Примеры, приведенные в этой и двух предыдущих главах, – это лишь малая часть из тысяч способов, при помощи которых мы обращаем себе на службу атомы и изотопы и воссоздаем творческую деятельность наших предков, а также изучаем их жизнь «без прикрас». Моя любимая творческая деятельность – хорошо поесть, поэтому, прежде чем выйти за пределы антропоцентрических тем, в следующей главе мы рассмотрим историю человеческого питания и сельского хозяйства, раскрытую нашими историками-атомами.
Глава 10
Ты есть то, что ты ешь
Атом за атомом, это правда в прямом смысле слова: вы – это ваша еда. Атомы в ваших костях, зубах, эритроцитах, волосяных фолликулах и нейронах когда-то находились в бублике, стакане апельсинового сока или глотке свежего воздуха, вы проглатывали их или вдыхали в течение всей вашей жизни (или, возможно, на протяжении жизни вашей матери, но сегодня в вашем теле осталось очень мало ее атомов). Разумеется, все эти поглощенные атомы не останутся с вами на всю жизнь, иначе вы бы росли без ограничений. Некоторые выводятся из организма примерно в течение дня после того, как из них извлечены полезные компоненты и/или запасенная энергия, пошедшие во благо вашему организму. Другие встроены в структуры, которые служат дольше жизненного срока, – к таким, например, относится зубная эмаль. Третьи всасываются в органы или циркулирующие жидкости, время оборота которых варьируется от дней до десятилетий.
Эпителиальные клетки (кожи, кровеносных сосудов, слизистой оболочки кишечника и т. д., каждая из которых состоит примерно из 300 триллионов атомов) отслаиваются всего за пять дней, тогда как стромальные клетки (обнаруженные, например, в костном мозге, лимфатических узлах и яичниках) заменяются в среднем только раз в шестнадцать лет1. В любой момент ваше тело состоит примерно из 3 000 000 000 000 000 000 000 000 000, или 3000 триллионов триллионов, атомов (представьте мировой склад, полный маковых семян), но они находятся в постоянном состоянии потока, а то, что вы едите, пьете и вдыхаете, определяет их относительные показатели2.
Какие именно это атомы? Пять наиболее распространенных – Кислород (61,4 % вашей массы), Углерод (22,9 %), Водород (10 %), Азот (2,6 %) и Кальций (1,4 %) – составляют более 98 % вашего общего веса. Следующие десять по распространенности (Фосфор, Сера, Калий, Натрий, Хлор, Магний, Железо, Фтор, Цинк и Кремний) дают нам более 99,99 % – у вас есть около 1 г Кремния (0,0014 %), а все остальные элементы присутствуют в еще меньших следовых количествах. Однако не забывайте, что 0,0014 % от 3000 триллионов триллионов – это по-прежнему огромная цифра (40 миллиардов триллионов, если быть точным); даже шестидесятый по распространенности элемент, Вольфрам, насчитывает около 850 миллионов триллионов атомов, так что их достаточно много. И не забывайте, что у большинства элементов могут присутствовать несколько изотопов. Кстати, благодаря соотношению последних можно получить подробный отчет о ваших пищевых привычках. Так они позволяют нам пронаблюдать эволюцию сельского хозяйства и питания людей.
Сорок лет назад я прочитал одну статью, посвященную этой теме, и она показалась мне столь изящно простой и в то же время столь умной и столь идеально выразившей научный подход к миру, что вызвала во мне интерес к тому, как применить изотопы для воссоздания истории, – и этот интерес остался со мной на всю жизнь. Статья под названием «Изотопы Углерода, фотосинтез и археология» (Carbon Isotopes, Photosynthesis, and Archeology) появилась в журнале American Scientist, выходившем раз в два месяца в обществе Sigma Xi3. Ее автор, Николас ван дер Мерве, в то время работал на кафедре археологии Кейптаунского университета в его родной Южной Африке. Получив образование в Йельском университете, с 1966 по 1974 год он был профессором антропологии в Государственном университете Нью-Йорка в Бингемтоне, а потом отправился в Южную Африку, чтобы занять должность в Кейптауне. В 1988 году он приехал в Соединенные Штаты, получив профессорскую должность в Гарвардском университете, на кафедре имени Лэндона Клея, и с тех пор занимался археологией, науками о Земле и планетологией, а в 2000 году вернулся в Кейптаун, где он по сей день – почетный профессор естествознания. Его историю я расскажу в первом разделе этой главы.
Растения – это их пища
Важно отметить, что вы не уникальны. Растения тоже состоят из того, что поедают. Независимо от вашей диеты, именно они служат основой вашей пищевой цепи. Они поглощают воздух и впитывают воду и минералы через свои корни, образуя фруктозу, целлюлозу и другие молекулы, составляющие растительный материал, так что соотношение изотопов в воздухе и почве отражается на их соотношении в растительном веществе и, в конечном итоге, в вашем организме. Впрочем, здесь, как всегда, необходимы тщательные измерения. Процесс фотосинтеза, при котором растения используют солнечный свет для производства своих молекул, в сущности, проводит в отношении некоторых изотопов политику дискриминации, причем ее конкретные способы зависят от вида растения. Опять же, способы, при помощи которых ваше тело обрабатывает потребляемую вами еду, меняют соотношение изотопов, поскольку пища превращается в кости, кровь и нейроны. Каждый шаг в этом процессе изменения изотопного состава, так называемом фракционировании, легко измерить, поэтому отслеживание этого – простая задача. Если сопоставить это с невозмутимыми часами поглощенных вами радиоактивных элементов, изотопный состав окаменелых костей дает нам возможность напрямую воссоздать историю того, как люди выбирали пищу, а также позволит проследить, от каких методов охоты и ведения сельского хозяйства они зависели.
В годы аспирантуры ван дер Мерве работал в Йельской радиоуглеродной лаборатории, где совершил поразительное открытие: он понял, что с помощью радиоуглеродного датирования можно определять происхождение железных орудий и других археологических артефактов. Процесс выплавки железа из руды начался по крайней мере еще в 1800 году до нашей эры в Хеттской империи и независимо в Китае к 600 году до нашей эры. Он требует нагрева руды до температуры более 1200 °C, для чего, в свою очередь, нужен древесный уголь. В ходе нагрева Углерод из древесного угля диффундирует в расплавленное Железо и составляет, в зависимости от достигнутой температуры, от 0,05 до 5 % готового продукта. Именно при помощи этих атомов Углерода (в частности, радиоактивного изотопа 14C) можно определить возраст Железа.
Оказывается, лучший древесный уголь получается из недавно срубленной зеленой древесины. В своем письме, написанном в 1750 году до нашей эры, Хаммурапи, царь Вавилона, наставляет своего слугу, начальника углежогов, «рубить только зеленую древесину»4. Нулевая точка времени для дерева, из которого производился древесный уголь, определена – оно срублено непосредственно перед тем, как диффундировать в Железо.
Ван дер Мерве доказал, что может успешно датировать древние железные артефакты, определив возраст (100 ± 80 г. н. э.) 230 граммов железных гвоздей из римского форта в Шотландии, построенного при Агриколе в 83 году нашей эры, а также фрагментов чугуна из гробницы в китайском Хотане (430 ± 80 г. до н. э.), созданных в период Воюющих царств, который продлился с 480 по 221 год до нашей эры.
К 1970-м годам ван дер Мерве решил добавить в свои археологические поиски стабильный изотоп Углерода 13C наряду с датированием при помощи радиоактивного изотопа 14C. Как мы еще увидим, этот более тяжелый и устойчивый родственник наиболее распространенного изотопа12C играет невероятно важную роль. Итоги своих исследований изотопов Углерода ван дер Мерве подвел в статье, неизменно вызывавшей мой интерес.
Начнем эту историю с того, что делают растения. Их «цель» в жизни – создавать растительный материал, в том числе такие молекулы, как глюкоза (C6H12O6), сахароза (C12H22O11) и амилоза (C6H10O5), а затем соединять их в длинные цепи целлюлозы, лигнина и других молекул, образующие главные структурные компоненты клеточных стенок растений. Для создания этих молекул растения используют разные пути фотосинтеза, но фундаментальные принципы одни и те же. Лист вдыхает CO2 из воздуха и в присутствии H2O использует энергию солнечного света, чтобы разорвать связь CO2, выпустить O2 (вещество, которым мы дышим) обратно в атмосферу и ввести C в органические молекулы, которые необходимо построить. Чтобы получить даже самую простую молекулу глюкозы (C6H12O6), необходимо множество шагов, но если говорить о соотношениях изотопов, то это первый шаг в процессе, который отличает различные механизмы, к которым прибегают растения.
