想查六万年前生物的户口,还得靠这招

原点阅读 2022/12/6 15:21:12 责编:远生

在每一种动物或植物的体内,都存在一种特殊的放射性物质,它们能像计时表那样,随时准备着倒计时。听起来很神奇,其实这是一种正常的自然现象,这种放射性物质就是碳-14(C14)。碳-14 进入动植物体内是一个曲折的过程,这个过程就叫“全球碳循环”,或“生物圈碳交换”。

碳有好几种同位素,碳-12 和碳-13 都很稳定,唯独碳-14 具有放射性,它每 5730 年衰减为原来的一半,这就是它的“半衰期”。碳-14 的形成归咎于宇宙射线。在大气中,宇宙射线粒子经过多次碰撞,形成了慢中子,它们与大气氮原子相互作用后,氮原子放出一个质子,就变成了碳-14。碳-14 不断在大气中形成,它们经过与氧结合,形成二氧化碳,碳-14 就以二氧化碳的形式进入了“全球碳循环”。

当动植物呼吸,或者动物吃植物时,都会吸收其中的碳-14,碳-14 就在动植物体内储存起来,最后达到了平衡。动植物死亡后,呼吸停止,吃植物的行为也停止了,与生物圈的碳交换也就停止了。于是,死去动植物体内的碳-14 不再维持平衡量,碳-14 因其放射性开始减少,即每 5730 年减少一半,所以,从体内残存的碳-14 含量,就可以推测动植物体内碳-14 开始减少的时刻,由此推断死亡的时间。然而动植物体内碳-14 的存量有限,用这种方法只能推测到 6 万年的时间。

碳-14 测年的方法最早是由美国化学家威拉得・利比等人发现的。1933 年利比从加州大学伯克利分校化学系获得博士学位后,留在学校担任讲师。

威拉得・利比

1939 年,伯克利的辐射实验室开设了一项研究,设法在有机物中寻找一种普遍存在、半衰期又足够长的元素,打算把这种元素用于生物医学的研究。利比承接了这项课题,他很快地发现碳-14 的半衰期比人们以前设想的要长。接着,他又发现,碳-14 能不断地在大气中产生,并发现它是大气中的慢中子与氮-14 作用后的产物。但在那时的权威人士一致认为碳-14 是氘核与碳-13 作用产生的,这位年轻人的结论没有立即得到承认。

1945 年,利比来到芝加哥大学。次年,他发表了一篇论文,提出了在动植物身体里所含的碳元素中,可能有碳-14 的存在,并预言这种元素是经过呼吸随二氧化碳储存在体内的。为了证实这个想法,利比研究组需要找寻大量死去动植物的腐体。于是,他们从正在进行的巴尔的摩污水工程那里,收集到了大量带有沼气的污泥。污泥散发着腐臭的气味,遭到周围人的嫌恶与不解。

威拉得・利比

这是个花长时间的提炼过程。利比研究组从污泥中提取出甲烷,再经过样品的同位素浓缩,利用浓缩后的材料开始了系列检验。他们的试验结果证实,在沼气污物中的甲烷成分果然含有碳-14,而石油里的甲烷却不含碳-14。同样是甲烷,两种样品对比的结果证实,石油甲烷中的碳-14 因为超过了 6 万年,放射性碳-14 早已衰变消失。他们把一系列试验测试结果收集整理,发表于 1947 年的《自然》杂志中。利比通过试验找到了用于生物医学的最佳材料。碳-14 普遍存在于有机物中,它们的衰变时间也足够长,因为半衰期越长,能推断年龄的期限也就越长。

为了从另一个角度再做证实,利比利用同样的方法,试验测量已知年龄的木质材料。他们选择了两个样本,分别取自古埃及第三王朝的法老左赛尔和法老斯尼夫鲁的棺木。利用碳-14 确定的两种木材死亡的时间分别是公元前 2625 年 ±75 年,而按照历史记载,这两位法老去世的时间为公元前 2800 年 ±250 年。1949 年 12 月 23 日,利比的研究结果发表在《自然》杂志上。利比所开创的碳-14 测年法由于其简便和准确性,很快地引起了考古学和地质地理学界的注意。

利用碳-14 测骨殖的年龄

通过碳-14 还可以利用岩石或土壤夹层中有机物年龄推断地质形成的年代,获知地质地貌的形成和变迁。半个世纪的发展证明,利比所开创的碳-14 历史测年法,对历史学、人类学、地质地理学和考古学有着重要的意义,它已经成为一种可靠而强大的实用技术。由于这一成果,利比获得了 1960 年的诺贝尔化学奖。

来源:《科学史上的 365 天》
作者:魏凤文 武轶
编辑:张润昕

本文来自微信公众号:原点阅读 (ID:tupydread),作者:魏凤文、武轶,编辑:张润昕

软媒旗下网站: IT之家 辣品 - 超值导购,优惠券 最会买 - 返利返现优惠券 iPhone之家 Win7之家 Win10之家 Win11之家

软媒旗下软件: 魔方 云日历 酷点桌面 Win7优化大师 Win10优化大师 软媒手机APP应用