Люси. Истоки рода человеческого - Дональд Джохансон

— Ну, таких, которым не больше двух или трех миллионов лет.

— По-вашему, это мало?

— Для геолога — да. Ведь есть масса людей, которым нужно определить возраст действительно очень древних образцов, например нефтяникам, специалистам по динозаврам и другим. В подобных случаях счет идет на сотни миллионов лет. Но я интересуюсь плио-плейстоценом и построил свою машину специально для этого периода. Когда будете осматривать ее, не трогайте вон тот толстый провод и даже не проходите под ним: он находится под высоким напряжением, и вас может убить.

Джеймс Аронсон раскаляет образец вулканического пепла в лабораторной установке, которую он сконструировал для определения возраста вулканических материалов.

Провод был оплетен изоляцией. Он выходил из электрической панели высотой в два метра с многочисленными выключателями и измерительными приборами. Дальше он тянулся по потолку и обвивался вокруг нескольких запаянных стеклянных сосудов величиной с молочную бутылку. Внутри сосудов находились маленькие металлические контейнеры с образцами вулканического пепла. Снизу к запаянным сосудам были присоединены трубки, которые проходили через ряд стыков, регулировочных приспособлений, насосов, измерительных приборов и исчезали в другой части машины, подключенной к компьютеру.

— Масс-спектрометр находится на этом конце. Я не хочу забивать вам голову объяснением его устройства. Он служит для измерения минимальных количеств вещества. Мы включаем ток, чтобы разогреть вулканические образцы в этих сосудах. Когда образцы плавятся, они выделяют весь содержащийся в них аргон. Мы получаем очень мало этого газа. Вот почему нам нужен масс-спектрометр — он усиливает выходной сигнал настолько, что его можно уловить приборами. До изобретения масс-спектрометра это невозможно было сделать. Мы получаем так мало газа, что измерить его иным путем нельзя.

Аронсон включил рубильник и стал поворачивать рычажок на панели, постепенно увеличивая электрическое поле вокруг одного из стеклянных сосудов. Через несколько минут образец, находившийся внутри него, начал накаляться.

— Что ж, подождем, пока он совсем не расплавится. Затем погоним освободившийся газ к масс-спектрометру.

Он объяснил, что назначение массивных узлов — делать систему абсолютно герметичной. Насосы, хоть и маленькие, очень мощны, они откачивают из замкнутой системы 99,999999999999 % воздуха, создавая почти полный вакуум.

— Роль вакуума такова: в окружающем воздухе много аргона, гораздо больше, чем в вулканических образцах, и если мы допустим хоть немного воздуха в машину, то сигнал будет просто забит шумом. Поэтому воздух необходимо полностью удалить.

Аргон, который измерял Аронсон, был продуктом распада радиоактивного калия, редкого изотопа обычного элемента.

— В вашем теле сейчас находится около 400 граммов калия. Из этого количества только 20 миллиграммов — радиоактивный калий, или калий-40, если вспомнить его настоящее химическое название. Это очень немного, всего лишь одна 200-тысячная доля, но все же это огромное число атомов. Будучи радиоактивным, калий-40 непрерывно распадается, постепенно превращаясь в устойчивый элемент аргон, инертный газ. Вот сейчас калий-40, содержащийся в вашем теле, превращается в аргон со скоростью около 500 атомов в секунду. Вы, может быть, считаете, что это быстро и что таким образом скоро израсходуется весь калий-40. Но это не так. Если учесть число атомов, это совсем не быстро. Распад калия продолжается с момента образования Земли, и тем не менее этот процесс еще не кончился. В вашем теле находятся триллионы атомов калия-40. Это вещество циркулирует в природе в течение миллионов лет, распадаясь всегда с постоянной скоростью.

Он поправился:

— Я сказал «с постоянной скоростью». На самом деле это не совсем так. Скорость распада пропорциональна количеству калия-40, которое содержится в обычном калии. По мере того как доля калия-40 уменьшается, распад идет все медленнее. Во времена австралопитеков, три миллиона лет назад, скорость распада составляла 501 атом в секунду — на один атом больше, чем сейчас. Следовательно, для наших целей эту скорость можно считать постоянной, хотя в эпоху динозавров она заметно отличалась от нынешней. Во времена, когда происходило формирование Земли, скорость распада составляла 4000 атомов в секунду[11]. Но за прошедшие с тех пор миллиарды лет было израсходовано такое количество калия-40, что его распад существенно замедлился. Так и должно быть, потому что скорость распада по отношению к оставшемуся количеству изотопа должна быть постоянной.

Калий-40, объяснял Аронсон, как и все радиоактивные элементы, характеризуется определенным «периодом полураспада», т. е. временем, которое необходимо для того, чтобы половина его исходного количества превратилась в другой элемент. Период полураспада калия-40 составляет 1,3 миллиарда лет. Поэтому из всего запаса этого изотопа, остающегося сегодня на Земле, половина исчезнет через 1,3 миллиарда лет, половина остатка — еще через 1,3 миллиарда лет, и т. д. Когда общее количество сократится до минимума, скорость распада станет совсем ничтожной. Если в каком-то неимоверно отдаленном будущем на Земле сохранится только сто атомов калия-40 и если Земля в то время еще будет существовать — понадобятся те же 1,3 миллиарда лет, чтобы число их сократилось до пятидесяти.

— Вы хотите сказать, что весь калий-40 постепенно распадается и превращается в аргон? — спросил я.

— Именно так. Калия становится все меньше и меньше. А аргона каждый день — все больше и больше.

— А куда девается весь этот аргон?

— В конце концов переходит в атмосферу. Когда возникла Земля и атмосфера только формировалась, в ней почти не было аргона. Но постепенно он стал накапливаться. Пока мы здесь разговариваем, атомы аргона выходят через нашу кожу в воздух. Сейчас в атмосфере около одного процента аргона. Вот почему я так забочусь о герметичности системы — иначе нельзя будет узнать, сколько его было в образце.

— Вы сказали, что по прошествии миллиардов лет аргона в воздухе всего один процент?

— Да.

— Как будто это не так уж много.

— Для аргона много. Неизмеримо больше, чем в этих вулканических образцах. Аргон вообще очень редкое вещество.

Но тут мне пришел в голову один вопрос: если человеческое тело тоже содержит калий-40, который постепенно превращается в аргон, то почему нельзя измерять распад радиоактивного калия непосредственно в ископаемых остатках? Почему мы используем для этого вулканические образцы?

Вычисление возраста по данным калий-аргонового анализа

1. Измерить массу образца и определить количество содержащегося в нем калия. Это легко сделать с помощью стандартных лабораторных методов. Предположим, что образец содержит 0,1 г калия.

2. Вычислить, сколько атомов распадается в образце такой величины за год. Известно, что калий-40, содержащийся в одном грамме обычного калия, превращается в аргон со скоростью 3,5 атома в секунду. Поэтому:

3,5 х 60 = 210 в минуту,

х 60 = 12600 в час,

х 24 = 302400 в сутки,

х 365 = 110376000 в год.

Итак, 0,1 г калия даст 11037600 атомов аргона в год.

3. Прокалить образец, направляя аргон (вместе с остатками воздуха, которые могли быть в сосуде) в масс-спектрометр.

4. Получить показания масс-спектрометра. Предположим, что наш образец дал следующие результаты:

36 765 875 000 000 атомов аргона-40 (из воздуха и образца);

27070000000 атомов аргона-36 (только из воздуха).

5. Учесть примесь атмосферного воздуха. Поскольку на один атом аргона-36 в атмосферном воздухе приходится 295,5 атома аргона-40, нужно умножить общее число атомов аргона-36 на 295,5:

Такое число атомов аргона-40 должно быть отнесено за счет примеси атмосферного воздуха. Поэтому из общего показания масс-спектрометра вычитаем атмосферную примесь:

Такое число атомов аргона образовалось из калия-40, содержавшегося в образце.

6. Вычислить возраст образца. Поскольку скорость распада составляет для данного образца 11 037 600 атомов в год, необходимо разделить предыдущую цифру (число атомов аргона в образце) на эту величину:

Ответ: возраст образца 2,6 млн. лет.