Kulstof-14-metoden
Den fastslår alderen på rester af levende organismer. Eller gør den?
ALLE de føromtalte tidsmålere er baseret på processer der forløber så langsomt at de i bedste fald kun er til ringe gavn for den arkæologiske forskning. Man må have rådighed over en proces der forløber langt hurtigere hvis man skal kunne foretage aldersbestemmelser inden for den menneskelige histories tidsramme. Kulstof-14-metoden opfylder netop dette behov.
Eksistensen af kulstof-14, der er en radioaktiv isotop af det almindelige kulstof-12, blev først kendt gennem forsøg med atomsønderdeling ved hjælp af en cyklotron. Senere fandt man også denne isotop i jordens atmosfære. Den udsender energisvage betapartikler, der kan tælles ved hjælp af et dertil beregnet instrument. Kulstof-14 har en halveringstid på kun 5700 år, hvilket gør at det kan bruges som grundlag for aldersbestemmelse af materialer der har relation til menneskets tidligste historie.
For de øvrige radioaktive grundstoffer vi har omtalt, gælder det at de har en lang levetid i forhold til jordens alder og derfor har eksisteret fra jordens skabelse frem til vor tid. Kulstof-14 har derimod så kort en levetid i forhold til jordens alder, at det kun vil forekomme hvis det stadig bliver dannet på en eller anden måde. Dette foregår ved at kosmiske stråler bombarderer atmosfæren og omdanner kvælstofatomer til radioaktivt kulstof.
Det radioaktive kulstof indgår som en del af den kuldioxid der af planter optages til brug ved fotosyntesen og omdannes til en lang række organiske forbindelser i levende celler. Både dyr og mennesker spiser plantevæv, hvilket medfører at alle levende organismer kommer til at indeholde den samme relative mængde kulstof-14 som den atmosfæriske luft. Kulstof-14 henfalder, men så længe en organisme er levende vil den stadig supplere sit indhold af kulstof. Når et dyr eller et træ dør, ophører tilførselen af kulstof-14, hvorefter mængden af radioaktivt kulstof begynder at falde. Hvis et stykke organisk materiale som en dyreknogle eller en stump trækul bliver bevaret, vil det efter 5700 år indeholde halvt så meget kulstof-14 som det gjorde mens det var levende. Ved at måle mængden af kulstof-14 der er tilbage i noget der engang har været levende, kan vi altså i princippet bestemme hvor længe det har været dødt.
Kulstof-14-metoden kan anvendes på en lang række forskellige materialer af organisk oprindelse. Man har foretaget mange tusind dateringer ved hjælp af denne metode. Blot nogle få eksempler kan give et indtryk af metodens store spændvidde:
Træ fra det gravskib man fandt i Farao Sesostris III’s grav blev aldersbestemt til år 1670 f.v.t.
Kerneved fra en californisk kæmpefyr der havde 2905 årringe da den blev fældet i 1874, blev dateret til år 760 f.v.t.
Linnedsvøb fra Dødehavsrullerne — der ud fra håndskriften er dateret til det første eller det andet århundrede f.v.t. — blev ved kulstof-14-metoden bestemt til at være 1900 år gammelt.
En træstump man har fundet på Ararats bjerg, og som nogle har antaget kunne stamme fra Noas ark, har vist sig kun at stamme fra år 700 e.v.t. — altså et gammelt træstykke, men slet ikke gammelt nok til at have forbindelse med Vandfloden.
Flettede sandaler der blev gravet ud af et pimpstenslag i staten Oregon var tilsyneladende 9000 år gamle.
Kødet fra en mammut-unge der har ligget nedfrosset i sibirisk mudder i tusinder af år, blev bestemt til at være 40.000 år gammelt.
Hvor pålidelige er disse dateringer?
Fejlmuligheder ved kulstof-14-metoden
Kulstof-14-metoden forekom meget simpel og ligetil da den blev demonstreret for første gang. Men nu ved man at der findes flere usikkerhedsmomenter. Efter at metoden havde været i brug i omkring 20 år afholdt man i 1969 en konference i Uppsala om kulstof-14-kronologi og andre tilsvarende dateringsmetoder. Drøftelserne mellem de kemikere der udfører dateringerne og de arkæologer og geologer der bruger resultaterne, afslørede en række mangler der kunne ugyldiggøre dateringerne. I de forløbne 17 år er der ikke sket meget som har kunnet bøde på disse fejl.
Det har altid voldt problemer at få sikkerhed for at prøverne ikke er blevet ’forurenet’, enten med nutidigt (levende) kulstof eller med fortidigt (dødt) kulstof. For eksempel kan en stump træ fra veddet i en gammel stamme indeholde levende saft. Eller hvis man har søgt at fjerne denne saft med et organisk opløsningsmiddel (fremstillet af råolie), kan rester af opløsningen blive tilbage i den prøve man analyserer. Gamle stykker trækul kan gennemtrænges af rødder fra levende planter, eller blive forurenet med kulbrinter fra langt ældre forekomster, der vanskeligt lader sig fjerne. I levende skaldyr har man fundet karbonat fra mineraler der blev begravet for længe siden eller fra havvand der strømmer op fra oceanets dyb, hvor det har befundet sig i tusinder af år. Sådanne forhold kan medvirke til at en prøve fremtræder ældre eller yngre end den egentlig er.
Den mest alvorlige fejl i teorien bag kulstof-14-metoden er den antagelse at atmosfærens indhold af kulstof-14 altid har været konstant gennem tiden. Koncentrationen af radioaktivt kulstof afhænger i første række af hvor intens den kosmiske stråling er, den som forårsager dannelsen af kulstof-14. Intensiteten af den kosmiske stråling kan til tider variere meget, hvilket hovedsagelig skyldes ændringer i jordens magnetfelt. Magnetiske storme på solen kan i nogle tilfælde forøge den kosmiske stråling med en faktor på 1000, over en periode på nogle timer. Jordens magnetfelt har både været stærkere og svagere i de forløbne årtusinder. Og siden man er begyndt at foretage kernevåbensprængninger er mængden af kulstof-14 forøget væsentligt over hele jorden.
Målingsresultaterne afhænger på den anden side også af mængden af stabilt kulstof i atmosfæren. Store vulkanudbrud tilfører atmosfæren betydelige mængder stabilt kulstof i form af kuldioxid, hvorved mængden af kulstof-14 fortyndes. I det forløbne århundrede har man afbrændt fossile brændstoffer — navnlig kul og olie — i et omfang som aldrig før, hvilket har ført til en permanent stigning i mængden af kuldioxid i atmosfæren. (Yderligere detaljer om disse og andre usikkerhedsmomenter ved kulstof-14-metoden blev behandlet i Vågn op! for 22. oktober 1972.)
Dendrokronologi — datering ved hjælp af træers vækstringe
I erkendelse af kulstof-14-metodens fundamentale svagheder, er de der anvender den begyndt at korrigere deres dateringer ved hjælp af træprøver hvis alder er fastslået ved optælling af årringe. Man har særligt benyttet sig af prøver fra børstekoglefyrren, der vokser i den sydvestlige del af De forenede Stater og kan blive flere tusind år gammel. Denne dateringsmetode kaldes dendrokronologi.
Man betragter altså ikke længere kulstof-14-metoden som basis for en absolut kronologi, men kun som en metode hvorved man kan foretage relative dateringer. For at man kan nå frem til sandfærdige aldersbestemmelser må kulstof-14-dateringerne korrigeres ved hjælp af årringskronologien. Derfor betegner man nu de ’gamle’ kulstof-14-dateringer som „konventionelle“. Ved at korrigere dem i overensstemmelse med en standardkurve baseret på årringskronologien når man frem til nøjagtige „kalibrerede“ dateringer.
Denne metode er forsvarlig så langt tilbage som optællingen af vækstringene hos børstekoglefyrren rækker. Det ældste levende træ hvis alder man kender, er imidlertid blot fra år 800 e.v.t. For at forlænge denne målestok forsøger forskerne at sammensætte stykker af dødt træ fundet i samme område, på en sådan måde at mønstrene af tykke og tynde årringe overlapper hinanden. Ved at sammenstykke 17 stumper fra udgåede træer hævder de at årringskronologien rækker over 7000 år tilbage i tiden.
Men årringsmetoden kan heller ikke stå alene. I nogle tilfælde er forskerne ikke sikre på hvor i rækkefølgen de skal placere et givet stykke træ. Hvordan løser de dette problem? De beder om at få foretaget en kulstof-14-måling af det og bruger derefter måleresultatet som rettesnor. Det leder tanken hen på historien om to lamme mænd der kun har én krykke til deling og derfor skiftes til at bruge den mens de støtter sig til hinanden.
Man må forundres over den mirakuløse måde hvorpå disse spredte træstumper er blevet bevaret så længe under åben himmel. Det ville synes naturligt om de var blevet vasket bort af kraftige regnskyl eller forsvundet på anden måde. Hvad har forhindret forrådnelse eller insektangreb? Man kunne forstå at et levende træ kunne modstå tidens tand — enkelte træer har levet i tusind år eller mere. Men kan dødt træ bestå så længe? I 6000 år? Det er på grænsen af det troværdige. Alligevel anvender man denne form for årringskronologi til kalibrering af gamle kulstof-14-dateringer.
Ikke desto mindre har specialisterne i kulstof-14-datering og dendrokronologi formået at skubbe sådanne tvivlsspørgsmål til side og udglatte hullerne og selvmodsigelserne — et kompromis de alle er tilfredse med. Men hvad mener deres „kunder“, arkæologerne? De er ikke altid tilfredse med de resultater de får retur fra indsendte prøver. Ved Uppsala-konferencen udtrykte en arkæolog sig på denne måde:
„Hvis en kulstof-14-alder støtter vore teorier, tager vi den med i selve teksten. Hvis den ikke helt modsiger dem, tager vi den med i en fodnote. Og hvis den er helt ved siden af, dropper vi den bare.“
Nogle arkæologer deler stadig dette synspunkt. For nylig skrev en arkæolog angående en kulstof-14-datering som skulle angive det tidligst kendte tilfælde af husdyrhold:
„Arkæologer [er i færd med at] overveje hvorvidt kulstof-14-dateringer er umiddelbart anvendelige blot fordi de foretages af ’videnskabelige’ laboratorier. Jo større usikkerhed der er med hensyn til hvilken metode, hvilket laboratorium, hvilken halveringstid og hvilken kalibrering der er mest pålidelig, jo mindre føler vi arkæologer os slavisk bundne til uden yderligere spørgsmål at acceptere de aldersbestemmelser man giver os i hænde.“
Den radiokemiker der havde foretaget aldersbestemmelsen svarede skarpt: „Vi foretrækker at beskæftige os med kendsgerninger der er baseret på pålidelige målinger — ikke med mode- eller følelsespræget arkæologi.“
Når forskerne indbyrdes er så bidende uenige om troværdigheden af disse aldersbestemmelser, er det så ikke forståeligt hvis lægfolk bliver skeptiske over for nye oplysninger baseret på ’videnskabelig autoritet’ — som for eksempel dem vi citerede i begyndelsen af denne artikelserie?
Direkte tælling af kulstof-14
Den nyeste udvikling inden for kulstof-14-datering går ud på at man ikke blot tæller betapartikler fra de atomer der henfalder, men at man tæller samtlige kulstof-14-atomer der indeholdes i en lille prøve. Denne metode er særlig anvendelig når man vil datere meget gamle prøver, hvori der kun er ganske lidt kulstof-14 tilbage. I gennemsnit vil kun ét ud af én million kulstof-14-atomer henfalde hver tredje dag. Når man søger at aldersbestemme gamle fragmenter er det derfor en temmelig tidkrævende opgave at registrere tilstrækkelig mange henfald til at man kan skelne radioaktiviteten fra den kosmiske baggrundsstråling.
Hvis man derimod kan tælle samtlige kulstof-14-atomer, uden at vente på at de skal henfalde, vil det betyde at metoden bliver en million gange mere følsom. Dette kan gøres ved at man leder en stråle af positivt ladede kulstofatomer gennem et magnetfelt hvorved kulstof-14 vil blive adskilt fra kulstof-12. De lette kulstof-12-atomer afbøjes i en mere krum bane end de tungere kulstof-14-atomer, der ledes gennem en spalteåbning ind i et tælleapparat.
Denne metode er ganske vist mere kompliceret og mere kostbar end fremgangsmåden med at registrere betapartikler, men den indebærer den fordel at mængden af det materiale man aldersbestemmer kan være tusind gange mindre. Den åbner mulighed for at man kan datere gamle, sjældne manuskripter og andre kulturgenstande hvorfra man simpelt hen ikke kan skaffe prøver på adskillige gram eftersom de bliver ødelagt i processen. Nu kan man datere sådanne genstande ved hjælp af prøver på nogle få milligram.
Ved hjælp af denne forfinede metode vil man blandt andet kunne datere et omstridt linnedstykke der befinder sig i Torino, og som nogle hævder er „Kristi ligklæde“. Hvis man ved kulstof-14-datering kunne fastslå at dette linnedstykke er af langt yngre dato, ville det bekræfte mistanken om at dette „ligklæde“ er et falsum. Indtil videre har ærkebiskoppen af Torino nægtet at udlevere en prøve til datering, fordi det vil kræve for stort et stykke af klædet. Men med den nye metode ville en kvadratcentimeter af stoffet være nok til at man kunne bestemme om det er fra Kristi tid eller det blot stammer fra middelalderen.
Men under alle omstændigheder vil forsøg på at foretage dateringer længere tilbage i tiden kun have ringe værdi så længe de grundlæggende problemer forbliver uløste. Jo ældre en prøve er, jo vanskeligere er det at sikre sig at den er helt fri for spor af yngre kulstof. Og jo længere vi søger tilbage i tiden, ud over de få tusind år for hvilke vi er i besiddelse af en pålidelig kalibreringsmetode, jo mindre ved vi om datidens kulstof-14-indhold i den atmosfæriske luft.
Man har forsket i adskillige andre metoder som kunne anvendes til aldersbestemmelse. Nogle af disse metoder er indirekte baseret på radioaktive processer, som for eksempel måling af fissionsspor og termoluminescens. Andre metoder er baseret på ikke-radioaktive processer, som for eksempel aflejring af varv (sedimentlag) forårsaget af smeltevandsfloder samt hydratisering af den vulkanske bjergart obsidian.
Aminosyre-racemicering
Racemicering af aminosyrer er endnu en proces der danner grundlag for en dateringsmetode. Men hvad betyder „racemicering“?
Aminosyrerne tilhører en gruppe kulstofforbindelser hvor fire forskellige atomgrupper er bundet til et centralt kulstofatom. Denne ’tetraedriske’ opbygning af molekylet gør at det som et hele er asymmetrisk. Sådanne molekyler kan eksistere i to former. De er kemisk identiske, men det ene er et spejlbillede af det andet. Dette forhold kan illustreres ved hjælp af et par handsker. De har samme størrelse og form, men den ene passer kun til højre hånd og den anden kun til venstre.
I en opløsning vil den ene form af en sådan forbindelse dreje en planpolariseret lysstråle mod venstre, hvor den anden form vil dreje den mod højre. Når en kemiker fremstiller en aminosyre fra simplere forbindelser får han lige store mængder af begge former. Den ene form ophæver den andens effekt på polariseret lys. Når både venstredrejende og højredrejende aminosyrer er ligeligt repræsenteret i en opløsning siger man at den er racemisk.
Levende organismer danner kun aminosyrer i den ene form — almindeligvis den venstredrejende, såkaldte L-form (L- for levo, venstre). Hvis sådanne molekyler opvarmes vil deres termiske bevægelser forårsage at nogle af dem omlejres fra L-form til D-form (D- for dextro, højre). Denne proces kaldes racemicering. Hvis denne proces fortsætter længe nok vil der på et tidspunkt findes lige mængder af L- og D-former. Denne proces er af særlig interesse fordi den, ligesom kulstof-14-processen, er knyttet til levende organismer.
Ved lavere temperaturer foregår racemiceringen langsommere. Hvor meget langsommere afhænger af den energi der kræves for at omlejre et molekyle. Processen følger en velkendt kemisk lov, kaldet Arrhenius’ ligning. Hvis aminosyren afkøles foregår processen langsommere og langsommere, indtil man ved almindelige temperaturer ikke længere kan iagttage ændringer. Men ved hjælp af ligningen kan man stadig beregne hvor hurtigt omlejringen foregår. Det har vist sig at der vil gå titusinder af år før en typisk aminosyre har nået en racemisk tilstand, hvor venstredrejende og højredrejende former findes i lige store mængder.
Ideen bag anvendelsen af denne proces er følgende: Hvis for eksempel en knogle begraves og får lov at ligge uberørt, vil dens indhold af asparaginsyre (en krystalliseret aminosyre) langsomt racemiceres. Efter lang tid graver vi knoglen op, hvorefter vi udtrækker og renser den resterende asparaginsyre og sammenligner dens effekt på polariseret lys med effekten af ren L-asparaginsyre. På denne måde er vi i stand til at bestemme hvor lang tid der er gået siden knoglen var en del af en levende organisme.
Den grafiske kurve for denne omlejringsproces svarer til henfaldskurven for et radioaktivt grundstof. Hver aminosyre omlejres med en karakteristisk hastighed, ligesom for eksempel uran henfalder langsommere end kalium. Man bør imidlertid lægge mærke til en vigtig forskel: De radioaktive processer forløber uafhængigt af temperaturen, hvorimod racemicering er en kemisk proces som er udpræget temperaturafhængig.
Nogle af de mest omtalte tilfælde hvor man har anvendt racemicerings- eller aminosyre-metoden har været i forbindelse med fund af menneskelige skeletrester langs Californiens kyst. Et af disse fund, der blev kaldt Del Mar-manden, blev ved hjælp af denne metode aldersbestemt til at være 48.000 år gammelt. I en udgravning i nærheden af Sunnyvale fandt man et andet skelet, der stammede fra en kvinde, som tilsyneladende var endnu ældre — aldersbestemmelsen viste at det var 70.000 år gammelt! Disse aldersbestemmelser vakte temmelig meget røre, ikke blot i nyhedsmedierne men især blandt palæontologer, fordi ingen havde troet at der fandtes mennesker i Nordamerika for så længe siden. Man begyndte at spekulere på om mennesker kunne have vandret fra Asien tværs over Beringstrædet for op imod 100.000 år siden. Men hvor pålidelige var resultaterne af denne nye dateringsmetode?
For at danne sig et indtryk af dette foretog man også aldersbestemmelser ved hjælp af en radiometrisk dateringsmetode, en metode hvor man måler de isotoper der er mellemstadier i uran-bly-processen, hvis halveringstider er egnet til aldersbestemmelse inden for dette tidsrum. Denne metode angav at Del Mar-skelettet var 11.000 år gammelt og at skelettet fra Sunnyvale kun var mellem 8000 år og 9000 år gammelt. Der var noget galt!
Det store usikkerhedsmoment i aminosyre-metoden er at man ikke kender det undersøgte emnes temperaturhistorie. Som tidligere nævnt påvirkes racemiceringens forløb i udpræget grad af temperaturudsving. Hvis temperaturen stiger 14 grader celsius, vil processen forløbe ti gange hurtigere. Hvordan kan man vide hvilke temperaturer disse knogler har været udsat for i løbet af så mange år? I hvor mange somre har de ligget utildækket under den brændende californiske sol? Eller har de måske endog været udsat for varmen fra et lejrbål eller en skovbrand? Det har også vist sig at racemiceringen påvirkes af andre faktorer end temperaturen, for eksempel pH-værdien (surhedsgraden). I en rapport hedder det: „For aminosyrer i sedimenter gælder at racemiceringen i begyndelsen forløber med en hastighed som er omtrent ti gange hurtigere end den hastighed hvormed processen forløber hos frie aminosyrer ved samme pH-værdi og temperatur.“
Men dette er ikke enden på historien. En af knoglerne fra Sunnyvale blev også undersøgt for kulstof-14. Man anvendte både den gamle metode hvor man tæller betapartiklerne fra de atomer der omdannes spontant, og den nye metode hvor man optæller det samlede antal kulstofatomer i prøven. Resultaterne af disse metoder stemte stort set overens. I gennemsnit viste de en alder på blot 4400 år!
Hvilken dateringsmetode kan man fæste lid til? Nogle angivelser er ganske tydeligt helt misvisende. Men er kulstof-14-metoden ikke ganske pålidelig, da man har længere tids erfaring med den? Selv denne metode har angivet aldre på prøver fra samme knogle der varierede fra 3600 år til 4800 år. Alt taget i betragtning bør vi måske tilslutte os den forsker der blev citeret tidligere, som sagde: „Måske er de alle sammen forkerte.“
[Tekstcitat på side 23]
Kulstof-14-metoden er behæftet med flere usikkerhedsmomenter
[Ramme på side 22]
I en udgave for i år af bladet Science News kunne man under overskriften „Nye dateringer af ’tidlige’ redskaber“ læse følgende:
„Fire knoglefragmenter som man mente var bevis på menneskets tilstedeværelse i Nordamerika for cirka 30.000 år siden er allerhøjst omkring 3000 år gamle, oplyser arkæologen D. Earl Nelson fra Simon Fraser University i British Columbia og hans medarbejdere i bladet SCIENCE for den 9. maj . . .
Forskellen i aldersangivelserne mellem to kulstofprøver fra samme knogle er, for at sige det mildt, betydelig. For eksempel blev et skraberedskab der har været brugt til at fjerne kød fra dyrehuder med, tilkendt en kulstof-14-alder på 27.000 år. Denne alder er nu blevet revideret til omkring 1350 år.“ — 10. maj 1986.
[Diagram på side 24]
(Tekstens opstilling ses i den trykte publikation)
Varierende kosmisk stråling
Kulstof-14
Temperaturforandringer
Asparaginsyre
Mængden af kulstof-14 (eller racemiceret asparaginsyre) varierer med skiftende ydre forhold
[Diagram på side 26]
(Tekstens opstilling ses i den trykte publikation)
COOH C NH2 H CH2COOH
L-asparaginsyre
HOOC C H2N H HOOCH2C
D-asparaginsyre