MELACAK JEJAK, MENGUKUR UMUR (ISOTOP RADIOAKTIF DAN STRATIGRAFI)

Oleh Hendrius Candra, M.Si.

(Laboratorium Biologi SMAN 1 Ciampea-Bogor)

Polemik terkait keaslian ijazah Presiden Joko Widodo kembali mencuat. Roy Suryo, mantan Menteri Pemuda dan Olahraga, sempat melontarkan usulan agar dilakukan uji karbon pada kertas ijazah tersebut guna mengetahui usia materialnya secara ilmiah. Namun, ide uji karbon yang disampaikan Roy Suryo ternyata tidak dapat direalisasikan. Mengapa? Rentang waktu efektif pengujian karbon-14 adalah antara 100 hingga 50.000 tahun. Jika merujuk pada waktu kelulusan Jokowi dan pembuatan ijazahnya sekitar tahun 1985, usia kertas tersebut belum mencapai 100 tahun. Ini disebabkan jumlah karbon-14 yang tersisa masih sangat banyak, sehingga perbedaannya dengan sampel yang hidup sangat kecil dan sulit di deteksi dengan akurat. Diperlukan sampel yang cukup tua, agar perbedaan kadar karbon-14 sampel dan lingkungan cukup jelas dan terukur. Artinya, usulan Roy Suryo untuk melakukan uji karbon tidak dapat atau sulit untuk diwujudkan pada dokumen tersebut.

Isotop Radioaktif dan Waktu Paruh

Isotop adalah variasi dari suatu unsur yang memiliki jumlah proton yang sama tetapi jumlah neutron yang berbeda.  Isotop radioaktif, juga dikenal sebagai Radioisotop, adalah bentuk tidak stabil dari suatu unsur yang memancarkan radiasi saat mereka mencoba mencapai keadaan yang lebih stabil. Tidak stabilnya mereka karena inti atom mereka memiliki terlalu banyak atau terlalu sedikit neutron. Ketidakstabilan ini menyebabkan inti memancarkan energi dalam bentuk radiasi (partikel alfa, beta, atau gamma) untuk mencapai keadaan yang lebih stabil. Proses pemancaran radiasi ini disebut peluruhan radioaktif.

Contoh Isotop Radioaktif adalah Karbon-14 (C-14), yang digunakan dalam penanggalan arkeologi dan penelitian biologi. Teknesium-99m (Tc-99m), merupakan Isotop yang paling umum digunakan dalam kedokteran nuklir untuk pemindaian organ. Iodin-131 (I-131), digunakan dalam pengobatan kanker tiroid dan untuk studi fungsi tiroid. Cobalt-60 (Co-60) digunakan dalam radioterapi kanker dan untuk sterilisasi alat medis. Plutonium-238, dipakai dalam generator termoelektrik radioisotop (RTG) untuk pesawat ruang angkasa.

Setiap isotop radioaktif memiliki Waktu Paruh, yaitu waktu yang dibutuhkan setengah dari jumlah atom isotop untuk meluruh menjadi isotop lain. Konsep “waktu paruh” inilah yang menjadi kunci para ilmuwan untuk mengungkap pertanyaan “berapa tahun umur fosil ini?”.

Half-life atau waktu paruh adalah waktu yang dibutuhkan untuk sejumlah atom radioaktif meluruh setengahnya. Misalnya, Terbium-148 adalah atom radioaktif yang mengeluarkan partikel b⁺ dan menjadi Gadolinium-148.

Waktu paruh dari Tb-148 adalah exactly satu jam. Apa artinya? Kalau kita punya 100 atom Tb-148 sekarang, satu jam lagi kita akan hanya punya setengahnya, alias 50 atom. Satu jam kemudian alias dua jam dari sekarang, sisanya tinggal 25 atom. Intinya, jumlah dari atom radioaktif akan berkurang setengah setiap satu satuan waktu paruh.

Jika aplikasinya di terapkan dalam berbagai bidang, maka dapat dijelaskan bahwa: Isotop radioaktif memiliki berbagai aplikasi dalam berbagai bidang. Dapat dijelaskan bahwa di dunia Kedokteran: Untuk diagnosis dan pengobatan penyakit (misalnya, Tc-99 untuk pemindaian jantung, I-131 untuk terapi kanker tiroid). Pada bidang Industri untuk pemeriksaan cacat pada logam, pengukuran ketebalan, dan sterilisasi produk. Bidang pertanian dipakai untuk pelacakan pupuk dan perbaikan benih. Sementara itu, di bidang penelitian: Untuk mempelajari proses biologis dan kimia, serta penanggalan arkeologi.

Perlu diwaspadai, Jika tidak ditangani dengan benar, isotop radioaktif dapat berbahaya bagi kesehatan manusia dan lingkungan. Paparan radiasi dapat menyebabkan kerusakan sel, kanker, dan masalah kesehatan lainnya.

Melacak jejak

Analisis isotop adalah teknik yang memanfaatkan perbedaan massa atom suatu unsur untuk melacak keberadaan, pergerakan, dan asal-usul zat kimia. Dengan mengukur kelimpahan relatif isotop (bentuk atom yang berbeda dari unsur yang sama) dalam suatu sampel, peneliti dapat mengidentifikasi sumber, jalur transformasi, dan bahkan asal geografis suatu zat.

Setiap zat, bahkan produk alami, memiliki Sidik Jari Isotop yang unik, tergantung pada kondisi pembentukannya. Perbedaan ini memungkinkan peneliti untuk melacak asal-usul zat tersebut. Rasio isotop dalam rambut, kuku, atau jaringan tubuh lainnya dapat menunjukkan wilayah geografis tempat seseorang atau hewan tersebut tinggal (Identifikasi Asal Geografis). Analisis isotop dapat digunakan untuk Mendeteksi Pemalsuan dalam produk makanan, minuman, dan obat-obatan.

Pada penelitian Lingkungan, isotop digunakan untuk melacak sumber dan pergerakan polutan, memahami siklus biogeokimia, dan mempelajari perubahan iklim. Sementara pada studi Biologi, isotop digunakan untuk mempelajari metabolisme, penyerapan nutrisi, dan jalur reaksi biokimia dalam tubuh makhluk hidup. Analisis isotop dapat membantu dalam penyelidikan kriminal Forensik dengan melacak asal-usul barang bukti, seperti narkoba atau senjata. Analisis isotop karbon (?¹³C) dapat membedakan baijiu (minuman beralkohol Cina) asli dari yang dipalsukan berdasarkan perbedaan proses fermentasi. Isotop juga digunakan untuk mempelajari penyerapan vitamin, mineral, dan obat-obatan dalam tubuh, Pada penelitian Iklim, Isotop oksigen dan hidrogen dalam air dapat memberikan informasi tentang pola curah hujan dan suhu di masa lalu.

Mengukur Umur

Untuk menghitung usia makhluk hidup yang masih hidup, kita bisa menggunakan berbagai metode tergantung pada jenis makhluk hidup tersebut. Beberapa metode umum telah dipraktekkan di alam ini.  Penting untuk diingat bahwa beberapa metode mungkin tidak akurat 100% dan mungkin memiliki keterbatasan. Pemilihan metode terbaik tergantung pada jenis makhluk hidup yang ingin diukur usianya.

Biasanya untuk mencari tahu umur suatu sampel, dipakai beberapa metode yang relevan lalu dibandingin hasilnya, dan harus konsisten supaya para ilmuwan mendapatkan kesimpulan yang akurat dan tidak bias oleh kesalahan perhitungan yang cuma fokus pada 1-2 metode.

Ada beberapa metode umum untuk manusia. Tanggal Lahir adalah cara paling pasti untuk mengetahui usia manusia, yaitu dengan mencatat tanggal lahir dan menghitung selisih dengan tanggal saat ini.  Kartu Tanda Penduduk (KTP) atau Dokumen Identitas Lainnya, merupakan dokumen yang mencantumkan tanggal lahir dan informasi identifikasi lainnya yang relevan.

Untuk kejadian yang masih ‘baru’ terjadi puluhan sampai ratusan tahun yang lalu, para sejarawan masih bisa berpatokan pada tulisan/jurnal yang ditulis oleh peradaban masa lalu, entah itu terukir di prasasti atau candi, tertulis di daun lontar, pelepah pohon, serat kayu, dinding gua, dan sebagainya. Ini dikenal dengan Epigrafi.

Penghitungan Lingkaran Pohon (Dendrokronologi), biasa dipakai dalam menghitung umur tumbuhan. Pohon memiliki lingkaran tahunan di batangnya. Setiap lingkaran mewakili satu tahun pertumbuhan. Dengan menghitung lingkaran ini (dengan menebang atau mengebor pohon), kita bisa mengetahui usia pohon.

Untuk hewan, seperti burung, kita bisa membandingkan tahap perkembangannya (misalnya, pergantian bulu, kematangan seksual) dengan tahap perkembangan manusia untuk memperkirakan usia relatifnya.

Beberapa penelitian menggunakan perubahan DNA (seperti metilasi DNA) untuk memperkirakan rentang hidup alami suatu spesies, meskipun ini lebih sering digunakan untuk hewan yang sudah punah.

Beberapa makhluk hidup memiliki karakteristik unik yang dapat digunakan untuk memperkirakan usia mereka. Misalnya, pada beberapa jenis ikan, sisiknya dapat dihitung untuk mengetahui usianya.

Radiometri, Penanggalan Karbon

Metode ini terutama digunakan untuk menentukan usia fosil, tetapi prinsipnya juga bisa diterapkan pada makhluk hidup yang baru saja mati. Karbon-14 (¹?C), isotop radioaktif karbon, meluruh setelah makhluk hidup mati. Dengan mengukur sisa ¹?C dalam sampel dan membandingkannya dengan kadar ¹²C (isotop stabil), kita bisa memperkirakan usia kematian.

Metode radiometric dating ini sangat umum dilakukan oleh ahli arkeolog, yang pada intinya adalah menghitung perbandingan unsur tertentu pada specimen fosil untuk kemudian dibandingkan dengan kandungan unsur yang sama pada atmosfir dengan prinsip waktu paruh peluruhan atom.

Metode carbon dating atau C-14 dating dikembangkan oleh profesor kimia di Amerika bernama Willard Libby di akhir 1940an yang akhirnya menjadi metode standard bagi para arkeolog di seluruh dunia. Apa sih ide di balik metode ini?  Ketika seorang ilmuwan menemukan fosil yang belum teridentifikasi, entah itu fosil hewan atau tumbuhan. Pertanyaan utama yang bikin penasaran adalah “Ini fosil umurnya udah berapa tahun? ratusan tahun, ribuan tahun, atau jutaan tahun?”. Ada peran Isotop dan Waktu paruh bermain di sini.

Konsep waktu paruh yang di aplikasikan pada karbon untuk mengetahui umur fosil. Kenapa karbon yang jadi tolak ukur? Karbon sendiri punya 15 isotop, mulai dari C-8 sampe C-22. Kebanyakan dari isotop karbon ini sangat tidak stabil, alias waktu paruhnya cepat sekali. Tapi, ada satu isotop yang lumayan panjang waktu paruhnya, yaitu C-14 dengan waktu paruh 5.730 tahun. C-14 ini terbentuk di atmosfer, dari N-14 yang bereaksi dengan cosmic ray atau radiasi dari luar tata surya.

Sementara itu, fosil yang jadi sampel kita biasanya berupa makhluk organik pada masa lampau, entah itu tanaman atau hewan. Tanaman menggunakan CO₂ ini untuk proses fotosintesis, sehingga C-14 tadi masuk ke tanaman, dan juga ke hewan yang memakan tanaman, lalu hewan karnivora yang makan hewan herbivora.

Karena semua makhluk hidup berhubungan langsung dengan atmosfer dalam siklus karbon, kadar C-14 di tubuh makhluk hidup akan hampir sama dengan yang di atmosfer, yaitu 10^-12. Tapi, waktu makhluk itu mati, dia langsung terputus dari siklus karbon dengan atmosfer. Dari momen inilah kita bisa menghitung waktu yang dilewati fosil tersebut setelah mati berdasarkan perbandingan waktu paruh dari kadar karbon C-14 dengan kadar C-14 yang ada di atmosfer saat ini.

Ketika makhluk hidup mati, tanaman tidak berfotosintesis lagi, yang herbivora tidak makan tanaman berisi C-14 lagi. Karnivor tidak makan hewan berisi C-14 lagi. Nah, C-14 yang tersisa di sisa tanaman atau hewan tersebut bakal mulai menghilang karena peluruhan tadi, dan kadar C-14 di sisa tersebut mulai berkurang.

Umur fosil bisa kita hitung dengan persamaan berikut ini:

t adalah waktu yang sudah lewat setelah organisme ini mati. T merupakan waktu paruh C-14, alias 5.730 tahun. N₀ merupakan kadar C-14 atmosfer sekarang. Sementara, N(t) adalah kadar C-14 pada sampel.

Para ilmuwan memakai metode yang konkrit, ada tolak ukur yang jelas, dan ada indikator yang cukup presisi untuk mendapatkan kesimpulan yang seakurat mungkin!

Untuk metode ini sebetulnya tidak selalu berpatokan pada karbon, ada banyak bahan kimia lain yang menjadi indikator karena unsur C-14 ini memiliki ‘keterbatasan’ tersendiri yaitu batas umur sampel fosil dan perubahan kadar C-14 di atmosfer yang kerap berubah karena ulah manusia.

Pertama, umur fosil yang sudah amat sangat tua, menyebabkan kadar C-14 nya menjadi sangat kecil (makin banyak waktu yang dilewatin untuk meluruh), sehingga ada batasan umur fosil yang bisa dianalisa dengan memakai metode carbon dating ini. Biasanya, batas itu adalah 50.000 tahun, yang artinya fosil yang lebih tua dari 50.000 tahun akan kurang akurat kalau dianalisa pake carbon dating ini. Terkecuali dalam beberapa kasus khusus dimana sampel yang ditemukan sangat istimewa kondisinya.

Kedua, kadar C-14 di atmosfer kadang berubah secara drastis dikarenakan pembakaran bahan bakar fosil (yang tidak ada C-14nya) yang mengurangi kadar C-14 di atmosfer. Sebaliknya tes nuklir yang dilakukan beberapa negara membikin kadar C-14 atmosfer naik dua kali lipat antara 1950 sampai 1963. Maka dari itu, kadar C-14 atmosfir tahun 1950 selalu jadi patokan kadar C-14 ‘sekarang’, dan angkanya selalu jadi referensi dalam penghitungan.

Nah, terus gimana ceritanya untuk fosil yang lebih tua dari 50.000 tahun? Untuk spesimen fosil yang lebih tua dari 50.000 tahun, para peneliti menggunakan jenis unsur radioaktif lain yang biasa dipakai untuk mengukur umur fosil yang sangat tua, contohnya K-40 yang meluruh jadi Ar-40 dengan paruh waktu 1,25 milyar tahun. Karena paruh waktunya yang sangat panjang ini, biasanya metode K-Ar dating dipakai untuk batu dan mineral yang usia absolutnya antara 200.000 sampai 5.000.000 tahun.

Sementara itu, untuk specimen yang berumur di atas 5 juta tahun seperti fosil dinosaurus yang berumur > 65 juta tahun, digunakan metode fission track dating yang menganalisa kandungan uranium di mineral lapisan (strata) tanah tempat fosil tersebut ditemukan.

Sebuah permasalahan dapat dijelaskan dalam satu contoh kejadian. Sebuah fosil mengandung unsur radioaktif dengan waktu paruh 5.730 tahun. Jika saat ini ditemukan sisa unsur radioaktif tersebut 1/8 dari jumlah awalnya, berapa perkiraan umur fosil tersebut?

Penyelesaiannya bisa dipecahakan melalui analisis perhitungan.   Rumus waktu paruh: Nt = N0 * (1/2)^(t/T), dimana: Nt = Jumlah zat radioaktif tersisa, N0 = Jumlah zat radioaktif awal, t = Waktu (umur fosil), dan T = Waktu paruh.

Substitusikan nilai yang diketahui:  Nt/N0 = 1/8 dan T = 5.730 tahun.

Masukkan ke dalam rumus: (1/8) = (1/2)^(t/5730), (1/2)^3 = (1/2)^(t/5730), 3 = t/5730

Selanjutnya, hitung umur fosil (t):  t = 3 * 5730, t = 17.190 tahun. Jadi, perkiraan umur fosil tersebut adalah 17.190 tahun.

Metode Stratigrafi

Stratigrafi ini cabang dalam geologi yang meneliti lapisan bumi, tepatnya lapisan batuan di lapisan terluar bumi alias kerak, dan terbentuknya lapisan-lapisan itu. Bidang ini pertama diteliti mendalam sama Nicolas Steno tahun 1669, yang bikin teori dasar agar para ilmuwan bisa menganalisa umur fosil berdasarkan letaknya di lapisan tanah yang berbeda. Masing-masing lapisan itu disebut stratum, kalo banyak disebut strata.

Setiap lapisan atau stratum ini terbentuk secara natural dan tebalnya bisa beberapa mili saja sampai  setebal satu kilometer. Setiap lapisan ini represents satu pembentukan endapan tertentu yang kita bisa cari tau dari isi lapisan itu. Lapisan bisa terbentuk dari endapan sungai, lava letusan gunung berapi, rawa, pasir pantai, dan lain-lain.

Nah, pada prinsipnya ilmu stratigrafi ini memungkinkan para ilmuwan untuk memperkirakan waktu umur fosil dari lokasi lapisan tanah tempat fosil tersebut ditemukan. Ada 5 prinsip dasar dalam stratigrafi yang membantu arkeolog, paleontolog, dan sejarawan untuk tahu dari era kapan suatu fosil itu berasal.

Law of Superposition, adalah prinsip pertama dari metode stratigrafi adalah: makin rendah lapisan tanah tempat lokasi fosil ditemukan, berarti makin tua umurnya. Simpel dan pada dasarnya kalau keadaannya tidak diusik sesuatu, lapisan tanah yang di bawah pasti tertimbun oleh lapisan di atasnya. Terus menerus begitu hingga ribuan tahun dan membentuk strata atau lapisan tanah yang berlapis.

Prinsip ini simpel kalau kita mau membandingkan apakah fosil A lebih tua apa lebih muda dari fosil B. Asumsinya, kalo bangkai hewan atau sisa tanaman mati kemungkinan besar diam aja di permukaan tanah, dan seiring dengan waktu lapisan tanah makin tertutupi oleh debu, tanah, air hujan, lapisan tanah yang terbawa aingin karena letusan gunung berapi, dan lainnya. Pengecualian juga terjadi kalau ada aktivitas manusia atau manusia purba yang membuat struktur atau bangunan tertentu yang perlu menggali tanah. Kalaupun ada, bisa dianalisis Harris Matrix.

Principle of Original Horizontality, juga simpel idenya. Intinya, semua endapan yang bikin lapisan itu semua akan buat lapisan yang secara umum horizontal alias rata. Walaupun awalnya tanah itu ngga rata, karena ada gravitasi, erosi akan selalu nyebarin tanah supaya jadi rata. Tapi kenapa ada tanah yang naik turun kaya bukit dan jurang tanpa buatan manusia? Sebabnya adalah gaya yang lebih besar yang ada di lapisan yang lebih rendah, serta pergerakan di kerak bumi, alias teori plate tectonics. Pergerakan inilah yang bikin adanya lapisan yang ngga horizontal karena adanya force yang bikin tanah di daerah tertentu naik atau turun. Pengecualian ada di lapisan tertentu kaya pasir, yang bisa membentuk lapisan yang miring-miring.

Principle of Lateral Continuity, juga simpel. Intinya, semua endapan itu nyebar ke semua arah. Kalau ada lapisan tanah yang mirip tapi terpisah sama sesuatu, bisa diasumsi bahwa dulunya mereka nyambung.

Principle of Cross-cutting Relationships, menerangkan kalau ada sesuatu yang bikin potongan di satu lapisan atau lebih, potongan itu lebih muda atau terjadi belakangan ketimbang lapisan yang terpotong. Mirip kejadian permainan Lego yang retak agar tersambung baik. Prinsip yang sama berlaku di lapisan tanah, kalau ada potongan yang nembus lapisan tertentu, potongan itu terjadi setelah lapisan itu ada.

Principle of Faunal Succession, berhubungan dengan makhluk hidup yang berkeliaran waktu lapisan tanah yang lagi terbentuk. Karena naturalnya bangkai tanaman atau hewan itu cuma tergeletak begitu aja di tanah, dia ikut masuk ke lapisan tanah yang lagi terbentuk saat dia mati. Dan karena umur fosil dari makhluk hidup A dan B yang hidup di jaman yang berbeda pasti bakal ditemukan di lapisan yang beda juga. Seperti prinsip sebelumnya tadi, makhluk hidup yang hidup di masa lebih dekat ke sekarang fosilnya bakal ditemukan lebih deket ke atas (lebih muda).

Konteks dan penjelasan ini sangat berkaitan dengan ilmu biologi dan teori evolusi. Para ilmuwan sekarang bisa mengambil kesimpulan bahwa burung (aves) yang sekarang memiliki sayap dan bisa terbang adalah hasil evolusi dari makhluk hidup sebelumnya yang belum bisa terbang, which is dinosaurus. Seiring waktu berlalu, fungsi sayap itu terbentuk secara sederhana, hingga menjadi semakin kompleks dan akhirnya bisa digunakan untuk terbang.

Para ilmuwan mengambil kesimpulan ini dari serangkaian fosil menunjukkan proses evolusi burung dari dinosaurus. Di fosil yang ada di lapisan lebih bawah, ditemuin yang ada bulu kecil dan simpel. Lalu, yang lapisannya makin ke atas (makin muda) bulu yang ditemukan makin muda makin besar dan memungkinkan organisme berbulu itu terbang.

Akhirnya, sekarang ada gambaran, bahwa film-film dokumenter tentang dinosaurus, manusia purba, atau buku-buku yang menjelaskan kondisi dunia ribuan sampai jutaan tahun yang lalu itu ada dasar pendekatan yang jelas dan bisa dipertanggung jawabkan. Bukan hasil tebak-tebakan sembarangan, apalagi hasil ngarang-ngarang para ilmuwan ya?

Dengan menggunakan metode tersebut, para ilmuwan menentukan bahwa usia Kain Kafan Turin  yang oleh beberapa orang dianggap sebagai kain kafan Yesus Kristus dan terbuat dari serat rami, sejenis tanaman) adalah sekitar 600–700 tahun, bukan 2.000 tahun seperti yang diklaim oleh beberapa pihak. Para ilmuwan juga berhasil menggunakan penanggalan radiokarbon untuk menunjukkan bahwa usia tubuh mumi yang ditemukan di es Pegunungan Alpen adalah 5.300 tahun.

Jadi, kita tidak bisa membohongi orang lain dalam pemalsuan umur temuan. Sebaliknya juga  bisa dibohongi orang lain. Fosil ayam yang “sengaja” ditanam dan diperlakukan sedemikian rupa 5 tahun yang lalu, di viralkan sebagai fosil berumur 500 tahun? Akan ketahuan bohongnya! Demikian hebatnya petunjuk Yang Maha Kuasa dalam memberikan petunjuk kebenaran melalui sains! (Hendrius Candra, dari berbagai sumber)