Как учёные определяют возраст вещей?

В повседневной жизни на вопрос «Когда это случилось?» отвечают календари, часы и секундомеры. Но что делать, если прошло слишком много времени? Что-то случилось так давно, что не было часов, календарей — и даже людей ещё не было. Что делать, если наблюдатель пропустил старт и видит только финиш — древнюю окаменелость, античную вазу, звезду на небе или состарившуюся клетку? Учёные придумали способы измерять время без часов: на помощь приходят температура, магнитные поля, изотопы и молекулы. Рассказываем, как это работает.

Способ первый: дендрохронология

Годичные кольца деревьев — это узор, который создают изменения климата. Этот узор остаётся на старых постройках и других деревянных вещах и выдаёт их возраст.

Как работает
Любой школьник знает, что возраст дерева можно определить по числу годичных колец на спиле. Они появляются из-за того, что летом дерево растёт быстро, а в зимние холода рост замедляется. Поэтому на спиле видно чередование широких светлых колец тёплого времени года и узких тёмных — холодного.

Годичные кольца пня рассказывают не только о возрасте спиленного дерева. По ним судят об изменениях климата: один год мог быть засушливым — и дерево росло медленнее, а второй, наоборот, оказался дождливым, и дерево здорово вымахало. Поэтому у деревьев, растущих в одном регионе в одно время, появляется похожий узор годичных колец.

Учёные составляют архивы этих узоров, потом сравнивают их с узором деревянных археологических находок — так и определяют возраст находок. Древесные часы охватывают период больше 8000 лет, а их точность достигает 1 года: ведь за год дерево добавляет лишь одно кольцо.

Годичные кольца на срезе векового дуба

Пример применения
В Великом Новгороде дендрохронологию использовали для датировки древних мостовых. Давным-давно новгородские улицы были узкими, три-четыре метра шириной, но вот мостили их на славу: вдоль улицы прокладывали три опоры из брёвен диаметром 18−20 см, а сверху настилали брёвна потолще, диаметром 25−30 см. Примерно раз в 20 лет эта внушительная деревянная конструкция обновлялась, и поверх старых брёвен укладывали новые. Такие вот слоёные пироги деревянных мостовых: в некоторых местах сохранилось аж 28 ярусов! Дендрохронологам было где разгуляться.

Способ второй: геохронологическая летопись

Для разных геологических периодов характерны разные ископаемые животные и растения. Почти как в китайском календаре: только вместо года эра — трилобитов, одноклеточных окаменелостей и т. д. Если археолог или геолог нашёл такую характерную окаменелость, то и с примерным возрастом пласта можно определиться.

Как работает
Вот лежит перед археологом пласт горных пород. В этом пласте он нашёл какое-то ископаемое и пытается решить, сколько примерно лет окаменелости. Установить геологическую эру ему помогут руководящие ископаемые — растения и животные, характерные для определённого геологического периода, но не встречающиеся ни раньше, ни позже.

Чтобы оказаться на должности руководящего ископаемого, окаменелости надо выполнить несколько непростых требований: она должна быть легко узнаваема, часто встречаться в отложениях, иметь широкое географическое распространение и узкие временные рамки существования. Если археолог или геолог увидел в раскопанном пласте акритархи, значит, он оказался в верхнем докембрии. А если наткнулся на панцирь вымерших членистоногих трилобитов, значит, геохронологические часы пробили кембрий.

Акритархи — микроскопические ископаемые остатки одноклеточных или кажущихся одноклеточными организмов.

Кембрий — геологический период, начавшийся 540 миллионов лет назад. Об обитателях докембрия мы знаем мало, а кембрий характеризуется появлением массы разнообразных многоклеточных существ — кембрийским взрывом.

Пример применения
В 2014 году члены павлодарского географического общества решили съездить в небольшую экспедицию к реке Шидерты. Казалось бы, обычная река посреди степи, на берегу известняк, какие-то камушки. Но к камушкам стоило приглядеться: некоторые из них оказались окаменелостями древних моллюсков-брахиопод. Да-да, в степи, вдали от моря и океана, учёные нашли остатки морских животных. Эти окаменелости словно нашёптывают исследователям, что сотни миллионов лет назад, в далёком-далёком девоне, здесь бушевал древний океан Тетис.

Способ третий: радиоизотопное датирование

Время течёт — радиоактивные изотопы распадаются. Если знаешь, какая доля изотопа распалась, — знаешь, сколько времени прошло.

Как работает
Руководящие ископаемые, описанные в предыдущей главке, — это способ измерить приблизительный возраст находки. Чтобы определить его поточнее, учёные применяют радиоизотопное датирование. Если в объекте есть радиоактивный изотоп, то, исходя из периода его полураспада и того, какая доля изотопа распалась, можно вычислить возраст объекта.

Изотопы — разновидности одного и того же химического элемента с разным числом нейтронов в ядре. Бывают устойчивые изотопы, а бывают распадающиеся со временем — радиоактивные.

Самая знаменитая разновидность этого метода — радиоуглеродное датирование. Живые организмы вместе с пищей поглощают и обычный углерод 12С, и радиоактивный 14С. Но когда растение или животное умирает, оно перестаёт обмениваться с окружающей средой радиоактивным углеродом. Оставшись в организме, он постепенно распадается, а его остаточная доля становится показателем возраста.

Предел радиоуглеродного датирования — 55 000−60 000 лет. Но есть другие изотопы, которые позволяют заглянуть в прошлое намного дальше. Их тоже применяют для измерения возраста. Например, очень удобный минерал — циркон, его используют для уран-свинцового датирования горных пород. Циркон содержит изотопы урана, которые затем распадаются на изотопы свинца. Точкой отсчёта — аналогом момента гибели животного для радиоуглеродного метода — считают кристаллизацию циркона при остывании лавы. Есть и другие методы: калий-аргоновый, аргон-аргоновый, свинец-свинцовый

Пример применения
В 1988 году много шуму наделало сообщение о радиоуглеродной датировке знаменитой христианской святыни — Туринской плащаницы. Традиционная версия гласит, что это полотно хранит следы крови распятого Христа, то есть относится к I веку нашей эры. Но радиоуглеродный анализ, проведённый в трёх лабораториях (Оксфордского университета, Университета штата Аризона и швейцарского Института технологии), показал, что плащаница значительно моложе — лет эдак на 1200−1300. Примерно тогда же, в 1353 году, зафиксировано и первое упоминание о святыне.

Туринская плащаница в церкви Сан-Лоренцо. Турин, Италия

Способ четвёртый: спектральный анализ и гирохронология

Невозможно ведь дотянуться до неё и взять кусочек для анализа и датировки. Так что придётся смотреть, как она светится и крутится.

Как работает
Звёзды стареют очень неравномерно: 90% жизни они не меняются, а потом вдруг резко начинают трансформироваться. Представить это можно так: человек достиг возраста 3−4 лет, потом 80 лет не менялся и затем за год поседел, сгорбился и умер. Астрономы оказались в затруднительном положении: очень сложно определить, сколько же звезде лет.

К счастью, многое можно разглядеть, присмотревшись к её свету. Если разложить спектр Солнца, получится радуга с тонкими-тонкими чёрными линиями. Это линии поглощения, которые соответствуют разным химическим элементам. По спектральным линиям поглощения можно судить о составе звезды. Вы спросите, при чём тут возраст? Дело в том, что в процессе термоядерной реакции водород в звезде выгорает, а содержание гелия растёт. А значит, чем старше звезда, тем больше в ней гелия и меньше водорода, а увидеть это можно по линиям поглощения в спектре.

Напоминаем, что звезда — это гигантский термоядерный реактор, в котором из ядер водорода (то есть из протонов) синтезируются ядра гелия.

Кроме того, возраст звезды выдает её период вращения. Молодая звезда крутится с некоторой скоростью, которая по мере взросления неуклонно падает. Одна беда — трудно увидеть это вращение, нужны очень чувствительные телескопы. Астрономы используют как ориентир солнечные пятна. Но со старыми звёздами работать проблематично, потому что у них всё меньше и меньше пятен. Метод определения возраста звёзд по вращению называется гирохронология.

Звёзды, как и планеты, вращаются вокруг собственной оси. Солнце, к примеру, совершает один оборот за 30 дней.

Пример применения
Наблюдать за вращением звёзд учёным помогает космический телескоп «Кеплер» — тот самый, который нашёл уже тысячи экзопланет. Чтобы откалибровать метод гирохронологии, в 2011-м учёные из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики проследили за скоплением звёзд NGC 6811, которому 1 млрд лет. Оказалось, звёзды этого скопления совершают оборот вокруг своей оси примерно раз в 10 дней, как и предсказывал метод. Учёные решили проследить за звёздами скопления постарше — NGC 6819, им около 2,5 млрд лет. И снова скорость их вращения совпала с теоретическими расчётами — метод сработал. Но стрелки гирохронологии всё-таки приходится подкручивать, внося корректировки для разных групп звёзд. Иногда они крутятся не так, как предсказывают расчёты. Стоит ослабнуть магнитному полю, как звезда начинает «молодиться» — крутиться быстрее.

Способ пятый: палеомагнетизм

Керамика и другие железосодержащие материалы — это сломанный компас: они показывают магнитное поле Земли прошлого. Поэтому намагниченность древностей может указать их возраст.

Как работает
Археологам часто попадается в руки керамика: разбитые тысячу лет назад глиняные горшки, осколки античных кувшинов для вина, тарелки, которые когда-то давно пылились в шкафу у наших предков, кирпичи… Оказывается, наука способна рассказать, когда раскопанный кирпич обожгли в печи или когда в древнем горшочке последний раз варили кашу. Дело в палеомагнетизме: при высоких температурах железосодержащие материалы вроде глины намагничиваются, а остывая, словно бы «запоминают» направление и интенсивность магнитного поля Земли в данный момент (они ведь постоянно меняются).

Сведения, которые сохранили горшок или печь в момент обжига, можно проанализировать и соотнести с хронологическими шкалами изменения магнитного поля. Так учёные узнают возраст древней керамики с погрешностью всего в 10 лет.

Пример применения
В Забайкальском крае есть холм, усыпанный обломками камней и кусочками черепицы; на некоторых из них виднеется зелёная глазурь. Кое-где из травы выглядывают основания колонн. Это Кондуйское городище. 600 лет назад здесь, в долине рек Кондуй и Барун, стоял дворец Чингизидов, наследников великого монгольского хана. На крыше из ярко-зелёной черепицы сверкали позолоченные диски с драконами, а со стен хмуро глядели чудовища.

При раскопках Кондуйского дворца археологи наткнулись на обилие строительной керамики: несколько видов кирпичей, плиты для пола, черепица. А значит, где-то рядом должны были быть большие печи для обжига. Найти эти печи археологам помог палеомагнетизм. Древние сооружения, которые когда-то раскалялись до высоких температур, запомнили магнитное поле Земли прошлого и фонили, создавая магнитные аномалии. Учёные определили их с помощью квантового магнитометра, нашли печи и разделили их по функциям: тут делали кирпич, а тут черепицу. Так мы узнали чуть больше о средневековом дворце, от которого остались лишь черепица и легенда.

Когда-то в Монголии жил богатый и могущественный Тумур-хан. Был у него сын Контой. Путешествуя по стране, Контой влюбился в красавицу Бальжит и женился на ней без позволения отца. Опасаясь отцовского гнева, Контой поселился вблизи речки Кондуй, стал ханом и построил дворец. Но отец сына не простил и послал против него войска. Красавицу Бальжит убили, Контоя пленили, а дворец разрушили.

Части фундамента террасы дворца в Кондуе в виде драконов. Улус Джучи, XIV в. Государственный Эрмитаж

Способ шестой: эпигенетические часы

Клетки — предатели похуже морщин. В своей ДНК (и не только в ДНК) они хранят маркеры возраста, которые не скроешь.

Как работает
Учёные устанавливают возраст клеток по ДНК. Дело в том, что по мере того, как клетка определяется с профессией — будет она нейроном или клеткой сосуда, — она сматывает ненужные ей гены в клубки и закрепляет их чем-то вроде молекулярного скотча, — метилированием. Участки ДНК, на которые навесили метильную группу, становятся липкими и склеиваются друг с другом. Как правило, чем старее клетка, тем больше у неё смотанной ДНК.

Зная, что профиль метилирования меняется с возрастом, Стив Хорват, профессор генетики человека и биостатистики в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, в течение четырёх лет анализировал данные по метилированию человеческой ДНК. И в 2013-м получил эпигенетические часы, которые позволяют по узору метилирования
353 участков ДНК с очень небольшой погрешностью определить возраст
человека. Этот показатель во много раз точнее многих других признаков старения, например длины концевого участка ДНК — теломер.

Клетка постепенно, деление за делением укорачивается. Примерно после 50 делений теломеры заканчиваются, клетка теряет возможность делиться и дряхлеет.

А ещё можно посмотреть, как клетка убирает внутренний мусор. Одно из «чистящих средств», применяемых клеткой, — это пищеварительный фермент бета-галактозидаза. С возрастом его становится всё больше.

Стресс вмиг сделал её старухой!

В отличие от человека, клетка может одряхлеть в любой момент — неважно, сколько ей на самом деле лет. Чтобы постареть, клетке достаточно подвергнуться сильному стрессу вроде воздействия токсичных веществ. После такого потрясения она отказывается нормально работать и приносить пользу организму. По-научному дряхлые клетки называют сенесцентными.

Пример применения
Эпигенетические часы Хорвата впервые были использованы несколько лет назад — европейскими криминалистами. Дело в том, что, когда в страну прибывает беженец без документов, его возраст оценивают на глаз или с его собственных слов. Беженцу выгодно приуменьшить свой возраст, потому что несовершеннолетние имеют больше прав и привилегий. Например, они могут вызвать в страну взрослых родственников или получить более мягкое наказание за преступление.

Так, в 2018 году молодой афганский беженец подал иск против полиции германского города Хильдесхайма с требованием признать, что как несовершеннолетний он может рассчитывать на поблажки. Полиция в ответ обратилась к методам определения возраста по узору метилирования. Действия властей тогда раскритиковали из-за незрелости технологии. Но ведь «часы Хорвата» когда-нибудь созреют?

Способ седьмой: измерение температуры трупа

Мрачноватый пример для храбрых духом мы приберегли на финал. Он не совсем про возраст — скорее про то, что судмедэксперт должен тщательно осмотреть, обнюхать, ощупать труп и измерить его температуру, чтобы определить примерное время смерти.

Специалисты-криминалисты проводят экспертизу. Полицейское расследование в лесу

Как работает
В сериалах про криминалистику есть расхожий сюжет: судмедэксперт водит руками над телом, капает что-то в пробирку, смотрит в микроскоп и называет точное время смерти. В реальности всё не так стерильно-бесконтактно. Грубые и ориентировочные показатели времени смерти — это окоченение и трупные пятна. Окоченение наступает потому, что, чтобы расслабиться, мышечным клеткам нужна энергия, а в мёртвом теле её нет. В пятнах
виновато остановленное кровообращение: сердце и тонус сосудов больше не подгоняют кровь, поэтому под действием силы тяжести она перемещается и скапливается на нижней стороне тела.

Судмедэксперт может разными способами исследовать раздражимость мышц. Но чаще всего он использует простой и точный метод — измерение температуры. Пока тело ещё не остыло до температуры окружающей среды, охлаждение происходит по определённому графику. Судмедэксперт измеряет температуру, вносит в формулу поправочные коэффициенты в зависимости от массы тела и условий охлаждения (температура среды, одежда, влажность и так далее) и, учитывая другие признаки, устанавливает примерное время смерти.

Только температуру надо измерить очень точно: привычный способ «градусник под
мышкой» не подходит, инфракрасный термометр тоже. Температуру приходится измерять ректально.

Пример применения
Недавно исследователи из Нидерландов предложили определять время смерти по температуре кожи, а не прямой кишки. Этот метод позволяет установить момент гибели с точностью до 38 минут, а не с погрешностью в несколько часов, как более ранние способы.

Учёные придумали математическую модель остывания: приняли форму головы за эллипсоид, конечностей — за конусы, туловища и шеи — за цилиндры. Затем для каждого элемента смоделировали время остывания с учётом массы тела, теплопроводности жира, нежировой ткани и одежды из хлопка. А также исследовали тела доноров, которые завещали себя науке. Метод сработал: предсказания, которые выдала модель, совпали с температурой, которую наблюдали в реальности.

Фото: RomanVX / Shutterstock, captureandcompose / Shutterstock, Eugen Thome / Shutterstock, El Greco 1973 / Shutterstock, jannoon028 / Shutterstock, Netelo / WikiMedia, Master1305 / Shutterstock, Maksim Shmeljov / Shutterstock

Опубликовано в журнале «Кот Шрёдингера» №4 (45) 2020 г.