Батрахоспермум № 45(107) – Бомборадиокарбон

Ранним первомартовским утром 1954 года опрятный десятитонный термоядерный цилиндр размером 4,56 на 1,35 метра громко рванул на атолле Бикини посреди Тихого в целом океана. Спустя несколько секунд в 32 км от эпицентра бетонный бункер, где прятались наблюдатели во главе с Джоном Кларком, начал колыхаться, словно корабль на штормовых волнах, одного инженера даже накрыло морской болезнью (уж не ушел ли бункер вместе с куском атолла на дно океана, подумал он). Через минуту, когда пришла взрывная волна, стены заскрипели, а трубы стали бешено выбулькивать воду, словно их тоже укачало. И вдруг все стихло. Выждав четверть часа, Кларк решил, что опасность миновала, и вместе с коллегами вышел на улицу полюбоваться на грибочек.

Серый гриб высотой десятки километров со шляпкой шириной более сотни заслонял собой небо и напрашивался в суп – так и слопать бы его, не будь он слишком ядерным. «Браво!» – захлопали ладошками восхищенные наблюдатели. «Касл Браво», – уточнил Кларк, ведь именно так официально называлось испытание, ставшее самым мощным из всех ядерных испытаний США, 15 мегатонн в тротиловом эквиваленте, на тот момент рекорд. Такую бы бомбу да на Кремлин уронить! Собственно, «Касл Браво» и затевался как первое испытание водородной бомбы, чьи габариты позволили бы разместить ее уютно в самолете. Сладостные грезы о советских коммунистах, наваливших в штанишки от осознания американского могущества, были, однако, прерваны зловещим потрескиванием из счетчика Гейгера: похоже, радиоактивные споры гриба уже начали сыпаться на землю.

Это было неожиданно. Бомбоиспытатели были уверены, что вся радиация улетучится в стратосферу или сдуется в море беззаботным ветерком. Однако взрыв оказался почти в три раза мощнее, чем предполагалось, – примерно в тысячу Хиросим. В первые же секунды после детонации 10 млн тонн кораллов Бикини обратились в пыль, покрытую радиоактивным веществом, и вскоре она стала понемногу выпадать в осадок по всей округе. Если наблюдатели не вернутся немедленно в бункер, то умрут на месте в одночасье.

Кларк тут же загнал команду в убежище. Но даже внутри, за метровыми стенами, уровень радиации рос пугающими темпами, а счетчик Гейгера так страшно трещал, что Кларк стал вызывать вертолеты для эвакуации. «Ага, ищи дурачков», – ответили ему пилоты, и можно их понять. Вскоре генераторы в бункере отключились, свет погас, и инженеры начали готовиться к неминуемой смерти в удушающе жаркой радиоактивной темноте. Кларк скончался в 2002 году в возрасте 98 лет. Но тогда, в 1954-м, за ним и его коллегами все же прилетели вертушки ВМС: накрывшись простынями от осадков, горемыки добежали от бункера до джипов, словно привидения, проехали полмили до места посадки, загрузились в вертолеты и полетели отмечать.

Тем временем радиоактивные осадки засыпали японскую рыболовецкую шхуну «Счастливый дракон № 5», вызвав лучевую болезнь у членов экипажа, один из них даже сам стал радиоактивным, а другой вскоре умер. Ветер разнес коралловый пепел по соседним с Бикини атоллам: облучение получили жители Аилингинаэ, американские военные на Ронгерике и жители Ронгелапа, включая детишек, обрадовавшихся внезапному «снегу». Дозы радиации были почти летальными, некоторые люди страдали от ожогов и выпадения волос, женщины рожали жутко деформированных младенцев, многие пострадавшие впоследствии заболели лейкемией и раком.

Узнав об испытаниях на атолле Бикини, советские коммунисты застирали штанишки и осенью 1961 года взорвали «Царь-бомбу» на острове Новая Земля – это был самый мощный взрыв в истории человечества (58 мегатонн). В последующий год СССР взорвал еще четыре бомбы, превышавших по мощности «Касл Браво», чем окончательно убедил США в своей ядреной лихости. Вдоволь намерившись могуществом, в августе 1963 года СССР, США и Великобритания подписали Договор о запрещении испытаний ядерного оружия в атмосфере, космическом пространстве и под водой (Московский договор). После этого ядерные бомбы стали взрывать только под землей, до тех пор пока в феврале 2083 года случайно не подорвали изнутри всю Землю целиком.

Среди побочных продуктов термоядерного взрыва есть редкий радиоактивный изотоп углерода – углерод-14, или радиоуглерод (радиокарбон). «Касл Браво» и последовавшие испытания водородных бомб породили огромные количества этого изотопа. Бомбовый радиоуглерод распространился по всей планете: улетел в атмосферу, погрузился в океаны, проник в живые организмы, в плоть и кровь животных, в том числе людей. И благодаря этому он помогает раскрывать тайны природы. Какими бы зловещими ни казались ядерные испытания середины прошлого века, без них современная наука, возможно, не смогла бы узнать, как функционируют и взаимодействуют земные сферы, в какое время жили разные животные, когда родился ты, дружок, и почему ты очень жирный.

Привет, я 14С

Радиоуглерод не был открыт в природе: ученые сперва сами его создали. В 1940 году физики Мартин Камен и Сэм Рубен в лаборатории Калифорнийского университета в Беркли накинули стандартному углероду (6 протонов, 6 нейтронов) еще парочку нейтронов путем бомбардировки графита дейтронами (ядрами дейтерия, тяжелого водорода). Получившийся изотоп (6 протонов, 8 нейтронов) оказался радиоактивным: каждую секунду небольшая доля углерода-14 превращается в стабильный азот (7 протонов, 7 нейтронов) путем трансформации одного нейтрона в протон с испусканием электрона и антинейтрино. Согласно современным данным, период полураспада радиоуглерода – около 5700 лет.

Большому открытию сопутствовала небольшая криминальная драма. Ранним утром 27 февраля 1940 года Мартин Камен после трех дней и бессонных ночей в лаборатории вышел на улицу подышать свежим воздухом, усталый и помятый, и был схвачен полицейскими, которые искали одного сбежавшего убийцу. К счастью, в отделении выяснилось, что ученый никого не убивал, и его отпустили. Пока он отсутствовал, Сэм Рубен проанализировал графит и обнаружил в нем радиоактивность. На фотографии Мартин Камен в 1939 году. Фото: US National Archives Public Domain Archive.

В то же самое время Серж Корфф, еще один американский физик, выяснил, что тяжелый углерод может существовать и в природе: космические лучи, взаимодействуя с разнообразными атомами в верхних слоях тропосферы и стратосферы, высвобождают множество нейтронов, которые ловко захватываются атомами азота с образованием долгоживущего радиоуглерода – процесс, обратный описанному выше распаду.

Это открытие воодушевило физхимика Уилларда Либби, в те годы работавшего в Беркли. Он уразумел, что растения с водорослями, поглощающие углекислый газ (диоксид углерода), должны накапливать в себе углерод-14, как и животные, поедающие их, а также животные, поедающие таких животных. Причем концентрация изотопа в их тканях должна примерно соответствовать таковой в атмосфере. После же смерти радиоуглерод уже не поглощается, а только распадается, пока не исчезает полностью. Свои догадки Либби проверил на метане из природного газа, полезного ископаемого с очень древним углеродом в составе, и метане из человеческой какашки, найденной в сточных водах Балтимора, – его выделили живые бактерии. Во втором случае датчик радиоактивности засек распад радиоуглерода, в первом же ни разу не пикнул – радиоуглерод отсутствовал.

По количеству оставшегося углерода-14 можно даже посчитать, когда та или иная органическая материя – скажем, древесина или кость – была живой! Так в 1946 году появился радиоуглеродный метод датирования, совершивший революцию в археологии, антропологии и палеонтологии. За его разработку Либби в 1960 году получил Нобелевскую премию по химии.

Этот метод стал с удовольствием применять новозеландский физик Атол Рафтер для вычисления возраста костей вымерших нелетающих пташек и пепла от древних извержений. В стремлении сделать радиоуглеродные часы точнее Рафтер принялся измерять уровень углерода-14 в атмосфере, для чего регулярно забирался на холм в окрестностях Веллингтона и ловил углекислый газ лотком с баритовой водой (водным раствором гидроксида бария). К своему удивлению ученый обнаружил, что количество углерода-14 из месяца в месяц неуклонно росло. И не только в атмосфере: Рафтер также измерял уровень изотопа в океанской воде и в молодых листьях деревьев – с 1953 года наблюдался устойчивый рост. В 1957 году физик опубликовал результаты своего исследования в журнале Science.

Вероятная причина очевидна: после Второй мировой войны США и СССР, а затем и Великобритания стали проводить ядерные испытания, особенно США с их рекордной на тот момент серией тестов «Касл» на атолле Бикини в 1954 году, общей мощностью 48 мегатонн. Помимо космических лучей теперь еще и термоядерные взрывы заполняли атмосферу излишними нейтронами, способствующими образованию избыточного радиоуглерода. Из атмосферы он проникал в гидросферу, биосферу и прочие сферы Земли.

Радиоуглеродная бомбежка. Иллюстрация: Zoe van Djik.

Ученые стали отмечать рост углерода-14 повсюду: в техасских древесных кольцах, в телесах голландских улиток, в клетках легких нью-йоркского мертвеца, в донорской крови и даже в батрахоспермумах. Происходящее порядком напугало мировую общественность, по всему миру прокатились антиядерные демонстрации, против испытаний выступали всемирно известные ученые и общественные деятели. До того как в 1963 году был подписан Московский договор, атмосфера успела наполниться 60 млрд млрд млрд (6 х 1028) изотопов 14С антропогенного происхождения – космическим лучам на это потребовалось бы лет этак 250! Зато уже на следующий год после запрета Атол Рафтер увидел, что в его лотках радиоуглерода стало меньше, чем годом ранее.

Круговорот бомбоуглерода в природе

Прошли десятки лет, а ученые до сих пор используют тот бомбовый радиокарбон в своих исследованиях. «Конечно, это большая трагедия, все эти бомбы… – печалится профессор Кристи Боринг, специалист по химии атмосферы из Калифорнийского университета в Беркли, и тут же радуется: – Но ведь благодаря им мы получили столько интересной научной информации! Сложно решить, какую интонацию выбрать во время докладов: нельзя же слишком восторгаться теми взрывами, да?» А почему бы и нет. Можно еще злодейски расхохотаться в конце.

Для специалистов по земной атмосфере углерод-14 – словно флуоресцентная метка для биологов. По весне в тропосферу плавно спускаются кульки стратосферного воздуха со свежим радиоуглеродом, затем они циркулируют в ней и через несколько месяцев оседают на наземных метеостанциях – это открытие было сделано путем отслеживания бомбового 14С. Частично изотоп поглощается растениями и распространяется по пищевым цепям, в том числе в почве после смерти, другая часть попадает в океан и разносится по нему течениями – эти движения также удалось понять благодаря радиоуглероду от ядерных взрывов.

В 1970-х океанологи выяснили, что бомбовый 14С проник на километровую глубину, но еще глубже его оказалось очень мало. Стало понятно, что океан слоист: теплая и относительно пресная поверхностная вода скользит по холодной и соленой глуби. Поверхностные течения по мере испарения становятся все более солеными и плотными и в конце концов в определенных точках планеты «ныряют» на дно. Радиоуглерод, связанный происхождениям с «Касл Браво», начал опускаться в глубину Северной Атлантики лишь в 1980-х, и придонные течения будут таскать его с собой еще сотни лет, прежде чем он вновь всплывет на поверхность.

В обитателей океана бомбоуглерод тоже проникает. Он откладывается карбонатом кальция в ростовых кольцах кораллов. Водоросли захватывают его в виде углекислого газа и перерабатывают в органику, которая разносится дальше по пищевым цепям. Животные выделяют его какульками и прочими экскретами, а сами после смерти рассыпаются в прах – все это морским снегом падает на дно, и в последние десятилетия он стал более радиоактивным. В 2009 году китайские исследователи подняли со дна Марианской впадины бокоплавов Hirondellea gigas, насыщенных бомбовым радиоуглеродом, – ракообразные едят «морской снег» даже в самом глубоком месте Мирового океана.

Бук лесной в Вудс-Холе и уровень углерода-14 в его годичных кольцах, а также в годичных кольцах двух дубов красных в Нью-Йорке и одного арктического моллюска.

В Океанографическом институте в Вудс-Холе, штат Массачусетс (США), можно полюбоваться на спил бука лесного (Fagus sylvatica) размером с обеденный стол – ему примерно полтораста лет. Один бостонский бизнесмен посадил дерево у своего летнего домика в Вудс-Холе году этак в 1870-м, но не так давно оно начало гнить, и в 2015-м его спилили. Геофизик Мэри Ларди Гэйлорд, специалист по углероду-14, принесла спил в лабораторию, вырезала по чуточке древесины вдоль всего радиуса и в каждом образце измерила уровень любимого изотопа. Так ее взгляду предстала радиоуглеродная история последних полутора веков.

В первой половине жизни дерева годичные кольца накапливали изотоп в количестве один 14С на триллион атомов углерода, что соответствовало уровню углерода-14 в атмосфере Северного полушария первой половины прошлого века. Но после 1954 года его количество стало быстро расти. «Браво!» – воскликнула Гэйлорд. Менее чем за десять лет радиоуглерода в кольцах стало почти в два раза больше. Рост прекратился вскоре после подписания Московского договора: пройдя пик в 1964 году, каждое новое кольцо вбирало в себя все меньше и меньше углерода-14, в последнем из них уровень изотопа всего на 6% выше первоначального. Аналогичные «бомбовые пики» можно найти в деревьях и кораллах по всему миру.

Видит хрусталик, да жир неймет

Не только годичные кольца анализирует Мэри Гэйлорд в институтской лаборатории, но и морские брызги, гуано летучих мышей, раковины моллюсков, рыбьи глаза. Вот в скляночках лежат ядра хрусталиков кампечинского луциана (Lutjanus campechanus), пойманного в Мексиканском заливе. Клетки ядер сформировались, когда рыба была еще в икринке, и количество углерода-14 в их белках позволит определить ее возраст, принимая во внимание бомбовый пик в заливе в 1970-х. Зная возраст рыб, биолог Беверли Барнетт из Флоридского университета (именно она расколупала хрусталики и прислала ядра в Вудс-Хол) сможет сделать выводы о том, как популяция справляется с последствиями разлива нефти в результате взрыва нефтяной платформы Deepwater Horizon в апреле 2010 года.

Сначала Гэйлорд поджаривает ядра хрусталиков в печи: дым да пар улетучиваются в трубу, за ними следуют азот да гелий. Затем она отделяет углекислый газ и направляет его в охлажденные стеклянные трубочки, на чьих стенках он и конденсируется. Позже замороженная углекислота будет преобразована в графит, который положат в специальный лазерный агрегат и начнут испарять. Высвободившиеся атомы углерода под действием магнитного поля и других факторов рассортируются внутри агрегата на изотопы, и углерод-14 улетит своей дорогой в направлении сенсора. Его относительное количество подскажет, когда вы родились… Ой, блин, это ж ваши хрусталики Гэйлорд по ошибке поджарила, сорри.

Хрусталик, похожий на луковицу, и кампечинский луциан, похожий на хрусталик. Иллюстрация, фото: Journal of Clinical Investigation (Song et al., 2009), America Food Services.

Вычисление возраста по хрусталикам – относительно новый метод, но он уже дал интересные результаты. Например, в 2016 году стало известно, что гренландские полярные акулы (Somniosus microcephalus) могут жить до 400 лет! Посчитать возраст крупных акул, появившихся на свет до бомбового пика, позволили радиоуглеродные часы, а небольшие особи были столь насыщены углеродом-14, что стало понятно: родились они уже после пика в начале 1960-х. Хрусталики людей, рожденных в это же время, также содержат больше радиокарбона по сравнению с теми, кто старше, а у тех, кто младше, его количество постепенно снижается по мере увеличения года рождения.

Другое дело, что судмедэксперты при установлении возраста умерших хрусталики обычно не анализируют, а смотрят прежде всего на зубы. По мере развития зубов у детей углерод включается в эмаль. Если тяжелого изотопа в эмали мало, значит, человек появился на свет до «Касл Браво». У тех, кто родился в начале 1960-х, первые моляры – наиболее ранние постоянные зубы – содержат много углерода-14, а третьи – зубы мудрости – содержат его гораздо меньше, так как они прорезываются через много лет после первых. Сопоставляя содержание радиоуглерода в разных зубах с бомбоуглеродной кривой, можно посчитать возраст их обладателя с точностью до года или двух.

Углерод-14 проникает в наш организм вместе с пищей на протяжении всей жизни, встраивается в ДНК и новые клетки – их возраст тоже можно определить по уровню изотопа. Большинство клеток человеческого мозга формируются в период рождения, но в сердце и других органах они намного моложе. В гиппокампе тоже есть новые клетки – об этом в 2013 году заявили специалисты из Каролинского института (Швеция), после того как посчитали возраст разных нейронов в гиппокампах 55 умерших людей по уровню бомбового 14С. (Правда, в 2018-м гиппокампальный нейрогенез был подвергнут сомнению, хотя дальнейшие исследования вроде как его подтвердили и новые нейроны были обнаружены даже у 87-летних старушек.)

В новом исследовании научной группы Кирсти Сполдинг, которая являлась первым автором той статьи о нейрогенезе в гиппокампе, речь идет уже о жире. Молекулы жира тоже, конечно, включают в себя углерод-14 во время синтеза. Ученые следили за жирами 11 мужчин и 43 женщин в течение 13–16 лет, регулярно определяя возраст липидов по бомбовому 14С, и в результате посчитали скорость их накопления и сжигания. Причина набора веса с годами состоит в том, что организм все хуже справляется с удалением жира, заключили авторы. «Прежде можно было лишь интуитивно полагать, что скорость сжигания жира падает с возрастом, но мы впервые продемонстрировали это научными методами», – говорит Сполдинг. При этом неожиданно оказалось, что у людей, потерявших вес и успешно его поддерживающих, сжигание жира происходит медленно. Логика жира еще не до конца понятна науке.

Падение радиокарбона

Сегодняшние дети в своих хрусталиках, зубах, нейронах и жирах накапливают не намного больше радиоуглерода по сравнению с детьми доядерной эпохи. За последние шесть десятилетий природа настолько очистилась от углерода-14, что стали появляться ученые, которые активно исследуют снижение его уровня, такие как Хизер Грейвен, специалист по физике атмосферы из Имперского колледжа Лондона (Великобритания).

Ядерный гриб, смоделированный из грибов. Фото: Henry Hargreaves.

В недавнем исследовании Грейвен вместе с коллегами смоделировала ядерное испытание и проследила судьбу бомбового радиоуглерода: сперва его количество в атмосфере быстро повысилось, затем стало медленно снижаться – прямо как на спиле бука в Вудс-Холе. Экстраполяция кривой показала, что в 2020 году оно окажется на уровне, предшествовавшем «Касл Браво». Ученым предстоит проверить, так же ли дело обстоит в нашей реальной атмосфере.

Вроде бы стоит радоваться: планета вернулась в естественное состояние. Но есть ложечка дегтя в этой бочке меда: согласно модели, уровень углерода-14 в атмосфере слишком упал – больше, чем гидросфера и биосфера позволили бы. Дело в том, что океан и суша не только забирают изотоп из воздуха, но и частично возвращают его туда. С учетом этого его балансный уровень должен быть выше, чем в доядерные времена. Однако он продолжает падать. И Грейвен подозревает, что причина в насыщении атмосферы углекислым газом от сжигания ископаемого топлива, в котором давно не осталось углерода-14. Из-за этого соотношение 14С к 12С оказывается ниже балансной нормы.

Если человечество продолжить сжигать горючее текущими темпами, уровень радиоуглерода окажется намного ниже, чем перед началом ядерной гонки. Если сжечь все наши запасы, топливный гриб затмит собой небо и не отпустит планету столетиями. Земля погрузится в климатический хаос. И радиоуглерод, словно летописец, продолжит фиксировать историю человеческой тяги к саморазрушению. Вместо «бомбового пика» будет «топливная впадина» – она отразится в клетках и тканях выживших и станет новой опорной точкой для науки будущего. Если, конечно, наука выстоит среди руин цивилизации.


Текст: Виктор Ковылин. По материалам The Atlantic и других источников.
Иллюстрация на обложке: Zoe van Djik.

Все права на данный текст принадлежат нашему журналу. Убедительная просьба статью не копипастить. Но можно использовать небольшой фрагмент, сопроводив его активной ссылкой. Мы всегда рады распространению ссылок на наш чудо-журнальчик. Отслеживать обновления можно в соцсетях: Вк, Fb, Tw, Lj, Tg. С уважением, Батрахоспермум.

Вас также могут заинтересовать статьи:
Облачно, возможны осадки в виде чупа-чупсов
Почему плутоний – Pu?
Панспермум: кембрийский взрыв из космоса и инопланетные яйца октопусов

Комментарии:

Высказать свое мудрое мнение