На атлантическом побережье США археологи обнаружили устричные раковины, оставленные коренными американцами более 4000 лет назад. В Марокко палеонтологи раскопали останки динозавра, который бродил по Земле 168 миллионов лет назад. На Ямале был найден отлично сохранившийся мамонтенок Люба, который погиб 40 000 лет назад. Как исследователям удается так точно определять их возраст?
При изучении остатков прошлого специалисты используют радиометрическое датирование — универсальный метод, который заключается в подсчете радиоактивных атомов определенных элементов, которые все еще присутствуют в образце. Конкретные изучаемые элементы, а также детали процесса, зависят от приблизительного возраста объекта, который ученые надеются датировать.
Для датирования человеческих или животных останков возрастом приблизительно до 50 000 лет исследователи смотрят на уровни углерода-14 в образце. Этот изотоп, также называемый радиоуглеродом, образуется в результате столкновения космических лучей с азотом в атмосфере Земли, говорит Хосе Каприлес, археолог из Пенсильванского государственного университета. Химически углерод-14 ведет себя точно так же, как и его стабильные собратья (углерод-12 и углерод-13), позволяя растениям поглощать его во время фотосинтеза, а затем передавать дальше по пищевой цепи.
Будучи живыми, животные и растения, как правило, содержат те же уровни углерода-14, что и их окружающая среда. Но «когда живые организмы умирают, они перестают потреблять и накапливать радиоуглерод», — говорит Каприлес, и «начинается процесс радиоактивного распада», когда радиоизотоп превращается обратно в азот. Таким образом, исследователи сравнивают количество углерода-14 с уровнями углерода-12 и углерода-13, чтобы определить, сколько времени прошло с тех пор, как организм погиб.
Количество углерода-14 в мертвом организме уменьшается экспоненциально, снижаясь вдвое примерно каждые 5730 лет. Иными словами, через 10460 лет останется лишь четверть первоначального радиоуглерода, а через 16190 уже только восьмая часть. Используя масс-спектрометр, исследователи могут легко измерить оставшееся количество углерода-14 в образце. Более сложной задачей является оценка того, сколько его должно было присутствовать в окружающей среде в те времена, когда этот организм был жив.
Процесс образования и распада радиоуглерода.
«Солнечные вспышки и другие события могут повлиять на то, сколько радиоуглерода находится в верхних слоях атмосферы», — говорит Каприлес. «Также надо учитывать несколько отличающееся количество радиоуглерода в разных регионах планеты». На основании измерений, сделанных на основе древесных колец, кернов льда и других источников, исследователи разработали калибровочные кривые, которые показывают, как концентрация углерода-14 в окружающей среде изменялась с течением времени. По словам Каприлеса, Северное полушарие, Южное полушарие и морская среда имеют отдельные калибровочные кривые. Для достижения наиболее точной датировки он и другие археологи также учитывают факторы, вызывающие локальные вариации атмосферного радиоуглерода.
Каприлес изучает самых ранних жителей Южной Америки, которые прибыли с севера и начали расселяться по всему континенту около 15 000 лет назад. На каждом археологическом объекте он и его коллеги «просто хотят знать, когда там были люди», говорит он. «Как долго они оставались здесь? Как интенсивно они расселялись?» Каприлес добавляет, что для реконструкции временной шкалы «нет лучшего способа, чем использовать радиоуглеродное датирование» на костях, ткани, семенах и любом другом органическом материале, который получается найти. Но если находки старше 50 000 лет, то углерод-14 в них практически полностью распался, поэтому исследователям приходится обращаться к более долгоживущим элементам.
Возникающие в мантии Земли, некоторые радиоактивные элементы достигают поверхности в результате вулканических процессов и оказываются в ловушке внутри минералов и кристаллов в почве и горных породах. Например, в течение миллионов лет уран-235 и уран-238 претерпевают многоэтапные распады до изотопов свинца, что делает их идеальными для палеонтологии: исследователи могут определить возраст образца, измерив соотношение изотопов свинца к урану.
Но использование такого метода для датирования окаменелостей существ, которые жили миллионы лет назад, таких как динозавры, очень непросто. «Сами окаменелости обычно не могут быть датированы напрямую», — говорит Сара Гибсон, палеонтолог из Государственного университета Сент-Клу, которая изучает эволюцию рыб в эпоху раннего мезозоя.
Окаменелости формируются в результате различных процессов, наиболее распространенный из которых называется перминерализация. Когда умерший организм оказывается под землей, перминерализация может сохранить его твердые части, такие как кости. Когда вода проникает в останки, минералы из нее заполняют пробелы в костях, превращаясь в кристаллическую структуру, которая в конечном итоге полностью заменяет собой органический материал. К тому времени, когда минералы образуют окаменелость, они уже не являются «свежими» — уран в них уже распадался в течение миллионов лет.
Перминерализация может превратить дерево в такую красоту.
Попытка датировать его напрямую привела бы к ложному результату — возраст организма получился бы гораздо больше, чем на самом деле. В результате ученые должны «полагаться на геологические образования, которые находятся вокруг или рядом с окаменелостями», чтобы вычислить их возраст, объясняет Гибсон. Поскольку окаменелости обычно находятся в слоях осадочных пород, палеонтологи могут датировать их, исследуя минералы выше или ниже.
Циркон, минерал, обычно встречающийся в магматических породах, оказывается особенно полезным. Поскольку циркон образуется в охлаждающейся магме, его кристаллическая структура содержит уран, но не свинец. Таким образом, любой свинец, присутствующий в образце циркона, должен был образоваться в результате радиоактивного распада урана. Эта особенность позволяет геологам датировать вулканические потоки, которые перемежаются слоями осадочных пород, создавая доисторический слоеный пирог. Любые окаменелости, найденные в осадочных породах, должны быть моложе, чем застывшая лава или пепел ниже, и старше, чем лава выше.
Все это здорово, но что делать, если рядом с окаменелостями нет слоев пепла или застывшей лавы? «Далеко не всегда все так просто», — говорит Гибсон. «В случае с окаменелостями, над которыми я работал в Юте, нам пришлось изучить [скальные] пласты из Аризоны [которые уже были датированы] на севере и попытаться соотнести [их] с различными геологическими формациями [в Юте]. И тогда мы можем получить оценку возраста окаменелости, основываясь на его относительном положении».
Кристалл циркона под электронным микроскопом.
Этот подход очень похож на изучение слоености одного края торта, имея информацию о другом крае. В других случаях исследователи могут датировать окаменелые останки, используя близлежащие «индексные окаменелости» видов, про которые известно, что они существовали в течение определенного узкого периода времени. Еще один метод, магнитостратиграфия, изучает магнитные сигнатуры, оставленные в горных породах магнитным полем Земли, когда они еще были жидкими. Зная, что после застывания намагниченность пород уже не меняется, и также зная, как со временем менялось магнитное поле, можно узнать дату образования этих пород и соответственно окаменелостей рядом с ними.
Точность и надежность как радиоуглеродного датирования, так и уран-свинцового датирования улучшились в последние десятилетия, когда ученые узнали больше о прошлом Земли. Например, исследователи выпустили крупное обновление радиоуглеродных калибровочных кривых в этом году. От первых животных и до расцвета человеческой цивилизации, «мы все работаем вместе, опираясь на исследования друг друга, чтобы собрать воедино всю историю жизни на Земле», — говорит Гибсон.
