Наука о «когда»: как датируют прошлое

«Все, что касается древних языческих времен, скрыто в густом тумане и отдаляется от нас в неизмеримую даль. Мы знаем, что язычество старше христианства, но насколько – на годы, века или тысячелетия – это область лишь догадок или, в лучшем случае, гипотез». Так в 1806 году писал датский антиквар Расмус Ниеруп.

Как исследователь, работающий в лаборатории, которая сегодня может буквально измерить возраст событий прошлого, я часто представляю, как изумился бы Ниеруп, узнав, насколько всё изменилось. Если бы удалось перенести его из начала XIX века в наше время, он увидел бы, что «туман» рассеян: теперь мы можем датировать крошечные фрагменты костей, угля или раковин, определяя их возраст с невиданной прежде точностью.

Хронология – основа археологии. Без возможности точно установить «когда» невозможно выстроить историческую перспективу. Это особенно важно для таких ключевых находок, как останки денисовцев из Денисовой пещеры или неандертальцев из европейских стоянок. Без надежных дат все события прошлого действительно тонут в тумане, о котором сожалел Ниеруп.

Мы уже слышали о датировках с других стоянок, связанных с денисовцами, – Сюйчана, Сяхэ, Суйцзияо. Но как обстоят дела с определением возраста находок из самой Денисовой пещеры, места, перевернувшего наши представления о человеческой эволюции?

Долгое время, вплоть до середины XX века, археологи опирались в основном на относительную датировку. Этот метод, зародившийся в Восточном Средиземноморье, заключался в сравнении стилей артефактов, например керамики, с аналогичными предметами уже известного возраста.

Хотя сравнительный подход постепенно распространился по Европе, он имел серьезные ограничения. Он мог указать, что один предмет старше другого, но не мог назвать их абсолютный возраст в годах. Это была датировка в сравнении, а не в абсолютных цифрах.

Всё изменилось 4 марта 1949 года, когда в журнале Science вышла статья, не связанная напрямую с археологией, но положившая начало новой эре. Учёный Уиллард Либби из Чикагского университета, ранее работавший над Манхэттенским проектом, описал метод, позволивший напрямую измерить возраст органических материалов.

Этот метод – радиоуглеродное датирование – можно было применять ко всему, что когда-то было живым: дереву, древесному углю, костям, раковинам. Открытие Либби произвело революцию в археологии, антропологии и геологии, а в 1960 году принесло ему Нобелевскую премию по химии.

Спустя более 70 лет метод Либби стал мощнее и точнее. Один из ключевых прорывов – использование ускорительной масс-спектрометрии (УМС) для подсчёта атомов радиоактивного изотопа углерода-14 (¹⁴C).

Углерод-14 – редкий и слаборадиоактивный изотоп. Его в природе ничтожно мало: на триллион атомов стабильного углерода-12 приходится всего один атом ¹⁴C. Современные приборы должны быть невероятно чувствительными, чтобы уловить этот один атом среди триллиона.

Ускорительная масс-спектрометрия позволяет датировать образцы весом всего в миллиграмм – примерно четверть рисового зерна – и делает это быстро. На один анализ может уходить около 20 минут, а для предварительной оценки иногда достаточно и 40 секунд.

Однако у метода есть фундаментальный предел – около 50 000 лет. Период полураспада углерода-14 составляет примерно 5730 лет (ранее использовалась цифра 5568 лет). Это значит, что каждые несколько тысяч лет количество ¹⁴C в образце уменьшается вдвое. После 9-10 таких циклов, перевалив за 50 000 лет, измеримого углерода-14 практически не остается.

Когда мы работаем с образцами возрастом под 50 000 лет, например с костями неандертальцев или денисовцев, соотношение становится экстремальным: один атом углерода-14 на квадриллион атомов углерода-12.

Оксфордская лаборатория, которой я руковожу, была одной из первых в мире, кто начал применять УМС в археологии. Наш Радиоуглеродный ускорительный блок (Radiocarbon Accelerator Unit) создан при археологическом факультете и специализируется именно на датировании археологических находок, что делает его уникальным.

Именно интерес археологов к только что открытому методу Либби привел к созданию нашей лаборатории. Фактически радиоуглеродное датирование породило целое новое направление в археологической науке.

Одним из моих первых коллег в Оксфорде стал археолог Роджер Якоби, глубокий знаток палеолита. Он принес в лабораторию десятки образцов костей неандертальцев и первых современных людей. Роджер обратил внимание на проблему: датировать образцы старше 30 000 лет было необычайно сложно, а результаты часто казались ненадежными.

Основная трудность в том, что чем старше образец, тем меньше в нём остаётся углерода-14. В костях возрастом 30 000 лет его всего около 3% от исходного уровня, в 40-тысячелетних – менее 1%, а в 50-тысячелетних – лишь десятые доли процента. При этом даже малейшее загрязнение образца современным углеродом (например, из почвы) катастрофически искажает результат, «омолаживая» находку на тысячи лет.

Роджер спросил, можно ли улучшить точность, особенно для костей. Кости – ключевой материал: они часто принадлежат людям прошлого или животным, на которых те охотились. Их датировка напрямую указывает на время обитания человека на стоянке. Как раз тогда мы начали внедрять метод ультрафильтрации для лучшей очистки костного коллагена.

Процесс датирования кости начинается с извлечения коллагена – основного белка. Кость на 80% состоит из минерала гидроксиапатита, а оставшиеся 20% – это белки, и почти все они коллаген. Его молекула похожа на тройную спираль, скрученную из длинных цепочек аминокислот.

Сначала кость измельчают в порошок. Порошок обрабатывают слабой кислотой, которая растворяет минеральную часть, оставляя коллаген. Затем этот коллаген 24 часа кипятят в кислоте, чтобы раскрутить спирали и получить чистый желатин.

Наступает этап ультрафильтрации. Ультрафильтр работает как молекулярное сито. Он задерживает крупные, «хорошие» цепочки коллагена (массой более 30 000 дальтон) и пропускает мелкие фрагменты, которые часто являются загрязнителями. Это позволяет получить максимально чистый коллаген для анализа.

Мы с Роджером решили опробовать метод на образцах, чья датировка вызывала сомнения. Одним из них был костяной наконечник из Апхилла в Сомерсете. Его форма была типичной для ориньякской культуры, которую связывают с первыми современными людьми в Европе.

Первоначальный радиоуглеродный возраст наконечника составлял около 28 000 лет, что было на 4-5 тысяч лет моложе, чем у аналогичных орудий из Франции и Бельгии. Роджер предполагал, что люди могли позже добраться до Британии из-за сурового климата.

Мы повторно датировали наконечник, применив ультрафильтрацию. Новый результат – около 32 000 лет – идеально совпал с возрастом континентальных находок. Это доказывало, что метод работает и может корректировать ошибки, вызванные загрязнениями.

Вдохновленные успехом, мы расширили исследования на десятки стоянок по всей Европе – в Испании, Италии, Германии, Франции. Целью было уточнить хронологию перехода от среднего к верхнему палеолиту, когда в Европе сосуществовали неандертальцы и наши прямые предки.

К сожалению, в 2009 году Роджер Якоби ушел из жизни. Он не увидел финальных результатов нашей многолетней работы, которая была опубликована в 2014 году. Анализ данных показал, что неандертальцы и современные люди сосуществовали в Европе на протяжении 2500–5000 лет, их ареалы пересекались, хотя не обязательно подразумевали прямое соседство.

После завершения европейского проекта я обратил внимание на Восток, в частности на Денисову пещеру в Сибири. К 2010 году там были найдены останки нового вида людей – денисовцев, но их возраст оставался загадкой. Радиоуглеродные даты для косточки «Денисова 3» разнились от 17 000 до более чем 50 000 лет.

Проблема могла быть в тафономии – науке о том, как останки попадают в землю и сохраняются. В пещере материал мог быть перемешан животными, рывшими норы, или природными процессами. Чтобы датировать именно время жизни людей, нужно было выбирать кости со следами человеческой обработки – порезами или специально изготовленные украшения.

Именно такие находки – подвески из просверленных зубов животных – стали ключевыми. Эти украшения, возраст которых мог превышать 45 000 лет, возможно, были древнейшими в Евразии. Они поднимали глубокие вопросы: зачем люди их создавали? Для красоты, как символ статуса или верований?

Для датирования таких драгоценных артефактов мы разработали метод «замочной скважины». В зубе просверливается крошечное отверстие диаметром 2–3 мм, через которое извлекается внутренний материал – дентин. Это позволяет взять образец, почти не повредив сам предмет.

В 2012 году, установив сотрудничество с российскими коллегами Анатолием Деревянко и Михаилом Шуньковым, мы отобрали серию образцов из Денисовой пещеры, в том числе из слоев рядом с местом находки «Денисова 3». В лаборатории Оксфорда моя коллега Катерина Дука подготовила образцы для анализа на ускорителе.

Первые же результаты ошеломили. Из 11 проанализированных образцов 10 оказались старше 50 000 лет – предела для радиоуглеродного метода. Это означало, что культурные слои в пещере, где нашли денисовцев, были чрезвычайно древними.

Таким образом, мы получили веские доказательства, что знаменитая фаланга пальца «Денисова 3» также имеет возраст более 50 000 лет. Это открытие помогло поместить денисовцев в правильную хронологическую перспективу и показало, насколько глубоко в прошлое уходят корни человеческого разнообразия в Евразии.

Путь от догадок Ниерупа до точных измерений длился два столетия. Сегодня, сочетая физику, химию и археологию, мы научились читать время, записанное в атомах. И это лишь начало – методы датирования продолжают совершенствоваться, обещая новые открытия о нашем общем прошлом.