Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Хелфанд Дэвид

Во введении к этой главе мы уже отмечали, что самые долговечные атомы в организме человека находятся в зубной эмали. Слои этого твердого вещества, называемого апатитом, состоят из кристаллического фосфата кальция (в первую очередь Ca₅(PO₄)₃(OH). Они откладываются по мере роста постоянного зуба, начиная с рождения и примерно до пятилетнего возраста.

В Периодической таблице химических элементов непосредственно под Кальцием находится Стронций, поэтому их свойства, о чем мы говорили в главе 4, достаточно схожи, и Стронций легко приходит на смену Кальцию в кристаллах апатита. В отличие от зубной эмали, время обновления атомов в человеческих костях составляет десять или двадцать лет. Таким образом, эмаль свидетельствует о том, где

человек родился, а кости – о том, где он провел пару последних десятилетий взрослой жизни. Например, Этци на момент смерти было примерно сорок пять лет.

Вольфганг Мюллер и его коллеги исследовали четыре геологические провинции в северо-восточной Италии и охарактеризовали их по соотношению изотопов Стронция и Свинца – ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr и ²⁰⁶Pb/²⁰⁴Pb соответственно. Местные растения поглощают эти почвенные минералы, а когда кто-то поедает растения, минералы становятся частью его зубов, что дает нам возможность судить о месте рождения Этци. Анализ эмали его клыков (с соотношением ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr, равным 0,7215) позволил исключить две геологические провинции.

Затем исследователи изучили соотношение ¹⁸O/¹⁶O в зубной эмали. Из дождевых туч первой выпадает более тяжелая вода, содержащая ¹⁸O, из-за чего соотношение изотопов Кислорода уменьшается по мере удаления от источника испарения (в данном случае от Средиземного моря). Эмаль показала, что в детстве, когда ему было от трех до пяти лет, Этци пил воду с соотношением –1,1 % по сравнению со стандартным значением. Это исключает южные геологические провинции (ближайшие к океану), где эти значения намного больше, а значит, Этци родился в окрестностях долины Эйсак, примерно в 25 км к северу от современного Больцано.

Анализ бедренных костей Этци показывает, что содержание в них Стронция ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr значительно отличается от его зубов: ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr = 0,7177. Кроме того, в небольших кусочках слюды, обнаруженных в его желудке – предполагают, что они находились там вместе с недавно съеденным молотым зерном, – наблюдается соотношение Аргона ⁴⁰Ar/³⁹Ar. Это позволяет предположить, что от места своего рождения он перебрался примерно на 25 км к западу, в края, недалеко от которых в наши дни находится Мерано, а свой последний приют нашел в 25 километрах к северо-западу от современной австрийской границы. Так по мельчайшим атомам можно рассказать историю Этци по прошествии пяти тысячелетий с момента его смерти²⁷.

Изотопные соотношения одинаково хорошо применимы не только к людям, но и к другим существам, благодаря чему нам открыты и их жизненные истории. Недавно М. Вуллер и его коллеги²⁸ воссоздали жизнь шерстистого мамонта, обитавшего на Аляске 17 100 лет назад, еще до того, как первые люди добрались до Северной Америки. Соотношения ⁸⁷Sr/⁸⁶Sr, ¹⁸O/¹⁶O, ¹⁵N/¹⁴N и ¹³C/¹²C, зафиксированные на 2,5-метровом бивне, позволили исследователям выстроить картину мест, в которых находился мамонт на протяжении всех двадцати восьми лет его жизни, с недельными интервалами. Соотношение Стронция и Кислорода в бивне было таким же, как и в растениях, служивших мамонту пищей, что, в свою очередь, отражало характер местной природы.

ДНК выявила одну Х-хромосому – перед нами оказался мужской экземпляр. Первые полтора года он жил вблизи реки Юкон, скитаясь от полуострова Сьюард до дельты, а следующие четырнадцать лет провел в странствиях, преодолев более 1000 км, в основном к югу от хребта Брукс. Пятнадцать лет – это примерно тот возраст, когда молодые самцы изгоняются из матриархального стада (по крайней мере, у современных слонов) и отправляются в путь самостоятельно. Наш мамонт расширил свой ареал. Когда ему было девятнадцать,

двадцать, двадцать два и двадцать три года (но не двадцать один, не двадцать четыре и не двадцать пять), соотношение Стронция раз в год систематически падало, что свидетельствует о сезонной миграции. Последние два года он провел к северу от хребта Брукс. Резкий скачок соотношения ¹⁵N/¹⁴N в конце жизни указывал на то, что он, вероятно, умер от голода (вспомните беременных с утренним недомоганием).

В аналогичном исследовании 13 200-летнего мастодонта из Индианы также удалось засвидетельствовать заметное изменение ареала обитания животного в период, когда ему было от двенадцати до четырнадцати лет и пришла пора покинуть родное стадо. Используя зависящее от температуры соотношение ¹⁸O/¹⁶O, Дж. Миллер и его коллеги пришли к выводу, что мастодонт возвращался на северо-восток Индианы каждый год весной или в начале лета, и на его клыках остались боевые шрамы, полученные в течение по крайней мере последних восьми лет – по всей видимости, во время стычек за самок; он умер от колотой раны в голову в последнем бою, не дожив до своего тридцатипятилетия²⁹. Подобные исследования открывают путь к детальному воссозданию жизни крупной фауны Северной Америки незадолго до вымирания, которое произошло в конце последнего ледникового периода, когда люди проникли на континент.

Изменения в соотношениях изотопов, которые мы обсуждали, невелики. Как правило, они измеряются в десятых долях процента – или, иными словами, в тысячных долях. Значение 0,1 % в большинстве случаев настолько мало, что вы вполне могли бы его проигнорировать: если бы счет вашей кредитной карты, на котором лежало 850 долларов, уменьшился бы на 85 центов, вы бы, наверное, даже этого не заметили. Однако если речь идет об оценке изотопного содержания, то такая величина, во-первых, легко измерима, а во-вторых, раскрывает очень многое и позволяет нам получить сведения об истории диеты и сельского хозяйства – недоступные в ином случае, – а также предлагает по-новому взглянуть на питание и болезни наших предков и на историю их жизни и мира вокруг них.

Глава 11

Палеоклимат: измерение температуры Земли в давние времена

В 1975 году Уоллес Брокер¹, мой покойный коллега из Колумбийского университета, опубликовал в журнале Science статью под названием «Изменение климата: стоим ли мы на пороге резкого глобального потепления?»². В том году глобальная температура была на 0,03 °C ниже среднего показателя за XX век; среднее значение за предыдущие десять лет в точности совпадало со среднемноголетним. Брокер предсказал, что современные тенденции «по истечении примерно десяти лет сменятся выраженным потеплением, причиной которого станет углекислый газ». Кроме того, он предсказал, что «тенденция, в соответствии с которой экспоненциальный рост содержания углекислого газа в атмосфере становится значимым фактором, останется неизменной и к началу следующего столетия выведет среднюю планетарную температуру за пределы, наблюдавшиеся в течение последнего тысячелетия»³. В сущности, с 1977 года, по прошествии полутора лет с момента публикации статьи, и по сей день глобальная температура каждый год превышала среднемноголетнюю с постоянным повышением на 0,14 °C за десятилетие – и так продолжалось до 2015 года, после чего потепление ускорилось. В 2020 году температура была на целый градус Цельсия выше средней температуры XX века – этот показатель на Земле был выше, чем за несколько тысяч минувших лет.

Если учесть типичные условия, характерные для десятилетия, предшествовавшего 1975 году, то станет ясно, что Брокер не высказывал предположение о будущем, экстраполируя существующую тенденцию, а делал четкий и точный прогноз, в основе которого лежала физика. В этой главе мы уделим внимание выявлению температур в далеком прошлом – это поможет увидеть, что может ждать нас в будущем. Поэтому, наверное, стоит потратить немного времени и понять, что именно определяет температуру Земли (или любой планеты).