Наука о «когда»: как ученые датируют события прошлого

«Все, что относится к древним языческим временам, скрывается в густом тумане, уплывая от нас в неизмеримую даль. Нам известно, что язычество старше христианства, но насколько — на годы, на века или даже на тысячелетия, — это уже область догадок или в лучшем случае гипотез».

Так писал в 1806 г. датский антиквар и философ Расмус Ниеруп. Как работник научной лаборатории, которая в буквальном смысле способна датировать события прошлого, я часто думаю, как восхитился бы Ниеруп, доведись ему узнать, насколько изменилось положение дел с тех пор, когда он сетовал на невозможность осмыслить временную составляющую человеческой истории. Как чудесно было бы перенести его на машине времени из 1806 г. в наши дни, показать ему нашу лабораторию и объяснить, что она делает.

Чтобы встроить «Денни» и другие человеческие останки из Денисовой пещеры и прочих мест в нужную историческую ретроспективу, необходимо с достаточной точностью определить, когда они жили. Хронология превыше всего. Без средств, позволяющих упорядочить былое, просто невозможно установить, что и когда произошло — все пропадает в том самом тумане, на который досадовал Ниеруп.

Мы уже слышали о датировании предметов с других археологических стоянок, где, вероятно, были найдены денисовцы, — Сюйчана, Сяхэ, Суйцзияо. Но как же обстоят дела с возрастом находок из самой Денисовой пещеры?

До марта 1949 г. археологам приходилось полагаться на так называемую относительную датировку. Этот метод первоначально применялся в Восточном Средиземноморье, преимущественно к историческим памятникам Египта. Сравнивая гончарные и иные изделия с аналогичными предметами известного периода, можно было сделать вывод о возрасте подобных находок из других районов Восточного Средиземноморья.

Относительная датировка имела серьезные географические и временные ограничения. Постепенно эта сравнительная методика широко распространилась по Европе, но так и оставалась не абсолютной, а относительной.

Наконец 4 марта 1949 г. в журнале Science была опубликована статья о проблемах сейсмологии, знаменовавшая собой большие перемены в подходе к датировке предметов прошлого.

Уиллард Либби, ученый из Чикагского университета, ранее участвовавший в Манхэттенском проекте по созданию первого в мире ядерного оружия, описал новый метод, который мог позволить археологам всего мира осуществлять независимую датировку археологических образцов.

Правда, этот метод можно было применять лишь к тем веществам, которые некогда присутствовали в живых организмах. Но ведь и это очень много: датировке поддавались дерево и древесный уголь, раковины моллюсков и кости. Открытие повлекло за собой революцию в археологии и целом ряде других наук, а Либби в 1960 г. получил за него Нобелевскую премию по химии.

Методу радиоуглеродного датирования уже больше 70 лет, и он пережил немало технологических прорывов. Один из них состоит в использовании ускорителя элементарных частиц для измерения содержания изотопа ¹⁴C.

Радиоуглерод — это радиоактивный изотоп углерода, но встречается он очень редко и не может представлять опасности для человека, поэтому о нем говорят как о низкоактивном изотопе. Чтобы понять, насколько ничтожно его содержание в мире по сравнению с углеродом-12 (¹²C), достаточно знать, что на 1 000 000 000 000 атомов ¹²C приходится лишь один атом ¹⁴C. Итак, наши приборы должны быть чувствительными настолько, чтобы уловить один атом из триллиона.

Метод ускорительной масс-спектрометрии (УМС) позволяет датировать образцы весом всего в 1 миллиграмм — с четверть рисового зернышка — и делать это быстро. Обычно на каждый анализ мы тратим около 20 минут, но, вообще-то, аппаратура столь хороша, что для того, чтобы получить удовлетворительное представление о возрасте образца, хватит и 40 секунд.

Однако у технологии есть предел — 50  000 лет и не больше. Дело в том, что период полураспада радиоуглерода составляет 5568 ± 30 лет. Поэтому каждые 5568 лет содержание ¹⁴C в каждом конкретном образце уменьшается вдвое. Два полураспада занимают 11 136 лет, три — 16 704 года, и так далее, пока девять периодов не перевалят за 50 000 лет и в веществе практически не останется ¹⁴C^*. Гипотетическим максимумом для любого радиоизотопного метода принято считать 10 периодов полураспада.

Лаборатория Оксфордского университета под моим руководством одной из первых в мире стала применять этот метод; на сегодняшний день никто, кроме нас, не специализируется на датировке археологических находок^**.

Мы практически не работаем с предметами, не имеющими отношения к археологии. Все дело в том, что наша лаборатория, в отличие от подавляющего большинства прочих, существует при археологическом факультете, который организовал ее по собственной инициативе, вдохновившись только что обнародованным открытием Либби. Фактически радиоуглерод породил целую отрасль археологической науки.

Одним из первых людей, с которыми я познакомился, приехав в Оксфорд в 2001 г., был исследовавший палеолит археолог Роджер Якоби; я уже говорил о его манере лизать кости, чтобы определить, не обработаны ли они клеем. Роджер изучал палеолит Британии еще в студенческие годы и лично принес в лабораторию десятки образцов останков неандертальцев и ранних «современных» людей для радиоуглеродного датирования — пожалуй, больше, чем кто-либо другой. Постепенно он стал обращать внимание на то, что образцы, датируемые периодом от 30 000 до 50 000 лет назад, выявлять труднее, чем принято думать. И он был прав.

Главная сложность состоит именно в том, что с увеличением возраста предмета содержание ¹⁴C, которое требуется измерить, снижается. В 30-тысячелетних образцах содержится лишь 3% ¹⁴C от его количества в современных веществах. В 40-тысячелетних его уже 0,7%, а в 50-тысячелетних — 0,1%. При этом образцы подвергаются все более интенсивному воздействию загрязняющего углерода, что искажает определяемый возраст. Скажем, в 50-тысячелетней находке при всего лишь 1%-ном загрязнении современным углеродом установленный возраст окажется на 14 500 лет меньше.

Нетрудно представить, каким бедствием оборачивается подобное искажение при датировке 30–50-тысячелетних костей, которые по большей части и обнаруживаются в археологических раскопках, упоминаемых в этой книге.

Роджер пришел ко мне, чтобы узнать, существуют ли способы изменить ситуацию в лучшую сторону — сделать так, чтобы получаемые сведения были более надежными. Особенно интересовала его датировка костей. Кости очень привлекательны для археологов, ведь обычно они представляют собой материальные останки либо людей прошлого, либо животных, которых те употребляли в пищу, — следовательно, датировка костей дает нам возможность определить, когда же люди жили в этом месте. Как раз в это время мы начали использовать многообещающий метод ультрафильтрации, позволявший улучшить очистку костей от загрязнений перед датировкой с применением УМС.

При датировании костей необходимо прежде всего извлечь коллаген — основной белок костного матрикса. Около 80% костной ткани составляет минерал гидроксиапатит, содержащий значительное количество карбонат-ионов. Оставшиеся 20% костной массы приходятся на белки, из которых 95% — это коллаген.

Коллаген имеет вид спирали из трех полипептидных нитей, каждая из которых состоит из 1000 аминокислот. Чтобы извлечь его для датировки, мы сначала просверливаем или измельчаем кость в порошок, а затем помещаем около 500 мг порошка (примерно половина чайной ложки сахара) в пробирку и добавляем слабую соляную кислоту. Постепенно гидроксиапатит растворяется в кислоте, и остается коллаген. После нескольких этапов очистки мы переходим к желатинизации коллагена.

Для этого его нужно 24 часа кипятить в слабой кислоте. Молекулы коллагена постепенно раскручиваются и превращаются в три отдельные полипептидные цепочки. При этом молекулы иных веществ, являющиеся потенциальными загрязнителями, высвобождаются, и их можно устранить.

У нас остается желатин — главный компонент «студня». После этого начинается ультрафильтрация. Ультрафильтр можно уподобить ситу, но только молекулярного уровня. Нам известна масса полипептидных цепочек аминокислот: каждая из них весит около 95 000 дальтонов^*.

Ультрафильтр, который мы используем, улавливает крупные цепочки — более 30 000 дальтонов — и пропускает мелкие. Таким образом мы можем существенно улучшить качество коллагена и в значительной степени отделить от него мелкие, потенциально загрязняющие формы углерода.

К моменту моего знакомства с Роджером мы уже провели предварительную проверку метода ультрафильтрации и установили, что он, по всей видимости, может существенно снизить загрязнение изучаемых костей. Теперь нужно было опробовать метод на практике. За это мы и взялись вместе с Роджером.

Мы сосредоточились на образцах, датировка которых показалась Роджеру ошибочной или противоречащей археологическим данным. Одним из них был костяной наконечник из раскопок в Апхилле (Сомерсет). Форма артефакта была характерной для ориньяка — археологической культуры позднего палеолита, пришедшей в Европу с некоторыми из наших древнейших предков.

Первоначальный возраст, полученный с помощью УМС, составил 28 080 ± 310 лет^*. Эта датировка английского образца была на 4000–5000 лет моложе, чем у подобных костяных орудий, обнаруженных во Франции и Бельгии. Роджер объяснял это предположением, что из-за суровых климатических условий «современные» люди могли достичь Британских островов и обосноваться там позже, чем в других частях Европы.

Роджер привез наконечник ко мне в Оксфорд, чтобы высверлить препарат. Мы осторожно извлекли фрагмент, выделили коллаген и подвергли его ультрафильтрации. Полученный возраст оказался на 4000 лет старше, 32 000 ± 230 лет, что полностью совпадало с датировкой схожих артефактов на континенте. Казалось, что ультрафильтрация станет важнейшим шагом к повышению точности датирования.

Обрадовавшись, мы распространили нашу деятельность на другие археологические стоянки, а позднее охватили и всю Европу. В частности, это позволило нам поработать на некоторых основных археологических раскопках Франции с глубокой стратиграфической последовательностью, включающей в себя период жизни поздних неандертальцев и появления там первых «современных» людей. Мы трудились на 40 с лишним стоянках в Испании, Италии, Германии, Франции, Бельгии и Греции.

К сожалению, в 2009 г. Роджер, бывший не только моим соавтором по нескольким значимым публикациям, но и одним из ближайших друзей, покинул этот мир. Ему было всего 62 года, он находился на пике своих возможностей и один за другим получал ответы на вопросы, которые ставил на протяжении всей своей научной карьеры. У меня совсем было опустились руки, и меня удержало на плаву лишь осознание того, насколько сильно он хотел бы увидеть обнародованными результаты почти 10-летних исследований.

Наш итоговый труд был опубликован в 2014 г. Для того чтобы свести и проанализировать данные по образцам из множества регионов, где мы работали, потребовалось более пяти лет. Мы намеревались изучить временнýю взаимосвязь между неандертальцами и «современными» людьми в Европе. Из наших результатов следует, что «современные» люди и неандертальцы сосуществовали на континенте на протяжении 2500–5000 лет, пересекались в своих ареалах обитания, но вовсе не обязательно жили бок о бок.

В статье, увидевшей свет в Nature, Роджер в последний раз был упомянут в обширном списке моих главных соавторов. Пришла пора двигаться дальше. Я планировал расширить область исследований и очень хотел поработать в России.

В 2010 г. внимание всех палеоантропологов мира было приковано к Денисовой пещере, где нам по-прежнему не удавалось разгадать целый ворох загадок о девочке «Денисова 3» и популяции денисовцев. Одной из главных проблем, стоявших перед исследователями, была неуверенность в возрасте человеческих останков.

Ученые имели возможность пользоваться аппаратурой для радиоуглеродного датирования, но результаты давали очень большой разброс — от 50 000 до 17 000 лет. К примеру, первичный анализ столь значимой находки, как косточка «Денисова 3», показал, что ей не то меньше 30 000 лет, не то больше 50 000, и виной тому был разнобой в данных радиоуглеродного анализа.

Я был убежден, что мы способны провести эту работу лучше. Мне казалось, что если нам удастся датировать большое количество образцов, то можно будет исследовать так называемую тафономию стоянки и понять, представляет ли этот разнобой действительную проблему. Тафономия — это наука о закономерностях образования отложений, позволяющая установить, каким образом кости, головни костра и т. п. оказываются в том или ином месте археологической стоянки^*.

Материал может быть «остаточным», то есть относиться к тому времени, когда в данном месте еще не обитали люди, а может быть «интрузивным» — перенесенным из одного слоя или участка стоянки в другой животными, рывшимися в земле, и, конечно, людьми, которые что-то копали и обустраивали.

Наша задача — выбрать наилучшие образцы. Для того чтобы по ошибке не датировать интрузивный материал, мы обычно стараемся отыскивать кости, сохранившиеся «в сочленениях», то есть в своем подлинном анатомическом положении. Это означает, что они не подвергались перемещениям после того, как оказались в данном месте.

Только вот в Денисовой пещере таких костей найдено не было. По этой причине нам приходится обходиться материалом, подвергшимся «обработке» человеком: костями с едва заметными порезами, оставшимися от кремневых инструментов, или артефактами и предметами, изготовленными людьми. Это единственный способ определить время, когда люди жили на исследуемой стоянке.

Мы остро нуждались в радиоуглеродном датировании, и для того, чтобы планомерно вести эту работу, требовалось установить тесное сотрудничество между русскими и западными учеными. Но, в отличие от европейских археологов, чья деятельность поддерживалась инвестициями в исследования и инфраструктуру, наши русские коллеги испытывали большие трудности в постсоветский период. Множество талантливых ученых были связаны по рукам и ногам отсутствием современного технического оснащения. Радиоуглеродных ускорителей в России не было вообще.

В своих исследованиях я пытался установить, когда, каким образом и какими путями «современные» люди покинули пределы африканского континента и распространились по Евразии. Хотя предыдущий этап моей работы был посвящен только Европе, я, разумеется, понимал, что, для того чтобы увидеть полную картину, необходимо обратить внимание и на множество других археологических стоянок по всему континенту.

Я буквально спал и видел, как сумею приложить свои передовые методы датировки к находкам с самых разных стоянок, относящихся к периоду перехода от среднего к верхнему палеолиту, 50 000–30 000 лет назад, и выяснить, когда же «современные» люди, неандертальцы и денисовцы расселились по Евразии.

Анатолий Деревянко был чрезвычайно заинтересован в сотрудничестве, мне же, благодаря тяжким трудам и везению, удалось получить грант, и это позволило нам приступить к работе.

В феврале 2012 г. я отправился в Новосибирск, чтобы обсудить с Анатолием и Михаилом Шуньковым планы предстоящих исследований. Стояли жестокие морозы. Средняя температура в тех местах зимой — минус 20°C. Помимо всего прочего, мы сошлись на важности прямого датирования артефактов и обработанных человеком костей, которое поможет надежно вычислить время присутствия людей в конкретном месте.

Притрагиваясь к образцам самых ранних декоративных изделий и украшений, когда-либо изготовленных в Евразии, испытываешь невероятные чувства. В археологической летописи мы встречаем обломки намеренно продырявленных зубов гиены, лисицы, северного оленя и медведя, подвергшихся обработке 45 000 лет назад, а то и раньше. Их, несомненно, носили на шее, а уж по отдельности или в виде ожерелья, нам вряд ли удастся узнать. Не можем мы сказать и для какой цели это делалось. Просто для того, чтобы улучшить свой внешний вид?

Могли ли люди того времени украшать себя ради удовольствия, как это делаем мы сегодня, или исходили из каких-то иных соображений? Что означали для людей эти предметы — принадлежность к определенной группе или же к системе верований? Я также думал о том, каким образом они оказались включены в летопись останков и угодили в отложения, накопившиеся в пещере. Их случайно уронили и потеряли или же нарочно выбросили, поскольку они перестали нравиться и больше не были нужны?

Для нас эти предметы уж точно имели необычайную ценность, и нам следовало выработать тщательно продуманный порядок действий, чтобы как можно меньше повредить объект при определении его возраста.

За долгие годы работы с костями я отладил технологию сверления «замочной скважины», позволяющую аккуратно взять образец из драгоценной находки. Сделав в зубе маленькую, 2–3 мм диаметром, дырочку, я ввожу туда стоматологический бор и начинаю высверливать внутри полость, откуда через «скважину» сыплется дентин. Этот метод позволяет датировать крошечные образцы, не причиняя им заметных повреждений.

Забрав образцы из Денисовой пещеры и Новосибирска, мы с Катериной полетели в Оксфорд проводить их радиоуглеродное датирование. Первый комплект образцов был предназначен для проверки гипотезы, согласно которой слои с 11.1 по 11.4 в восточном зале, где был обнаружен «Денисова 3», были сильно перемешаны и имели серьезные нарушения в хронологии.

В ходе раскопок мы внимательно изучили разрез археологических отложений. Могло показаться, что перед нами непотревоженный массив отложений, но на деле грунт кое-где был неоднородным. Мы понимали, что в пещере на протяжении многих тысяч лет жили хищники, в частности гиены, которые рыли в отложениях норы для своих детенышей, что в конце концов могло сказаться на работе археологов в наши дни.

К счастью, благодаря усилиям Михаила Шунькова и его группы нам удалось отобрать надежные образцы из неповрежденных по виду слоев. Мы смогли идентифицировать некоторое количество образцов, найденных в нескольких сантиметрах от косточки «Денисова 3», а также образцы, лежавшие выше и ниже. Вернувшись в лабораторию, Катерина несколько недель занималась извлечением коллагена и изготовлением препаратов, после чего пришло время запускать ускоритель.

Помещая препараты в большую машину, всегда волнуешься. Как я уже отмечал, для приблизительного определения возраста достаточно нескольких минут. Я то и дело звоню в лабораторию с вопросами о последних партиях образцов. Помню, как я просил лаборантов УМС проверить первые 11 обломков из тех, что мы получили.

Даты оказались шокирующими. Из 11 изученных образцов 10 были старше 50 000 лет. Единственный, не достигший этого возраста, относился к верхней границе так называемого раннего верхнего палеолита — периода, имевшего место 45 000–35 000 лет назад.

Таким образом, мы установили высокую вероятность того, что образец «Денисова 3» старше 50 000 лет и непригоден для радиоуглеродного анализа.

_{Отрывок из книги Тома Хайэма «Мир до нас: Новый взгляд на происхождение человека». М.: Издательство Альпина нон-фикшн, 2024.}