Радиоуглеродные часы
Они показывают возраст органических остатков. Так ли это?
ВСЕ описанные выше часы идут настолько медленно, что они почти не пригодны для изучения археологических вопросов. Необходим более быстрый процесс, соответствующий промежутку времени человеческой истории. Этому требованию отвечают радиоуглеродные часы.
При испытаниях по разложению атомного ядра в циклотроне впервые нашли углерод 14, радиоактивный изотоп обыкновенного углерода 12. Позже его обнаружили и в земной атмосфере. Он испускает слабые бета-лучи, которые могут быть считаны соответствующим прибором. Период полураспада углерода 14 — всего лишь 5 700 лет, благодаря чему он годится для датировки предметов, связанных с ранней историей человечества.
По сравнению с возрастом Земли, другие упомянутые выше радиоактивные элементы долговечны. Они существуют с самого сотворения Земли до сего дня. Напротив, по сравнению с возрастом Земли радиоуглерод короткоживущ. Он имеется в наличии лишь потому, что он образуется все снова благодаря определенному процессу. Это происходит при бомбардировке земной атмосферы космическими лучами, которые превращают азот в радиоактивный углерод.
В процессе фотосинтеза растения используют этот углерод в виде углекислого газа, превращая его во всевозможные органические соединения, которые находятся в живых клетках. Животные, да и мы люди питаемся растениями. Таким образом все живое усваивает радиоуглерод соразмерно его содержанию в воздухе. При жизни организма распадающийся радиоуглерод восполняется питанием. Но когда дерево или животное умирает, снабжение свежим радиоуглеродом прекращается, и концентрация радиоуглерода начинает понижаться. Если кусок древесного угля или кости животного сохранился 5 700 лет, то он содержит вдвое меньше радиоуглерода, чем сначала, когда организм еще жил. Итак, измерив содержание углерода 14 в когда-то жившем организме, мы в принципе можем определить, сколько лет он лежал мертвым.
Радиоуглеродный метод применим к самым разнообразным предметам органического происхождения. При помощи этого способа были датированы тысячи и тысячи проб. Об изумительном разнообразии его применения говорят следующие примеры:
Древесину от похоронного суда, найденного в гробнице фараона Сеостриса III, датировали 1670 годом до н. э.
Сердцевину калифорнийского мамонтового дерева, у которого во время сруба в 1874 году было 2 905 годичных колец, датировали 760 годом до н. э.
Возраст льняной обертки свитков Мертвого моря, которые, судя по почерку, восходят к первому или второму столетию до н. э., по содержанию в них радиоуглерода определили в 1 900 лет.
Кусок дерева, найденный на горе Арарат и, по мнению некоторых, якобы принадлежавший к Ноеву ковчегу, датировали всего лишь 700 годом н. э. — действительно старый кусок дерева, но далеко не достаточно старый, чтобы восходить к допотопной эпохе.
Сплетенные из шнуров сандалии, выкопанные из вулканической пемзы в одной пещере в Орегоне (США), показали возраст в 9 000 лет.
Мороженному мясу детеныша мамонта, тысячелетиями лежавшего в сибирском болоте, оказалось 40 000 лет.
Насколько достоверны эти датировки?
Погрешности радиоуглеродных часов
Радиоуглеродные часы казались очень простыми и несложными, когда они были впервые представлены, но теперь известно, что они подвержены всевозможным помехам. В 1969 году, после 20-летнего использования этого метода, в г. Упсала (Швеция) проводилось совещание о радиоуглеродной хронологии и других родственных методах датировки. Дискуссии между химиками, пользующимися этим методом, и археологами и геологами, применяющими результаты, раскрыли целый ряд недостатков, из-за которых датировки могут оказаться непригодными. За прошедшие с тех пор 18 лет в попытках устранить эти недостатки добились немногого.
До сих пор трудно гарантировать, что исследуемая проба не загрязнена ни новым (живым), ни древним (мертвым) углеродом. Кусочек древесины из сердцевины старого дерева может, например, содержать живой сок. Если же этот сок был экстрагирован органическим растворителем (добытым из мертвой нефти без биологически активного углерода), то в исследуемой пробе могут остаться следы растворителя. Старый, залегающий в почве древесный уголь, может быть пронизан корешками живых растений. С другой стороны, он может быть загрязнен битумом, который гораздо старше и который трудно удалить. В организме живых моллюсков обнаружили углекислые соединения то ли из минералов, которые залегали в морском дне уже целую вечность, то ли из глубин океана, где они, прежде чем подняться кверху, находились тысячелетиями. В результате таких явлений образец может показаться либо старше, либо моложе, чем в действительности.
Главный недостаток в теории датировки радиоуглеродным методом заключается, однако, в предположении, что содержание углерода 14 в атмосфере всегда было таким же, как сегодня. Содержание углерода 14 зависит прежде всего от темпа, в котором он образуется под влиянием космических лучей. Интенсивность космических лучей порой сильно колеблется в зависимости от изменений в магнитном поле Земли. Иногда магнитные бури на Солнце на несколько часов усиливают космические лучи в тысячу раз. Магнитное поле Земли за последние тысячелетия бывало то сильнее, то слабее. К тому, количество углерода 14 значительно повысилось в результате испытаний ядерного оружия.
С другой стороны, процентное содержание радиоуглерода зависит от количества устойчивого углерода в воздухе. Большие вулканические извержения заметно повышают долю устойчивого углекислого газа в воздухе и таким образом разрежают радиоуглерод. За последние сто лет количество атмосферного углекислого газа постоянно повышалось от того, что человек в небывалом размахе сжигает ископаемое топливо, особенно уголь и нефть. (Дальнейшие подробности об этих и других неопределенностях при датировке радиоуглеродным методом были представлены в номере Пробудитесь! от 8 апреля 1972 года, англ.)
Дендрохронология — датировка по годичным кольцам
Ввиду всех этих фундаментальных недостатков, сторонники радиоуглеродного метода взялись за калибрование своих датировок при помощи проб древесины, возраст которых определяют подсчетом годичных колец. В частности применение находят образцы остистых сосен, которые растут на юго-западе США и достигают возраста нескольких сот или даже тысяч лет. Эту научную дисциплину называют дендрохронологией.
Итак, радиоуглеродные часы не рассматриваются больше как абсолютный хронологический указатель. Ими измеряется лишь относительный возраст. Для определения действительного возраста радиоуглеродную датировку надо поправлять летописью годичных колец. Для различения результат измерения радиоуглерода называют «радиоуглеродным возрастом». Абсолютный возраст выводится при помощи калибровочной кривой, основывающейся на анализе годичных колец.
Этот способ вполне применим до тех пор, пока подсчет годичных колец у остистых сосен является надежным. Проблема заключается в том, что старейшее живое дерево с известным возрастом восходит лишь к 800 году н. э. Чтобы расширить область измерений, ученые стараются прикладывать друг к другу местами совпадающие рисунки тонких и широких колец от лежавших по близости кусков мертвой древесины. Сложив вместе 17 остатков упавших деревьев, они, как утверждается, восходят к более 7 000 лет.
Но и дендрохронология не является самостоятельным методом. Иногда ученые не знают точно, куда относится тот или иной кусок мертвой древесины. Что они делают в таком случае? Они справляются о радиоуглеродном возрасте данного куска и на этом основании назначают ему место среди остальных кусков. Невольно думаешь о двух хромых людях, которые, имея лишь один костыль, пользуются им по очереди, так что каждый какое-то время упирается на спутнике, а потом поддерживает его.
Удивительно, каким чудесным образом отдельные обломки дерева, лежавшие на открытом воздухе, могли так долго сохраниться. Сильные дожди, казалось бы, могли снести их, или кто-либо мог поднять их на топливо или для какой-нибудь другой цели. Почему они не сгнили и не были поражены насекомыми? Можно еще поверить, что живое дерево сопротивляется разрушительному действию времени и погоды и, в редких случаях, проживает тысячу или больше лет. Но мертвая древесина? Шесть тысяч лет? Это очень уж сомнительно. Однако наиболее старые радиоуглеродные датировки основываются именно на таких предпосылках.
Тем не менее, датировщики радиоуглеродным методом и специалисты по дендрохронологии ухитряются развеивать подобные сомнения, заполнять пробелы и устранять противоречия. Обе стороны довольны своим компромиссом. Но что можно сказать об их клиентах, археологах? Датировка проб, которые они отдают на исследование, не всегда устраивает их. На совещании в г. Упсала один археолог высказался так:
«Если датировка углеродом 14 подтверждает наши теории, то мы ставим ее в главный текст. Если она не полностью противоречит им, то мы ставим ее в подстрочное примечание. Если же она совершенно несовместима с ними, то мы просто выпускаем ее».
Некоторые из них до сих пор того же мнения. Относительно радиоуглеродной датировки, которая якобы отмечает самое раннее приручение животных, один археолог писал:
«Археологи [теперь] задумываются над непосредственной пригодностью датировок радиоуглеродным методом лишь потому, что они исходят из „научных“ лабораторий. Чем больше неуверенности в том, какой метод, какая лаборатория, какой период полураспада и какая калибровка достовернее всего, тем менее мы археологи будем чувствовать себя рабски обязанными безоговорочно принимать какую-нибудь предлагаемую нам „датировку“».
Радиохимик, который произвел датировку, дал резкий ответ: «Мы предпочитаем иметь дело с фактами, основывающимися на тщательных измерениях — не с археологией, подверженной модам или эмоциям».
Если уж среди ученых наблюдаются такие расхождения о правильности датировок, восходящих к древней истории человечества, то разве не понятно, что неспециалисты скептически относятся к сообщениям прессы, основывающимся на научном «авторитете», как, например, приведенные в начале этой серии статьей.
Непосредственный подсчет атомов углерода 14
Недавним развитием в области радиоуглеродной датировки является метод, позволяющий считать не только бета-лучи от распадающихся атомов, но и все атомы углерода 14, находящиеся в небольшой пробе. Это особенно полезно при датировке очень старых образцов, в которых осталась лишь крохотная доля углерода 14. Из одного миллиона атомов углерода 14 каждые три дня, в среднем, распадается лишь один. Из-за этого измерение старых проб бывает очень утомительным, потому что должно накопиться достаточно импульсов, чтобы отличить радиоактивность от фона космических лучей.
Если же имеется возможность подсчитать все атомы углерода 14, не дожидаясь их распада, то чувствительность повышается в миллион раз. Это удается определенным способом, при котором луч положительно заряженных атомов углерода отклоняется в магнитном поле, чтобы атомы углерода 14 отделились от атомов углерода 12. Более легкий углерод 12 сводится в более узкий круг, а более тяжелый углерод 14 через щель пропускается в счетчик.
Преимущество этого метода, хотя он и сложнее и дороже, чем подсчет бета-лучей, заключается в том, что для анализа достаточна тысячная доля материала. Открывается возможность датировать редкие древние рукописи и другие остатки материальной культуры древнего человека, от которых невозможно брать пробы весом в несколько граммов без того, чтобы испортить их при анализе. Теперь для датировки таких предметов достаточно лишь нескольких миллиграммов материала.
Таким путем можно было бы датировать, например, Туринский саван, которым, как думают некоторые, было обвернуто тело Иисуса. Если бы радиоуглеродная датировка показала, что возраст полотна ниже, чем ожидают, то подтвердились бы подозрения скептиков, считающих его подделкой. Пока что туринский архиепископ не соглашается дать пробу на датировку, так как потребовался бы слишком большой кусок. Но при помощи нового метода хватило бы одного квадратного сантиметра, чтобы определить, восходит ли материал ко времени Христа или всего лишь к средневековью.
Так или иначе, попытки расширить диапазон измерений имеют мало смысла, пока главные проблемы остаются неразрешенными. Чем старше проба, тем труднее обеспечить полное отсутствие всяких следов более молодого углерода. И чем дальше мы отдаляемся от периода нескольких тысяч лет, для которого имеется достоверная калибровка, тем меньше мы знаем о содержании углерода 14 в земной атмосфере давних времен.
Для датировки прошлых событий разработали ряд дальнейших методов. Кое-какие из них косвенно связаны с радиоактивностью, например, измерение следов ядерного деления. При других методах играют роль такие явления, как ледниковые наносы (слои отложений) и гидратация обсидиановых предметов.
Рацемизация аминокислот
Дальнейший метод датировки основан на рацемизации аминокислот. Но что подразумевается под «рацемизацией»?
Аминокислоты относятся к определенным углеродным соединениям, у которых к центральному атому углерода присоединены четыре разные группы атомов. Из-за тетраэдрического расположения этих групп молекула в целом асимметрична. Такие молекулы существуют в двух видах. Хотя они химически идентичны, но физически одна форма является зеркальным отображением другой. Пояснительным примером может послужить пара перчаток. У них одинаковый размер и та же форма, но одна подходит только к правой руке, а другая — только к левой.
Луч поляризованного света, проходящий раствор молекул одного вида, испытывает вращение влево, тогда как раствор молекул другого вида вызывает вращение вправо. Когда химик синтезирует какую-нибудь аминокислоту из более простых соединений, он получает оба вида в равном количестве. Что касается влияния на поляризованный свет, оба вида нейтрализуют друг друга. Раствор называется рацемическим, когда «левые» и «правые» аминокислоты присутствуют ч одинаковых количествах.
В живых растениях или животных аминокислоты образуются лишь в одной форме, как правило, в левой L-форме. Если подогреть такое соединение, то в результате бурного термического движения молекул кое-какие из них выворачиваются, так сказать, наизнанку, и соединение переходит из левой L-формы в правую D-форму. Это преобразование называется рацемизацией. Когда она продолжается достаточно долго, L- и D-формы образуются в одинаковых количествах. Рацемизация представляет собой особый интерес, потому что она, как и радиоуглеродная датировка, относится к живым организмам.
При более низкой температуре рацемизация происходит замедленным темпом. Степень замедления зависит от энергии, потребляемой для инверсии молекулы. Скорость меняется в соответствии с известным химическим законом, по уравнению Аррениуса. Чем дальше аминокислота охлаждается, тем медленнее протекает реакция, так что при комнатной температуре вообще уже не видно никаких изменений. Однако при помощи уравнения можно высчитать скорость изменения. Выходит, что должно пройти несколько десятков тысяч лет, прежде чем типичная аминокислота достигает рацемического состояния, в котором левая и правая формы аминокислоты присутствуют в равном количестве.
При использовании этого явления для датировки исходят из следующего соображения: если, например, какая-нибудь кость засыпается и лежит в земле нетронутой, то находящаяся в ней аспарагиновая кислота (кристаллизованная аминокислота) подвергается медленной рацемизации. Долгое время спустя мы выкапываем эту кость, экстрагируем и очищаем оставшуюся аспарагиновую кислоту и сравниваем ее степень поляризации со степенью поляризации чистой L-аспарагиновой кислоты. Таким образом мы можем подсчитать, когда кость была частью живого организма.
Характеристика преобразования похожа на кривую распада радиоактивного элемента. Каждая аминокислота отличается характерной скоростью преобразования, точно так же, как уран распадается медленнее, чем калий. Однако следует заметить следующую важную разницу: скорость радиоактивного распада не подвержена влиянию температуры, тогда как рацемизация, будучи химической реакцией, заметно зависит от температуры.
Особенно широко рекламировали использование рацемизации для датировки остатков человеческих скелетов, найденных вдоль калифорнийского побережья. Возраст одной находки, так называемого дельмарского человека, был вычислен в 48 000 лет. Другой женский скелет, который нашли при раскопках близ города Саннивейл, как видно, был еще старше. Его возраст был поразительным: 70 000 лет! Эти датировки взбудоражили не только прессу, но особенно палеонтологов, так как никто из них до того не верил, что люди живут в Северной Америке с таких давних пор. Возникли гипотезы, согласно которым человек через Берингов пролив перебрался из Азии в Америку целых сто тысяч лет тому назад. Но насколько достоверными оказались датировки, сделанные при помощи этого нового метода?
Чтобы ответить на этот вопрос, были проведены анализы радиометрическим способом, при котором использовались промежуточные продукты распада между ураном и свинцом, имеющие период полураспада, пригодный в данных пределах измерения. Результат: дельмарскому скелету было 11 000 лет и саннивейлекому лишь 8 000 или 9 000 лет. Что-то было неладно.
Главной неизвестной величиной при рацемизации является термическая история образца. Как было упомянуто выше, скорость рацемизации очень зависит от температурного режима. Если температура повышается на 14 градусов Цельсия, то реакция протекает десять раз быстрее. Кто знает, каким температурам кости были подвержены в глубокой древности? Сколько лет они лежали открытыми на жарком калифорнийском солнце? Побывали они когда-нибудь в бивачном костре или лесном пожаре? Помимо температуры, на скорость рацемизации сильно влияют еще другие факторы, например, водородный показатель рН (кислотность). В одном сообщении говорится: «У аминокислот, встречающихся в осадочных горных породах, начальная рацемизация происходит почти на целый порядок (в десять раз) быстрее, чем у свободных аминокислот при одинаковых рН и температуре».
Но это еще не все. Возраст одной из саннивейлеких костей определился радиоуглеродным методом, не только путем подсчета бета-частиц от распада атомов, но и более новым способом подсчета самих атомов. Оба метода показали более или менее сходные результаты. Среднее число составляло всего лишь 4 400 лет!
Чему можно верить? Некоторые результаты, очевидно, совершенно неправильные. Полагаться ли нам скорее на радиоуглеродную датировку, потому что в применении ее имеют больший опыт? Однако и при этом способе датировка нескольких проб той же кости колебалась от 3 600 до 4 800 лет. Не лучше ли, по словам цитированного выше ученого, признать, что, «возможно, все [датировки] неверны»?
[Вставка, страница 19]
Теперь известно, что радиоуглеродные часы подвержены всевозможным помехам.
[Рамка, страница 18]
Недавно в журнале Science News под заглавием «Новые датировки „старых“ инструментов» сообщалось:
«Четырем костяным инструментам, которые считались доказательством того, что 30 000 лет тому назад в Северной Америке жили люди, не больше 3 000 лет. Таково сообщение археолога Д. Эрл Нельсона и его коллег из университета имени Саймона Фрейзера в Британской Колумбии, согласно журналу SCIENCE от 9 мая...
Разница в определении возраста двух углеродных проб из той же кости, выражаясь мягко, значительна. Например, „мездряку“, который использовался для очистки звериной шкуры от мяса, сначала приписали радиоуглеродный возраст в 27 000 лет. Теперь этот возраст изменили на приблизительно 1 350 лет» (10 мая 1986 года).
[Схема, страница 20]
(Полное оформление текста смотрите в публикации)
Количество углерода 14 (или рацемизированной аспарагиновой кислоты) меняется в зависимости от внешних условий.
Колебания интенсивности космических лучей
Углерод 14
Изменения температуры
Аспарагиновая кислота
[Схема, страница 22]
(Полное оформление текста смотрите в публикации)
L-аспарагиновая кислота
COOH C NH2 H CH2COOH
D-аспарагиновая кислота
HOOC C H2N H HOOCH2C