У повсякденному житті на запитання «Коли це сталося?» відповідають календарі, годинники та секундоміри. Але що робити, якщо минуло багато часу? Щось сталося так давно, що не було годин, календарів — і навіть людей ще не було. Що робити, якщо спостерігач пропустив старт і бачить тільки фініш — стародавню скам'янілість, античну вазу, зірку на небі або клітину, що зістарилася? Вчені вигадали способи вимірювати час без годин: на допомогу приходять температура, магнітні поля, ізотопи та молекули. Розповідаємо як це працює.
Спосіб перший: дендрохронологія
Річні кільця дерев – це візерунок, який створює зміни клімату. Цей візерунок залишається на старих будівлях та інших дерев'яних речах та видає їхній вік.
Як працює
Будь-який школяр знає, що вік дерева можна визначити за кількістю річних кілець на спилі. Вони з'являються через те, що влітку дерево росте швидко, а в зимові холоди зростання уповільнюється. Тому на спилі видно чергування широких світлих кілець теплої пори року та вузьких темних — холодної.
Річні кільця пня розповідають не лише про вік спиляного дерева. За ними судять про зміни клімату: один рік міг бути посушливим — і дерево росло повільніше, а друге, навпаки, виявилося дощовим, і дерево добре вимахало. Тому в дерев, що ростуть в одному регіоні одночасно, з'являється схожий візерунок річних кілець.
Вчені складають архіви цих візерунків, потім порівнюють їх із візерунком дерев'яних археологічних знахідок - так і визначають вік знахідок. Дерев'яний годинник охоплює період більше 8000 років, а його точність досягає 1 року: адже за рік дерево додає лише одне кільце.
Приклад застосування
У Стародавній Русі дендрохронологію використовували для датування стародавніх бруківок. Давним-давно вулиці були вузькими, три-чотири метри шириною, але мостили їх на славу: вздовж вулиці прокладали три опори з колод діаметром 18-20 см, а зверху настилали колоди товсті, діаметром 25-30 см. Приблизно раз на 20 років ця велика дерев'яна конструкція оновлювалася, і поверх старих колод укладали нові. Такі ось листкові пироги дерев'яних бруківок: у деяких місцях збереглося аж 28 ярусів! Дендрохронологам було де розгулятися.
Спосіб другий: геохронологічний літопис
Для різних геологічних періодів характерні різні копалини тварин та рослини. Майже як у китайському календарі: тільки замість року ера — трилобітів, одноклітинних скам'янілостей і т. д. Якщо археолог чи геолог знайшов таку характерну скам'янілість, то й із приблизним віком пласта можна визначитися.
Як працює
Ось лежить перед археологом пласт гірських порід. У цьому пласті він знайшов якусь копалину і намагається вирішити, скільки приблизно років скам'янілості. Встановити геологічну еру йому допоможуть керівні копалини - рослини і тварини, характерні для певного геологічного періоду, але не ні раніше, ні пізніше.
Щоб опинитися на посаді керівної копалини, скам'янілості треба виконати кілька непростих вимог: вона повинна бути легко впізнаваною, часто зустрічатися у відкладеннях, мати широке географічне поширення та вузькі часові рамки існування. Якщо археолог чи геолог побачив у розкопаному шарі акритархи, отже, він опинився у верхньому докембрії. А якщо наткнувся на панцир вимерлих членистоногих трилобітів, значить, геохронологічний годинник пробив кембрій.
Акритархи — мікроскопічні викопні залишки одноклітинних або одноклітинних організмів, що здаються.
Кембрій — геологічний період, що розпочався 540 мільйонів років тому. Про мешканців докембрія ми знаємо мало, а кембрій характеризується появою маси різноманітних багатоклітинних істот – кембрійським вибухом.
Приклад застосування
2014 року члени павлодарського географічного товариства вирішили з'їздити в невелику експедицію до річки Шидерти. Здавалося б, звичайна річка посеред степу, на березі вапняку, якісь камінці. Але до камінчиків варто було придивитися: деякі з них виявились скам'янілістю стародавніх молюсків-брахіопод. Так-так, у степу, далеко від моря та океану, вчені знайшли залишки морських тварин. Ці скам'янілості ніби нашіптують дослідникам, що сотні мільйонів років тому, в далекому-далекому девоні, тут вирував древній океан Тетіс.
Спосіб третій: радіоізотопне датування
Час тече — радіоактивні ізотопи розпадаються. Якщо знаєш, яка частка ізотопу розпалася, знаєш, скільки часу минуло.
Як працює
Керівні копалини, описані в попередньому розділі, це спосіб виміряти приблизний вік знахідки. Щоб визначити його точніше, вчені використовують радіоізотопне датування. Якщо об'єкт є радіоактивний ізотоп, то, виходячи з періоду його напіврозпаду і того, яка частка ізотопу розпалася, можна обчислити вік об'єкта.
Ізотопи — різновиди одного і того ж хімічного елемента з різним числом нейтронів у ядрі. Бувають стійкі ізотопи, а бувають з часом - радіоактивні.
Найвідоміший різновид цього методу - радіовуглецеве датування. Живі організми разом із їжею поглинають і звичайний вуглець 12С, і радіоактивний 14С. Але коли рослина чи тварина вмирає, вона перестає обмінюватися із довкіллям радіоактивним вуглецем. Залишившись в організмі, він поступово розпадається, а його залишкова частка стає показником віку.
Межа радіовуглецевого датування - 55 000-60 000 років. Але є інші ізотопи, які дозволяють зазирнути у минуле набагато далі. Їх теж застосовують для виміру віку. Наприклад, дуже зручний мінерал – циркон, його використовують для уран-свинцевого датування гірських порід. Циркон містить ізотопи урану, які потім розпадаються на ізотопи свинцю. Точкою відліку - аналогом моменту загибелі тварини для радіовуглецевого методу - вважають кристалізацію циркону при охолодженні лави. Є й інші методи: калій-аргоновий, аргон-аргоновий, свинець-свинцевий
Приклад застосування
1988 року багато шуму наробило повідомлення про радіовуглецеве датування знаменитої християнської святині — Туринської плащаниці. Традиційна версія свідчить, що це полотно зберігає сліди крові розп'ятого Христа, тобто відноситься до I століття нашої ери. Але радіовуглецевий аналіз, проведений у трьох лабораторіях (Оксфордського університету, Університету штату Арізона та швейцарського Інституту технології), показав, що плащаниця значно молодша — років на 1200–1300. Приблизно тоді ж, у 1353 році, зафіксовано і першу згадку про святиню.
Спосіб четвертий: спектральний аналіз та гірохронологія
Адже неможливо дотягнутися до неї і взяти шматочок для аналізу і датування. Так що доведеться дивитися, як вона світиться і крутиться.
Як працює
Зірки старіють дуже нерівномірно: 90% життя вони не змінюються, а потім різко починають трансформуватися. Уявити це можна так: людина досягла віку 3-4 років, потім 80 років не змінювалась і потім за рік посивіла, згорбилася і померла. Астрономи опинилися у скрутному становищі: дуже складно визначити, скільки ж зірці років.
На щастя, багато що можна розглянути, придивившись до її світла. Якщо розкласти спектр Сонця, вийде веселка із тонкими-тонкими чорними лініями. Це лінії поглинання, які відповідають різним хімічним елементам. По спектральним лініях поглинання можна будувати висновки про склад зірки. Ви запитаєте, до чого тут вік? Справа в тому, що в процесі термоядерної реакції водень у зірці вигоряє, а вміст гелію зростає. Отже, що старша зірка, то більше в ній гелію і менше водню, а побачити це можна за лініями поглинання в спектрі.
Зірка — це гігантський термоядерний реактор, у якому з ядер водню (тобто протонів) синтезуються ядра гелію.
З іншого боку, вік зірки видає її період обертання. Молода зірка крутиться з деякою швидкістю, яка в міру дорослішання неухильно падає. Одна біда – важко побачити це обертання, потрібні дуже чутливі телескопи. Астрономи використовують як орієнтир сонячні плями. Але зі старими зірками працювати проблематично, тому що у них все менше і менше плям. Метод визначення віку зірок за обертанням називається гірохронологією.
Зірки, як і планети, обертаються навколо своєї осі. Сонце, наприклад, робить один оборот за 30 днів.
Приклад застосування
Спостерігати за обертанням зірок вченим допомагає космічний телескоп «Кеплер» - той самий, який знайшов тисячі екзопланет. Щоб відкалібрувати метод гірохронології, в 2011-му вчені з Гарвард-Смітсонівського центру астрофізики простежили за накопиченням зірок NGC 6811, якому 1 млрд років. Виявилося, зірки цього скупчення здійснюють оберт навколо своєї осі приблизно раз на 10 днів, як і передбачав метод. Вчені вирішили простежити за старшими зірками скупчення - NGC 6819, їм близько 2,5 млрд років. І знову швидкість їхнього обертання співпала з теоретичними розрахунками — метод спрацював. Але стрілки гірохронології все-таки доводиться підкручувати, вносячи коригування для різних груп зірок. Іноді вони крутяться не так, як передбачають розрахунки. Варто ослабнути магнітному полю, як зірка починає "молодитися" - крутитися швидше.
Спосіб п'ятий: палеомагнетизм
Кераміка та інші залізовмісні матеріали – це зламаний компас: вони показують магнітне поле Землі минулого. Тому намагніченість старовин може вказати їхній вік.
Як працює
Археологам часто трапляється в руки кераміка: розбиті тисячу років тому глиняні горщики, уламки античних глечиків для вина, тарілки, які колись давно припадали пилом у шафі у наших предків, цегла... Виявляється, наука здатна розповісти, коли розкопану цеглу обпалили в печі або коли у стародавньому горщику востаннє варили кашу. Справа в палеомагнетизмі: при високих температурах залізовмісні матеріали на зразок глини намагнічуються, а остигаючи, наче «запам'ятовують» напрямок і інтенсивність магнітного поля Землі в даний момент (адже вони постійно змінюються).
Відомості, що зберегли горщик або пекти в момент випалу, можна проаналізувати та співвіднести з хронологічними шкалами зміни магнітного поля. Так вчені дізнаються про вік стародавньої кераміки з похибкою всього в 10 років.
Приклад застосування
У Забайкальському краї є пагорб, усипаний уламками каміння та шматочками черепиці; на деяких з них видніється зелена глазур. Де-не-де з трави виглядають підстави колон. Це Кондуйське городище. 600 років тому тут, у долині річок Кондуй та Барун, стояв палац Чингізідів, спадкоємців великого монгольського хана. На даху з яскраво-зеленої черепиці виблискували позолочені диски з драконами, а зі стін похмуро дивилися чудовиська.
При розкопках Кондуйського палацу археологи натрапили на велику кількість будівельної кераміки: кілька видів цегли, плити для підлоги, черепиця. А отже, десь поруч мали бути великі печі для випалу. Знайти ці печі археологам допоміг палеомагнетизм. Стародавні споруди, що колись розжарювалися до високих температур, запам'ятали магнітне поле Землі минулого та фонували, створюючи магнітні аномалії. Вчені визначили їх за допомогою квантового магнітометра, знайшли печі та розділили їх за функціями: тут робили цеглу, а тут черепицю. Так ми дізналися трохи більше про середньовічний палац, від якого залишилися лише черепиця та легенда.
Колись у Монголії жив багатий та могутній Тумур-хан. Був у нього син Конта. Подорожуючи країною, Контой закохався в красуню Бальжит і одружився з нею без дозволу батька. Побоюючись батьківського гніву, Контой оселився поблизу річки Кондуй, став ханом та побудував палац. Але батько сина не пробачив і послав на нього війська. Красуню Бальжит убили, Контоя полонили, а палац зруйнували.
Спосіб шостий: епігенетичний годинник
Клітини — зрадники гірші за зморшки. У своїй ДНК (і не тільки ДНК) вони зберігають маркери віку, які не приховаєш.
Як працює
Вчені встановлюють вік клітин ДНК. Справа в тому, що в міру того, як клітина визначається з професією — вона буде нейроном або клітиною судини, — вона змотує непотрібні їй гени в клубки і закріплює їх чимось на кшталт молекулярного скотчу, — метилюванням. Ділянки ДНК, на які навісили метильную групу, стають липкими та склеюються одна з одною. Як правило, чим старіша клітина, тим більше у неї змотаної ДНК.
Знаючи, що профіль метилювання змінюється з віком, Стів Хорват, професор генетики людини та біостатистики у Каліфорнійському університеті в Лос-Анджелесі, протягом чотирьох років аналізував дані щодо метилювання людської ДНК. І в 2013-му отримав епігенетичний годинник, який дозволяє за візерунком метилювання 353 дільниць ДНК з дуже невеликою похибкою визначити вік людини. Цей показник набагато точніше багатьох інших ознак старіння, наприклад довжини кінцевої ділянки ДНК - тіломір.
Клітина поступово, розподіл за розподілом коротшає. Приблизно після 50 поділів тіломіри закінчуються, клітина втрачає можливість ділитися і старіє.
А ще можна подивитися, як клітина прибирає внутрішнє сміття. Одне з «засобів для чищення», що застосовуються клітиною, — це травний фермент бета-галактозидаза. З віком його стає дедалі більше.
На відміну від людини, клітина може старіти будь-якої миті — не має значення, скільки їй насправді років. Щоб постаріти, клітині досить зазнати сильного стресу на кшталт впливу токсичних речовин. Після такого потрясіння вона відмовляється нормально працювати та приносити користь організму. По-науковому старі клітини називають сенесцентними.
Приклад застосування
Епігенетичний годинник Хорвата вперше був використаний кілька років тому — європейськими криміналістами. Справа в тому, що коли в країну прибуває біженець без документів, його вік оцінюють на око або з його власних слів. Біженцю вигідно применшити свій вік, тому що неповнолітні мають більше прав та привілеїв. Наприклад, вони можуть викликати в країну дорослих родичів або отримати м'якше покарання за злочин.
Так, у 2018 році молодий афганський біженець подав позов проти поліції німецького міста Хільдесхайма з вимогою визнати, що як неповнолітній він може розраховувати на поблажки. Поліція у відповідь звернулася до методів визначення віку за візерунком метилювання. Дії влади тоді розкритикували через незрілість технології. Але ж «годинник Хорвата» коли-небудь дозріє.
Спосіб сьомий: вимірювання температури трупа
Похмурий приклад для хоробрих духом ми приберегли до фіналу. Він не зовсім про вік — скоріше про те, що судмедексперт повинен ретельно оглянути, обнюхати, обмацати труп та виміряти його температуру, щоб визначити приблизний час смерті.
Як працює
У серіалах про криміналістику є розхожий сюжет: судмедексперт водить руками над тілом, капає щось у пробірку, дивиться у мікроскоп і називає точний час смерті. Насправді все не так стерильно-безконтактно. Грубі та орієнтовні показники часу смерті — це задублення і трупні плями. Задублення настає тому, що, щоб розслабитися, м'язовим клітинам потрібна енергія, а у мертвому тілі її немає. У плямах винний зупинений кровообіг: серце і тонус судин більше не підганяють кров, тому під дією сили тяжкості вона переміщується та накопичується на нижній стороні тіла.
Судмедексперт може різними способами досліджувати подразливість м'язів. Але найчастіше він використовує простий та точний метод – вимірювання температури. Поки тіло ще не охололо до температури навколишнього середовища, охолодження відбувається за певним графіком. Судмедексперт вимірює температуру, вносить у формулу поправочні коефіцієнти залежно від ваги тіла та умов охолодження (температура середовища, одяг, вологість тощо) і з огляду на інші ознаки встановлює приблизний час смерті.
Тільки температуру треба виміряти дуже точно: звичний спосіб «градусник під мишкою» не підходить, інфрачервоний термометр теж. Температуру доводиться вимірювати ректально.
Приклад застосування
Нещодавно дослідники з Нідерландів запропонували визначати час загибелі за температурою шкіри, а не прямої кишки. Цей метод дозволяє встановити момент загибелі з точністю до 38 хвилин, а не з похибкою кілька годин, як більш ранні способи.
Вчені придумали математичну модель охолодження: прийняли форму голови за еліпсоїд, кінцівок - за конуси, тулубу та шиї - за циліндри. Потім для кожного елемента змоделювали час остигання з урахуванням ваги тіла, теплопровідності жиру, нежирової тканини та одягу з бавовни. Досліджували тіла донорів, які заповідали себе науці. Метод спрацював: передбачення, що їх видала модель, співпали з температурою, яку спостерігали насправді.
Фото: GOOGLE.COM