Четвертое измерение

Уже в самом начале книги мы узнали, что почвы - функция климата, организмов и горных пород, помноженных на время. Но, говоря о времени, о том, что представители четвертого "царства" природы - естественно-исторические тела, мы ни разу не задали вопроса об их возрасте.

Проблема эта в почвоведении не нова. Специалисты не раз обращались к археологам с просьбой помочь установить дату рождения того или иного горизонта, а то и всей почвы. И если в шурфе удавалось отыскать черепок от глиняного горшка, наконечник стрелы или какое-нибудь каменное орудие, то задача решалась просто. Правда, они несли мало информации об истинном возрасте почвы. Точные метрические данные могли сообщить лишь часы, заведенные и пущенные в момент ее рождения. Но кто в состоянии вести подобные наблюдения на протяжении веков и тысячелетий? Впрочем, в этом нет и необходимости. Создавая свое очередное творение, природа обязательно снабжает его часами. У деревьев есть годовые кольца, а у почвы - гумус. Дело в том, что в нем накапливаются не только соединения углерода, по и его изотопы - ¹⁴С. Однако об этом долго не подозревали.

Все началось с разработки газодиффузионного способа разделения изотопов урана, в которых принимал участие молодой американский физикохимик Франк Уиллард Либби. Через некоторое время он оставил работу в этой области и занялся "отвлеченными поисками" в области радиоактивного углерода [Керам, 1979]. Почему его интересовал изотоп ¹⁴С? Видимо, и он в то время вряд ли бы дал вразумительный ответ. Через два года Либби оповестил весь мир, что им открыт способ определения возраста органических тканей.

Суть метода в следующем. Известно, что атмосфера Земли находится под длительным воздействием космических лучей. Они-то и есть главные виновники образования нейтронов, которые вступают в реакцию с атомами азота, находящегося в атмосфере. В результате рождается небольшое количество изотопа ¹⁴С. Он смешивается с углекислым газом и достигает поверхности нашей планеты.

Растения поглощают меченый газ в процессе фотосинтеза. А дальше по знакомой нам цепи пищевого конвейера он попадает в почву. Да и не только в нее, а и в животных и в людей. Все бы это имело узкоспециальный интерес, если бы ¹⁴С не был радиоактивен. Более того, эту радиоактивность можно измерить. Ведь подобные вещества имеют свойство распадаться с определенной скоростью. Значит, через какое-то время, которое нетрудно рассчитать, радиоактивность материала, накопившего ¹⁴С, должна сократиться вдвое. Еще один такой отрезок времени, и количество изотопа станет меньше на одну четверть от исходного и т. д. Это называется периодом полураспада. У ¹⁴С он составляет 5730 лет.

Уровень поглощения ¹⁴С растениями остается постоянным на протяжении их жизни, а его количество неизменно благодаря новым поступлениям. В момент смерти начинается распад, степень которого можно установить с помощью специального прибора. Таким образом, нетрудно узнать время, прошедшее с момента смерти любого живого существа. Но ведь гумус не умирает? Верно. Но он не обладает способностью к фотосинтезу и почти не принимает изотоп ¹⁴С иначе, как с останками растений, и сам является их произведением. Более благодатного материала не найти. Но об этом чуть позже. А пока о самом методе. Главной задачей для Либби была разработка сверхчувствительных способов измерений. Ведь все изучаемые им предметы обладали ничтожной радиацией. Он не очень заботился о подборе испытуемых материалов, а шел в своих рассуждениях от самого простого. Согласно теоретическим расчетам дерево, срубленное 5730 лет назад, должно было вызывать в приборе вдвое меньше щелчков, чем свежесрубленное. Практика подтверждала это как в основном верное. Либби потребовалось немного времени, чтобы сконструировать точные и даже сверхточные аппараты. Первыми плодами его труда воспользовались исследователи древностей - археологи. Для них метод прямой датировки найденных в земле предметов был нежданным и бесценным открытием. Кабинет доктора Либби быстро наполнился необычными предметами. Там находились кусочки египетских мумий, угольки костра, у которого грелись наши далекие предки, бивни мамонта, индейские сандалии, доски из погребений, балки древних храмов и пр.

К сожалению, счетчик Гейгера не реагирует на поднесенный к нему предмет. Энергия излучения ¹⁴С слишком слаба. Кроме того, на показания прибора могут оказывать влияние другие радиоактивные вещества.

Первое, что приходится делать, - выделять из подследственного предмета чистый углерод. Как ни удивительно, но процедура эта предельно проста - предмет сжигают. При сгорании углерод сначала переходит в газ, а затем опять в твердое вещество. Либби сразу же подсчитал, что для анализов требуется не менее 65 г дерева, 200 г торфа, а почвы - смотря по тому, сколько содержит она органического вещества. Скажем, для чернозема, накопившего 10% гумуса, потребовалось бы до 3 кг.

Первые определения принесли множество курьезов. Например, молодые деревья, росшие вблизи крупных автострад, на испытании показали, что им по нескольку сот лет. Это был очевидный абсурд. Неужели метод ошибочен? Нисколько. Все дело оказалось в отработанных газах автомобилей и фабрик, которые год от года выбрасывают в воздух огромные количества углерода. Он-то и добавляется к уже существующему. В результате снижается доля радиоактивного изотопа ¹⁴С. А уменьшение этой квоты в органическом веществе означает повышение возраста последнего. Случались и обратные явления. Но на этот раз были виноваты бывшие коллеги Либби. Испытание ядерного оружия вызывало резкое повышение общей радиоактивности окружающей среды и омоложение предметов седой древности.

В 1960 г. Либби был удостоен Нобелевской премии в области химии. Однако первыми его метод применили археологи. Но они же стали и первыми его критиками. Ведь ошибка определений составляла 5-10%. Для специалиста, изучающего историю Древнего Рима или Греции, она равнялась бы 100-250 годам и была бы совершенно недопустимой. А вот для почвоведа, биогеоценолога, географа, изучающих прошлое нашей планеты в послеледниковый период, такая точность не обязательна. Но они долгое время не торопились применить открытие американского ученого для своих нужд. Уже в начале 50-х годов оно было принято на вооружение археологами, несколько лет спустя им воспользовались геологи, и только в 1958 г. появились первые публикации об определении абсолютного возраста почв, проведенном в Голландии, в лаборатории города Гронингена. Условия для первых экспериментов были выбраны идеальные, так как именно в этом городке расположен самый крупный почвенный музей мира. В нем экспонируются тысячи представителей четвертого "царства", и их коллекция продолжает пополняться. Правда, исследования здесь начались с образцов ископаемых почв. Считалось, что у современных представителей четвертого "царства" много всяких примесей и даты будут неточные. Впрочем, опасения специалистов не оправдались. Но такая осторожность пошла им на пользу. Мы уже знаем, что из погребенных земель быстро исчезают фульвокислоты. Поэтому ученым не оставалось ничего другого, как эксплуатировать их гуминовых собратьев да гумусовые угли. Кроме того, свойства гуминовых кислот изучены лучше. По данным голландского ученого де Вирса, те из них, что связаны с минералами, способны пролежать без изменений 30, а то и 40 тыс. лет. Единственное, что они утратят за это время, - изотоп ¹⁴С.

В 1972 г. в Институте географии АН СССР начала действовать одна из первых в нашей стране лаборатория радиоуглеродного датирования почв. Но она возникла не на пустом месте: определения возраста почв СССР к тому времени уже велись не первое десятилетие. Сегодня уже составлено несколько пухлых каталогов, в которые занесены даты рождения многих земель из различных областей Сибири, Дальнего Востока и Русской равнины. И это не только погребенные почвы, но и нормальные, ведущие активный образ жизни представительницы четвертого "царства". Советские специалисты отвергли дискриминацию, которой подвергали фульвокислоты, и установили их возраст. Они оказались вдвое моложе гуминовых [Черкинский, 1981; Чичагова, 1975]. Когда имеешь дело с современными почвами, о них надо знать все. Кстати, выяснилось, что углерод, выбрасываемый фабриками, заводами и автомашинами, почти не старит почвы. Определениям мешают в основном свежие осадки. Вот они-то действительно сбивают с толку. Если образец не очистить от корешков или других современных поступлений, почва не преминет воспользоваться небрежностью исследователя и скинет себе годков 500-600. Обычно, чтобы избежать подобных неточностей, ученые ищут горизонт, почву, в которых бы сохранилась какая-нибудь улика. Современник, свидетель их рождения - кость, остаток древесины или уголек. При таком контроле легко избежать ошибок.

В свое время у почвоведов, так же как и у археологов, возник конфликт с военным ведомством США. В начале 60-х годов канадские ученые Р. Пауль и П. Кэмпбелл первыми начали устанавливать возраст современных почв в провинции Саскачеван. Результаты часто удивляли исследователей. Почвы необыкновенно омолаживались в самом верхнем слое, до глубины 3 см. Получалось, что этот горизонт родился неожиданно через 600-800 лет после того, как сформировалась остальная толща почв. Пауль и Кэмпбелл быстро сообразили, кто виновник. С 1962 г. южный сосед Канады начал активные испытания водородных бомб. Черноземы Саскачевана зафиксировали это. Ученые, приехав в Бухарест, решили обнародовать свое открытие. Но тут они с удивлением узнали, что у них есть конкуренты из Франции и Голландии, также обнаружившие в своих почвах следы ¹⁴С, импортированного из-за океана. Голландцы не сразу поверили в бомбовый эффект омоложения. Они взяли зараженную землю и добавили ее к образцу, извлеченному из шурфа в 1881 г. И "почтенный старец" на ближайшем испытании сбавил себе 700 лет [Чичагова, 1975; Черкинский, 1981].

Сегодня с помощью радиоуглеродного метода проведено исследование более 4 млн образцов почв из разных стран мира. Самыми старыми оказались черноземы и каштановые почвы. Их возраст в верхнем горизонте от 600-700 до 2-3 тыс. лет. С глубиной он, понятно, растет. И в горизонте В достигает 7 тыс. лет. Подзолы оказались моложе, им не более 800 лет. А вот в зоне вечной мерзлоты подо льдом сохранились гумусовые горизонты-долгожители, с возрастом 9-11 тыс. лет.

В последние годы сам метод заметно усовершенствовали. Уже никто не пользуется углями, как во времена Либби. Теперь они лишь сырье, полуфабрикат, который прежде сплавляют с литием, а затем уж, получив из карбида лития ацетилен, приступают к производству бензола. Он-то и служит испытуемым материалом. Как бы ни было молодо радиоактивное датирование почв с помощью изотопа ¹⁴С, уже открыты новые способы определения возраста органических и минеральных веществ. Это калий-аргоновый, палеомагнитный, нейтронно-активационный и другие методы. С их помощью удается более точно установить срок рождения земных слоев. Правда, они пока не получили широкого распространения в почвоведении, но уже нашли применение в археологии и геологии. Возможно, история повторится вновь...