Новосибирские ученые знают, как разбить древность на атомы

Озера, древние книги, иконы, кости мамонтовой фауны или доисторического человека, деревянные колоды из погребений и даже болотный торф – все эти объекты можно точно датировать, определить время их создания, появления на свет или, если речь идет о живом существе, период обитания на Земле.

https://ic.pics.livejournal.com/ss69100/44650003/2725953/2725953_300.jpgТри научных института Сибирского отделения РАН и Новосибирский университет создали центр коллективного пользования (ЦКП) "Геохронология кайнозоя", где пять лет назад был установлен, а сегодня вышел на серийную производительность единственный в России ускорительный масс-спектрометр.

Первые ускорительные масс-спектрометры (УМС) появились 30 лет назад. Сейчас в мире работает более ста комплексов УМС.

"Если сравнить атом углерода с пшеничным зернышком, которое пометили и бросили в миллионы тонн зерна, то с помощью УМС-оборудования мы легко обнаруживаем меченый атом углерода среди триллионов ему подобных" – так описывает чувствительность УМС инициатор создания прибора главный научный сотрудник Института ядерной физики им. Г. И. Будкера СО РАН академик Василий Пархомчук.

Методом радиоуглеродного датирования широко пользуются в мире археологи и геологи, этот метод важен также для музеев, которым для приобретения древних экспонатов нужно достоверно знать, что им предлагают не подделку. Радиоуглерод образуется в верхних слоях атмосферы (на высоте от 8 до 18 км) под действием космических лучей.

Живые организмы постоянно участвуют в углеродном обмене, а после их гибели обмен прекращается. Проникновение в атмосферу космического излучения человеческий глаз может видеть как северное сияние. Общая мощность космических лучей, падающих на Землю, – 1,4 гигаватта, как у электростанции. Из них до поверхности нашей планеты доходит всего 40 Вт благодаря защитному действию земной атмосферы.

Но попадающие в нее нейтроны выбивают протоны из азота-14, и образуется углерод-14, уровень которого на Земле остается стабильным на протяжении многих тысяч лет.

Как неандертальцы пережили извержение

Радиоуглеродное датирование на сибирском ускорительном масс-спектрометре фрагментов костей плейстоценовых животных и кусочков древесного угля из пещеры Биоче, где ведут раскопки сотрудники Института археологии и этнографии СО РАН, подтвердило теорию, что неандертальцы выжили после кампанского вулканического суперизвержения.

Извержение произошло 39 тыс. лет назад и длилось несколько веков, заполонив пеплом всю атмосферу, что привело к аномальному снижению температуры и, как следствие, вымиранию большей части человеческой популяции.

Данный тезис был опровергнут впервые в связи с характерными находками каменных орудий в более поздних по времени слоях, относящихся к неандертальской культуре. Датировка на УМС окончательно подтвердила эти исследования. Кости находились в тех же слоях, что и тысячи миниатюрных каменных орудий неандертальской культуры (балканское микромустье). Их возраст составил 33-32 тыс. лет до н. э.

Ускорить частицы – элементарно!

Технология радиоуглеродного датирования основана на подсчете атомов радиоактивного изотопа углерода (¹⁴С), которые накапливаются в живых тканях (растениях и животных) в течение всей их жизни, а после ее окончания его концентрация в тканях постепенно снижается. Скорость этого снижения отлично известна – период полураспада углерода 5730 лет, поэтому по количеству оставшихся атомов ¹⁴С можно легко подсчитать, когда существо или растение прекратило жизнедеятельность.

Например, мы исследуем образец, в котором когда-то была тысяча атомов ¹⁴С. Спустя 5730 лет их стало 500, спустя 11 460 – их уже 250, а через 17 190 – 125.

Метод хорошо работает только для образцов возрастом не старше 50 тыс. лет – у более древних вообще не остается атомов ¹⁴С.

Но как выделить из образца именно этот, содержащийся в тканях в очень малом количестве радиоактивный углерод, если в образце огромное количество других изотопов углерода? Физики знают ответ: "Конечно, с помощью ускорителя!". В основном частицы в ядерной физике распознают с помощью ускорителей высоких энергий.

Те, кому довелось побывать в Институте ядерной физики в Новосибирске либо же в Курчатовском институте или других ядерных центрах, хорошо знают, что подобная организация – это целый город с множеством подземных коридоров, ведущих к различным физическим установкам величиной как минимум с вертолет, а иногда и с большой пассажирский самолет.

Свои коллайдеры (кольцевые) и линейные ускорители специалисты по ядерной физике используют для изучения свойств разного типа частиц, например, тех, которые существовали очень короткое время после возникновения Вселенной.

Одна из главных задач в этих исследованиях – это за миллиардные доли секунды успеть определить частицу, пока она не распалась, следовательно, посчитать ее энергию (массу).

Если современные физики-ядерщики способны создать и детектировать частицу, не существующую во Вселенной, то выявить изотоп углерода для них задача чуть ли не школьного уровня. Общими усилиями установку собрали достаточно быстро. Больше времени ушло на калибровку системы и отладку всего цикла исследований.

С момента запуска установки это удалось сделать через пять лет. Сегодня можно констатировать, что российский УМС не уступает многим зарубежным. На нем с высокой точностью анализируют более тысячи образцов в год.

До прочтения сжечь

Чтобы получить углеродный образец, небольшой фрагмент кости, дерева, кожи или даже почвы сначала очищают от примесей. Например, возраст дерева составляет 500 лет, но оно может быть насквозь пропитано смолой этого года.

Подготовкой проб к УМС-анализу в ЦКП "Геохронология кайнозоя" занимается специальная химическая лаборатория Института археологии и этнографии СО РАН, которой руководит кандидат химических наук, старший научный сотрудник Екатерина Пархомчук.

При подготовке нескольких миллиграммов вещества для дальнейшего анализа необходимо выделить из исходного образца определенные белки, которые способны дать максимум информации об исследуемом объекте.

Например, костную ткань с этой целью попросту вываривают, выделяя из полученного "холодца" чистый коллаген. Затем чистый беспримесный образец сжигают на специальной установке, чтобы получить углекислый газ, а после – пару миллиграмм графита (углерода) спрессовывают в крошечную таблетку толщиной 2 мм и отправляют на физическую установку. Углерод или графит получают в несколько этапов, конечный из которых восстановление. Для простоты восприятия можно условно назвать конечный продукт сажей.

За один прием ускорительный масс-спектрометр способен проанализировать 23 таблетки, сделанные из сажи химически очищенных образцов. Таблетки по очереди бомбардируют направленным пучком ионов цезия, выбивая из "угольной мишени" заряженные ионы и молекулярные соединения углерода.

Закручиваясь в мощном ускорителе и пролетая сквозь плотное облако паров магния, они нагреваются до миллиона градусов и, как метеориты, попавшие в атмосферу, распадаются на атомы. В последнем спектрометре (прибор, разделяющий частицы по массе) траектория летящего изотопа углерода ¹⁴С резко отклоняется, и счетчик его успешно детектирует, то есть ведет поштучный подсчет.

Как узнать бактерию

Помимо процессов датирования подсчет изотопов ¹⁴С может широко использоваться и в других областях. УМС способен детектировать помеченные радиоуглеродом объекты. Например, бактерии Helicobacter pylori – одну из главных причин инфекционного гастрита и язвенной болезни ЖКТ – можно с высокой точностью обнаружить в выдыхаемом (из желудка) воздухе, избежав неприятной и не всегда эффективной процедуры гастроскопии.

Для этого пациент выпивает сильно разбавленный водный раствор мочевины, меченый изотопом углерода. Если в желудке живет микроб, он эту мочевину разлагает, и изотоп выделяется в виде углекислого газа. Если микроба нет, мочевина не разлагается.

История ХХ века на кольцах дерева

Создатели центра любят рассказывать, что первым образцом для датировки послужила массивная кость, найденная в 1990-е годы под Институтом ядерной физики СО РАН – во время строительства одного из тоннелей для установки коллайдера.

Анализ показал, что кость принадлежала бизону, ее возраст был определен в 27 500 лет. Дефицита образцов исследователи никогда не испытывали – огромный зал ЦКП, размером напоминающий гигантский ангар, уставлен ящиками с материалами раскопок из разных регионов России.

Не менее увлекательным оказался процесс калибровки по кольцам дерева. Ученые увидели в результатах последовательного анализа содержания ¹⁴С из каждого кольца обычного дерева всю советскую историю с гонкой вооружений и хрущевской оттепелью. В годы испытаний ядерного оружия график показал характерные пики. Ядерный взрыв сопровождается мощным потоком нейтронов – дополнительный источник образования радиоуглерода ¹⁴С. Испытания атомных бомб в 1950-1970-е годы ХХ века привели к удвоению содержания радиоуглерода в биосфере.

После физиков попробовать прибор в деле решили палеонтологи.

- Вдоль Оби есть немало участков, где из-за большого течения сильно подмывается береговая линия, – рассказывает академик Пархомчук. – В таких местах ученые обнаруживали кости древних животных: пещерного льва, бизона, мамонта. Датировка находок дает возможность реконструкции животного мира Сибири в течение большого периода. Теперь мы знаем, что 13 тыс. лет назад на берегу Оби жили мамонты.

Во время исследования донных отложений одного из сибирских озер возрастом 10 тыс. лет геологи датировали на УМС целую колонку ракушечника. Они обратили внимание, что за первые 5 тыс. лет на дне озера накопилось всего полметра осадков, а за последующие 5 тыс. лет – больше двух метров. Разгадка оказалась проста – в периоде оледенения.

Археологи из Закубанской экспедиции Государственного Эрмитажа получили датировки на новосибирском УМС слоя в навесе Мешоко (Республика Адыгея), в котором была обнаружена майкопская культура: каменные орудия и фрагменты керамики. Возраст культуры составил от 3632 до 3364 лет до н. э. Его удалось выяснить по анализу семян груши и зубов свиньи, найденных в тех же слоях.

Ускоритель из спутника

- А какое из ваших многочисленных исследований вы отнесли бы к сенсационным или неожиданным? – спросили академика Пархомчука на его публичном выступлении в Информационном центре по атомной энергии.

Ученый рассказал, что самый большой скандал, связанный с датированием древностей, был вызван результатами сразу нескольких ведущих лабораторий радиоуглеродного датирования трех кусочков всего одной нитки из Туринской плащаницы.

Все они независимо показали возраст образцов около XIII-XIV веков, что вызвало целый шквал возмущений, в том числе и у представителей научного мира, поскольку среди ученых тоже есть много верующих.

Возможно, покрывало, в которое заворачивали снятого с креста Иисуса, истлело, и примерно 800 лет назад его пришлось заменить. Кто же тогда мог предположить, что через 1200 лет на свете появятся такие технологии?

Что касается российских работ, продолжил Василий Пархомчук, то один музей прислал на анализ кусочек кожаной страницы древней книги – она оказалась современной подделкой.

- Чтобы искусственно состарить вещь, ее пропитывают нефтяными смолами, – комментирует эту историю Екатерина Пархомчук. – Поскольку возраст нефти исчисляется миллионами лет, она относится к так называемым мертвым материалам, не содержит ¹⁴С. При недостаточно тщательной очистке образца от примесей присутствующим в нем смолам нефти, возможно, удалось бы значительно увеличить возраст этой "древности".

Зарубежные ускорительные масс-спектрометры стоят около $10 млн. Российский экземпляр – результат энтузиазма и единодушия руководства нескольких научных институтов, которые в течение десяти лет ежегодно вкладывали средства интеграционных проектов на создание УМС.

К счастью, некоторые дорогостоящие детали не потребовали вложения средств, а достались ученым в наследство от советской военной программы освоения космоса. Массивный бак вакуумной камеры из толстой нержавеющей стали не успел стать оболочкой спутника-киборга, призванного уничтожать вражескую космическую технику разрушающим ионным излучением.

Дорогостоящая деталь из государственной программы звездных войн послужила науке в более мирных целях.

Образцы со всего света

За время работы УМС в Новосибирском научном центре подготовлено для измерений и проанализировано более 10 тыс. натуральных образцов (осадочные породы Арктики и Охотского моря, древесина, уголь, костные останки и биологические пробы).

Кроме прямого радиоуглеродного датирования для геологов и археологов УМС выполняет целый ряд других научных задач. В океанологии УМС необходим для реконструкции процессов осадконакопления и океанических течений, в химии и биохимии – для отслеживания кинетики реакций, в экологии – для измерения степени техногенного воздействия на компоненты экосистемы, в ядерной физике и астрофизике – при изучении фундаментальных свойств материи и космического пространства.