Aldursgreining með geislavirku kolefni

Hún mælir aldur leifa lifandi vera. En er henni treystandi?

ALLAR þær klukkur, sem getið er um hér á undan, ganga svo hægt að þær koma fornleifafræðinni að litlu eða engu gagni við aldursgreiningar. Mun hraðgengari klukku þarf til að mæla aldur og tíma innan þess skeiðs sem mannleg saga nær yfir. Þar kemur kolefnisklukkan að góðu gagni.

Kolefni-14, geislavirk samsæta kolefnis, fannst fyrst við tilraunir með atómsundrun í hringhraðli. Síðar fannst það líka í andrúmsloftinu. Kolefni-14 gefur frá sér veika betageislun sem hægt er að mæla með viðeigandi búnaði. Helmingunartími kolefnis-14 er aðeins 5700 ár svo að það hentar vel til aldursgreininga í tengslum við frumsögu mannsins.

Þau önnur geislavirk efni, sem við höfum rætt um, hafa svo langan helmingunartíma í samanburði við aldur jarðar, að þau hafa verið til allt frá sköpun jarðar til þessa dags. Kolefni-14 er hins vegar svo skammlíft miðað við aldur jarðar að það væri allt löngu horfið ef það væri ekki stöðugt að myndast. Það verður til með þeim hætti að fyrir áhrif geimgeisla á andrúmsloftið breytast einstaka köfnunarefnisatóm í geislavirkt kolefni.

Plöntur taka til sín þetta kolefni í mynd koltvísýrings við ljóstillífun, og því er breytt í alls konar lífræn sambönd í lifandi frumum. Dýr, og líka við mennirnir, etum jurtirnar svo að allar lifandi verur hafa í sér geislavirkt kolefni í sama hlutfalli og er að finna í andrúmsloftinu. Svo lengi sem lífvera er lifandi tekur hún til sín nýtt kolefni sem vegur upp á móti því sem klofnar. Þegar hins vegar jurt eða dýr deyr er skorið á endurnýjun hins geislavirka kolefnis þannig að hlutfall þess tekur að minnka. Finnist viðarkolabútur eða dýabein, sem varðveist hefur í 5700 ár, hefur það í sér aðeins helming þess geislavirka kolefnis sem það hafði meðan það lifði. Ef við mælum hversu hátt hlutfall kolefnis-14 er eftir í leifum lifandi veru getum við sagt til um hversu langt er síðan hún dó.

Kolefnisaðferðina má nota á alls kyns hluti af lífrænum uppruna. Ótaldar þúsundir sýna hafa verið greindar með þessari aðferð. Eftirfarandi dæmi lýsa hversu fjölbreytt þau geta verið:

Timbur úr útfararskipi úr gröf Seostris III faraós var aldursgreint frá 1670 f.o.t.

Kjarnviður úr risarauðviðartré í Kaliforníu, sem hafði 2905 árhringi þegar það var fellt árið 1874, var aldursgreindur frá 760 f.o.t.

Dúkur utan af Dauðahafshandritunum, sem voru ársett frá fyrstu eða annarri öld f.o.t. eftir stafagerðinni, mældist 1900 ára gamall eftir innihaldi geislavirks kolefnis.

Viðarbútur, sem fannst á Araratfjalli og sumir töldu geta verið úr örkinni hans Nóa, reyndist vera frá árinu 700 — að vísu gamall viður en ekki nándar nærri nógu gamall til að geta verið frá því fyrir flóðið.

Ilskór úr fléttuðu snæri, grafnir úr vikurlagi í helli í Oregon, mældust 9000 ára gamlir.

Kjöt af ungum mammút, sem legið hafði frosið í leðju í Síberíu í þúsundir ára, mældist 40.000 ára gamalt.

Hve áreiðanlegar eru þessar aldursgreiningar?

Skekkjur kolefnisklukkunnar

Kolefnisklukkan virtist sáraeinföld og auðmeðfarin þegar hún fyrst var kynnt, en nú er vitað að margt getur skekkt mæliniðurstöður hennar. Eftir að þessi klukka hafði verið í notkun í hér um bil tvo áratugi var haldin ráðstefna í Uppsölum í Svíþjóð árið 1969 um aldursgreiningar með geislavirku kolefni og öðrum skyldum aðferðum. Umræðurnar þar milli efnafræðinga, sem gera mælingarnar, og fornleifafræðinga og jarðfræðinga, sem nota niðurstöðurnar, leiddu í ljós tugi ágalla sem geta gert niðurstöður ógildar. Á þeim 17 árum, sem nú eru liðin frá ráðstefnunni, hefur lítið áunnist í að bæta úr þessum göllum.

Eitt af vandamálunum hefur alltaf verið að ganga úr skugga um að sýnið, sem mælt er, hafi ekki mengast, annaðhvort af nýju (lifandi) kolefni eða gömlu (dauðu). Viður úr kjarna gamals trés gæti til dæmis innihaldið lifandi trjásafa. Hafi trjásafinn verið hreinsaður úr með lífrænu leysiefni (gerðu úr dauðri jarðolíu), gæti verið eftir agnarögn þessa leysiefnis í sýninu sem greint er. Rótarangar lifandi jurta gætu þrengt sér inn í viðarkol sem legið hafa grafin í jörð. Viðarkolabúturinn gæti líka hafa spillst af margfalt eldra jarðbiki sem erfitt er að ná úr. Í lifandi skelfiski hafa fundist kolsýrusölt úr jarðefnum, sem legið hafa grafin lengi, eða úr sjó sem risið hefur neðan úr djúpinu þar sem hann hafði legið um þúsundir ára. Slíkt getur látið sýni virðast annaðhvort yngra eða eldra en það í reyndinni er.

Alvarlegasti ágalli hugmyndarinnar um aldursgreiningu með geislavirku kolefni er að gengið skuli út frá því að alltaf hafi verið sama hlutfall kolefnis-14 í andrúmsloftinu og nú er. Þetta hlutfall ræðst í fyrsta lagi af myndunarhraða þess vegna áhrifa geimgeisla. Styrkleiki geimgeisla breytist stundum stórkostlega vegna breytinga á segulsviði jarðar. Segulstormar á sólinni geta þúsundfaldað styrk geimgeisla á fáeinum klukkustundum. Segulsvið jarðar hefur bæði verið sterkara og veikara á liðnum árþúsundum en nú. Og frá því að farið var að sprengja kjarnorkusprengjur hefur kolefni-14 í andrúmsloftinu aukist talsvert.

Í öðru lagi ræðst hlutfallið af því hversu mikið af stöðugu kolefni er í andrúmsloftinu. Meiriháttar eldgos auka mælanlega hinn stöðuga koltvísýringsforða þannig að hlutfall geislavirks kolefnis minnkar. Síðastliðna öld hefur maðurinn brennt jarðeldsneyti, einkanlega kolum og olíu, í áður óþekktum mæli og aukið koltvísýring í andrúmslofti varanlega. (Nánari upplýsingar um þennan óvissuþátt og aðra fleiri er að finna í Vaknið! á ensku þann 8. apríl 1972.)

Aldursgreining með talningu árhringja í trjám

Sökum allra þessara veikleika, sem gera grunn kolefnisaðferðarinnar mjög ótraustan, hafa menn gripið til þess að telja árhringi trjábúta og bera saman við aldursgreiningu með kolefni-14. Einkum hefur verið notuð til þess broddafura sem lifað getur í hundruð eða þúsundir ára í suðvesturhluta Bandaríkjanna.

Kolefnisklukkan er því ekki lengur talin sjálfstætt mælitæki heldur þurfi hún að hafa viðmiðun. Því þarf að leiðrétta aldursákvörðun kolefnisklukkunnar eftir trjáhringjamælingu. Því er oft talað um niðurstöðu mælinga á geislavirku kolefni sem „kolefnisaldur.“ Sú niðurstaða er síðan leiðrétt eftir línuriti byggðu á trjáhringjatalningu til að finna rétta aldurstölu.

Þessi aðferð er góð og gild svo langt aftur í tímann sem trjáhringjatalningin er áreiðanleg. En sá galli er á að elsta lifandi broddafura, sem vitað er um, er aðeins um 1100 ára gömul. Til að teygja kvarðann lengra aftur í tímann reyna vísindamenn að stilla saman mynstur misþykkra árhringja í dauðum viði sem liggur þar í grenndinni. Þeir segjast ná yfir 7000 ár aftur í tímann með 17 bútum fallinna trjáa.

En trjáhringjakvarðinn stendur ekki einn og óstuddur heldur. Stundum eru vísindamenn óvissir um hvar ákveðinn trjábútur falli inn í myndina. Hvað gera þeir þá? Þeir nota kolefnismælingu til að ákvarða hvar búturinn eigi að vera. Þetta minnir á tvo fatlaða menn sem skiptast á um að nota eina hækju. Annar styðst um stund við félaga sinn og leyfir honum síðan að styðjast við sig.

Hin undraverða varðveisla lausra viðarbúta, sem legið hafa svona lengi á víðavangi, hlýtur að vekja nokkra furðu. Ætla mætti að þeir hafi getað skolast burt í stórrigningum eða vegfarendur tínt þá upp til eldiviðar eða annarra nota. Hvað hefur komið í veg fyrir fúa eða ágang skordýra? Það er trúlegt að lifandi tré geti staðist tímans tönn og mislynd veður svo að eitt og eitt nái yfir þúsund ára aldri. En hvað um dauðan við? Það er harla ótrúlegt að hann geti varðveist í sex þúsund ár. Hinar eldri aldursgreiningartölur með hjálp kolefnis byggjast þó á slíkri forsendu.

Sérfræðingum í kolefnismælingum og árhringjaaldursgreiningu hefur samt sem áður tekist að þagga niður slíkar efasemdir og breiða yfir göt og misfellur svo að báðir aðilar virðast ánægðir með málamiðlunina. En hvað um viðskiptavini þeirra, fornleifafræðingana? Þeir eru ekki alltaf sáttir við aldursákvörðun sýnanna sem þeir senda til greiningar. Einn sagði þetta á ráðstefnunni í Uppsölum:

„Ef kolefnis-14-aldursgreiningin styður kenningar okkar getum við þess í meginmálinu. Ef hún er ekki í algerri mótsögn við þær getum við hennar í neðanmálsathugasemd. Ef hún passar alls ekki látum við hennar hreinlega ógetið.“

Sumir hugsa enn þá þannig. Einn sagði nýlega um kolefnisaldursgreiningu menja sem áttu að vera fyrstu merki um tamningu dýra til búskaparþarfa:

„Fornleifafræðingar eru farnir að efast um ágæti þess að nota kolefnisaldursgreiningu óhikað af þeirri ástæðu einni að hún sé komin frá ‚vísindalegri‘ rannsóknastofu. Því meiri ringulreiðar sem gætir varðandi það hvaða aðferð, hvaða rannsóknastofa, hvaða helmingunartími og hvaða kvörðun sé ábyggilegust, þeim mun minna mun okkur fornleifafræðingunum finnast við þrælbundnir að viðurkenna efasemdalaust hvaða ‚aldursgreiningu‘ sem okkur er boðin.“

Efnafræðingurinn, sem hafði séð um aldursgreininguna, svaraði hvasst: „Við kjósum að fjalla um staðreyndir byggðar á traustum mælingum — ekki á tísku eða tilfinningasemi fornleifafræðinnar.“

Ef vísindamenn greinir svona illilega á um hvort hægt sé að treysta aldursgreiningum sem teygja sig langt aftur í sögu mannsins, er þá ekki skiljanlegt að leikmenn taki með fullri varúð fréttum komnum frá vísindamönnum eða „sérfræðingum,“ svo sem þeim sem í var vitnað við upphaf þessarar greinaraðar?

Bein talning kolefnis-14

Nýlega hefur verið tekið að beita þeirri aðferð að telja öll atóm kolefnis-14 í smáu sýni, í stað þess að telja aðeins betageislana sem atómin gefa frá sér við kjarnasundrun. Þessi aðferð hentar sérlega vel við að aldursgreina mjög gömul sýni sem aðeins örlítið brot upprunalegs kolefnis-14 er eftir í. Af einni milljón kolefnis-14-atóma klofnar að meðaltali aðeins eitt á þriggja daga fresti. Því er mjög seinlegt að safna nógu hárri talningu, þegar gömul sýni eru mæld, til að greina á milli geislavirkninnar og grunngeislunnar af völdum geimgeisla.

Ef við getum hins vegar talið öll atóm kolefnis-14 núna, án þess að þurfa að bíða þess að þau sundrist, samsvarar það milljónfalt meiri næmni í mælingum. Þetta er gert með því að beyja í segulsviði geisla kolefnisatóma með jákvæðri hleðslu, til að aðskilja kolefni-14 frá kolefni-12. Þar eð hið síðarnefnda er léttara beygir það meira frá beinni línu, og kolefni-14, sem er þyngra, fer inn um rauf í teljara.

Þótt þessi aðferð sé flóknari og dýrari en talning betageisla hefur hún þann kost að þúsundfalt minna sýni dugir til mælinganna. Það opnar þann möguleika að aldursgreina sjaldgæf, forn handrit og aðra muni þess eðlis að ekki kemur til greina að eyðileggja nokkurra gramma sýni við mælinguna. Nú má aldursgreina slíka muni með sýni sem er aðeins fáein milligrömm.

Menn hafa látið sér detta í hug að með þessari aðferð mætti aldursgreina líkklæðið í Tórínó sem sumir telja að lík Jesú hafi verið sveipað til greftrunar. Ef kolefnisaldursgreining sýndi að klæðið væri ekki svo gamalt myndi það staðfesta þær grunsemdir að líkklæðið sé svikið. Fram til þessa hefur erkibiskupinn í Tórínó neitað að gefa sýni til aldursgreiningar á þeirri forsendu að taka þyrfti of stóran bút af klæðinu. Með nýju aðferðinni myndi einn fersentimetri duga til að ganga úr skugga um hvort efnið sé frá tímum Krists eða aðeins frá miðöldum.

En hvað sem öllu þessu líður hefur litla þýðingu að reyna að teygja mælisviðið lengra aftur í tímann svo lengi sem hin stóru vandamál eru óleyst. Því eldra sem sýnið er, þeim mun erfiðara er að ganga úr skugga um að ekkert yngra kolefni sé í því. Því lengra sem við reynum að fara umfram þau nokkur árþúsund, sem við höfum örugga kvörðun fyrir, þeim mun minna vitum við um hversu mikið af kolefni-14 var í andrúmsloftinu.

Ýmsar aðrar aðferðir hafa verið kannaðar til að aldursgreina fornar menjar. Sumar eru beint eða óbeint tengdar geislavirkni, svo sem mæling sundrunarferla og geislavirknihjúpa. Sumar byggjast á öðrum grunni svo sem árvissum lögum í hvarfleir af völdum jökulvatna og vötnun muna úr hrafntinnu.

Ljósvirknibreyting amínósýra

Önnur aldursgreiningaraðferð, sem oft er beitt, er byggð á ljósvirknibreytingu amínósýra. En hvað er ljósvirknibreyting?

Amínósýrur tilheyra hópi kolefnissambanda sem hafa fjóra mismunandi atómklasa bundna miðlægu kolefnisatómi. Fjórflötungslag sameindarinnar veldur því að hún er ósamhverf að lögun.* Slíkar sameindir eru til í tveim myndum, nefnd myndbrigði. Þótt efnasamsetning sé nákvæmlega eins er annað myndbrigði sameindarinnar spegilmynd hins. Hanskapar er einfalt dæmi til að lýsa þessu fyrirbæri. Þótt hanskarnir séu báðir eins að stærð og lögun passar annar aðeins hægri höndinni en hinn vinstri.

Tvær upplausnir með sitt hvoru myndbrigði slíks efnis snúa geisla af skautuðu ljósi önnur til hægri en hin til vinstri. Þegar efnafræðingur myndar amínósýru úr einfaldari efnasamböndum fær hann bæði myndbrigðin í jöfnum hlutföllum. Annað myndbrigðið upphefur áhrif hins á skautað ljós. Sagt er að efnablandan sýni ekki ljósvirkni þegar í henni eru bæði hægrihandar- og vinstrihandar-amínósýrur í jöfnu magni.

Þegar lifandi jurtir eða dýr mynda amínósýrur eru þær aðeins af annarri gerðinni, venjulega vinstrihandar eða L (af levo) gerð. Ef slíkt efni er hitað umhverfast sumar sameindirnar svo að vinstrihandarmyndbrigði breytist í hægrihandar- eða D-myndbrigði (af dextro). Þessi breyting er nefnd ljósvirknibreyting. Haldi hún áfram nógu lengi standa að lokum eftir jöfn hlutföll L- og D-myndanna. Mæliaðferð, sem byggir á þessum eiginleikum, er áhugaverð fyrir þá sök að hún tengist lifandi verum eins og kolefnisaðferðin.

Eftir því sem hitastig fer lækkandi verður ljósvirknibreytingin hægari. Hversu miklu hægari hún verður ræðst af því hve mikla orku þarf til að myndbreyta sameindinni. Hraði breytingarinnar fylgir velþekktu efnafræðilögmáli sem kallað er Arrheníusarjafna. Því lægra sem hitastigið verður, þeim mun hægari verður breytingin þar til, við venjulegt umhverfishitastig, við sjáum alls enga breytingu. Við getum samt sem áður notað jöfnuna til að reikna út breytingarhraðann. Í ljós kemur að það tæki dæmigerða ámínósýru tugþúsundir ára að nálgast óljósvirkt ástand þannig að vinstrihandar- og hægrihandarmyndbrigði hennar yrðu í jöfnum hlutföllum.

Við aldursgreiningu með þessari aðferð er byggt á eftirfarandi hugmynd: Ef bein liggur grafið og verður ekki fyrir utanaðkomandi áhrifum breytist asparsýran (kristölluð amínósýra) í beininu hægt og hægt. Við gröfum upp beinið löngu síðar, náum úr og hreinsum það sem eftir er af asparsýrunni og berum ljósvirkni hennar saman við ljósvirkni hreinnar L-asparsýru. Með þeim hætti getum við metið hve langt er um liðið síðan beinið var hluti lifandi veru.

Ferill ljósvirknibreytingar er svipaður ferli kjarnasundrunar. Hver amínósýra hefur sinn sérkennandi breytingarhraða svipað og úran sundrast hægar en kalíum. Þó er einn veigamikill munur á: Hitastig hefur engin áhrif á hraða kjarnasundrunar en mikil á hraða ljósvirknibreytingar sem er efnabreyting.

Einhverja mesta athygli hafa vakið niðurstöður ljósvirknimælinga á mannabeinum sem fundist hafa meðfram Kaliforníuströnd. Leifar einnar beinargrindar, nefnd Del Mar-maðurinn, voru með þessari aðferð aldursgreindar 48.000 ára gamlar. Aðrar, beinagrind af konu sem fannst við uppgröft í grennd við Sunnyvale, virtust enn eldri — 70.000 ára! Þessar niðurstöður ollu miklu uppnámi, ekki aðeins í fjölmiðlum heldur sér í lagi meðal steingervingafræðinga, því að enginn hafði haldið að menn hefðu átt heimkynni í Norður-Ameríku fyrir svo löngu. Vangaveltur voru um það að maðurinn hefði getað komist yfir Beringssund frá Asíu fyrir kannski 100.000 árum. En hversu áreiðanlegar reyndust aldursgreiningarnar með þessari nýstárlegu aðferð?

Til að svara því var beitt geislavirknimælingu þar sem notast var við millistig í sundrun úrans til blýs sem hafði hæfilega langan helmingunartíma. Með þessari aðferð taldist Del Mar-beinagrindin 11.000 ára gömul en sú frá Sunnyvale aðeins 8000 til 9000 ára. Hér var eitthvað kynlegt á seyði.

Stóri óvissuþátturinn í aldursgreiningum með ljósvirknimælingu er sá að ekkert er vitað um þau hitaskilyrði sem sýnið hefur verið í. Eins og áður er nefnt ræður hitastig mjög miklu um hraða ljósvirknibreytingar. Ef hitastig hækkar um 14° C tífaldast hraði breytingarinnar. Hver getur haft hugmynd um þau hitaskilyrði sem beinin hafa verið í á svo löngum tíma? Hve mörg sumur hafa þau legið óvarin í brennheitri sólinni í Kaliforníu? Hafa þau kannski einhvern tíma lent í varðeldi eða skógareldi? Sitthvað fleira en hitastig hefur reynst hafa veruleg áhrif á hraða ljósvirknibreytingar, svo sem sýrustig. Í skýrslu segir: „Amínósýrur í setlögum sýna byrjunarhraða ljósvirknibreytingar nærri einni stærðargráðu (tífalt) meiri en óbundnar amínósýrur við sambærilegt sýru- og hitastig.

Og þar með er ekki öll sagan sögð. Gerð var kolefnismæling á einu beinanna frá Sunnyvale, bæði með því að telja betaagnirnar frá klofnandi atómum og með hinni nýju aðferð við að telja atóm. Báðar aðferðirnar gáfu gróflega samhljóða niðurstöðu. Meðaltalið var aðeins 4400 ár!

Hverju eigum við að trúa? Augljóst er að sumar af niðurstöðunum eru skelfilega rangar. Ættum við að treysta kolefnisaldrinum best þar er mest reynsla er fengin af slíkri mæliaðferð? Jafnvel þótt við gerðum það gáfu mismunandi sýni úr sama beininu aldur allt frá 3600 til 4800 ár. Kannski ættum við hreinlega að viðurkenna með orðum vísindamannsins sem áður var vitnað til: „Kannski eru þær allar vitlausar.“

[Innskot á blaðsíðu 16]

Nú er vitað að kolefnisklukkunni er hætt við margs konar villum.

[Rammagrein á blaðsíðu 15]

Fyrr á þessu ári sagði tímaritið SCIENCE NEWS svo frá undir fyrirsögninni „Ný aldursgreining ‚ævafornra‘ verkfæra“:

„Fjórir munir úr beinum, taldir merki um mannavist í Norður-Ameríku fyrir um það bil 30.000 árum, eru nú taldir í mesta lagi 3000 ára gamlir að sögn fornleifafræðingsins D. Earl Nelson við Simpson Fraser háskólann í Bresku Kolumbíu og samstarfsmanna hans. Skýrsla þeirra birtist í tímaritinu SCIENCE þann 9. maí. . . .

Munurinn á áætluðum aldri, byggður á tveim mismunandi kolefnissýnum úr sama beini, er verulegur að ekki sé meira sagt. Verkfæri notað til að ná kjöti af dýaskinni var fyrst gefinn kolefnisaldurinn 27.000 ár. Sú tala hefur nú verið færð niður í um 1350 ár.“ — 10. maí 1986.

[Skýringarmynd]

(Sjá uppraðaðann texta í blaðinu)

Magn kolefnis-14 (eða myndbreyttrar asparsýru) er breytilegt eftir ytri skilyrðum.

Breytilegur styrkur geimgeisla

Kolefni-14

Hitastigsbreytingar

Asparsýra

[Skýringarmynd]

(Sjá uppraðaðann texta í blaðinu)

L-asparsýra

COOH NH2 C CH2COOH

D-asparsýra

HOOC C H2N H HOOCH2C