Как ученые определяют возраст вещей

Способ первый: дендрохронология

Годичные кольца деревьев - это узор, который создают изменения климата. Этот узор остается на старых постройках и других деревянных вещах и выдает 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 растет быстро, а в зимние холода рост замедляется. Поэтому на спиле видно чередование широких светлых колец теплого времени года и узких темных - 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. Ученые 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.

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 бревен диаметром 18-20 см, а сверху настилали бревна потолще, диаметром 25-30 см. Примерно раз в 20 лет эта внушительная деревянная конструкция обновлялась, и поверх старых бревен укладывали новые. Такие вот слоеные пироги деревянных мостовых: в некоторых местах сохранилось аж 28 ярусов! Дендрохронологам было где разгуляться.

Годичные кольца есть и у костей динозавров (а еще у амфибий, рептилий и некоторых млекопитающих). Светлые кольца - это широкие и более рыхлые слои костной ткани, которые закладываются в периоды активного роста: весной и летом. А зимой образовывались тонкие и плотные слои. Всматриваясь в кольца динозавра, ученые могут понять, как он рос и развивался в течение жизни.

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 нашел такую характерную окаменелость, то и с примерным возрастом пласта можно определиться.

Как работает

Вот лежит перед археологом пласт горных пород. В этом пласте он нашел какое-то ископаемое и пытается решить, сколько примерно лет окаменелости. Установить геологическую эру ему помогут руководящие ископаемые - растения и животные, характерные для определенного 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, ученые нашли остатки морских животных. Эти окаменелости словно нашептывают исследователям, что сотни миллионов лет назад, в далеком-далеком девоне, здесь бушевал древний океан Тетис.

Способ третий: радиоизотопное датирование

Время течет - 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, ученые 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 перестает 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 отсчета - 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, проведенный в трех 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.

Способ четвертый: спектральный анализ и гирохронология

Как понять, сколько лет звезде? Невозможно ведь дотянуться до нее и взять кусочек для анализа и датировки. Так что придется смотреть, как она светится и крутится.

Как работает

Звезды 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 ее свету. Если разложить спектр Солнца, получится радуга с тонкими-тонкими черными линиями. Это линии поглощения, которые соответствуют разным химическим элементам. По спектральным линям поглощения можно судить о составе звезды. Вы спросите, при чем тут возраст? Дело в том, что в процессе термоядерной реакции* водород в звезде выгорает, а содержание гелия растет. 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 ее 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 звездами работать проблематично, потому что у них все меньше и меньше пятен. Метод определения возраста звезд по вращению называется гирохронология.

^{*Звезды, как и планеты, вращаются вокруг собственной оси. Солнце, к примеру, совершает один оборот за 30 дней.}

Пример применения

Наблюдать за вращением звезд ученым помогает космический телескоп "Кеплер" - тот самый, который нашел уже тысячи экзопланет. Чтобы откалибровать метод гирохронологии, в 2011-м ученые из Гарвард-Смитсоновского центра астрофизики проследили за скоплением звезд NGC 6811, которому 1 млрд лет. Оказалось, звезды этого скопления совершают оборот вокруг своей оси примерно раз в 10 дней, как и предсказывал метод. Ученые решили проследить за звездами скопления постарше - NGC 6819, им около 2,5 млрд лет. И снова скорость их вращения совпала с теоретическими расчетами - метод сработал. Но стрелки гирохронологии все-таки приходится подкручивать, внося корректировки для разных групп звезд. Иногда они крутятся не так, как предсказывают расчеты. 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 ученые 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 зеленая 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-зеленой 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. Ученые 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.}

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

Ученые 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 нее смотанной ДНК.

Зная, что профиль метилирования меняется с возрастом, Стив Хорват, профессор генетики человека и биостатистики в Калифорнийском университете в Лос-Анджелесе, в течение четырех 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.

А еще можно посмотреть, как клетка убирает внутренний мусор. Одно из "чистящих средств", применяемых клеткой, - это пищеварительный фермент бета-галактозидаза. С возрастом его становится все больше.

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

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?

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.

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.

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 все 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 мертвом теле ее 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 еще не остыло до температуры окружающей среды, охлаждение происходит по определенному 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. Ученые 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 учетом 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.

6000 лет до н. э. - шумеры в Месопотамии используют понятия "год", "месяц" и "зодиак".

В это время шумерский зодиак - это 36 созвездий, в которых появляется Луна, а не Солнце, ведь первый календарь лунный. Позже шумеры придумают и "неделю".

5000 лет до н. э. - первые известные науке годичные календарные круги.

Уже тогда на территории современной Германии начало нового года, как и у нас, приходилось на зимнее солнцестояние.

3300 лет до н. э. - первые солнечные часы.

Обнаружены в 2013 году в Долине царей в Египте.

3000 лет до н. э. - в Древнем Египте пользуются солнечным календарем.

Год состоит из 365 дней и делится на 12 месяцев по 30 дней. Оставшиеся пять дней добавляются в конце года.

2500-1300 лет до н. э. - водяными часами пользуются в Персии, Месопотамии, Египте и Китае.

Водяные часы - это прибор для измерения промежутков времени в виде цилиндрического сосуда с вытекающей струей воды.

45 год до н. э. - Юлий Цезарь вводит разработанный александрийскими астрономами календарь, названный в его честь юлианским. Год в нем начинается с 1 января - традиционной даты вступления в должность избранных консулов.

Кстати, слово "календарь" происходит от латинского calendarium - долговая книжка. В Риме должники платили проценты кредиторам в первые дни месяца.

725 г. - в Китае созданы первые механические часы.

Вскоре их позаимствовали арабы.

XIV в. - в некоторых европейских городах на башнях появляются механические часы, сначала без маятника и минутной стрелки.

Данте описывает такие часы в "Божественной комедии" (самое начало XIV века).

1504-1508 гг. - изобретены первые карманные часы.

По легенде, их создал мастер Петер Хенляйн из Нюрнберга во время пребывания в приюте для бедных.

1656 г. - голландский ученый Христиан Гюйгенс создает первые маятниковые часы.

Маятниковые часы оставались самом точным прибором для измерения времени 300 лет.