุกัมมันตรังสีเอง แต่เป็นผลจากกการกระจายตัวของ คาร์บอน- 14 ไปยังแหล่งอื่น เช่น มหาสมุทร เป็นต้น ส่งผลให้ปริมาณคาร์บอน-14 ในชั้นบรรยากาศ หลังปี ค.ศ. 1950 แตกต่างไปจากในอดีตและมีความแตกต่างกันในแต่ละปีอีกด้วย นอกจากนี้ ปี ค.ศ. 1950< ยังเป็นช่วงเริ่มต้นของการปฏิวัติอุตสาหกรรมทำให้มีการปลดปล่อยคาร์บอนเข้าสู่ชั้นบรรยากาศมากขึ้น ทำให้สัดส่วนระหว่าง คาร์บอน-14 และ คาร์บอน-12 ในชั้นบรรยากาศเปลี่ยนแปลงไปด้วยจนยากที่ประเมินอายุจากคาร์บอน-14 ด้วยวิธีเดิมได้ (1,7-9) จากเหตุผลดังกล่าว KL Spalding และคณะ (10) จึงได้เสนอวิธีการหาอายุจากคาร์บอนกัมมันตรังสีวิธีใหม่ โดยพัฒนาจากการหาปริมาณ คาร์บอน-14 ในเคลือบฟัน (enamel) แทน เคลือบฟันมีคาร์บอนเป็นองค์ประกอบประมาณร้อยละ 0.4 เป็นส่วนของฟันที่ทราบกันดีว่าแทบจะไม่มีการเปลี่ยนแปลงองค์ประกอบทางเคมีใดอีกหลังจากที่ก่อตัวสมบูรณ์แล้ ว ดังนั้นปริมาณของ คาร์บอน-14 ในเคลือบฟันจึงคงที่เท่ากับปริมาณ คาร์บอน-14 ในชั้นบรรยากาศในวันที่สร้างเคลือบฟันนั้น การวิเคราะห์ปริมาณ คาร์บอน-14 ในเคลือบฟันและนำไปเทียบกับปริมาณ คาร์บอน-14 ในบรรยากาศแต่ละปีหลังปี ค.ศ. 1950 ช่วยให้ประมาณปีที่สร้างเคลือบฟันได้ และเมื่อคำนวณกลับมาก็จะทราบปีที่เกิดของเจ้าของฟันได้ เช่น ฟันกรามซี่ที่ 3 สร้างเคลือบฟันสมบูรณ์ตอนอายุประมาณ 12 ปี หากนำเคลือบฟันของฟันดังกล่าวไปตรวจหาปริมาณ คาร์บอน-14 และนำไปเทียบกับข้อมูล คาร์บอน-14 ในชั้นบรรยากาศที่ถูกบันทึกไว้ จะทำให้ทราบปีที่สร้างเคลือบฟันซี่นี้สมบูรณ์ และเมื่อนับถอยหลังต่อไปอีก 12

ปีก็จะได้ปีเกิดของเจ้าของฟัน แต่การเปรียบเทียบปริมาณคาร์บอน-14 ในเคลือบฟัน กับข้อมูล คาร์บอน-14 ในชั้นบรรยากาศ ยังคงมีปัญหาอยู่บ้างเนื่องจากการเพิ่มขึ้นและลดลงของปริมาณ คาร์บอน-14 จะทำให้เทียบได้ปีที่เป็นไปได้ที่สร้างเคลือบฟัน 2 ปีคือก่อนและหลังจุดสูงสุดของปริมาณ คาร์บอน-14 ในชั้นบรรยากาศในช่วงปี ค.ศ. 1963 (รูปที่ 1) จึงควรวิเคราะห์ คาร์บอน-14 จากเคลือบฟันอย่างน้อย 2 ซี่ ที่มีช่วงเวลาสร้างเคลือบฟันสมบูรณ์แตกต่างกัน เช่น ฟันตัด (incisor) และฟันกราม (molar) เพื่อให้เกิดความแม่นยำในการเทียบหาปีที่ถูกต้อง เนื่องจากการสร้างเคลือบฟันในฟันตัดสมบูรณ์ก่อนในฟันกราม ดังนั้นหากปริมาณ คาร์บอน-14 ในเคลือบฟันของฟันตัดน้อยกว่าในฟันกรามแสดงว่าอายุที่เทียบควรอยู่ก่อนจุดสูงสุดของปริมาณ คาร์บอน-14 หรือ ก่อน ปี ค.ศ. 1963 แต่ในทางกลับกัน หากปริมาณ คาร์บอน-14 ในเคลือบฟันของฟันตัดมากกว่าในฟันกรามแสดงว่าอายุที่เทียบควรอยู่หลังจุดสูงสุดของปริมาณ คาร์บอน-14 หรือ หลัง ปี ค.ศ. 1963 (รูปที่ 2) วิธีนี้จึงมีข้อจำกัดที่ต้องมีฟันหลายซี่ในการตรวจเปรียบเทียบ ทำให้ Kondo- Nakamura และคณะ (11) จึงได้นำเสนอวิธีการตรวจที่สะดวกขึ้นด้วยการตรวจโดยใช้เคลือบฟันจากฟันซี่เดียว โดยพัฒนาจากรูปแบบการสร้างเคลือบฟันปกติที่มีการสร้างจากด้านบดเคี้ยวเป็นส่วนแรกแล้วจึงทยอยสร้างส่วนที่ ต่ำลงมา และสร้างเคลือบฟันบริเวณคอฟันเป็นส่วนสุดท้าย ดังนั้นเคลือบฟันด้านบดเคี้ยวและเคลือบฟันบริเวณคอฟันจึงสร้างคนละช่วงเวลากัน ทำให้มีปริมาณ คาร์บอน-14 ในเคลือบฟันแตกต่างกัน ช่วยให้สามารถเปรียบเทียบกับ คาร์บอน-14 ในชั้นบรรยากาศได้ถูกต้องมากขึ้น และหากปริมาณ คาร์บอน-14 ในเคลือบฟันด้านบดเคี้ยวน้อยกว่าในบริเวณคอฟันแสดงว่าอายุที่เทียบควรอยู่ก่อนจุดสูงสุดของปริมาณ คาร์บอน-14 หรือก่อนปี ค.ศ. 1963 แต่ในทางกลับกัน หากปริมาณ คาร์บอน-14 ในเคลือบฟันด้านบดเคี้ยวมากกว่าในบริเวณคอฟันแสดงว่าอายุที่เทียบควรอยู่หลังจุดสูงสุดของปริมาณ คาร์บอน- 14 หรือ หลัง ปี ค.ศ. 1963 (รูปที่ 3)

จากวิธีการดังกล่าวช่วยให้ทราบปีที่เกิดและช่วยให้ประมาณอายุของผู้เสียชีวิตได้ค่อนข้างแม่นยำแต่ก็มีค่าใช้จ่ายสูง ในการตรวจวัดคาร์บอน-14 จึงควรใช้ผู้เสียชีวิตที่มีฟันขึ้นสมบูรณ์แล้วจนไม่สามารถประมาณอายุจากการสร้างรากฟันและการขึ้นของฟันได้ โดย KL Spalding และคณะ (10) รายงานความคลาดเคลื่อนในการหาอายุจากคาร์บอนกัมมันตรังสีที่ 1.6 + 1.3 ปี ซึ่งสอดคล้องกับที่ K Alkass และคณะ (12) รายงานความคลาดเคลื่อนในการหาอายุที่ 1.0 + 0.6 ปี ถึงแม้ว่าปริมาณคาร์บอน-

14ในชั้นบรรยากาศจะลดลงมากแล้วแต่วิธีการดังกล่าวก็ยังคงใช้ได้เนื่องจากการพัฒนาเทคโนโลยีในการตรวจหาป ริมาณคาร์บอนมีความไวมากขึ้นจึงสามารถเปรียบเทียบที่ต่างกันน้อยได้ (10) ทำให้ยังมีการศึกษาใช้ คาร์บอน-14 ในการหาอายุต่อไปเพื่อให้ได้แนวทางที่ดีที่สุดในการประยุกต์ใช้ในแต่ละสถานการณ์ทางนิติวิทยาศาสตร์

รูปที่ 1 แผนภูมิปริมาณคาร์บอน-14 ในชั้นบรรยากาศระหว่างปี ค.ศ.1950-2000 แสดงให้เห็นปัญหาในการเปรียบเทียบปริมาณคาร์บอน-14 ในเคลือบฟัน ทำให้เทียบได้ปีที่เป็นไปได้สร้างเคลือบฟัน 2 ปีคือก่อนและหลังจุดสูงสุดของปริมาณ คาร์บอน-14 ในชั้นบรรยากาศในช่วงปี ค.ศ. 1963 (ดัดแปลงจาก Kondo-Nakamura et al. (11) )
รูปที่ 2 แสดงการใช้ฟัน 2 ซี่ในการเปรียบเทียบหาปีที่สร้างเคลือบฟันที่ถูกต้อง เนื่องจากการสร้างเคลือบฟัน(สี่เหลี่ยมสีขาว)ในฟันตัดสมบูรณ์ก่อนในฟันกราม(สี่เหลี่ยมสีดำ) ดังนั้นหากปริมาณ คาร์บอน-14 ในเคลือบฟันของฟันตัดน้อยกว่าในฟันกรามแสดงว่าอายุที่เทียบควรอยู่ก่อนจุดสูงสุดของปริมาณ คาร์บอน-14 หรือ ก่อน ปี ค.ศ. 1963 แต่ในทางกลับกัน หากปริมาณ คาร์บอน-14 ในเคลือบฟันของฟันตัดมากกว่าในฟันกรามแสดงว่าอายุที่เทียบควรอยู่หลังจุดสูงสุดของปริมาณ คาร์บอน-14 หรือ หลัง ปี ค.ศ. 1963(ดัดแปลงจาก Kondo-Nakamura et al. (11) )
รูปที่ 3 แสดงการใช้ฟันซี่เดียวในการเปรียบเทียบหาปีที่สร้างเคลือบฟันที่ถูกต้อง เนื่องจากเคลือบฟันด้านบดเคี้ยว(วงกลมสีขาว) สร้างสมบูรณ์ก่อนเคลือบฟันบริเวณคอฟัน(วงกลมสีดำ) หากปริมาณ คาร์บอน-14 ในเคลือบฟันด้านบดเคี้ยวน้อยกว่าในบริเวณคอฟันแสดงว่าอายุที่เทียบควรอยู่ก่อนจุดสูงสุดของปริมาณ คาร์บอน- 14 หรือ ก่อน ปี ค.ศ. 1963 แต่ในทางกลับกัน หากปริมาณ คาร์บอน-14 ในเคลือบฟันด้านบดเคี้ยวมากกว่าในบริเวณคอฟันแสดงว่าอายุที่เทียบควรอยู่หลังจุดสูงสุดของปริมาณ คาร์บอน- 14 หรือ หลัง ปี ค.ศ. 1963 (ดัดแปลงจาก Kondo-Nakamura et al. (11) )

เอกสารอ้างอิง

  1. Godwin H. Half-life of radiocarbon. Nature 1962;195:984.
  2. Taylor RE. Fifty years of radiocarbon dating. Am Sci 2000;88(1):60–7.
  3. Ramsey CB. Radiocarbon dating: revolutions in understanding. Archae-ometry 2008;50(2):249–75.
  4. Kueppers LM, Southon J, Baer P, Harte J. Dead wood biomass and turn-over time, measured by radiocarbon, along a subalpine elevation gradi-ent. Oecologica 2004;141(4):641–51.
  5. Libby WF, Anderson EC, Arnold JR. Age determination by radiocarboncontent: world-wide assay of natural radiocarbon. Science 1949;109(2827):227–8.
  6. Ubelaker DH. Radiocarbon analysis of human remains: a review of forensic applications. J Forensic Sci 2014;59(6):1466-72.
  7. Levin I, Kromer B. The tropospheric 14 CO 2 level in midlatitudes of the northern hemisphere (1959–2003). Radiocarbon 2004;46:1261–72.
  8. Vries HD. Atomic bomb effect: Variation of radiocarbon in plants, shells, and snails in the past 4 years. Science 1958:128:250–1.
  9. Nydal R, Lovseth K. Distribution of radiocarbon from nuclear tests. Nature 1965;206:1029–31.
  10. Spalding KL, et al. Forensics: age written in teeth by nuclear tests. Nature 2005;437:333–4.
  11. Kondo-Nakamura M, Fukui K, Matsu'ura S, Kondo M, Kimiharu K. Single tooth tells us the date of birth. Int J Legal Med 2011;125(6):873-7.
  12. Alkass K, et al. Age estimation in forensic sciences: application of combined aspartic acid racemization and radiocarbon analysis. Mol Cell Proteomics 2010;9:1022–30.

ผู้เขียน/ผู้จัดทำ

ผศ.ทพ.ทวีพงศ์ อารยะพิศิษฐ
คณะทันตแพทยศาสตร์ มหาวิทยาลัยมหิดล

แบบทดสอบ