Самое грандиозное шоу на Земле: доказательства эволюции - Ричард Докинз

Теперь мы приближаемся к сути всего дела. Каждый нестабильный или радиоактивный изотоп распадается со своей собственной характерной скоростью, которая точно известна. Кроме того, некоторые из этих скоростей значительно медленнее, чем другие. Во всех случаях распад экспоненциальный. Экспоненциальный означает, что если вы начнете, скажем, со 100 граммов радиоактивного изотопа, то не будет так, что фиксированное количество, скажем в 10 граммов, превратится в другой элемент за данное время. Скорее, фиксированная доля того, что оставалось, превратиться во второй элемент. Общепринятой мерой скорости распада является "период полураспада". Период полураспада радиоактивного изотопа - время, затраченное на распад половины его атомов. Период полураспада одинаков, независимо от того, сколько атомов уже распалось - это означает экспоненциальный распад. Вы можете понять, что с таким последовательным располовиниванием, мы никогда, на самом деле, не узнаем, сколько надо, чтобы не осталось ничего. Однако, мы можем сказать, что после того, как пройдет достаточное количество времени - скажем десять полураспадов, число атомов, которое остается, является настолько маленьким, что, для практических нужд можно считать, что все распалось. Например, период полураспада углерода-14 составляет между 5000 и 6000 лет. Для образцов более старых, чем 50 000-60 000 лет, радиоуглеродное датирование бесполезно, и мы должны обратиться к более медленным часам.

Период полураспада рубидия-87 составляет 49 миллиардов лет. Период полураспада фермия-244 составляет 3,3 мс. Такие поразительные крайности служат иллюстрацией колоссального диапазона доступных часов. Хотя период полураспада углерода-15 в 2,4 секунды слишком короток для решения эволюционных вопросов, период полураспада углерода-14 в 5730 лет в самый раз для датирования в археологическом масштабе времени, к чему мы сейчас идем. Изотопом, часто используемым в масштабе эволюционного времени, является калий-40 с его периодом полураспада в 1,26 миллиарда лет, и я собираюсь использовать его в качестве своего примера для объяснения в целом идеи радиоактивных часов. Их часто называют калий-аргоновыми часами, потому что аргон 40 (он на единицу меньше в периодической системе) является одним из элементов, в которые распадается калий 40 (другим, в результате другого вида радиоактивного распада, является кальций 40, находящийся на единицу правее в периодической системе). Если начать с некоторого количества калия-40, то через 1260 миллионов лет половина калия-40 распадется в аргон-40. Это - то, что означает период полураспада. Еще через 1.26 миллиардов лет распадется половина того, что оставалось (четверть от исходного) и так далее. За промежуток времени более короткий, чем 1.26 миллиарда лет, соответственно меньшее количество исходного калия распадется. Итак, представьте, что вы начинаете с некоторым количеством калия-40 в закрытом пространстве, без аргона 40. После того, как несколько сотен миллионов лет прошли, ученый наталкивается на то же самое замкнутое пространство и измеряет относительные пропорции калия 40 и аргона 40. Из этой доли, вне зависимости от абсолютных количеств, зная период полураспада калия-40 и предполагая, что аргона вначале не было, можно оценить время, прошедшее с момента запуска процесса, иными словами, с того времени, как часы "были обнулены". Заметьте, что мы должны знать соотношение родительского (калий 40) и дочернего (аргон 40) изотопов. Более того, как мы видели ранее в этой главе, необходимо, чтобы наши часы были обнулены. Но что имеется в виду, когда говорят о том, что радиоактивные часы были "обнулены"? Процесс кристаллизации придает этому смысл.

Как все радиоактивные часы, используемые геологами, калий-аргоновый отсчет времени работает только для так называемых магматических пород. Магматические породы затвердевают из расплавленных горных пород - подземной магмы в случае гранита, лавы из вулканов в случае базальта. Когда расплавленная порода отвердевает и формирует гранит или базальт, она затвердевает в виде кристаллов. Эти, как правило, небольшие, прозрачные кристаллы, как кварц, но кристаллы, которые слишком малы, чтобы выглядеть как кристаллы для невооруженного глаза. Кристаллы бывают различных типов, и некоторые из них, такие как слюда, содержат атомы калия. Среди них есть атомы радиоактивного изотопа калия 40. Когда кристалл формируется в момент отвердевания магмы, присутствует калий 40, но нет аргона. Часы "обнуляется" в том смысле, что в кристалле нет атомов аргона. По прошествии миллионов лет калий 40 медленно распадается, и, один за другим, атомы аргона 40 заменяют в кристалле атомы калия 40. Накапливающееся количество аргона 40 является мерой времени, прошедшего с момента образования породы. Но по причине, которую я только что объяснил, эта величина имеет смысл только тогда, когда выражается как соотношение калия-40 к аргону-40. Когда часы были обнулены, соотношение составляло 100 процентов в пользу калия-40. Через 1260 млн лет, соотношение будет 50 на 50. Спустя еще 1260 млн лет, половина остававшегося калия-40 будет преобразована в аргон-40, и так далее. Промежуточные пропорции показывают промежуточные времена, с момента когда кристаллические часы были обнулены. Таким образом, геологи, измеряя соотношение между калием 40 и аргоном 40 в куске магматической породы, которую они берут сегодня, могут сказать, когда порода исходно кристаллизовалась из расплавленного состояния. Магматические породы, как правило, содержат много различных радиоактивных изотопов, и не только калий 40. Удачным аспектом того, как затвердевают магматические породы, является то, что они делают это внезапно - так, что все часы в данном куске породы обнуляются одновременно.

Только магматические породы обеспечивают радиоактивные часы, но ископаемые почти никогда не встречаются в магматической породе. Ископаемые формируются в осадочных породах, таких как известняк и песчаник, которые не являются застывшей лавой. Они - слои грязи, ила или песка, постепенно отлогающиеся на дне моря, озера или лимана. Песок или ил уплотняется в течение многих веков и твердеет, как камень. Трупы, попавшие в грязь, имеют шанс фоссилизироваться [сохраниться как ископаемое]. Хотя только небольшая часть трупов действительно становится ископаемыми, осадочные породы - единственные породы, которые содержат ископаемые, о которых стоит говорить.

Осадочные породы, к сожалению, не могут быть датированы с помощью радиоактивности. Вероятно, отдельные частицы ила или песка, которые входят в состав осадочных пород содержат калий 40 и другие радиоактивные изотопы, и поэтому можно говорить, что они содержат радиоактивные часы; но, к сожалению, эти часы бесполезны, потому что они не обнулены должным образом, или обнулены в разное друг от друга время. Частицы песка, которые уплотнены до песчаника, возможно, первоначально содержались в изверженных породах, но эти магматические породы, из которых образован песчаник, кристаллизовались в разное время. Каждая песчинка имеет часы, обнуленные в свое время, и это обнуленное время установлено, вероятно, задолго до формирования осадочных пород и захоронения ископаемых, которых мы пытаемся датировать сегодня. Так, с точки зрения хронометрирования, осадочная порода -сплошной беспорядок. Она не может быть использована. Лучшее, что мы можем сделать, и это - довольно хорошее лучшее, это использовать возраст вулканических горных пород, которые находятся вблизи осадочных пород или внедрены в них.

Для датировки ископаемого вам не требуется в буквальном смысле найти его запрессованым между двумя плитами магматических пород, хотя это отличный способ для иллюстрации принципа. Фактический используемый метод более утонченный, чем этот. Узнаваемо схожие слои осадочных пород встречаются по всему миру. Задолго до того, как радиоактивное датирование было отрыто, эти слои были идентифицированы и названы: кембрийский, ордовикский, девонский, юрский, меловой, эоцен, олигоцен, миоцен. Девонские отложения опознаваемы как девонские, не только в Девоне (графство на юго-западе Англии, что дало им их название), но и в других частях мира. Они явно похожи друг на друга, и они содержат аналогичные виды ископаемых. Геологам уже давно известен порядок, в котором откладывались названные отложения. До появления радиоактивных часов мы просто не знали, когда они образовались. Мы могли расположить их по порядку, потому что, очевидно, более древние отложения, как правило, лежат ниже более молодых отложений. Девонские отложения, например, старше отложений каменноугольного периода (названного в честь каменного угля, который часто встречается в его слоях), и мы знаем это, потому что в тех частях мира, где эти два слоя встречаются в одном месте, девонский слой лежит под каменноугольным (исключения из этого правила встречаются в местах, где мы можем сказать, исходя из других свидетельств, что породы были наклонены, или даже перевернуты). Обычно так не везет, чтобы обнаружился полный набор слоев, от Кембрийского в нижней его части до современных на самом верху. Но, поскольку слои являются столь узнаваемыми, вы можете определить их относительные возрасты, выстраивая друг за другом и собирая их паззл по всему миру.