Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Важно отметить, что вы не уникальны. Растения тоже состоят из того, что поедают. Независимо от вашей диеты, именно они служат основой вашей пищевой цепи. Они поглощают воздух и впитывают воду и минералы через свои корни, образуя фруктозу, целлюлозу и другие молекулы, составляющие растительный материал, так что соотношение изотопов в воздухе и почве отражается на их соотношении в растительном веществе и, в конечном итоге, в вашем организме. Впрочем, здесь, как всегда, необходимы тщательные измерения. Процесс фотосинтеза, при котором растения используют солнечный свет для производства своих молекул, в сущности, проводит в отношении некоторых изотопов политику дискриминации, причем ее конкретные способы зависят от вида растения. Опять же, способы, при помощи которых ваше тело обрабатывает потребляемую вами еду, меняют соотношение изотопов, поскольку пища превращается в кости, кровь и нейроны. Каждый шаг в этом процессе изменения изотопного состава, так называемом фракционировании, легко измерить, поэтому отслеживание этого – простая задача. Если сопоставить это с невозмутимыми часами поглощенных вами радиоактивных элементов, изотопный состав окаменелых костей дает нам возможность напрямую воссоздать историю того, как люди выбирали пищу, а также позволит проследить, от каких методов охоты и ведения сельского хозяйства они зависели.

В годы аспирантуры ван дер Мерве работал в Йельской радиоуглеродной лаборатории, где совершил поразительное открытие: он понял, что с помощью радиоуглеродного датирования можно определять происхождение железных орудий и других археологических артефактов. Процесс выплавки железа из руды начался по крайней мере еще в 1800 году до нашей эры в Хеттской империи и независимо в Китае к 600 году до нашей эры. Он требует нагрева руды до температуры более 1200 °C, для чего, в свою очередь, нужен древесный уголь. В ходе нагрева Углерод из древесного угля диффундирует в расплавленное Железо и составляет, в зависимости от достигнутой температуры, от 0,05 до 5 % готового продукта. Именно при помощи этих атомов Углерода (в частности, радиоактивного изотопа ¹⁴C) можно определить возраст Железа.

Оказывается, лучший древесный уголь получается из недавно срубленной зеленой древесины. В своем письме, написанном в 1750 году до нашей эры, Хаммурапи, царь Вавилона, наставляет своего слугу, начальника углежогов, «рубить только зеленую древесину»⁴. Нулевая точка времени для дерева, из которого производился древесный уголь, определена – оно срублено непосредственно перед тем, как диффундировать в Железо.

Ван дер Мерве доказал, что может успешно датировать древние железные артефакты, определив возраст (100 ± 80 г. н. э.) 230 граммов железных гвоздей из римского форта в Шотландии, построенного при Агриколе в 83 году нашей эры, а также фрагментов чугуна из гробницы в китайском Хотане (430 ± 80 г. до н. э.), созданных в период Воюющих царств, который продлился с 480 по 221 год до нашей эры.

К 1970-м годам ван дер Мерве решил добавить в свои археологические поиски стабильный изотоп Углерода ¹³C наряду с датированием при помощи радиоактивного изотопа ¹⁴C. Как мы еще увидим, этот более тяжелый и устойчивый родственник наиболее распространенного изотопа¹²C играет невероятно важную роль. Итоги своих исследований изотопов Углерода ван дер Мерве подвел в статье, неизменно вызывавшей мой интерес.

Начнем эту историю с того, что делают растения. Их «цель» в жизни – создавать растительный материал, в том числе такие молекулы, как глюкоза (C₆H₁₂O₆), сахароза (C₁₂H₂₂O₁₁) и амилоза (C₆H₁₀O₅), а затем соединять их в длинные цепи целлюлозы, лигнина и других молекул, образующие главные структурные компоненты клеточных стенок растений. Для создания этих молекул растения используют разные пути фотосинтеза, но фундаментальные принципы одни и те же. Лист вдыхает CO₂ из воздуха и в присутствии H₂O использует энергию солнечного света, чтобы разорвать связь CO₂, выпустить O₂ (вещество, которым мы дышим) обратно в атмосферу и ввести C в органические молекулы, которые необходимо построить. Чтобы получить даже самую простую молекулу глюкозы (C₆H₁₂O₆), необходимо множество шагов, но если говорить о соотношениях изотопов, то это первый шаг в процессе, который отличает различные механизмы, к которым прибегают растения.

C3 против С4