Как ученые заглядывают в прошлое

Говорят, если в отложениях юрского периода обнаружат останки кролика, рухнет все стройное здание палеонтологии, ведь по ее представлениям в эпоху динозавров современных млекопитающих быть не могло. Если же подобная сенсационная находка все же будет сделана, то наверняка выяснится, что кролик оказался среди древних пород случайно и относится к куда более позднему периоду. Разобраться в этом помогут методы оценки возраста останков. Тем более что часто сами ткани растений и животных могут подсказать, к какому именно времени их следует отнести. Такие свидетельства особенно полезны для археологии при анализе артефактов, сделанных из тех же животных и растений, — одежды, костяных и деревянных инструментов. Нужно лишь посчитать кольца или измерить радиоактивность: это совсем не гадание, это — датировка.

По образцам

Палинология часто сопровождает разведку запасов угля и нефти: анализ пыльцы позволяет точнее их локализовать и определить возраст залежей

Как не бывает кроликов юрского периода, так и динозавров в отложениях голоцена искать не стоит. Поэтому останки определенных организмов используются в качестве «руководящих ископаемых», по которым можно датировать древний слой. Отличным примером служат аммониты, жившие в океанах между 245 и 65 млн лет назад. Представители этой вымершей группы моллюсков довольно быстро эволюционировали, сменяя друг друга. Их окаменелости сохранились во множестве, и по виду раковины можно датировать находку меловой или той же юрской эпохи. Еще шире для отсчета времени используют пыльцу растений, споры грибов и панцири микроскопических динофлагеллят. Споры образованы хитином, панцири водорослей — целлюлозой, которые позволяют им сохраняться на протяжении очень долгого времени. Оболочка частиц пыльцы и вовсе сложена спорополленином, который считается едва ли не самым стойким биологическим полимером в мире. Недаром древнейшая пыльца найдена в осадочных породах возрастом около 300 млн лет. Да и сама «наука о пыли», палинология, развивается уже более века, и сегодня установлены частицы, характерные для различных регионов и эпох, как древних, так и совсем недавних.

По белкам

Аминостратиграфия помогла датировать останки древних жителей Северной Америки, показав, что люди появились на континенте более 40 тысяч лет назад

Жизнь на Земле демонстрирует до сих пор необъясненное предпочтение одних аминокислот другим. Эти молекулы могут иметь одинаковую формулу, но два варианта структуры, два изомера, отражающие друг друга, словно правая и левая рука. Химически L- и D-изомеры совершенно идентичны, и в смеси находятся в пропорции 1:1, иногда переходя один в другой. Однако белки всех земных организмов построены только из L-аминокислот. Это соотношение нарушается лишь после гибели, когда изомеры начинают приходить в равновесие. Скорость этого процесса для каждой аминокислоты разная, она зависит от температуры, влажности и других условий. Однако если учесть эти факторы, то восстановление баланса изомеров протекает измеримыми темпами, позволяя оценить время, прошедшее с момента гибели животного или растения. Метод позволяет датировать образцы возрастом до 200 тысяч лет, если их средняя «температура хранения» составляла 30 °C, и до двух миллионов — при 10 °C.

По углероду

Радиоуглеродным анализом Уиллард Либби определил возраст древнеиудейских свитков Мертвого моря, папирус для которых был изготовлен из кожи коз и овец, живших около 2000 лет назад

Из соединений углерода состоит вся жизнь на Земле. Растения и некоторые другие организмы получают его из воздуха, а прочие — уже из растений. Часть этого углерода образуется высоко в атмосфере, где атомы азота попадают под удары космических лучей и превращаются в углерод-14. Такие изотопы составляют следовые количества в общей массе углерода, порядка десятимиллионных долей процента, и живые организмы включают их в состав своих тканей с тем же успехом, что и обычный углерод-12. Постоянно поглощая пищу, они накапливают ровно столько же радиоактивного углерода, сколько и окружающая среда. Однако это равновесие нарушается после гибели организма, когда поступление веществ извне прекращается, а углерод-14 продолжает распадаться. Со временем его остается все меньше: период полураспада этого изотопа составляет около 5730 лет, и точное измерение содержания углерода-14 позволяет датировать образец по его собственной ткани. Еще в 1940-х такая блестящая мысль пришла в голову американскому физику Уилларду Либби, который развил методику радиоуглеродного анализа и в 1960 году удостоился Нобелевской премии. Уже десятки лет этот подход остается ключевым в датировке животных и растений, хотя за 10 периодов полураспада содержание углерода-14 снижается в тысячу раз, после чего детектировать его не способны даже самые чувствительные приборы. Поэтому предельный возраст, который можно определить радиоуглеродным методом, — около 60 тысяч лет.

По кольцам

Благодаря дендрохронологии возраст деревянных мостовых Древнего Новгорода определили с точностью до года: так, установлено, что шестой ярус стволов был уложен 14 лет спустя после седьмого

Древесина прирастает годовыми кольцами, толщина которых определяется условиями сезона вегетации. У одинаковых растений в одной и той же местности кольца оказываются то шире, то уже. Чередование линий сохраняет хронологию с точностью до года, и если сроки жизни деревьев частично пересекались, то кольца можно наложить и продлить эту летопись в прошлое. Древесно-кольцевые хронологии по стволам лиственниц построены для Великого Новгорода на 1200 лет назад. Подобный подход применяется и для многолетних трав. Древесного ствола они не образуют, зато могут отращивать мощные корни с годовыми кольцами, которые используются в гербохронологии. Кольцами растут и лишайники. Намертво удерживаясь на камне, они могут сохраняться на месте тысячами лет. Подсчитано, что за год распространенный вид Rhizocarpon geographicum нарастает на 0,3–0,9 мм, позволяя с приемлемой точностью датировать образцы возрастом до 10 000 лет.

По косвенным уликам

Анализ колючек кактуса Carnegiea позволил выяснить, что он начал расти в 1950 году, и проследить изменения климата Аризоны вплоть до смерти растения в 2004-м

Годовые кольца образуются не только у деревьев. Слоны и мамонты тоже наращивают бивни слоями, и по их составу иногда удается связать время жизни животного с климатическими и геологическими событиями. Для китов такой «летописью» служит ушная сера, слои которой откладываются каждые полгода. В 2018 году ученые исследовали пробки, извлеченные из ушных каналов пары десятков китообразных и хранившиеся в музеях. Это позволило проследить историю изменений океана с конца XIX века. Например, снижение активности китобоев после наложения ограничений на их промысел привело к уменьшению количества стрессового гормона кортизола, который накопился в слоях серы. Впрочем, слоны и киты не самые заметные из живых хронометров. Больше прав на эту роль имеют кактусы рода Euphorbia. Новые колючки они отращивают на макушке, и когда проклевываются следующие, предыдущие смещаются вниз. Такие кактусы живут десятилетиями, и акантохронология анализирует их колючки, как дендрохронология — кольца стволов. Но еще удивительнее метод «часов-полёвок». Дело в том, что зубы этих грызунов способны изменяться довольно стремительно, позволяя им быстро приспосабливаться к переменам в рационе. Вдобавок зубы удивительно тверды и отлично сохраняются. Рассматривая их, археологи могут довольно точно датировать многие находки эпохи плейстоцена.