В МИРЕ НАУКИ. (Scientific American. Издание на русском языке). № 3 • МАРТ 1986

Масс-спектрометрический метод радиоуглеродной датировки с использованием ускорителя

Радиоактивный изотоп ¹⁴C может быть отделен от других атомов в образце, что позволяет более точно определять возраст образца, даже если он имеет малую массу

РОБЕРТ Е.М.ХЕДЖЕС, ДЖОН А.ДЖ.ГАУЛЕТТ

РАДИОУГЛЕРОДНАЯ датировка (РД) является основным методом, с помощью которого археологи и антропологи определяют возраст органических остатков. Известно, что радиоактивный изотоп углерода ¹⁴C входит в молекулярную структуру живых организмов. Поскольку число радиоактивных атомов постоянно уменьшается с определенной скоростью, то такие атомы могут служить «часами», которые дают возможность установить, как давно умерло то или иное растение или животное. Именно на использовании этих «часов» и основан обычный метод РД.

Несмотря на большое значение этого метода, он имеет серьезные ограничения. Одно из них состоит в том, что для получения надежных данных требуется относительно большое количество исследуемого материала, тогда как многие ценные археологические находки представлены в весьма небольших количествах. Предметы же достаточно крупные могут иметь сложную «углеродную историю», поскольку различные периоды могли оказать свое «влияние» на полное содержание углерода в этих предметах, пока они не превратились в археологический объект. Более того, уже после этого предмет мог оказаться загрязненным «современным» углеродом. Хотя существуют сложные лабораторные способы очистки образцов от таких позднейших наслоений, применение этих способов требует еще большего количества исследуемого археологического материала.

Обычный метод РД ограничен тем, что допускает надежную датировку находок, возраст которых не превышает 40 000 лет. Радиоактивное излучение более древних предметов трудно отличить от фонового излучения. Такое ограничение весьма огорчительно для археологов и антропологов, поскольку между 75 000 и 25 000 лет назад появился современный человек, а также происходили важные изменения климата и фауны.

В настоящей статье рассматривается новый метод РД, свободный от этих ограничений. В нем используется ускоритель частиц совместно с масс-спектрометром. Этот метод позволяет непосредственно подсчитывать число изотопов ¹⁴C вместо измерения скорости их распада и поэтому требует намного меньшего количества исследуемого образца по сравнению с обычным методом РД. Несмотря на то что по своему рабочему диапазону и точности новый метод пока сравним с обычным методом РД, в скором будущем его рабочий диапазон будет, вероятно, удвоен, а точность увеличена в два раза.

В органическом веществе примерно один из каждого триллиона (10¹²) атомов углерода является атомом ¹⁴C. Хотя в большинстве случаев ¹⁴C химически неотличим от двух других изотопов углерода (¹²C и ¹³C), он может быть обнаружен по радиоактивности при его распаде до изотопа азота ¹⁴N.

Скорость, с которой происходит распад радиоактивных изотопов, выражается периодом полураспада. Период полураспада l4C составляет примерно 5700 лет. Это означает, что образец, первоначально содержавший 10 000 атомов ¹⁴C, через 5700 лет будет содержать только половину этого количества, т. е. 5000 атомов ¹⁴C (остальные 5000 атомов распались до ¹⁴N). По прошествии еще 5700 лет останутся только 2500 атомов ¹⁴C и т. д. Зная первоначальное количество ¹⁴C в образце, можно легко подсчитать возраст этого образца, определив число периодов полураспада, приведших к остаточному уровню радиоактивности ¹⁴C.

Первоначальное процентное содержание атомов ¹⁴C в любом органическом веществе хорошо известно. Это объясняется тем, что количество ¹⁴C в биосфере оставалось на протяжение тысячелетий практически неизменным. Этот изотоп постоянно образуется в верхних слоях атмосферы при взаимодействии космических лучей с атомами азота. Соединяясь с кислородом, ¹⁴C образует радиоактивную двуокись углерода, которая проникает в нижние слои атмосферы и попадает в биосферу главным образом в процессе дыхания растений. Из растений ¹⁴C попадает через пищевую цепь в высшие организмы, включая человека. Совместный эффект радиоактивных потерь и новых образований в стратосфере привел к постоянной, хотя и незначительной, равновесной концентрации ¹⁴C в биосфере. Поэтому каждый живой организм имеет (и имел) одинаковое отношение ¹⁴C/¹²C в своих тканях.

После смерти организма потребление углеродных соединений прекращается, поэтому в результате радиоактивного распада количество ¹⁴C в его тканях начинает уменьшаться. Если остатки организма не загрязнены «современными» атомами ¹⁴C (содержащимися, например, в отложениях бактерий), то для определения времени смерти этого организма достаточно измерить отношение ¹⁴C/¹²C.

Радиоуглеродная датировка образцов дерева сравнивалась с результатами подсчета годичных колец в образцах (дендрохронология). Оказывается, что отношение ¹⁴C/¹²C не всегда строго постоянно. Интенсивность космических лучей, благодаря которым ¹⁴C образуется в верхних слоях атмосферы, зависит от возмущений магнитного поля Солнца и, возможно, от флюктуаций магнитного поля Земли. В любом случае в отношение ¹⁴C/¹²C может быть внесена поправка на эти отклонения. Более серьезная проблема состоит в том, что для определения содержания ¹⁴C в образце обычным методом — измерением радиоактивности — требуется относительно большое количество исследуемого материала.

Слабое излучение ¹⁴C трудно отличить от фонового излучения (вызванного главным образом космическими лучами). Обычно остаточная радиоактивность ¹⁴C в образце, возраст которого превышает 37 000 лет, слишком мала по сравнению с уровнем фонового излучения и поэтому трудно отличима от последнего. В результате для измерения спонтанного излучения даже самыми чувствительными приборами необходимо большое число атомов С (или продолжительное время измерения). Еще большее число этих атомов требуется для определения возраста образца с повышенной точностью. (Точность подсчитанного возраста обратно пропорциональна квадратному корню из числа «подсчетов» радиоактивности.) Для измерения распада примерно 10 000 атомов ¹⁴C в течение времени, достаточного для определения возраста с точностью до 80 лет, необходимо от 1 до 5 г чистого углерода. Чтобы получить такое количество углерода, необходим образец органического вещества гораздо большей массы — от 25 до 1000 г — в зависимости от содержания углерода в образце.

ПОНЯТНО, что намного большей эффективностью обладал бы метод, основанный на отделении атомов ¹²C и ¹³C от атомов ¹⁴C в образце известной массы и последующем подсчете всех атомов ¹⁴C. Повышение эффективности метода позволило бы расширить хронологическую протяженность и повысить точность датировки. Именно это нам удалось частично осуществить в Оксфордском университете с помощью масс-спектрометра, объединенного с ускорителем частиц.

В используемом методе сначала ионизуются атомы углерода, содержащиеся в образце, которые затем ускоряются до энергии около 10 МэВ. Траектория ионов высокой энергии, образующих пучок, искривляется магнитным полем, при этом в большей степени искривляются траектории более легких атомов. Это дает возможность отделить атомы ¹⁴C от других атомов в образце и определить их число. (Затем определяется количество атомов ¹²C и ¹³C по разности между первоначальной массой образца и общей массой подсчитанных атомов ¹⁴C.)

В нашем методе был применен ускоритель электростатического типа, в котором атомы углерода ускоряются электрическим полем. Именно поэтому атомы исследуемого образца должны быть сначала ионизованы. В этом ускорителе отрицательные ионы углерода сначала движутся ускоренно в электрическом поле (при ускоряющем потенциале 2,5 MB) к положительно заряженному преобразователю, а затем, отдав свои электроны, продолжают движение с ускорением, но уже как положительные ионы. Отнимая 4 электрона у ионов углерода, преобразователь заставляет любые примесные молекулярные ионы распадаться на отдельные атомарные ионы. В противном случае многие молекулы с атомной массой 14 были бы неотличимы от атомов ¹⁴C.

КРУГ С ОБРАЗЦАМИ в радиоуглеродном ускорителе содержит 20 металлических лепестков с углеродными образцами, приготовленными для датировки (а также образцами известного возраста или содержания ¹⁴C для калибровки). Углерод нанесен в виде тонкого графитового слоя на поверхности короткой танталовой проволоки, находящейся в углублении на внешней стороне каждого лепестка. Круг помещается в ионный источник ускорителя, где происходит последовательная ионизация каждого образца. Атомы ¹⁴C отделяются от остальных ионов и подсчитываются; число этих атомов является показателем возраста образца.

КОЛИЧЕСТВО КОСТЕЙ, необходимое для радиоуглеродной датировки, зависит от возраста этих костей, их состояния и метода датировки. Масс-спектрометрический метод РД (цветные кубики} требует в 1000 раз меньшее количество костей, чем обычный метод РД {большие кубики}, независимо от их возраста. Для того чтобы исключить «современный» углерод, который занижает возраст образца, содержание ¹⁴C определяется в очищенных аминокислотах, полученных из коллагена кости. Поскольку коллаген разрушается со временем {нижний график}, то чем больше возраст кости, тем больше требуется этого вещества. Уширение кривой связано с тем, что содержание коллагена в костях может меняться в зависимости от условий их сохранения.

РАДИОАКТИВНЫЙ ИЗОТОП ¹⁴C образуется в небольших количествах при взаимодействии нейтронов космических лучей с атомами азота в атмосфере. ¹⁴C соединяется с кислородом, образуя двуокись углерода. Как и обычная двуокись углерода (содержащая ¹²C), радиоактивная форма попадает в биосферу в результате дыхания растений. Через пищевую цепь ¹⁴C оказывается в тканях высших организмов. Непрерывное поступление ¹⁴C в биосферу, сбалансированное непреорывными потерями в результате радиоактивного распада, приводит к относительно постоянной концентрации ¹⁴C во всех растениях и животных. После смерти организма количество ¹⁴C в его тканях начинает уменьшаться в результате радиоактивного распада. Поскольку концентрация ¹⁴C в живых организмах известна, возраст органических остатков может быть найден путем измерения содержания в них ¹⁴C и определения периода времени, за которое произошел распад остальных атомов ¹⁴C

В масс-спектрометре фокусировка пучка ионов и разделение ионов по их массам осуществляются с помощью магнитного поля. Если ионы, имеющие одинаковые электрический заряд и скорость, но различающиеся по массе, движутся в магнитном поле, перпендикулярном направлению их движения, то при данном радиусе кривизны траектории этих ионов в приемную щель попадут только те из них, которые имеют одинаковую массу. Таким образом, магнитное поле служит для отделения всех заряженных частиц от тех частиц, которые имеют атомную массу 14. Вообще говоря, ускоренные ионы не имеют одинаковых зарядов и скоростей,поэтому ионы различающиеся по заряду, массе и скорости, попадают в приемную щель, расположенную сзади магнита. Тем не менее, используя в масс-спектрометре два магнита (один — для создания магнитного поля, действующего на ионы до их ускорения, другой — после ускорения), нам удалось уменьшить число посторонних ионов в 10¹⁰ раз.

Ускоренные частицы проходят через фильтр скоростей, в котором используются постоянные электрические и магнитные поля, перпендикулярные друг другу и пучку ионов. Это позволяет дополнительно уменьшить число посторонних ионов в 1000 раз, прежде чем положительные ионы с атомной массой 14 (т. е. ионы ¹⁴C) начинают подсчитываться с помощью регистрирующего устройства. Это устройство может отличать ионы, имеющие одинаковые массу и скорость движения, но различный заряд ядра, по скорости потери ими энергии при их столкновении с молекулами газа. Чувствительность регистрирующего устройства столь высока, что оно может «выбирать» почти все ионы ¹⁴C, даже когда их количество в падающем ионном пучке составляет менее 1%, как было в случае образца, имеющего очень большой возраст (около 60 000 лет).

В настоящее время метод масс-спектрометрии с ускорителем позволяет подсчитывать 2% всех атомов ¹⁴С в образце «среднего» возраста (т. е. возраст которого составляет примерно 12 000 лет) в течение нескольких часов. Хотя такой результат может показаться незначительным, отметим, что для обнаружения 2% атомов обычным методом потребуется 170 лет независимо от количества образца. Для подсчета 10 000 атомов ¹⁴C в образце «среднего» возраста новым методом достаточно 0,5—5 мг чистого углерода, т. е. в 1000 раз меньше, чем требует обычный метод РД.

ОСНОВНОЕ ОТЛИЧИЕ обычного метода РД {слева} от масс-спектрометрического (справа) состоит в способе измерения концентрации ¹⁴C. При обычном методе РД число атомов ¹⁴C в образце оценивается по числу радиоактивных распадов за определенный промежуток времени. Излучение ¹⁴C [черная стрелка) заставляет молекулу флюоресцирующего красителя испустить вспышку света [красная волнистая стрелка), которая регистрируется фотоумножителем. Естественное фоновое излучение может также вызывать сцинтилляцию молекул красителя, что приводит к искажению результатов. За счет экранирования уровень этого излучения становится меньше уровня радиоактивного излучения образца «среднего» возраста. Однако наиболее древние образцы менее радиоактивны, и их уровень излучения почти такой же, как и у фонового излучения. Для образцов, возраст которых превышает примерно 37 000 лет, «собственное» излучение почти неотличимо от фонового излучения. В масс-спектрометрическом методе РД подсчитываются непосредственно атомы ¹⁴C, отделенные от других атомов. Ограничивающим фактором этого метода является химическое загрязнение образца «современным» углеродом.

В РАДИОУГЛЕРОДНОМ УСКОРИТЕЛЕ (вверху) отрицательные ионы углерода движутся с ускорением сначала к преобразователю, к которому приложено положительное напряжение 2,5 MB; пройдя преобразователь, они приобретают положительный заряд и продолжают движение уже как положительные ионы. Большинство посторонних ионов «отфильтровывается» с помощью двух лучеотклоняющих магнитов. Эти магниты отделяет ионы по массе: более легкие ионы характеризуются большой кривизной траектории. Ионы с атомной массой 14 могут быть отделены с помощью щели, рассчитанной на соответствующий радиус кривизны и установленной на некотором расстоянии от магнита. В источнике ионов (слева внизу) атомы углерода исследуемого образца (напыленного в виде тонкого слоя на поверхность танталовой проволоки) бомбардируются положительными ионами цезия, в результате чего образуются отрицательные ионы углерода. Ионы ¹⁴C отделяются в конечном итоге с помощью детектора (справа внизу). После прохождения через пластмассовое окно ускоренно движущиеся ионы попадают в газоразрядную камеру, где порождают следы вторичных ионов. Так как поступающие в детектор ионы имеют одинаковую скорость движения и заряд атома, то скорость взаимодействия между ионами и молекулами газа зависит в основном от заряда ядра иона. Поэтому ионы углерода (цветные точки), имеющие заряд + 6, взаимодействуют с меньшей скоростью, чем ионы азота (черные точки), заряд ядра которых равен +7, и проникают в камеру на большее расстояние. Следы вторичных ионов перемещаются под действием электрического поля к пластинам коллектора, где измеряется их средняя длина. По результатам этих измерений находится число ионов ¹⁴C.

ОТДЕЛЕНИЕ ЗАРЯЖЕННЫХ ИОНОВ ¹⁴C основано на использовании трех устройств — лучеотклоняющего магнита, фильтра скоростей и детектора. Радиус кривой, по которой ионы движутся в магнитном поле, зависит от массы иона, егозаряда и скорости движения или кинетической энергии. Ионы(точки), которые проходят через щель, установленную за магнитом, распределены по массе, заряду и кинетической энергии. Графически это распределение выглядит в виде семейства гипербол (черные кривые), где каждому ионному заряду соответствует своя гипербола. Кинетическая энергия ионов, проходящих через фильтр скоростей, линейно зависит от атомной массы (красная пиния); поэтому, когда фильтр используется совместно с лучеизгибающим магнитом, он «отбирает» один ион в каждой из возможных гипербол. Окончательное отделение ионов ¹⁴C (красные точки) происходит в детекторе (серая полоса), регистрирующем только те ионы, кинетическая энергия которых равна 8 МэВ; таким образом происходит отделение ионов ¹⁴C.

ПЕРЕД исследованием образца методом ускорительной масс-спектрометрии он должен быть очищен от «постороннего» и «современного» углерода и превращен в графит. Обрабатывая образец химическими веществами, избирательно взаимодействующими с определенными типами углеродных соединений, можно выделить «подлинный» углеродный компонент данного образца, по которому и определяется его возраст. Например, кости могли абсорбировать органические соединения или подвергнуться химическому воздействию грибков и бактерии. Эти процессы являются источниками «постороннего» углерода в костях, затрудняющего точное определение исходного количества ¹⁴C, особенно если возраст образца очень велик. Основным органическим материалом костей является коллаген. Одна из аминокислот, образующих коллаген, — оксипролин — может быть обнаружена главным образом в костях. Поэтому, если приготовлена проба костного оксипролина, можно с уверенностью сказать, что углерод, содержащийся в пробе, был включен в структуру кости во время ее образования, а не впоследствии.

Выделенный углеродный компонент необходимо затем превратить в графит. Для этого мы сначала его сжигаем и получаем двуокись углерода, которую затем превращаем в ацетилен С₂Н₂, оставляющий слой чистого углерода на поверхности нагретой танталовой проволоки.

Для получения отрицательных ионов углерода этот слой бомбардируется положительными ионами цезия. (Такой источник ионов называется распыляемым.) Начиная процесс с отрицательных ионов, мы тем самым почти освобождаемся от посторонних атомов ¹⁴N (масса которых примерно равна массе атомов ¹⁴C), поскольку азот не может существовать в виде положительных ионов. Хотя распыляемый источник и позволяет получить стабильный поток ионов, которые затем могут ускоряться электрическим полем, только 10% этого источника превращается в ионы. Сейчас мы разрабатываем новый источник ионов, который должен быть не только более эффективным, но и позволит значительно упростить приготовление распыляемого образца химическим способом.

Исходя из того что метод ускорительной масс-спектрометрии позволяет обнаруживать почти любой изотоп с точностью 10^-9 млн^-1, можно было бы предположить, что с помощью этого метода возможна датировка образцов, возраст которых равен по крайней мере 80 000 лет. Однако в настоящее время этот метод имеет существенное ограничение, состоящее в том, что во время обработки образца в него попадает «современный» углерод, хотя и в очень небольших количествах. Именно поэтому новый метод РД по своему временному диапазону (40 000 лет) пока не отличается от обычного метода. Однако для первого из этих методов это ограничение не является неустранимым, поскольку его чувствительность может быть повышена за счет совершенствования способов обработки образца.

В НАСТОЯЩЕЕ время стоимость масс-спектрометрического метода с использованием ускорителя в полтора-два раза превышает стоимость обычного метода. В случае образцов, возраст которых превышает 10 000 лет, точность обоих методов примерно одинакова. Помимо того что существует возможность повысить точность нового метода, основным его преимуществом является то, что он требует в 1000 раз меньшее количество образца, чем обычный метод. Поэтому новый метод более эффективен в том случае, когда размер образца должен быть минимальным для сохранения археологического предмета, когда в распоряжении исследователей имеются только крошечные кусочки материала, а также когда требуется строгое определение стратиграфической позиции или химической характеристики образца.

Многие древние рукописи представляют собой слишком большую ценность, чтобы стать «жертвой» обычного метода РД. Новый же метод в этом отношении является практически безопасным. С помощью него уже был определен возраст небольшой части mappa mundi («карты мира», обнаруженной в герцогстве Корнуолл), относящейся к раннему средневековью, которая сохранилась благодаря использованию ее в качестве книжной обертки. Она оказалась определенно древнее другой известной в Англии карты, которая находится в Вустерском соборе (Великобритания). Масс-спектрометрический метод РД позволяет, таким образом, проверить многие палеографические датировки (метод, основанный на изучении стиля письма), а также выявить подделки. Первые рукописи Нового Завета или фрагменты древних папирусов были бы идеальным материалом для такого анализа.

Образцы материала для датировки, происходящие из многих археологических памятников, очень часто бывают слишком незначительны по своей массе. Поэтому из таких образцов зачастую составляют один общий образец — большего размера, достаточного для датировки. Недостатком такого способа является то, что смешиваются и совместно анализируются все компоненты образца, имеющие различный возраст. Во многих случаях масс-спектрометрический метод РД позволяет избежать этого и исследовать не смесь образцов, а каждый из них в отдельности. Например, этот метод использовался для определения возраста фрагментов костей и орудий из оленьего рога, изготовленных в эпоху палеолита — более 10 000 лет назад. Согласно оценкам специалистов по древнему искусству, возраст орнаментированной нижней части лошадиной челюсти, обнаруженной в северном Уэльсе сотню лет назад, определялся в широких пределах — от 5000 до 25 000 лет. С помощью нового метода РД было установлено, что возраст этой находки составляет примерно 10 000 лет; таким образом, она стала важным дополнением к каталогу позднепалеолитического искусства. Эта датировка также способствовала подтверждению факта существования плейстоценовой лошади в более позднее время.

Наконечники гарпунов из кости или оленьего рога, относящиеся к позднему ледниковому периоду, также являются очень важными предметами. Обычно они доходят до нас хорошо сохранившимися, поэтому для их датировки в качестве образца достаточно взять небольшой кусочек материала, полученного высверливанием. Образцом для датировки каменных орудий каменного века может иногда служить смола, содержащаяся в деревянных рукоятках этих орудий, или веревка, с помощью которой рукоятка привязывалась к обработанному камню. Бронзовые наконечники копий и топоры, относящиеся к более позднему времени, иногда находят с остатками дерева. Возраст наконечника копья, обнаруженного в пещере Джекскар в северной Англии, определялся по измерению содержания атомов ¹⁴C в «следах» его древка. Каменный топор-молот, относящийся к раннему бронзовому веку, был найден в торфянике с сохранившимися остатками погребенного леса в Клитхорпсе — на восточном побережье Англии. Интересно, что возраст одного из обнаруженных там пней оказался на 1000 лет меньше, чем молота. Прежде именно по возрасту пней определяли возраст этой находки.

Возраст костяных наконечников гарпунов является важнейшей информацией при воссоздании картины перемещения человека на север Европы в поздний ледниковый период; ценную информацию дает также датировка древесного угля и фрагментов костей северного оленя, находимых на древних стоянках. Стоянок открытого типа намного больше, чем пещерных, однако обнаруживаемые в них фрагменты различных предметов часто не пригодны для определения возраста стоянок обычным методом РД. Напротив, именно с помощью разработанного метода датировки была установлена хронология важнейших стоянок открытого типа в Пинсвенте, Этиоллесе и Масенджи. Как было установлено, возраст стоянки в Пинсвенте составляет немногим более 12 000 лет, что хорошо согласуется с данными, полученными недавно на основе обычного метода РД. Новый метод РД также показал, что стоянка в Пинсвенте на 1000 лет моложе стоянки в Этиоллесе, но старше стоянки в Масенджи. Таким образом, возраст стоянки в Пинсвенте по-видимому, примерно совпадает с возрастом находок, обнаруженных в пещере Гоу в юго-западной части Англии, и возрастом останков лося в Ланкашире: в обоих случаях возраст определялся также с помощью масс-спектрометрического метода РД. Датировка скелета лося позволила установить и возраст пары костяных наконечников, поразивших животного и застрявших в его костях; эти наконечники оказались наиболее древними из всех датированных ранее.

КАРТИНА ПОЛОЖЕНИИ, когда древние органические остатки (например, зубы, кости, древесный уголь или семена растений) должны быть тщательно соотнесены со слоями, прежде чем определять возраст слоев на основе радиоуглеродной датировки. Некоторые из остатков могли попасть в нижние слои в результате деятельности различных организмов или за счет трещин (вверху). Надежная датировка отложений может быть только в том случае, когда органические материалы оказались «замурованными» в ненарушенном слое. Поскольку такие материалы обычно имеют небольшой размер, то для датировки слоев наиболее подходит новый метод РД.

ДАТИРОВКА единичных семян растений или костей животных ранее осуществлялось только по возрасту того археологического слоя, где они были найдены. На этом основании делали вывод о времени начала доместикации животных или окультуривания растений. Однако из-за трещин в почве или же в результате деятельности человека и животных (например, грызунов и червей) распределение образцов органического материала в почве не всегда соответствует относительной хронологии отложения местных слоев. Новый метод РД является идеальным способом для проверки датировок, полученных на базе стратиграфии. Например, анализы, проведенные в нашей лаборатории и лаборатории Аризонского университета, где применялось подобное оборудование, показали, что датировка семян растений и каменных орудий, обнаруженных на месте древнейшего поселения в Египте (возраст — 17 000 лет), на самом деле составляет всего несколько сот лет. Кроме того, возраст семян, обнаруженных на поселениях на Ближнем Востоке, оказался равным многим тысячам лет, хотя эти семена не относились к культурным формам растений. Такая «стратиграфическая избирательность» является важным преимуществом нового метода РД.

Высокая избирательность этого метода определяется также самим способом обработки образца. Поскольку этот метод требует намного меньшего количества углерода, для измерений может быть взят наиболее подходящий образец. Для получения незагрязненного образца, например на основе составляющих аминокислот, может быть использован коллаген костей. Измерение содержания атомов ¹⁴C в аминокислотах, выделенных из дентина кусочка слоновой кости, позволяет определить возраст этой кости. Таким образом, по маленьким кусочкам бивней мамонтов, сохранившихся на стоянках, относящихся к палеолиту, может быть более точно определено время вымирания мамонтов в западной Европе. Новый метод РД позволяет также анализировать несколько углеродных соединений, полученных из одного образца. Тем самым можно строить последовательную картину загрязнений углеродом из других источников. Например, анализируя различные липидные фракции, содержащиеся в озерных отложениях, нам удалось отметить различные периоды времени, когда углерод попадал в эти отложения.

ОБЫЧНЫЙ метод РД наиболее успешно применяется для датировки хорошо сохранившихся органических остатков во временнбй области в 30 000 лет. Вместе с тем за порогом в 20 000 лет число предметов, чей возраст может быть уверенно определен, резко уменьшается. Этот временнбй порог может быть «отодвинут» в глубь времен с помощью нового метода РД.

Количество «исходных» атомов ¹⁴C в кости или кусочке древесного угля, возраст которых составляет примерно 40 000 лет, очень мало: такой образец может содержать только несколько тысяч атомов ¹⁴C. Следовательно, даже совсем небольшие количества «современного» углерода могут значительно искажать результаты измерений. Если количество «современного» углерода в образце, возраст которого примерно 25 000 лет, составляет 1%, то этот образец по результатам измерений окажется на 1500 лет «моложе» своего действительного возраста. Такое загрязнение может уменьшить возраст 60 000-летнего образца почти на 50%. Отсюда ясно, насколько важной является очистка от загрязнений древнейших образцов. К сожалению, после необходимой обработки образца его размер становится слишком малым для анализа обычным методом РД. Кроме того, этот метод сталкивается с неразрешимой проблемой отличить радиоактивность самого образца от фонового излучения.

Масс-спектрометрический метод свободен от указанных проблем, поэтому даже незначительные усовершенствования процесса химической обработки образца могут привести к повышению точности датировок и расширить область хронологических определений. Например, анализ очищенных аминокислот из костей, выполненный с помощью этого метода, показал, что возраст этих костей составляет не 25 000 лет, как считалось ранее на основе обычного метода, а 26 000 лет и более. Датировка этих костей обычным методом была основана на анализе всего коллагена, который мог включать и современный углерод.

Один из наиболее сложных вопросов, в решении которого новый метод РД уже оказывает существенное влияние, касается времени появления первого человека в Новом Свете. Установление времени, в течение которого происходило заселение Америки, является очень важной задачей, поскольку, решив ее, можно было бы оценить, как быстро расселялись первые палео-индейские охотники и собиратели, в каком темпе происходило развитие их этнического и лингвистического разнообразия. Большинство исследователей считают, что первые люди попали в Америку из северовосточной Азии, вероятно, 25 000 — 12 000 лет назад, пройдя по узкой полоске суши, которая соединяла Сибирь и Аляску. Однако в различных частях Нового Света, например в Канаде и Перу, были найдены скелеты людей, возраст которых оказался значительно большим, чем предполагалось. Новый метод РД опроверг полученные результаты: все останки людей, до сих пор найденные в Америке, не датируются раньше 12 000 лет. Этот метод, вероятно, будет основным при определении возраста непосредственно останков человека, если таковые будут обнаружены в будущем.

Новый метод РД, по-видимому, будет также основополагающим при построении надежной хронологии неандертальского человека. Имеющиеся археологические данные указывают на довольно внезапное исчезновение этого антропологического вида неандертальцев в начале верхнего палеолита — примерно 35 000 лет назад. Хотя сейчас рано говорить об окончательных результатах, новый метод РД, вероятно, поможет установить, что периоды верхнего и среднего палеолита оказались «сжатыми» по причине ограничений, присущих обычному методу РД. Если это подтвердится, то окажется, что исчезновение неандертальского человека происходило в течение гораздо большего времени, чем предполагалось ранее.

В МИРЕ НАУКИ

Scientific American • Издание на русском языке

ИЛЛЮСТРИРОВАННЫЙ ЖУРНАЛ

ПЕРЕВОД С АНГЛИЙСКОГО • ВЫХОДИТ 12 РАЗ В ГОД • ИЗДАЕТСЯ С 1983 ГОДА ИЗДАТЕЛЬСТВО «МИР» МОСКВА

№ 3 • МАРТ 1986

В номере:

4 Космические исследования, космическая техника и космическая станция Джеймс А. ванАллен

Программа создания пилотируемой космической станции значительно уменьшит возможности развития американской космической техники и исследований, если она будет выполняться согласно существующему плану. Большая часть задач в космосе может быть выполнена успешнее автоматическими аппаратами (Scientific American, January 1986, Vol. 254, No. 1)14 Остановка злокачественного роста путем принудительной дифференцировки клеток Лео Сакс

Размножение лейкоцитов и их дифференцировка в неделящиеся формы регулируются специфическими белками. Лейкемические клетки также можно принудить к дифференцировке; это открывает новые возможности для лечения рака (Scientific American, January 1986, Vol. 254, No. 1)

24 Структура ХВОСТОВ комет Джон К. Брандт, Малколм Б. Ниднер-младший

Образование плазменного хвоста и отсоединение его от кометы - результат влияния солнечного ветра и его магнитного поля. Наблюдения комет Галлея и Джакобини - Циннера помогут лучше понять эти явления (Scientific American, January 1986, Vol. 254, No. 1)

34 Применения обращения волнового фронта Дэвид м. Пеппер

«Обращенные во времени» световые волны можно использовать для улучшения качества лазерного пучка, компенсации атмосферной турбулентности, слежения за движущимися спутниками, кодирования и декодирования сообщений и распознавания образов (Scientific American, January 1986, Vol. 254, No. 1)

46 Образование месторождений из горячих источников на дне океана Питер Рона

Морская вода, циркулирующая сквозь трещиноватые вулканические породы, расположенные над источниками тепла, участвует в обменных химических реакциях с этими породами. В результате образуются значительные по размерам рудные месторождения, ряд из которых в настоящее время находится на суше (Scientific American, January 1986, Vol. 254, No. 1)

56 Химические средства защиты у высших растений ДжералдА.Розенталь

Некоторые химические вещества, образующиеся в растениях, ядовиты для травоядных животных или отпугивают их, другие снижают питательную ценность растений или нарушают нормальное развитие вредителей. В свою очередь травоядные животные находят пути, как использовать эти природные продукты (Scientific American, January 1986, Vol. 254, No. 1)

64 Масс-спектрометрический метод радиоуглеродной датировки с использованием ускорителя Роберт Е. М. Хеджес, Джон А.Дж. Гаулетт Радиоактивный изотоп 14С может быть отделен от других атомов в образце, что позволяет более точно определять возраст образца, даже если он имеет небольшую массу (Scientific American, January 1986, Vol. 254, No. 1)

72 Как головастики узнают родственников Эндрью р. Блостейн, Ричард к. 0'Хара

Головастики лягушек Rana cascadae предпочитают жить вместе со своими «братьями» и «сестрами», которых они умеют отличать от неродственных особей. Способность узнавать родственников является, по-видимому, не результатом знакомства, а генетически обусловленным свойством (Scientific American, January, 1986, Vol. 254, No. 1)

Об авторах о, 96 Наука и общество 63 50 и 100 лет назад 84 Наука вокруг нас 90 Занимательный компьютер 99 Библиография