اسرار کربن -۱۴؛ ساعتی که با مرگ موجود زنده به کار می‌افتد

اواسط دهه ۱۹۴۰ بود و این شیمیدان آمریکایی می‌خواست یک شکل رادیواکتیو از کربن، کربن-۱۴، را در طبیعت بیابد. او متوجه شده بود که اگر چنین کربنی وجود داشته باشد، از آنجا که به آرامی در گیاهان و حیوانات مرده تجزیه می‌شود، ردی از آن در بقایای موجودات زنده باقی می‌ماند؛ بنابراین فهمیدن اینکه چه مقدار از آن در بقایای گیاهان و حیوانات باقی مانده است، زمان مرگ آنها را نشان می‌دهد. اما لیبی باید ثابت می‌کرد که کربن-۱۴ در طبیعت با غلظت‌هایی مطابق با تخمین‌های او وجود دارد. پژوهشگران دیگر تنها پس از سنتز کربن-۱۴ در آزمایشگاه، آن را شناسایی کرده بودند.

کد خبر: ۸۸۹۱۶۰

تاریخ: ۱۸ مهر ۱۴۰۴ - ۱۶:۵۸

ویلارد لیبی مطمئن بود که مقادیر زیادی از این مواد در فاضلاب وجود خواهد داشت.

اواسط دهه ۱۹۴۰ بود و این شیمیدان آمریکایی می‌خواست یک شکل رادیواکتیو از کربن، کربن-۱۴، را در طبیعت بیابد. او متوجه شده بود که اگر چنین کربنی وجود داشته باشد، از آنجا که به آرامی در گیاهان و حیوانات مرده تجزیه می‌شود، ردی از آن در بقایای موجودات زنده باقی می‌ماند؛ بنابراین فهمیدن اینکه چه مقدار از آن در بقایای گیاهان و حیوانات باقی مانده است، زمان مرگ آنها را نشان می‌دهد.

اما لیبی باید ثابت می‌کرد که کربن-۱۴ در طبیعت با غلظت‌هایی مطابق با تخمین‌های او وجود دارد. پژوهشگران دیگر تنها پس از سنتز کربن-۱۴ در آزمایشگاه، آن را شناسایی کرده بودند.

لیبی استدلال می‌کرد که موجودات زنده این ماده را در فضولات خود دفع می‌کنند، به همین دلیل به سراغ فاضلاب رفت؛ دقیقاً به سراغ فاضلاب تولیدی مردم بالتیمور و آنچه دنبالش بود را پیدا کرد.

البته لیبی در آن زمان از موارد استفاده‌ این ماده در آینده خبر نداشت اما کربن رادیواکتیو - رادیوکربن – تا به امروز کاربردهای متنوعی داشته است.

ویلارد لیبی سال ۱۹۶۰ جایزه نوبل شیمی گرفت

از اواسط قرن بیستم، تاریخ‌گذاری با استفاده از رادیوکربن توانسته قدمت آثار باستانی بی‌شماری را مشخص کند، به حل پرونده‌های مفقودین کمک کند و زمینه به زندان افتادن قاچاقچیان عاج را فراهم آورد.

این روش حتی کارشناسان را قادر ساخته است تا پیچیدگی‌های آب و هوای زمین را درک کنند. تاریخ‌گذاری رادیوکربن یکی از کلیدهایی است که اسرار جهان ما را آشکار می‌کند.

اما کربن-۱۴ چگونه به وجود می‌آید؟ لیبی دریافت که این ماده همواره توسط پرتوهای کیهانی که به اتم‌های نیتروژن در جو زمین برخورد می‌کنند و ساختار آنها را تغییر می‌دهند، تولید می‌شود. اتم کربن-۱۴ ایجاد شده به سرعت با اکسیژن ترکیب می‌شود و دی‌اکسید کربن رادیواکتیو تولید می‌کند.

روی کره زمین، گیاهان هنگام رشد مقداری از آن دی اکسید کربن رادیواکتیو موجود در هوا را جذب می‌کنند. این ماده در حیوانات و انسان‌هایی که از آن گیاهان تغذیه می‌کنند، جذب می‌شود. تا زمانی که یک گیاه یا حیوان زنده است، به تجدید ذخیره کربن-۱۴ در بدن خود ادامه می‌دهد، اما وقتی می‌میرد، این فرآیند متوقف می‌شود.

از آنجا که رادیوکربن با سرعت مشخصی تجزیه می‌شود، اندازه‌گیری مقدار باقی مانده در مواد آلی، سن آن را به شما می‌گوید. به عبارت دیگر، این ماده مانند ساعتی است که در لحظه مرگ موجود زنده شروع به تیک تاک می‌کند.

«نظم بخشیدن به چیزها»

لیبی پس از اینکه وجود کربن-۱۴ را در گاز متان فاضلاب بالتیمور تأیید کرد، به سراغ شناسایی رادیوکربن در بسیاری از چیزهای مختلف رفت و توانست قدمت آن‌ها را ثابت کند: از پوشش‌های کتانی متن موسوم به طومار بحرالمیت گرفته تا تکه‌ای از یک کشتی در مقبره سسوستریس سوم، فرعون مصر در تقریبا ۴۰۰۰ سال پیش. او درهمه آنها این ماده را پیدا کرد.

لیبی بعدها گفت: «موضوع این بود که نمی‌توانستی به کسی بگویی مشغول چه کاری هستی، بگویی که پرتوهای کیهانی می‌توانند تاریخ بشر را بنویسند. نمی‌توانستی این چیزها را به دیگران بگویی، به هیچ وجه. بنابراین ما این موضوع را مخفی نگه داشتیم.»

اما وقتی لیبی توانست ثابت کند که این روش کارآمد است، کشف خود را به جهانیان اطلاع داد و در سال ۱۹۶۰ برنده جایزه نوبل شیمی شد.

روش او شامل کار روی مواد آلی است که تا ۵۰ هزار سال قدمت دارند. در گذشته‌ای دورتر از این مقدار بسیار ناچیزی از کربن-۱۴ باقی می‌ماند. تجزیه تدریجی کربن-۱۴ همان چیزی است که تاریخ‌گذاری رادیوکربن را امکان‌پذیر می‌سازد. در عین حال، این روش به این معنی است که شما فقط می‌توانید تا حدی به عقب برگردید.

قطعات طومار بحرالمیت از اولین آثاری بودند که با استفاده از کربن-۱۴ قدمت‌‌شان مشخص شد

امروزه تاریخ‌گذاری رادیوکربن برای شناخت ما از تاریخ اهمیت اساسی دارد.

ریچل وود که در واحد شتاب‌دهنده رادیو کربن آکسفورد، یکی از برجسته‌ترین آزمایشگاه‌های تاریخ‌گذاری رادیوکربن جهان، کار می‌کند، می‌گوید: «از نظر ترتیب چیزها به‌خصوص از نظر توانایی مقایسه بین مناطق مختلف و درک سرعت تغییر، این کشف واقعا مهم بوده است.»

او و همکارانش موادی از جمله استخوان‌ انسان، زغال چوب، صدف، دانه‌های گیاهی، مو، پنبه، کاغذ، سرامیک و همچنین مواد غیرعادی‌تر را تاریخ‌گذاری می‌کنند. او می‌گوید: «ما آزمایش‌هایی را روی مواد گاه واقعا عجیب و غیرعادی انجام داده‌ایم، مثل ادرار فسیل خفاش.»

این آزمایشگاه برای تعیین کمیت مستقیم اتم‌های کربن-۱۴ در یک نمونه به خصوص از دستگاهی به نام طیف‌سنج جرمی شتاب‌دهنده استفاده می‌کند.

این آزمایشگاه از دستگاهی به نام طیف‌سنج جرمی شتاب‌دهنده برای اندازه‌گیری مستقیم اتم‌های کربن-۱۴ در یک نمونه استفاده می‌کند. این روش با روش لیبی که تنها قادر به اندازه‌گیری پرتوهای منتشرشده بود و از این طریق میزان کربن-۱۴ موجود در نمونه را پیدا می‌کرد، متفاوت است.

این شتاب‌دهنده همچنین می‌تواند نمونه‌های بسیار کوچک، در برخی موارد حتی یک میلی‌گرم، را تاریخ‌گذاری کند، در حالی که لیبی به مواد بسیار بیشتری نیاز داشت.

تاریخ‌گذاری اسکلت‌ها

تاریخ‌گذاری رادیوکربن توانسته شماری از مجادلات دیرینه را حل کند. اسکلت انسانی را که ویلیان باکلند، الهی‌دان و زمین‌شناس در سال ۱۸۲۳ در ولز کشف کرد، در نظر بگیرید.

باکلند اصرار داشت که قدمت آن بیش از ۲۰۰۰ سال نیست و برای بیش از یک قرن، هیچ‌کس نمی‌توانست ثابت کند که او اشتباه می‌کند. تاریخ‌گذاری رادیوکربن در نهایت نشان داد که این اسکلت در واقع بین ۳۳۰۰۰ تا ۳۴۰۰۰ سال قدمت دارد که بقایای قدیمی‌ترین انسانی دفن‌شده شناخته‌شده در بریتانیا بود.

به لطف این فناوری، بقایای انسانی جدیدتر نیز اسرار خود را آشکار کرده‌اند.

در سال ۱۹۷۵، گزارش شد که دختری ۱۳ ساله به نام لورا آن اومالی در نیویورک مفقود شده است. تصور می‌شد بقایای جسد یافت‌شده در بستر رودخانه‌ای در کالیفرنیا در دهه ۱۹۹۰ از یک گور تاریخی به رودخانه راه یافته است.

اما اوایل امسال، آزمایش‌های رادیوکربن نشان داد که این بقایا متعلق به شخصی است که بین سال‌های ۱۹۶۴ تا ۱۹۶۷ متولد شده و به احتمال زیاد بین سال‌های ۱۹۷۷ تا ۱۹۸۴ درگذشته است. این کشف با جدول زمانی ناپدید شدن اومالی مطابقت داشت و تجزیه و تحلیل دی‌ان‌ای تایید کرد که این بقایا متعلق به اوست.

تجزیه و تحلیل‌های پزشکی قانونی برای تاریخ‌گذاری رادیو کربن اغلب به روش «پالس بمب» متکی است که به دلیل صدها آزمایش سلاح‌های هسته‌ای در جو زمین در دهه‌های ۱۹۵۰ و ۱۹۶۰ امکان‌پذیر شده است.

این انفجارها مقادیر زیادی کربن-۱۴ اضافی را در هوا تولید کردند اما این سطوح از آن زمان به بعد رو به کاهش بوده‌اند. بنابراین با مقایسه اندازه‌گیری‌های کربن-۱۴ با آن منحنی نزولی، می‌توان قدمت مواد متعلق به اواسط قرن بیستم به بعد را با دقت بسیار بالا و در برخی موارد تا حدود یک سال، تعیین کرد.

سم واسر، استاد دانشگاه واشنگتن، می‌گوید: «هیچ روش دیگری را که از لحاظ کارآیی به این روش نزدیک باشد، نمی‌شناسم. این روش فوق‌العاده مفید است.»

مدرک قاطع

واسر نتایج تاریخ‌گذاری رادیوکربن از نمونه‌های عاج را به عنوان بخشی از تلاش‌ برای مقابله با تجارت غیرقانونی حیات وحش آزمایش کرده است. بدون توجه به ادعای قاچاقچیان، این داده‌ها می‌توانند نشان دهند که آیا فیل‌ها قبل یا بعد از ممنوعیت فروش عاج در سال ۱۹۸۹مرده‌اند.

یکی از قاچاقچیانی که بر اساس این شواهد زندانی شد، ادوجی امیل نبوکه است که در سال ۲۰۱۴ در توگو در ارتباط با اتهام قاچاق عاج فیل محکوم شد.

از یک سو آزمایش‌ دی‌ان‌ای توانست منشأ جغرافیایی عاج‌هایی را که او قاچاق می‌کرد، مشخص کند و از سوی دیگر، تاریخ‌گذاری رادیوکربن دقیقا زمان شکار غیرقانونی فیل‌ها را نشان داد.

وزارت خارجه آمریکا بعدا اعلام کرد که این دو سری مدارک «شواهد قطعی برای مجازات نبوکه» را در اختیار دادگاه قرار داده بودند.

با قدمت سنجی کربن-۱۴، کارشناسان می‌توانند تشخیص دهند که آیا عاج به صورت غیرقانونی شکار شده است یا نه

از همین روش برای تعیین واقعی یا جعلی بودن آثار هنری استفاده شده است. نقاشی یک صحنه روستایی را در نظر بگیرید که فرد جاعل ادعا می‌کرد در سال ۱۸۶۶ کشیده شده است. تاریخ‌گذاری رادیوکربن نشان داد که این تابلو در واقع در دهه ۱۹۸۰ نقاشی شده و به صورت مصنوعی حالت قدیمی به آن داده‌اند.

با کمک کارشناسان، تاریخ‌گذاری رادیوکربن در شناخت تاثیر انتشار سوخت‌های فسیلی بر آب و هوای زمین و تغییرات اقلیمی نیز به کار رفته است. به عنوان مثال، به لطف فناوری تاریخ‌گذاری رادیوکربن، بررسی یخچال‌های طبیعی و اکوسیستم‌های باستانی بسیار دقیق‌تر شده است.

نتیجه این تحقیقات در گزارش‌هایی منتشر شده که هیئت بین دولتی تغییرات اقلیمی (IPCC) منتشر کرده است. سال ۲۰۰۷ این هیئت به دلیل انتشار اطلاعات در مورد تغییرات اقلیمی، همراه با ال گور، معاون رئیس جمهور آمریکا در سال‌های گذشته، جایزه صلح نوبل را دریافت کرد.

تیم هیتون، استاد دانشگاه لیدز، می‌گوید: «برای افرادی که می‌خواهند از مدل‌های اقلیمی برای پیش‌بینی وضعیت بالقوه آب و هوا در آینده استفاده کنند هم این روش بسیار مفید است. پژوهشگران می‌توانند از سوابق رادیوکربن برای تعیین چگونگی تغییر آب و هوای زمین در طول زمان استفاده کنند و با مقایسه مدل‌های اقلیمی با این نتایج، دقت مدل‌ها را مشخص کنند.»

کاهش غلظت کربن-۱۴

اما عقربه‌های ساعت دیگری هم در حال حرکت هستند. سوخت‌های فسیلی حاوی مقادیر زیادی کربن اما فاقد کربن-۱۴ هستند. ارگانیسم‌هایی که به زغال سنگ، گاز طبیعی و نفت تبدیل شده‌اند، در گذشته‌ای چنان دور از بین رفته‌اند که کربن-۱۴ موجود در آنها مدت‌هاست، ناپدید شده است.

این بدان معناست که انتشار سوخت‌های فسیلی، در واقع کربن-۱۴ موجود در جو زمین را رقیق می‌کند و این تغییرتاثیر مستقیمی بر میزان رادیوکربن موجود در موجودات زنده دارد.

هدر گراون، استاد کالج امپریال دانشگاه لندن، می‌گوید که در بدترین حالت، ممکن است انتشار بسیار زیاد این کربن در طول قرن آینده یا بیشتر، دقت تاریخ‌گذاری رادیوکربن را از بین ببرد.

او می‌گوید: «چیزی که به تازگی تولید شده است، همان ترکیب [رادیوکربن] چیزی را خواهد داشت که شاید ۲۰۰۰ سال قدمت داشته باشد و تاریخ‌گذاری رادیوکربن نخواهد توانست این دو را از هم تشخیص دهد.»

سوزاندن سوخت‌های فسیلی می‌تواند غلظت کربن-۱۴ را در جو رقیق کند

ریچل وود می‌گوید که این مانع به این زودی‌ها پیش نخواهد آمد، اما پائولا ریمر، استاد بازنشسته دانشگاه کوئینز در بلفاست، معتقد است که انتشار سوخت‌های فسیلی «مانعی» برای تاریخ‌گذاری رادیوکربن ایجاد می‌کند و در نهایت دقت آن را تهدید می‌کند.

او سال‌های زیادی را صرف افزایش دقت تاریخ‌گذاری رادیوکربن کرده است. به عنوان مثال، او با اندازه‌گیری‌های دقیق رادیوکربن موجود در حلقه‌های درختان، تغییرات سطوح کربن-۱۴ در جو را در طول هزارها سال تعیین کرده است.

در حال حاضر، منحنی‌های بسیار دقیقی از تغییرات سطح رادیوکربن در دسترس هستند که قدمت آنها به ۱۴۰۰۰ سال پیش یا بیشتر می‌رسد اما انتشار سوخت‌های فسیلی ممکن است در نهایت دوران این گونه دقت باورنکردنی را به پایان برساند.

منبع: بی بی سی