Ричард Докинз - Самое грандиозное шоу на Земле
Радиоактивные «часы»
У всех химических элементов, встречающихся на Земле, есть 150 стабильных изотопов и 158 нестабильных, всего 308. Из 158 нестабильных изотопов 121 полностью исчез или существует, как углерод-14, только из-за постоянного обновления (мы увидим это чуть позднее). Теперь, если мы рассмотрим оставшиеся 37 существующих на Земле нестабильных изотопов, мы обнаружим важную и интересную вещь. Период полураспада каждого из них превышает 700 миллионов лет. У каждого из исчезнувших изотопов время полураспада не превышает 200 миллионов лет. Эти цифры не должны сбивать вас с толку — помните, что мы говорим о периоде полураспада. Рассмотрим судьбу радионуклида с периодом полураспада в 100 миллионов лет. Исходя из того, что мы обсуждали в середине главы, можно заключить: изотопы, период полураспада которых в десять и более раз уступает возрасту Земли, фактически исчезли, их больше нет на планете нигде, за исключением некоторых особых условий. Учитывая исключения, причины которых ясны, на Земле обнаруживаются только изотопы, период полураспада которых позволяет им сохраниться на очень старой планете. Углерод-14 представляет собой одно из вышеупомянутых исключений, потому что его запас на Земле постоянно пополняется. Следовательно, углерод-14 в качестве радиоактивных «часов» надо воспринимать отдельно от прочих. Что это означит — обнулить углеродные часы?
Углерод
Из всех химических элементов углерод представляется неотъемлемой частью всего живого. Без этого элемента очень трудно представить себе жизнь на любой планете. «Виной» этому выдающаяся способность атомов углерода к формированию колец, цепей и других молекулярных структур сложной архитектуры. Углерод попадает в пищевую цепь в ходе фотосинтеза — процесса, при котором растения усваивают молекулы двуокиси углерода (углекислого газа) из воздуха и используют энергию света для включения атомов углерода в состав молекул сахаров. Весь углерод, содержащийся в телах животных (и наших), поступает из растений, а значит, из атмосферного CO2. Процесс замкнут: когда мы дышим, выделяем вещества во внешнюю среду, когда умираем — углерод возвращается в атмосферу.
Подавляющее количество углерода, содержащегося в углекислом газе атмосферы СО2, — это стабильный изотоп углерод-12. Примерно в одном случае из триллиона атомов встречается радиоактивный атом углерода-14. Он довольно быстро распадается (период полураспада, напомню, 5730 лет) и превращается в азот-14. Для растения разницы между изотопами углерода нет, поэтому они с удовольствием усваивают с углеродом-12 и углерод-14, встраивая в сахара атомы обоих типов в той же пропорции, в которой углерод присутствует в атмосфере. Попав в растения, углерод (оба его изотопа в том же соотношении, что и в атмосфере) быстро (по сравнению со временем полураспада углерода-14) распространяется по пищевым цепям: растения съедаются травоядными животными, травоядные — хищниками, и так далее. Поэтому все живые существа содержат углерод-12 и углерод-14 приблизительно в одних и тех же долях, соответствующих долям в атмосферном СО2.
Итак, когда обнуляются «часы»? Когда растение или животное погибает. В этот момент оно отсекается от пищевой цепи и перестает получать углерод-14 из атмосферы. Проходят века, и углерод-14, содержащийся в трупе, деревяшке или куске ткани, постепенно превращается в азот-14. Следовательно, соотношение углерода-12 и углерода-14 в предмете постепенно опускается ниже значения, характерного для живых организмов и атмосферы. В итоге останется только углерод-12 — или, вернее, атомов углерода-14 станет слишком мало для того, чтобы мы могли их обнаружить. Таким образом, соотношение углерода-12 и углерода-14 может быть использовано для установления времени, прошедшего с момента оставления растением или животным пищевой цепи и прекращения углеродного обмена с атмосферой.
Это прекрасно, однако работает только потому, что запас углерода-14 все время возобновляется. Будь иначе, углерод-14 с его коротким периодом полураспада давным-давно исчез бы из атмосферы, так же, как оттуда исчезли другие быстро живущие природные изотопы. Углерод-14 — исключение из правил, поскольку он восстанавливается благодаря космическим лучам, бомбардирующим атомы азота в верхних слоях атмосферы. Азот — самый распространенный в атмосфере газ, массовое число которого — 14 (такое же, как и у углерода-14). Различие состоит в том, что в атоме углерода-14 содержится 6 протонов и 8 нейтронов, тогда как азот-14 имеет 7 протонов и 7 нейтронов (масса нейтронов почти равна массе протонов). Космические частицы способны, ударяя в протон ядра азота, превратить его в нейтрон. Когда это происходит, атом превращается в углерод-14 (углерод в периодической таблице стоит на клетку левее азота). Поскольку частота таких превращений мало изменяется от века к веку, радиоуглеродный метод прекрасно работает. На самом деле эта частота непостоянна, поэтому необходим метод учета и компенсации колебаний. К счастью, мы можем провести точную калибровку колебаний количества углерода-14 в атмосфере, что позволяет учитывать при датировании изменчивость соотношения углерода-12 и углерода-14. (Вы ведь не забыли, что временной промежуток, доступный для датировки при помощи углерода-14, в значительной мере покрывается дендрохронологией, которая позволяет определять возраст с точностью до года?) Таким образом, сопоставляя результаты, полученные двумя методами — радиоуглеродным и по годичным кольцам, — мы оценим ошибки, возникающие из-за непостоянной концентрации в атмосфере углерода-14. Мы можем пользоваться этой калибровкой при определении возраста органических образцов, для которых нет дендрохронологических данных (их абсолютное большинство).
Радиоуглеродный метод датировки изобретен сравнительно недавно — в 1940-х. Первое время он требовал большого объема органического материала. В 1970-х на помощь радиоуглеродному методу пришла масс-спектрометрия, и сейчас для анализа хватает крошечного образца. Это произвело настоящую революцию в археологии. Любопытный пример — Туринская плащаница. Из-за того, что на этом куске ткани таинственным образом появилось изображение распятого бородатого мужчины, множество людей верит, что этот предмет относится к временам Христа. Первые упоминания о плащанице во французских источниках относятся к середине XIV века (где она находилась до тех пор, неизвестно). С 1578 года плащаница хранится в Турине, причем с 1983 года — под надзором Ватикана. Когда с помощью масс-спектрометрии стало возможно определять возраст маленьких частиц, а не огромных кусков, как прежде, Ватикан позволил отрезать от плащаницы небольшую полоску. Образец был разделен на три части[55] и отправлен в три лидирующие в области радиоуглеродного анализа лаборатории: в Оксфорде, американской Аризоне и Цюрихе. Лаборатории, соблюдая условие независимости экспериментов и не обмениваясь данными, одновременно опубликовали приговоры относительно «даты смерти» льна, из волокон которого была соткана ткань. Британские ученые назвали 1200 год, американские — 1304 год, швейцарские — 1274 год. Эти даты, с учетом погрешности, согласуются друг с другом и с датой первого упоминания о плащанице: середина 1350-х годов. Датировка остается спорной, но отнюдь не из-за претензий к точности радиоуглеродного метода. Так, например, на углерод плащаницы мог оказать влияние огонь во время пожара 1532 года. Я не буду вдаваться в подробности, поскольку плащаница представляет собой исторический, а не эволюционный интерес. Скажу только, что эта история прекрасно иллюстрирует работу радиоуглеродного метода, а также показывает, что он, в отличие от дендрохронологии, работает с точностью не до года, а примерно до столетия.
Я подчеркивал, что существует множество часов[56], которыми может воспользоваться ученый-эволюционист, а также то, что наилучшим образом они работают в разных пересекающихся временных шкалах. Для определения возраста одного и того же образца породы можно пользоваться разными радиоактивными «часами», потому что все они обнулились одновременно, когда образец затвердел. В таких случаях результаты, полученные при помощи разных часов, совпадают (с учетом обычной погрешности). Это, безусловно, дает нам уверенность в точности этих инструментов.
Проверенные друг на друге и на породах известного возраста, эти методы могут быть использованы и при решении более интересных проблем, например вопроса о возрасте Земли. В настоящий момент ученые, использующие различные радиоактивные «часы», сходятся в том, что нашей планете около 4,6 миллиарда лет. В сходстве результатов, полученных разными путями, нет ничего удивительного, но, к несчастью, нам приходится снова и снова подчеркивать это: не менее 40 % населения США и чуть меньшая доля населения Великобритании (точные данные вы найдете в приложении) считает, что возраст Земли не превышает десяти тысяч лет. К несчастью, в США и мусульманском мире некоторые из «отрицателей истории» обладают существенным влиянием на учебные программы.
