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都灵裹尸布、南极苔藓与灰头土脑的化学家 | 碳-14传奇

谦太祥和 发布于: 2019年7月16日 20时47分57秒 阅读526次

  原文作者:Chris Turney

  这是一本让 Chris Turney 大加赞赏的书,书中讲述了碳-14 及其在考古学、气候学和海洋学领域的主要应用。

  碳-14 是六号元素的放射性同位素,发现至今已近 80 年。由于它的衰变可以被用来追踪时间的流逝,因此被广泛应用于地球、环境、生物和考古学研究,在这些领域做出了大量贡献。在精彩纷呈的《热碳》一书中,海洋学家 John Marra 更加深入地讲述了碳-14 的故事,不仅探索了与其相关的科学,还解释了我们为什么要重视它。

  放射性碳是在上层大气中由宇宙射线与氮的相互作用形成的,在自然界中非常稀有。它们会迅速转化为二氧化碳,进入生物圈和海洋的大量碳库中。生物体生前不断地吸收碳-14,在它们死亡后,碳-14 以一种已知的速率衰变。通过测量碳基样品中剩余的碳-14 的量,就有可能计算出样品的年龄。

  从 20 世纪 40 年代开始,这项技术被用来测定物质年代,最古老的可以推算到 60,000 年前。通过给骨骼、古老壁炉里的木炭,一直到拥有超慢生长率、生活在南极大陆边缘的苔藓确定年龄,碳-14 测年法能将从早期现代人类走出非洲开始所发生的一切都揭示出来。

  在复述这些事实的过程中,Marra 描绘了很多引人入胜的故事,都是关于伟大的研究者们的——或许他们中的许多人早已被遗忘,但他们的发现使现在我们视之为理所当然的理论、实践和更进一步的发现成为了可能。书中的料绝对充足,绝对能满足最好奇的读者。


上图所示为一块据信可追溯至中世纪的人类股骨,研究人员正在取样做碳测年。来源:James King-Holmes/Science Photo Library

  《热碳》以化学家 Martin Kamen 的传奇故事开始。Kamen 出生在加拿大,父母是俄罗斯移民。1940 年 2 月,Kamen 在加州大学伯克利辐射实验室尝试制造一种新的碳同位素。

  他不眠不休,花了整整三个晚上才收集到了足够量的辐照石墨来测量期望中的同位素。当他终于走出实验室的时候,一副脏兮兮的样子引起了警察的注意;更糟糕的是,他正好符合一个在逃的杀人狂魔的描述。于是,Kamen 被抓到警察局,直到一名死里逃生的幸存者证实他不是嫌疑人后,他才被释放。

  回到实验室,Kamen 发现他的同事 Sam Ruben 已经对他小心翼翼收集到的样本进行了分析,并发现它具有可测量的放射性。由此,碳-14 的故事以充满戏剧性的一幕开始了。


化学家 Martin Kamen,他是第一位合成碳-14 的人。来源:Hansel Mieth/The LIFE Picture Collection/Getty

  这种重碳的半衰期原本预计只有几分钟或几小时,而且被认为没有特别的研究价值。但是 Kamen 和 Ruben 的努力最终证明,它可以在长达几千年的时间里保持稳定,从而开辟了数量惊人的研究路径(若干年后才确定碳-14 的半衰期是5,730 年)。作为上世纪四五十年代美国反共热潮的受害者,Kamen 从未得到他应得的荣誉。而那些应用了 Kamen 之洞见的人,诸如化学家 Willard Libby 和 Melvin Calvin,则收获了科学上的回报。

  我们沿着碳-14 的轨迹,会穿越许多学科,可以了解到 Calvin 和他的团队是如何使用它来追踪植物将二氧化碳转化为糖的方式,从而揭示出光合作用背后的复杂过程。

  我们可以看到放射性碳是如何为英国、瑞士和美国的实验室所用,将用来编织都灵裹尸布(据信曾包裹耶稣的尸体)的材料亚麻的年代推断至 1260 年和 1390 年之间。放射性碳测年法显示Ötzi(冰人奥兹)——1991 年在奥地利和意大利边境融化的高山冰雪中发现的一具尸体——已经有 5000 多年的历史。

  我们还发现,以碳-14 标记候选药物分子的特定位置,可以追踪其经历人体新陈代谢的各个阶段,以此来检测药物的安全性和有效性。这样的例子还有很多。例如,Marra 解释了在碳-14 被发现后不久,海水中溶解的二氧化碳是如何被用来追踪深海洋流的运动,从而揭示出了以前被认为是高深莫测的海洋环流。

  碳-14 可称得上是明星,而科学家、研究机构和偶然事件所扮演的配角也不容忽视。以 Libby 为例,他因发明放射性碳测年法而荣获 1960 年的诺贝尔化学奖。有一次,他的团队进入马里兰州巴尔的摩市的下水道,收集人类排泄物产生的甲烷,以便明确证明这些甲烷所含的碳-14 远比考古样本和一块精确定年的红杉心材所含的高出许多。

  Marra 还生动地描绘了早期研究人员为获取珍贵的浮游生物样本所面临的困难,这些样本为后来认识海洋生产力以及碳封存开辟了一个新的视角。他用自己在这一领域的亲身经历,展现了研究人员在面对恶劣环境、狭窄空间和暴脾气的船长时所表现出来的进取精神。因为研究人员坚韧不拔的毅力和坚定的信念,技术上的限制逐渐被克服,他们相信这项工作将帮助他们了解海洋将无机碳融入有机化合物中的潜力(这仍然是重要的研究焦点)。

  地球科学中仍然存在一些谜团,比如碳循环的有效性以及人类活动(包括我们对化石燃料似乎永无止境的需求)的后果。重要的是,Marra 展示了如何使用碳-14 在一系列时间尺度上梳理清楚这些过程。他解释了为什么南大洋是地球海洋环流的“看门人”,以及深水结构和上覆风带位置的突然变化如何会驱动碳循环产生惊人改变。

  发人深省的是,由于 20 世纪中期的核弹试验,大气中碳-14 的浓度增加了一倍,这作为一个峰值被保存于每年形成的自然档案(包括树木年轮)中。这个标志可以用来刻画一个新地质时代的开始:人类世。

  《热碳》适时地为我们提供了一个视角,去了解我们的地球系统是如何紧密交织在一起的,以及碳-14 将如何继续发挥重要的作用,帮助我们了解未来。

  原文以 Radiocarbon revolution: the story of an isotope为标题

  发布在 2019 年 6 月 17 日《自然》书籍与艺术上

  Naturedoi:10.1038/d41586-019-01895-z

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