English Deutsch
Новости
Мир антропологии

Радиоуглеродный метод и его применение в современной науке

Радиоуглеродный метод, разработанный более 60 лет назад и отмеченный Нобелевской премией, первоначально использовался для определения возраста археологических и геологических объектов, но вскоре сфера его применения существенно расширилась. Метод доказал свою универсальность и с большим успехом продолжает применяться в науке, технике, медицине и других областях человеческой деятельности.

Радиоуглеродный метод оказывает существенное влияние на развитие разных областей науки - от ядерной физики до криминалистики, но в первую очередь геологии и археологии. В марте 1949 г. была опубликована статья, в которой обосновывался принцип работы данного метода [1]. Его авторы - учёные из Университета Чикаго (США) Уиллард Ф. Либби, Эрнст С. Андерсон и Джеймс Р. Арнольд - показали, что могут определить возраст геологических или исторических событий, которые имели место не только сотни и первые тысячи лет назад, но и вплоть до 40-50 тыс. лет назад. При этом предложенный метод обладал достаточно высокой точностью и был совершенно независим от других технологий, применявшихся в то время в науках о Земле и в археологии. Можно без преувеличения сказать, что радиоуглеродный метод произвёл подлинную революцию в представлениях о времени в научном знании. Признанием важности этого открытия явилось присуждение У.Ф. Либби в 1960 г. Нобелевской премии по химии.

В данной статье даётся краткая информация об открытии и становлении метода, его физических основах; затем следует обзор применения радиоуглеродного метода в различных областях науки и технологий, его влияния на систему научных знаний XX в. в целом. Существует обширная литература, посвящённая радиоуглеродному методу (см., например: [2, с. 157–198; 3]), поэтому в статье автор ссылается лишь на самые общие и исчерпывающие источники.

Сразу после первых работ У.Ф. Либби и его коллег Американская антропологическая ассоциация и Геологическое общество США создали специальную комиссию для оценки первых результатов радиоуглеродного датирования, которая в 1951 г. пришла к выводу о надёжности полученных данных и их соответствии существующей научной парадигме. Научное сообщество с энтузиазмом восприняло новый исследовательский подход и стало активно использовать его при изучении прошлого Земли и человечества; на многие годы метод стал ведущим в определении возраста тех или иных объектов. С середины 1950-х годов радиоуглеродный метод распространился по всему миру.

Были у нового метода и противники. Так, археологи В. Милойчич и С. Яманоучи считали, что радиоуглеродные даты доисторических памятников Европы и Японии слишком удревнены, однако развитие археологических знаний в этих регионах подтвердило правильность радиоуглеродного метода [4]. Одновременно с накоплением фактического материала, то есть радиоуглеродных дат, шло постоянное совершенствование методических основ, заложенных основоположниками метода, и к концу 1970-х годов были сформулированы базовые положения радиоуглеродного метода с учётом новых данных [5].

Основы радиоуглеродного метода

Рис. 1. Цикл радиоуглерода (14С) в атмосфере, гидросфере и биосфере Земли (по [3], с дополнениями и  зменениями)
Рис. 1. Цикл радиоуглерода (14С) в атмосфере, гидросфере и биосфере Земли (по [3], с дополнениями и зменениями)

В природной среде Земли химический элемент углерод состоит из трёх изотопов: двух стабильных – 12С и 13С и одного радиоактивного – 14С, или радиоуглерода. Изотоп 14С постоянно образуется в стратосфере Земли в результате бомбардировки атомов азота нейтронами, входящими в состав космических лучей (рис. 1, уровень «образование»). В течение нескольких лет «новорождённый» 14С наряду со стабильными изотопами 12С и 13С попадает в кругооборот углерода Земли в атмосфере, биосфере и гидросфере (см. рис. 1, уровень «распределение»). Пока организм находится в состоянии обмена веществ с окружающей его средой (например, дерево получает углерод в виде углекислого газа из атмосферы в результате фотосинтеза), содержание 14С в нём остаётся постоянным и находится в равновесии с концентрацией данного изотопа в атмосфере. Когда организм отмирает, обмен углеродом с внешней средой прекращается; содержание радиоактивного изотопа начинает уменьшаться, так как уже нет притока «свежего» 14С извне (см. рис. 1, уровень «распад»). Радиоактивный распад любого элемента происходит с постоянной скоростью, которая весьма точно определена. Так, для изотопа 14С период полураспада составляет около 5730 лет. Следовательно, зная изначальное количество 14С в организме по отношению к стабильным изотопам 12С и 13С в состоянии равновесия (когда организм жив) и содержание 14С в ископаемых остатках, можно установить, сколько времени прошло с момента смерти углеродсодержащей субстанции. Такова суть модели, созданной У.Ф. Либби с соавторами. Несмотря на то, что в своём развитии радиоуглеродный метод прошёл через ряд значительных обновлений, по выражению К. Ренфрю – «революций» [4, p. 149–150], его основы, заложенные в 1949 г., остаются неизменными по сей день [6, 7].

Иными словами, находя в природе и на поселениях древнего человека остатки растений и животных, а также некоторые другие вещества, содержащие углерод, можно с помощью радиоуглеродного метода определить, сколько времени прошло с момента прекращения жизни организма, то есть установить возраст данных объектов. А это, в свою очередь, значит, что можно ответить на извечный вопрос геологов и археологов: как давно существовал данный организм или древнее поселение? Радиоуглеродный метод позволяет установить возраст углеродсодержащих веществ вплоть до 47 000 14С лет, что соответствует астрономическому возрасту около 50 000 лет [8].

Известно, что химический элемент углерод входит в состав практически всей живой материи, а также во многие вещества из разряда неживых (то есть созданных без участия живых организмов). Таким образом, радиоуглеродный метод поистине универсален. С его помощью определяется возраст целого ряда объектов, которые можно условно разделить на следующие группы: «геологические» – карбонатные осадки океанов и пресноводных водоёмов, ледяные керны, метеориты; «биологические» – древесина и древесный уголь, семена, плоды и веточки растений, торф, почвенный гумус, пыльцевые зёрна, остатки насекомых и рыб, кости, рога, бивни, зубы, волосы, кожа и шкура позвоночных животных и человека, копролиты; «антропогенные» – жжёные кости, керамика, кричный металл, пригоревшие остатки пищи, следы крови на древних орудиях, ткани, папирус, пергамент и бумага. В некоторых случаях, например, для изучения колебаний содержания 14С в зависимости от солнечной активности, измеряется его активность в таких «экзотических» объектах, как вина, виски и коньяки.

Радиоуглеродные лаборатории и их аппаратура

Рис. 2. Динамика количественного роста радиоуглеродных (1) и УМС-лабораторий (2) мира
Рис. 2. Динамика количественного роста радиоуглеродных (1) и УМС-лабораторий (2) мира

Первым коллективом, начавшим разрабатывать радиоуглеродный метод, была группа У.Ф. Либби в Чикаго. С начала 1950-х годов количество лабораторий в США, Канаде, Европе и Японии намного выросло, и в конце 1970-х их было уже более 100 (рис. 2: по [9, c. 17], с дополнениями);  в настоящее время их насчитывается около 140 на всех континентах. Всего в мире во второй половине XX в. работало 250 установок измерения содержания 14С. В конце 1970-х годов появились первые лаборатории, использующие ускорительную масс-спектрометрию (УМС), сейчас их уже 40. Список радиоуглеродных лабораторий регулярно обновляется и публикуется в главном издании по данной тематике – международном журнале «Radiocarbon» (в открытом доступе: www.radiocarbon.org).

Первая радиоуглеродная лаборатория в нашей стране была организована в 1956 г. при Радиевом институте АН СССР и Ленинградском отделении Института археологии АН СССР (ныне Институт истории материальной культуры РАН); вдохновителями её создания были И.Е. Старик и С.И. Руденко.

В настоящее время в России реально работают 7 лабораторий: в Москве – в Геологическом институте РАН, Институте географии РАН, Институте проблем экологии и эволюции им. А.Н. Северцова РАН; в Санкт-Петербурге – в Институте истории материальной культуры РАН, Санкт-Петербургском государственном университете и ВСЕГЕИ; в Новосибирске – в Институте геологии и минералогии СО РАН.

Для проведения радиоуглеродных исследований потребовались сложные приборы, создание которых было важнейшей частью становления метода. К ним относятся: сеточно-стенной счётчик Гейгера-Мюллера с твёрдым углеродом как носителем 14С (У.Ф. Либби, конец 1940-х годов); пропорциональный газовый счётчик (используется с 1950-х годов); жидкостно-сцинтилляционный счётчик – наиболее распространённый сегодня тип прибора (используется с 1960-х годов); ускорительный масс-спектрометр.

Рис. 3. Ускорительный масс-спектрометр Университета Аризоны (г. Тусон, штат Аризона, США) производства компании National Electrostatics Corporation: а – схема, б – пульт управления и источник ионов С¯, в – ускорительный танк, г – детектор изотопов углерода. Фото Дж.С. Бурра
Рис. 3. Ускорительный масс-спектрометр Университета Аризоны (г. Тусон, штат Аризона, США) производства компании National Electrostatics Corporation: а – схема, б – пульт управления и источник ионов С¯, в – ускорительный танк, г – детектор изотопов углерода. Фото Дж.С. Бурра

УМС-аппаратура – самая высокотехнологичная, сложная и дорогостоящая. Несмотря на это, число УМС-лабораторий в мире непрерывно растёт. На рисунке 3 – УМС-установка Университета Аризоны с рабочим напряжением 3 млн. эВ [10]. Вкратце принцип её работы (рис. 3, а) можно описать следующим образом: отрицательные ионы углерода С¯ (включающие и изотоп 14С), получаемые в ионном источнике (рис. 3, б), разгоняются в ускорительном танке (рис. 3, в) и поступают на измерение их количества в детекторе (рис. 3, г). После этого можно установить число атомов 14С в образце и, зная их изначальное количество (измеренное для «современных» образцов различных материалов), определить возраст очень небольших образцов (вплоть до 0.1 мг углерода и менее). Данный метод обладает одним несомненным преимуществом: для получения радиоуглеродной даты необходимо примерно в 1000 раз меньше углерода, чем при использовании «традиционных» жидкостно-сцинтилляционного и пропорционального газового методов; в остальном (нижняя граница чувствительности, требования к отбору образцов, их подготовка и др.) метод УМС мало чем от них отличается.

Применение радиоуглеродного  метода

Археология и четвертичная геология были и остаются главными областями использования радиоуглеродного метода. В археологии применение независимого способа определения возраста стало поистине революционным и в значительной степени изменило существовавшие археологические концепции [4]. Проводить серьёзные археологические работы без применения радиоуглеродного датирования в настоящее время невозможно. Теперь наряду с анализом «рутинных» объектов, к которым можно отнести древесину, древесный уголь и кости, всё чаще проводится определение возраста (в основном методом УМС) таких непригодных в недалёком прошлом материалов, как отдельные семена и плоды растений, текстиль, жирные кислоты (липиды) в древней керамике и сама керамика, остатки крови на каменных орудиях, наскальная живопись. Общее количество полученных радиоуглеродным методом дат для археологических памятников в мире составляет сегодня, видимо, несколько сотен тысяч; к началу 1960-х было не более 2400 [3, с. 151].

Результаты использования радиоуглеродного метода в археологии Старого и Нового Света обобщены в сводных работах [4, 11, 12]. Из наиболее интересных и важных примеров можно назвать датирование Туринской плащаницы [13], рукописей Мёртвого моря [14], наскальных рисунков в пещерах Франции и Испании [15], древнейших в мире стоянок с керамикой и земледелием [16, 17]. Широкие возможности открыл радиоуглеродный метод археологам и дендрохронологам, которые теперь могут «привязать» свои данные к абсолютной шкале времени с помощью так называемого «сопоставления флуктуаций». В данном случае флуктуации есть резкие изменения содержания изотопа 14С в течение последних 10–12 тыс. лет, которые могут быть идентифицированы и сопоставлены с зафиксированными на международно признанной кривой пиками [2, с. 173, 174].

В датировании древних памятников не обошлось без разоблачения подделок. Ещё на заре радиоуглеродного метода один из первых образцов, предположительно из Древнего Египта, оказался современной копией [4]. Хрестоматийным примером является датирование пилтдаунского «человека» из Англии (ожидаемый возраст – не менее 75 000 лет, реальный – 500–600 лет) и остатков «Ноева ковчега» на горе Арарат (их возраст составил всего 1200–1400 лет, а не как минимум 5000 лет согласно библейской хронологии) [4].

В четвертичной геологии и палеогеографии радиоуглеродный метод применяется так же широко, как и в археологии. С его помощью установлены хронологические параметры основных тёплых и холодных эпох за последние 40–50 тыс. лет [6], особенно для последних 10 тыс. лет (эпоха голоцена) (см., например: [12, 18]). Литература по применению радиоуглеродного метода в геологии чрезвычайно обширна (см., например: [19, p. 2899–2965]), поэтому остановимся лишь на некоторых примерах: геохронология второй половины позднего плейстоцена Сибири [20, 21], датирование извержений вулканов Камчатки [22]; хронология ледникового века северо-запада Европейской России [6, с. 243–271] и севера Евразии в целом [23].

Радиоуглеродный метод стал важнейшим инструментом в изучении процесса вымирания крупных млекопитающих (так называемой мегафауны) в конце новейшего геологического периода – плейстоцена (от 2.6 млн. до 10 тыс. лет назад). На основе массового радиоуглеродного датирования ископаемых остатков мамонтов, шерстистых носорогов и ряда других видов животных удалось установить время и место их окончательного вымирания [24]. Одним из важнейших достижений стало определение возраста костей и бивней мамонтов о. Врангеля (Северо-Восточная Сибирь): останки оказались удивительно «молодыми» – от 9000 до 3700 лет назад [25]; на сегодня это самые поздние мамонты на Земле. Не менее интересны результаты радиоуглеродного датирования костей ископаемого гигантского оленя с рогами размахом до 4 м: его последние представители обитали на Южном Урале и в Зауралье вплоть до 6900 лет назад [26]. В последнее время c помощью прямого УМС-датирования скорлупы яиц азиатского страуса получены данные о его существовании в Восточной и Центральной Азии до 8000 лет назад [27].

Широко используется радиоуглеродный метод в геофизике, океанологии, биологии, медицине и многих других науках. Измерения содержания 14С в морской воде прочно вошли в практику океанологических исследований (это позволяет выявить закономерности циркуляции вод Мирового океана) и в изучение грунтовых вод суши [12] и минеральных источников. Динамично развивающимся направлением можно назвать исследование содержания 14С в таких объектах, как метеориты и ледники [2, 12]. Радиоуглеродный метод помогает в изучении астрофизических явлений – колебаний солнечной активности, взрывов сверхновых звёзд и др. [7, 12].

Рис. 4. Содержание изотопа 14С в атмосфере Земли с начала ядерных испытаний (1945–1952) до настоящего времени (по [29], с изменениями)
Рис. 4. Содержание изотопа 14С в атмосфере Земли с начала ядерных испытаний (1945–1952) до настоящего времени (по [29], с изменениями)

Большую роль играет измерение активности изотопа 14С в исследованиях, связанных с «техногенным» радиоуглеродом. Как известно, во второй половине 1950-х годов в связи с началом испытаний водородных бомб в атмосфере произошло образование «искусственного» 14С в результате испускания большого количества свободных нейтронов в момент ядерного взрыва (см. рис. 1, уровень «образование»), и природный фон был сильно нарушен. К 1965 г. содержание изотопа 14С превысило его «добомбовое», то есть фоновое, количество почти в 2 раза – 190% по отношению к уровню 1950 г. (рис. 4) и даже сегодня всё ещё не вернулось к исходному состоянию. Сейчас активность 14С составляет около 105–110% от таковой в 1950 г. [28], появился даже термин «послебомбовый 14С». Однако нет худа без добра: данное явление широко используется для определения времени гибели молодых (не старше 40–50 лет) организмов [29]; иногда с помощью такого подхода удаётся разоблачить подделки древних человеческих мумий [30]. На феномене искусственного обогащения атмосферы 14С в 1950–1960-е годы построены многие биомедицинские исследования, где изотоп 14С является своеобразной «меткой» (см., например: [12, p. 570–589]). С помощью измерения активности 14С проводятся исследования загрязнения природной среды радионуклидами, выделяемыми при производстве топлива для атомной промышленности. И уж совсем «экзотическим» можно назвать использование радиоуглеродного метода в криминалистикедля выявления торговли слоновой костью (животные, убитые после 1955–1960 гг., имеют высокое «послебомбовое» содержание 14С в бивнях) и контрабанды наркотиков (также на основе «послебомбового» эффекта) [31]. Поистине, сферы применения этого метода почти безграничны!

Одним из направлений радиоуглеродных исследований, важным для всех наук, в 1960–2000-х годах стала калибровка 14С-дат [2]. Необходимость калибровки вызвана тем обстоятельством, что количество изотопа 14С в атмосфере, гидросфере и биосфере не оставалось постоянным (как полагали поначалу У.Ф. Либби и его коллеги), а изменялось под воздействием ряда внешних условий, главное из которых – колебания в недавнем геологическом прошлом активности космических лучей, продуцирующих радиоуглерод (см. рис. 1). Следовательно, зависимость между 14С и календарным возрастом не является линейной. Влияние этого фактора, осложняющего перевод радиоуглеродного возраста в астрономические (календарные) даты, в настоящее время преодолено для отрезка времени от наших дней до 20 000 лет назад; успешно ведутся работы по составлению графиков пересчёта 14С-дат в календарные вплоть до предела чувствительности радиоуглеродного метода (около 45 000–50 000 14С лет) [8].

Перспективы радиоуглеродного метода

Имеется много примеров влияния 14С-метода на развитие научного знания и пересмотр ряда положений. Так, именно на основании результатов 14С-датирования разрезов позднеплейстоценовых и голоценовых отложений удалось построить надёжную хронологическую основу для истории климата и природной среды Земли в целом, что крайне важно при прогнозировании климатических изменений в будущем.

Яркой иллюстрацией влияния радиоуглеродного метода на современные науку и культуру является определение возраста одной из самых известных христианских реликвий – Туринской плащаницы (которая, по преданию, служила погребальным покровом Иисуса Христа). Он оказался равен около 690 14С лет, что соответствует 1260–1390 гг. н.э. [13]. Очевидно, что в этом случае Туринская плащаница не имеет ничего общего с эпохой жизни Христа, которая, по библейской хронологии, датируется около 1–35 гг. н.э. Критика вывода о «молодом возрасте» плащаницы (с попыткой его опровергнуть) была предпринята группой Д.А. Кузнецова [32], однако детальное изучение описанных ими процессов не нашло подтверждения [33]. Таким образом, результаты датирования Туринской плащаницы можно рассматривать как научно достоверные, а необходимость подтверждения или уточнения с помощью радиоуглеродного метода возраста важных объектов искусства, истории и религии (картины, гравюры, рукописи, плащаницы, кости и мощи святых и т.п.) стала после этого очевидной.

Другой весьма показательный пример – прямое определение возраста древних людей путём 14С-датирования их костей. Предпринятые за последние 15–20 лет в этом направлении работы с остатками неандертальцев (Homo neanderthalensis) и людей современного типа (Homo sapiens sapiens) в Европе, Северной Америке и Азии показали, что в ряде случаев возраст костей гораздо «моложе» того, который был получен по археологическим или антропологическим данным [4, p. 152–153]. Тем не менее для большинства объектов полученные 14С-даты вполне совпадают с ожидаемыми результатами.

Открытость и свободный доступ к информации – один из основных принципов работы сообщества специалистов, использующих 14С-метод. Так, постоянно проводятся межлабораторные сверки радиоуглеродного возраста специально отобранных образцов. Идёт работа по совершенствованию процедуры калибровки 14С-дат, которая зависит прежде всего от степени достоверности исходных данных. В последние годы получены результаты, которые позволяют надеяться, что вскоре будет возможна надёжная калибровка 14С-дат вплоть до 50 000 лет назад.

В ближайшее время наиболее перспективным станет использование небольших УМС-установок, требования к эксплуатации которых не такие жёсткие, как для машин с рабочим напряжением 3–6 млн. эВ, а возможности компактного по размерам оборудования весьма велики. Немаловажным фактором оказывается и цена таких небольших (рабочее напряжение 200–500 тыс. эВ) приборов, она в несколько раз ниже стоимости крупных установок. Таким образом, расширяются возможности датировать напрямую очень малые или ценные объекты – произведения искусства, кости палеолитических людей и т.п., список объектов постоянно пополняется. Так, в последние годы УМС-методом устанавливают возраст кальцинированных костей из погребений по обряду кремации [34]; такие «поля погребений» распространены в Европе и Сибири. К приоритетным направлениям относится и исследование вариаций содержаний изотопа 14С в атмосфере вплоть до 50 000 лет назад на основе изучения озёрных ленточных отложений (с годичной слоистостью). Это, в частности, позволит проводить корреляцию природных и культурных событий не только для недавнего прошлого человечества, но и для всего позднего палеолита (до 35 000– 40 000 лет назад). Один из наиболее важных аспектов охраны окружающей среды – мониторинг радиоактивного загрязнения – в настоящее время немыслим без измерения активности изотопа 14С в различных природных и техногенных объектах.

*  *  *

Большой научный и практический потенциал применения радиоуглеродного метода, вероятно, не будет исчерпан и в XXI в. Являясь одним из наиболее универсальных и точных способов определения геологического и археологического возраста, а также будучи чувствительным индикатором загрязнения природной среды радиоактивными материалами и другими углеродсодержащими веществами, радиоуглеродный метод сегодня востребован в самых различных сферах фундаментальной науки и прикладных исследований. Это лишний раз подтверждает прозорливость У.Ф. Либби и его учеников – основоположников нового научного направления.

Первая публикация: Вестник Российской Академии Наук, 2011, том 81, № 2, с. 127–133


Интересно

Когда в 1817 г. с корабля спускали лошадь для короля Помаре, канаты лопнули, и ло­шадь упала в воду; туземцы [таитяне] немедленно спрыгнули за борт и своими криками и тщетными усилиями помочь животному чуть не утопили его. Но как только лошадь добралась до берега, все население бросилось бежать, стараясь спрятаться от этой «носящей человека свиньи», как они окрестили лошадь.

Чарлз Дарвин. Путешествие натуралиста вокруг света на корабле «Бигль». Москва, ГИГЛ, 1953 г.,  с. 441.

Catalog gominid Antropogenez.RU