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核弹测年法,再不用就没得用啦

原子弹试验留下的定年利器 核武器试验测定生物质年代

亚得里亚海上的猪 发表于  2014-06-16 18:24

冷战时期的核武器试验意外留下一件利器——不仅能够测定骸骨年代,鉴定象牙来源,还能帮助科学家深入了解人体器官的细胞更替。图片来源:ytimg.com

(文/Gaia Vince)朱迪斯•巴莱特(Judith Barlett)在28岁那年成为了失踪人口。她是1964年的某一天在上班路上失踪的,地点是在澳大利亚新南威尔士的城镇巴瑟斯特。警方调查了好几次,却都没有头绪。她的3个年幼的孩子在成长过程中始终感到困惑、伤心,他们不明白母亲为什么要抛弃自己。朱迪斯的女儿弗朗西斯•莱恩(Frances Ryan)当年10岁,不久前还告诉记者:“我有过一个母亲,我以为她是爱我的,可是有一天,我却忽然得知她离开了。”

单是在澳大利亚,每年就1600人列入长期失踪名单,他们的家人往往永远不会知道他们遭遇了什么。可是这次不同:2009年,有人在巴瑟斯特镇外200多千米的一处偏僻灌木丛中发现了人类的遗骸。遗骸已经所剩无几,但警方还是将几片碎骨送到了新西兰的怀卡托大学,委托考古学家菲奥娜·佩彻(Fiona Petchey)进行分析。佩彻是放射性碳年代测定法的专家,只是她平常分析的骨片都是第一批太平洋岛民在大约3000年前留下的。要测定这些年轻得多的碎骨,她还需要些另外的工具。

标准的放射性碳年代测定法利用自然发生的碳同位素的衰变率来断定年代,然而佩彻这次却使用了另外一种分析对象:那是上世纪60年代初期,冷战的核武试验达到高峰之后,在大气中留下的放射尘。使用这个方法,佩彻得以确认警方正在追查的是一起谋杀案。

自从这种法医技术在2005年首次展示成果以来,全世界已经有好几个实验室用这种方法测定了死尸的年代。要在没有其他线索的情况下确定死亡时间,这是唯一精确的办法。而且,这种碳年代测定法不仅仅是刑侦科学的一件重要新工具,它还能帮助调查人员为象牙和犀牛角测定年代,从而推断这些制品是否为盗猎所得。还有研究者用这项技术研究人脑细胞的更新,他们发现我们的脑在更换细胞时,速度之快,范围之广,都要超出我们的想象,这也使他们对疾病和衰老的后果有了更多理解。

就这样,20世纪的一项黑暗遗产,居然成为了我们解开许多秘密的钥匙。但这其中也有一个隐忧——时间快要用完了。当年的核试验造成的发射性碳峰值正在为生物圈所吸收,它在大气中的浓度也在慢慢回复到自然水平。渐渐地,用这个方法测定年代的准确性会不断下降。剩下的时间也许只有一二十年了。

核弹曲线

在热核武器问世的20世纪50年代之前,自然中的放射性碳都是由宇宙线制造的。来自宇宙的高能中子穿过大气层,与其中的氮原子相撞,它们撞掉氮原子中的一个质子,并取而代之,由此产生了一种带放射性的碳同位素,也就是所谓的“碳-14”。碳-14在光合作用中为植物所吸收,然后沿着食物链上行,进入了所有生物的细胞之中。

碳-14会衰变为碳-12,半衰期为5700年。因此,从一个生物死去并不再摄入碳原子开始,它细胞中的碳-14会不断减少。放射性碳年代测定法就是测量碳-12和碳-14的比值,以此推算出过去4万年内生物组织的大致年龄。佩彻就是这样来为古代的生物组织测定年代的。

这种标准的碳年代测定法在研究旧石器时代的饮食或者辨认理查三世(英格兰国王,1483 年到1485年在位)的遗骨方面功效卓越,但是要用它来测定比较晚近的物质就会遇到一个难题:过去200年里,化石燃料中释放出来的碳-12稀释了大气中碳-14的含量,在这种情况下,要精确测定近代物质的年代就不可能了。

不过不必担心,我们还可有核弹的数据可用。从1952年开始,到1963年禁止地上核试验,美国和苏联引爆的热核武器使得大气中的碳-14含量翻了一番。由于美苏两国都想抢在禁令生效之前完成各自的试验,碳-14的含量先是急剧上升,接着又稳定下降。

冷战时期的核弹试验改变了大气中碳-14的含量,从而让我们能够准确测定近50年来生物遗骸的年代。图片来源:《新科学家》

这就产生了后来所谓的“核弹曲线”(bomb curve)。只要测量有机物中的碳-14含量,再和上世纪50年代大气中的放射性碳数据对比,我们就能知道这个有机物的产生时间了。如果测量的对象是骨胶原之类自我更新的组织,这个方法也能相当精确地推算出生物的死亡时间。比如,朱迪斯·巴莱特的骨骼中碳-14的含量,就体现了她死亡时大气中的碳-14含量。后来的DNA测试也证明了死者就是她。

在没有其他组织的情况下,骨胶原也可以一用,但是它在测定死亡时间方面不如其他组织精确,因为在人的一生中,骨胶原每隔10到20年就会更换一次,其中的碳-14可能是在这段时间里的任何一个时刻吸收的。相比之下,毛发和指甲就要有用得多,因为它们的生长速度较快,产生新细胞时会更加频繁地吸收碳原子,其中的放射性碳含量也较能体现当时的大气水平。对照核弹曲线,这些生长迅速的组织能够将死者的死亡时间确定在几个月之内。再比对那些细胞不会替换的组织,比如牙釉质,就能确定死者死亡时的年龄了。

美国加利福尼亚州劳伦斯-利弗莫尔国家实验室的物理学家布鲁斯·布赫霍兹(Bruce Buchholz)指出,牙釉质的作用就像是一台法医时钟。布赫霍兹最近刚刚帮助加拿大警方确定了两具遗骸的年龄,其中的一具属于不列颠哥伦比亚省的一个4岁半的儿童,而警方先前猜测他的年龄是7岁。另一个是在纽芬兰出土的男性,全身只剩下了一只头颅,他的牙釉质表明他是在50多岁时死的,他的毛发指出了死亡日期。

这些样本都是用一台质谱仪来分析的。“每个样本只要5分钟时间,”布赫霍兹说,“而且结果非常精确。”尽管佩彻和布赫霍兹使用这项技术大获成功,知道它的人却并不多。他说:“这个工具可以辨认数千个张三李四的身份,可是许多法医单位根本不知道它的存在。”

鉴定象牙

正当布赫霍兹清扫着他最近获得的组织残片时,美国东海岸的另外一位物理学家正在研究另一种截然不同的残骸。

在纽约州帕里赛德斯的拉蒙特-多尔蒂地球观测站,凯文·乌诺(Kevin Uno)正在利用核弹曲线打击盗猎行为。象牙会在大象的一生中持续生长,因此测量象牙髓中的碳-14比例,就能算出大象的死亡时间。《濒危物种国际贸易公约》在1989年禁止了象牙贸易,要确定某件象牙制品是不是来自这个时间之后死去的大象,核弹曲线是一件不可或缺的凭证。

乌诺一直在和加拿大环境部合作,如果怀疑某家拍卖行出售的象牙是违禁品,环境部就可以将其没收并且销毁。加拿大在1975年将象牙贸易定为非法,任何在那以后制成的象牙制品都是违法的。此外,利用核弹曲线还可以为其他野生动物制品测定年代,比如犀牛角、虎皮和穿山甲鳞片、以及非法砍伐的硬木。

乌诺希望,核弹曲线测定的年代能帮助他掌握全球范围内野生动物贸易动向。每一年,保育者都会根据缴获象牙的巨大数量计算出又有多少大象遭到了屠杀、还有多少仍在野外生存。但是乌诺问道:“如果这些象牙中的一些是从政府的巨大储存中走露出来的呢?”

腐败的官员可以从储存的这些象牙中榨取很多油水。乌诺指出:“非法野生动物交易每年的金额有大约200亿美元。”在缴获的象牙中随机抽样,再用核弹曲线为它们测定年代,就可以算出其中有多少是来自政府的收藏了。

核武器试验留下的碳同位素可以帮助我们追溯非法猎取象牙的途径。图片来源:《新科学家》

布赫霍兹和乌诺利用核弹曲线揭开死者的秘密,其他人则用它来探索生者的秘密。瑞典卡罗琳斯卡学院的约拿斯·弗里森(Jonas Frisén)是第一批在法医学中应用核弹曲线的人物之一,但是他很快发现,放射性碳同位素不仅能告诉我们一个人是什么时候死的,还能测定个别细胞的死亡时间。这也使得福里森的团队明白了器官生长发育的方式,身体不同部位细胞的更新速度,以及我们的哪些部位能够永葆青春。

比如,肠道的内壁每隔5天就会更换一次,而肋部的肌肉要16年才会全部更新。人的一生中,几乎全身的每一个部位都会更换,包括骨骼。不过弗里森最惊人的发现还要数那些不会完全更新的器官:脑和心脏。

2013年,弗里森用核弹曲线为人类尸体的脑细胞测定了年代,结果在齿状回中发现了大量神经再生的证据。这个部位的神经元对认知功能和记忆整理十分重要,能够帮助我们把相似的东西区分开来。弗里森举例说:“滚石和披头士都演奏摇滚乐,但齿状回可以帮助你听出两者的区别。”

他的团队还研究了人类的嗅球,也就是脑中的嗅觉中心,他们发现,和其他哺乳动物不同,人脑在这个部位的细胞并不会自我更新。在其他哺乳动物脑中,附近的侧脑室壁制造出干细胞,它们然后变成新的神经细胞迁徙至嗅球。人类的脑室壁中也会产生神经干细胞,但是它们到不了嗅球,而是会迁徙到中央纹状体,这一点又是人类特有的。“我们在人类的纹状体中发现了显著的神经再生迹象,这在其他动物身上很少或者没有。”弗里森说,“这一点非常激动人心。”

纹状体是一对高尔夫球大小的器官,脑的两侧各有一个,它们参与了脑对动作的控制,还具有与学习、成瘾有关的认知功能。它们经常受到中风和其他疾病的破坏,比如帕金森病和亨廷顿病,这两种疾病眼下都是无法治愈的。弗里森认为,新的发现将会改变现状。“我们可以在这些患者的脑室壁上收集干细胞,待它们分化之后再植入到纹状体中去。”

细胞更替

另外,弗里森的实验室还在研究人类心脏细胞的更换。他们发现心脏细胞的确会更换,只是速度非常缓慢而已。年轻人每年更换心脏细胞的1%左右,随着年龄的上升,这个数字会下降到0.5%。弗里森指出:“这说明即使是年纪很大的老人,他们的心脏细胞也还有一半是出生时的那些。心脏和脑皮层中的大多数细胞都不会更换,它们会十年又十年地运作下去。”

频繁地更换细胞当然是有危险的,比如可能患上癌症,但是这两者之间并没有必然的联系。弗里森说:“结肠癌是很常见的癌症,小肠癌却几乎闻所未闻,这是为什么?这两个器官的细胞分裂速度可是相同的。”

弗里森觉得,有了核弹曲线的帮助,他就有希望解开人体如何持久、恢复和衰老的几个基本谜团了。如果是那样,就会彻底改变我们对疾病的治疗和我们的衰老过程。但是现在还有许多研究要做。比如,更换脑细胞是可行的吗?“也许更换脑细胞就像是更换硬盘,”弗里森说,“你会失去长期记忆,新的细胞也无法整合。”

要在没有其他线索的情况下确定死亡时间,这是唯一精确的办法。图片来源:《新科学家》

到现在为止,核弹曲线还是精确描绘人类细胞更新的唯一方法,特别是脑细胞。然而这种方法正在渐渐失效:核试验在大气中留下的碳-14马上就会所剩无几,到时候就无法辨别不同年代的样本了。乌诺解释说:“当核弹曲线变得更加平缓,用它来测定年代就会变得不再准确。”

弗里森一直在利用质谱仪的改进抵销核弹曲线变缓的趋势。他还在生物银行里储存了样品,那里的时钟其实是停止的。然而这并不足以涵盖人们希望探索的所有道路。乌诺和弗里森这样的研究者正在抓紧时间多做研究。

将来可能会出现新的年代测定技术,不过我们现在还看不到有这样的迹象。布赫霍兹说:“如果能再出现一次碳-14峰值就好了,可是没人愿意再爆一枚核弹。”或许,我们可以采用上一轮核试验中产生的另一种同位素,一种没有像碳-14那样被稀释的东西。问题在于,眼下还没有发现能和碳-14媲美的东西。比如锶,它在空气中逗留的时间就不够长,来不及被活的组织吸收。此外还有一种方法可以测定有机物的年代:细胞中的氨基酸含有一种特殊的碳,它有两种形态,一旦细胞死亡,它就会从一种形态转变到另外一种。但是这种变化的速度会受到温度和湿度等环境因素的影响,所以并不适合精确地测定年代。

回到新南威尔士,母亲遇害的可怕消息反倒为巴特莱的孩子送去了安慰。莱恩说:“我和我兄弟知道了母亲并没有离开我们。”如果不是因为核弹曲线,她的母亲是不可能被辨认出来的。可是布赫霍兹指出,大概再过10年,我们就无法据此推算死亡时间了。现在,一切都取决于核弹曲线。弗里森说:“我们需要快点、快点、再快点。”(编辑:Steed

 

编译自:《新科学家》,Race to read the H-bomb timestamp that marks all cells

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热门评论

  • 2014-06-16 19:01 馒头老妖 有机化学博士,法学学士

    很有意思~

    所以要隔个几十年就全球一起多搞几个大气层核试验?

    [12] 评论

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全部评论(17)
  • 1楼
    2014-06-16 18:40 果壳乙烷

    杀-

    [0] 评论
  • 2楼
    2014-06-16 19:01 馒头老妖 有机化学博士,法学学士

    很有意思~

    所以要隔个几十年就全球一起多搞几个大气层核试验?

    [12] 评论
  • 3楼
    2014-06-16 20:53 抱猫的仯哖
    引用文章内容:与其中的氦原子相撞,它们撞掉氦原子中的一个质子

    应该是氮原子吧。。。怎么可能是氦

    [1] 评论
  • 4楼
    2014-06-16 22:31 Steed 专业级业余天文爱好者
    引用@抱猫的仯哖 的话:应该是氮原子吧。。。怎么可能是氦

    是的,多谢,已改正。

    [0] 评论
  • 5楼
    2014-06-17 08:43 魔233

    再来一发

    [0] 评论
  • 6楼
    2014-06-17 08:55 出门打工嘅肥猫
    引用@没有狗牌就简单点飞 的话:没关系,朝鲜半岛总是惊喜不断

    地下核爆的作用不大。

    [0] 评论
  • 7楼
    2014-06-17 11:36 啊文
    引用@出门打工嘅肥猫 的话:地下核爆的作用不大。

    切尔诺贝利和福岛核电站说:“没关系,这个问题交给我们!”

    [1] 评论
  • 8楼
    2014-06-17 18:09 硅鱼

    我觉得有点标题党,刚看到题目我理解成了将遗骨放到核弹旁边然后引爆……我还纳闷像这样遗骨都蒸发了还怎么测定年代?

    [0] 评论
  • 9楼
    2014-06-18 12:42 硅鱼

    哈哈我说了一句楼主就改标题啦~~

    [0] 评论
  • 10楼
    2014-06-18 15:37 青蛙陨石 环境地理博士

    貌似核弹不止提供了C-14吧,用C-14测年成本太高了。有点标题党了。

    [0] 评论
  • 11楼
    2014-06-18 23:08 Chemiholic
    引用文章内容:此外还有一种方法可以测定有机物的年代:细胞中的氨基酸含有一种特殊的碳,它有两种形态,一旦细胞死亡,它就会从一种形态转变到另外一种。

    这究竟是什么碳?手性异构体?

    [0] 评论
  • 12楼
    2014-06-19 07:27 白懋父

    C14会衰变为N14而不是C12

    [0] 评论
  • 13楼
    2014-06-19 12:05 红尘不透
    引用@没有狗牌就简单点飞 的话:没关系,朝鲜半岛总是惊喜不断

    凭三胖爆的那几个算了吧

    [1] 评论
  • 14楼
    2014-06-28 23:35 用益物权
    引用@啊文 的话:切尔诺贝利和福岛核电站说:“没关系,这个问题交给我们!”

    碳14不是衰变产物啊,是中子流轰击大气产生的,所以核泄漏产生不了多少碳14啊,反倒是一些很糟糕的碘同位素散布颇广。

    [1] 评论
  • 15楼
    2014-08-01 21:50 None

    核战又不是不可能的

    [1] 评论
  • 16楼
    2014-10-12 19:15 北方之北再无北

    我想问 碳-14 那么高 对生态有影响么

    [0] 评论
  • 17楼
    2017-06-30 14:06 改昵称是个技术活

    快点干嘛? 拉单挣钱?

    [0] 评论

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