Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Хелфанд Дэвид
Именно это сделали ван дер Мерве и его помощник Дж. Фогель. Они изучили пятьдесят с лишним скелетов, обнаруженных в Иллинойсе, Огайо и Западной Виргинии, и при помощи радиоуглеродного датирования установили, что их возраст колеблется в пределах от 3000 года до нашей эры до 1300 года нашей эры. Для всех останков старше 500 года нашей эры соотношение изотопов 13C/12C сосредоточилось вокруг значений около –1,45 %. Этого можно было ожидать от диеты, состоящей исключительно из C3-растений, со средним соотношением –1,95 %, к которому добавился коэффициент фракционирования костного коллагена, составляющий +0,5 %.
Однако в случае, когда возраст скелетов датируется периодом от 600 до 1200 года нашей эры, соотношение 13C/12C в останках устойчиво растет, достигая к концу этого времени среднего значения –0,45 %; иными словами, оно возрастает на целый 1 % (см. рис. 10.2)11. Оно не достигает нулевого значения, которого можно было бы ожидать от растительной диеты, состоящей только из C4-растений, поскольку даже если у вас есть восхитительный новый источник белка, крахмала и сахара, это не означает, что вы должны непременно отказаться от употребления черники, помидоров и других овощей и перестать время от времени баловать себя жареной олениной. Измеренное соотношение позволяет нам рассчитать долю С4-растений в диете коренных жителей штата Огайо в период, который начался за 5000 лет до нашего времени, а закончился 800 лет назад. Примечательно, что всего за несколько столетий этот показатель увеличился с 0 % (эпоха до кукурузы) до более чем 70 %.
Рис. 10.2. Соотношение 13 C/ 12C в костях коренных американцев, обитавших на Среднем Западе США, отображенное как функция времени за период с 4000 г. до н. э. по 1500 г. н. э. Обратите внимание на быстрый рост количества скелетов, возраст которых датирован 1000 г. н. э. Шкала справа показывает долю диеты, поступающую из C4-растений. Эта доля практически равна нулю на протяжении первых 5000 лет, а затем, в течение нескольких столетий, возрастает до более чем 70 %, что указывает на выращивание кукурузы
В те годы, когда ван дер Мерве преподавал в Бингемтоне, штат Нью-Йорк, он смог повторить этот эксперимент на ряде человеческих ребер, найденных при раскопках в северной части штата Нью-Йорк и датированных 2500–100 годами до нашей эры, а также на еще одном комплекте, в котором кости были отнесены к периоду, длившемуся с 1000 по 1500 год уже нашей эры. Опять же, в более древних костях, как и ожидалось, наблюдалось соотношение –1,4 %, характерное для диеты, в основном состоящей из C3-растений с добавлением небольшого количества мяса. В то же время в последней группе было заметно постепенное увеличение от –0,95 до –0,65 %, что свидетельствовало о растущей зависимости от C4-кукурузы – впрочем, она проявлялась не так сильно, как в Огайо, и возможно, причиной тому был несколько более краткий вегетационный период в северной части штата Нью-Йорк. К настоящему времени подобные исследования проведены по всей Северной и Южной Америке, благодаря чему мы смогли нанести на карту весь процесс распространения кукурузы из горной долины в Оахаке и превращения ее в доминирующую сельскохозяйственную культуру в Новом Свете.
«Ты есть то, что ты ешь» – новые истории
Анна Рузвельт получила докторскую степень на факультете антропологии Колумбийского университета в 1977 году, когда я приехал в Колумбийский университет. Не прошло и нескольких лет, а раскопки, которые она вела в Венесуэле, в долине Ориноко, уже стали причиной жарких споров среди специалистов, изучающих археологию Амазонки. В то время ученые склонялись к мысли о том, что кукуруза не играла никакой роли в жизни цивилизаций тропических лесов Южной Америки в доисторические времена (1500–3000 лет тому назад). Напротив, утверждали, что местное население зависело от «системы тропических дождевых лесов», основанной на выращивании маниоки и кассавы, бывших источниками крахмала, и дополненной охотой и рыболовством для получения белка12.
Однако раскопки, проведенные Анной Рузвельт, показали, что крупные вождества того периода с их высокой плотностью населения не могли поддерживаться одной только системой тропических лесов, потому что (1) животных было слишком мало, (2) в сезон дождей, когда реки были слишком бурными, ловить рыбу было невозможно, и (3) корнеплоды гнили во влажное время года. Вместо этого она предположила, что 2500 лет тому назад в эти места завезли кукурузу, которая и обеспечивала белок, необходимый в тех случаях, когда охоты и рыбалки было недостаточно. Такие взгляды встретили решительное сопротивление со стороны известных ученых в этой области.
Этот спор мог бы перейти в разряд «академических», которые развиваются только по мере смерти участников, но на помощь пришли изотопы Углерода. Большую часть тропической растительности составляли C3-растения, а анализ костей животных того периода показал, что те немногие C4-травы, которыми они в принципе могли питаться, снижая тем самым соотношение 13C/12C, не оказывали никакого влияния, поскольку черепахи, рыбы и крупные грызуны, которых ели коренные жители, потребляли в основном материал C3-растений.
Однако оставался очень важный вопрос. Была ли культивированная маниока растением C3 или C4? Проблему решила поездка из Бингемтона на пуэрто-риканский рынок в Нью-Йорке, где мы купили два пирожных с маниокой; весь путь туда и обратно занял семь часов. Соотношение 13C/12C составило –1,9 %, как и ожидалось для стандартного C3-растения. Однако два скелета с берегов реки Ориноко, которые были найдены в Пармане, в нескольких сотнях километров вверх по течению от Карибского моря, и возраст которых составил 2800 лет, удивили исследователей: соотношение 13C/12C в костях составляло –1,9 % – иными словами, оно оказалось таким же, как и при потреблении чистых C3-растений, без добавления +0,5 %, которого можно было бы ожидать с учетом формирования костей.
Еще одно измерение изотопных соотношений, которое провели Э. Медина и П. Минчин, решило эту загадку13. Ученые показали, что у самой земли в тропическом лесу соотношение атмосферных 13C/12C было на 0,5 % ниже, чем на верхушках деревьев, поскольку воздух, захваченный у земли густым пологом, обогащается гниющим растительным материалом, у которого и так наблюдается дефицит изотопа13 C14. Эти дополнительные полпроцента просто компенсируют те +0,5 %, которые мы должны были бы добавить в расчете на костный коэффициент фракционирования – и тем самым мы получаем ожидаемый результат для диеты с высоким содержанием C3-растений. Это хороший пример разумной осторожности, которую следует соблюдать, когда мы пытаемся выяснить истину, обращаясь к изотопной летописи. Во введении мы уже отмечали, что атомы позволяют избежать культурных предубеждений, свойственных историкам, но подвержены множеству физических и химических воздействий, каждое из которых необходимо тщательно оценить, прежде чем делать окончательные выводы.
А как насчет костей более позднего периода, отнесенных примерно к 400 году нашей эры, когда процветали главные вождества? Они показали среднее значение, равное –0,33 %, что даже ниже, чем у их любящих кукурузу собратьев из Северной Америки, и это подтверждало, что их диета примерно на 80 % состояла из кукурузы. Quod erat demonstrandum15 – гипотеза Рузвельт подтвердилась.
Другие изотопы и диета
Природа биологических процессов заключается в построении сложных молекул из простых строительных блоков. В ходе этого процесса, как мы уже отмечали на примере Углерода, искажаются изотопные соотношения, что дает нам ключ к разгадке происхождения «кирпичиков». Но Углерод – не единственный элемент, для которого это справедливо. Например, Азот, следующий элемент в Периодической таблице и четвертый по распространенности в организме, также имеет два стабильных изотопа: 14N и 15N. Как и в случае с Углеродом, более тяжелый изотоп встречается гораздо реже, составляя всего 0,64 % Азота в нашей атмосфере, где преобладающим компонентом оказывается N2 (составляющий почти 78 % воздуха). Атомы Азота необходимы многим биологическим молекулам, но ни растения, ни животные не могут использовать обильный атмосферный N2, поскольку разорвать связь между двумя атомами слишком трудно. Чтобы Азот стал биологически полезным, его требуется «зафиксировать» (иными словами, разбить на части и встроить в другие молекулы, которые биологические системы могут разобрать на части и обратить себе на пользу). Эта роль отведена нескольким видам бактерий, называемым диазотрофами16. Некоторые из них живут в симбиозе на корнях растений, относящихся к семейству бобовых (горох, фасоль, клевер, люцерна, арахис и т. д.), и активно преобразуют бесполезный атмосферный N2 в полезные формы Азота, помогая этим растениям превзойти своих соседей. Когда бобовые умирают (или их вспахивают), фиксированный Азот высвобождается в почву, где может служить удобрением и стимулировать рост растений, лишенных этих полезных бактерий.
