Углеродные часы

Чуть ли не каждый атом углерода — это неустаревающее наследие звезд, вечное, неизменное, используемое снова и снова. Но крошечная, крохотулечная доля атомов шестого элемента в воздухе и в наших телах лишь временно выступает на динамичной сцене Земли. Эти атомы появляются как будто по волшебству и показывают товар лицом только на короткий промежуток времени, чтобы исчезнуть потом в мгновение ока.

Мы уже встречались с двумя стабильными формами углерода: распространенный углерод-12 составляет более 99% атомов углерода вашего тела; его чуть более тяжелый собрат углерод-13 — оставшийся 1%. Эти изотопы — один с шестью нейтронами, другой с семью — образовались миллиарды лет назад, преимущественно в больших звездах.

Радиоактивный углерод-14 с восемью нейтронами не такой{203}. Он нестабильный и относительно короткоживущий. Углерод-14 непрерывно образуется преимущественно поверх облаков в тех воздушных слоях, где космические лучи из глубин пространства бомбардируют насыщенную азотом атмосферу. Эти космические лучи, состоящие из бешено мчащихся протонов и других атомных ядер, действуют подобно боевым атомным пулям, которые сталкиваются с молекулами газов атмосферы, вызывая ядерный хаос. Образовавшиеся вторичные частицы градом разлетаются во все стороны; некоторые из них — это полные энергии нейтроны, часть которых затем сталкивается с атомами азота. От сильного удара быстродвижущегося нейтрона ядро азота-14 может «испортиться», потеряв один протон и приобретя один нейтрон, — в результате образуется углерод-14. Этот бурный созидательный процесс, происходящий уже миллиарды лет, обеспечивает небольшую, но постоянную поставку углерода-14 в атмосферу Земли.

Принципиальная разница между углеродом-14 и его более легкими и более стабильными углеродными кузенами заключается в радиоактивности. Углерод-14 балансирует на грани саморазрушения, потому что набрал слишком много нейтронов, чтобы чувствовать себя комфортно. Безо всякого предупреждения радиоактивный атом углерода-14 спонтанно превращается обратно в стабильный атом азота-14. Радиоактивный распад углерода-14 — надежный планомерный процесс. Исчезновение половины любой совокупности радиоактивных атомов углерода занимает порядка 5730 лет. Этот удачный период полураспада идеально подходит для изучения развивающихся человеческих технологий и культуры с помощью мощного метода радиоуглеродного анализа.

Эта революционная технология датирования по углероду-14 зависит от смерти, точнее — от времени смерти. А залогом успеха технологии является углеродный цикл. Пока растение живо, оно постоянно поглощает углекислый газ, воду и энергию солнечного излучения, чтобы синтезировать сахар. В этом суть фотосинтеза, который обеспечивает химической энергией почти всю жизнь на Земле. Животные питаются богатыми сахаром растениями или поедают других животных, пища которых — растения. Грибы и падальщики потребляют мертвые растения и животных. На каждом этапе сложной пищевой цепи атомы углерода переходят из одного резервуара в следующий.

Пока растение живет, оно потребляет около одной части на триллион углерода-14 наряду с другими атомами углерода — соотношение 12C, 13C и 14C зафиксировано изначально атмосферой. Пока вы едите растения или животных, которые съели эти растения, в вашем теле будет то же соотношение изотопов — примерно один на каждый триллион атомов углерода в вашем теле будет радиоактивным углеродом-14. И эта малюсенькая доля останется более или менее постоянной, пока растение не погибнет. Или пока вы не умрете. Вот тогда начнут тикать углеродные часы.

Углерод повествующий

Вдохновение использовать радиоактивный углерод для определения возраста органических остатков посетило химика Уилларда Либби из Чикагского университета вскоре после окончания Второй мировой войны{204}. Участник Манхэттенского проекта, Либби был хорошо знаком с химическим поведением радиоактивных изотопов, поэтому он отчетливо осознал, что у углерода-14 особое предназначение в исследовании сравнительно недавней истории человеческой цивилизации. Как и очень многие его коллеги по атомной эре, после войны он перенаправил применение своих знаний на мирные цели.

Идея Либби весьма проста: возьмите старый пергамент, давно потухший уголек из костра, волосок или кусочек высохшей кожи, измерьте соотношение изотопов углерода и вычислите возраст. Если распалась половина атомов углерода-14, то объекту около 5730 лет. Если их осталась всего четверть, тогда возраст в два раза больше — приблизительно 11 500 лет. Радиоуглеродный анализ замечательно подходит для датировки фрагментов ушедшей жизни возрастом до 50 000 лет, по истечении которых выживает только порядка тысячной доли первоначальных атомов радиоактивного углерода.

На практике углеродное датирование немного сложнее. Начать с того, что точно измерить одну часть на триллион углерода-14 — нелегкая задача. При обычном подходе ученые учитывают каждое событие распада и определяют содержание углерода-14, исходя из степеней радиоактивности. Распад радиоуглерода медленный, так что этот метод требует больших образцов со множеством атомов углерода, а также много-много терпения. В более эффективных современных методах для того, чтобы измерять количества тяжелых изотопов углерода-14, пока они не распались, используют мощные масс-спектрометры. Это более быстрый подход, и его можно применять к гораздо меньшим образцам, не крупнее просяного зернышка или короткого волоска.

Радиоуглеродный анализ перевернул наше понимание человеческой истории. Вы можете видеть его плоды каждую неделю в новостях. Особое внимание было уделено артефактам христианства. Собрание десятков свитков, написанных на древнееврейском и арамейском языках, обнаруженное в 1947 г. в пещерах неподалеку от Мертвого моря, стало первым резонансным испытанием для новой технологи датирования Уилларда Либби. Метод показал, что этим свиткам около 2000 лет, таким образом они являются самыми ранними из известных текстов, имеющих под собой библейское основание. Тем не менее знаменитая Туринская плащаница, почитаемая некоторыми верующими как льняной саван Иисуса из Назарета, была исследована в 1988 г. тремя независимыми лабораториями и датирована XIV столетием. Происхождение этого прекрасного полотна с его призрачным образом человека по сей день остается предметом бурных споров.

Радиоуглеродный анализ играет существенную роль и в археологии, он обеспечил нас подробной хронологией египетских династий, показал последовательность африканских миграций, передачу технологии в Европе и заселение доисторической Британии. Углерод-14 помогает определить возраст бесчисленных древних памятников и объектов — от монолитов Стоунхенджа, самым старым частям которого 5100 лет, что установлено по остаткам древесины, до «ледяного человека» Этци, который умер 5200 лет назад и сохранился в альпийских льдах неподалеку от границы нынешних Австрии и Италии. Обнаружение и датирование артефактов также меняет евроцентричный взгляд на «открытие» и колонизацию Америк — четкие свидетельства некогда горевших костров в поселениях викингов показывают, что они здесь были уже к 1000 г. нашей эры, за пять столетий до первого путешествия Колумба.

Радиоуглеродный анализ оказался весьма важен и для определения границ в противоречивой хронологии миграции людей в Америку. В исследовании 2015 г., опубликованном в журнале Proceedings of the National Academy of Sciences, ученые из Техасского университета A&M описали древнюю стоянку с костями разделанных