كيف نعرف عمر الأحافير؟

سؤالان مختبئان في سؤال واحد

عندما يسأل أحد كم عمر أحفورة، فهو في الحقيقة يسأل شيئين.

الأول: هل هذه الأحفورة أقدم أم أحدث من تلك؟ والثاني: كم عمرها بالسنين، بوصفه رقماً فعلياً؟

يجيب العلماء عن السؤال الأول بقراءة طبقات الصخر. ويجيبون عن الثاني بقياس ذرات مشعة. والطريقتان تدعم إحداهما الأخرى، ولا واحدة منهما تخمين.

قراءة الطبقات

الصخر الأقدم يقع في الأسفل

كثيراً ما يتكون الصخر في طبقات. فالرمل والطين والرماد البركاني تترسب وتُدفن وتتصلب. وتستقر الطبقات الجديدة فوق الأقدم منها.

ولذلك ففي صخر غير مضطرب، تكون الطبقة السفلى أقدم من الطبقة العليا. ويسمى هذا قانون التراكب (law of superposition). وقد دوّنه عالم دنماركي اسمه نيكولاس ستينو عام 1669، قبل أن يعرف أحد أن الذرات يمكن أن تتحلل.

لا يعطي التراكب عدداً من السنين. إنه يعطي ترتيباً. وهذا مع ذلك قوي. فهو السبب في أن الأحافير في الطبقات السفلى هي الأحافير الأقدم.

الأحافير الدليلية تربط الأماكن البعيدة

بعض الأنواع انتشر في مساحة واسعة لكنه عاش شريحة قصيرة فقط من الزمن. وهذه الأنواع تعمل كعلامات زمنية. ويسميها الجيولوجيون الأحافير الدليلية (index fossils).

والأمونيت (ammonites)، وهي أقارب ملتفة للحبار والأخطبوط، أحافير دليلية كلاسيكية لعصر الديناصورات. أما ثلاثيات الفصوص فتعلّم صخوراً أقدم بكثير. فإذا ظهرت الأحفورة الدليلية نفسها في ويلز وفي المغرب، فهذا سبب وجيه للاعتقاد بأن الطبقتين الصخريتين تكونتا في الوقت نفسه تقريباً.

تتيح الأحافير الدليلية للجيولوجيين مطابقة طبقات الصخر عبر القارات. ومع ذلك فهي لا تعطي إلا الترتيب والمطابقة، لا السنين.

الساعات الإشعاعية تعطي السنين

بعض الذرات غير مستقرة. فمع الزمن تتحول إلى عنصر مختلف. ولا شيء يسرّع هذا التحول أو يبطئه في الصخر العادي: لا الحرارة ولا الضغط ولا الكيمياء.

وهذا التغير الثابت ساعة. وتسمى الطريقة التأريخ الإشعاعي (radiometric dating).

ماذا يعني عمر النصف

عمر النصف (half-life) هو الزمن اللازم لتحول نصف الذرات غير المستقرة في عينة.

ابدأ بـ 100 ذرة غير مستقرة. بعد عمر نصف واحد يبقى نحو 50. وبعد اثنين يبقى نحو 25. وبعد ثلاثة يبقى نحو 12 أو 13.

أما الذرات التي تتحول إليها فتبقى في الصخر. ولذلك يقيس المختبر شيئين: كم بقي من العنصر الأصلي، وكم تراكم من العنصر الجديد. والنسبة بينهما تخبرك كم عمر نصف مضى.

ولعناصر مختلفة أعمار نصف تختلف اختلافاً هائلاً. وهذا مفيد، لأنه يعطي العلماء ساعة لكل مقياس زمني.

الكربون-14: ساعة الكائنات الحديثة التي كانت حية

الكربون-14 هو الساعة التي سمع بها معظم الناس، وهو أيضاً الأكثر سوءاً في الفهم.

تأخذ الكائنات الحية الكربون من الهواء ومن الطعام. وجزء ضئيل من ذلك الكربون هو كربون-14. وما دام الكائن حياً فهو يواصل تجديد مخزونه. وعندما يموت يتوقف التجديد، ويبدأ الكربون-14 الذي يحمله بالنفاد.

وعمر النصف للكربون-14 نحو 5,730 سنة. وبعد نحو 50,000 سنة يتبقى منه قدر ضئيل جداً حتى يصبح قياسه غير موثوق.

وهذا يضع على التأريخ بالكربون حدين صارمين.

• إنه يعمل فقط على مواد كانت حية يوماً: خشب وعظم وفحم وقماش وأصداف وبذور.
• وإنه يعمل فقط حتى نحو 50,000 سنة إلى الوراء.

لماذا “تأريخ ديناصور بالكربون” خطأ

يجادل الناس أحياناً في التطور قائلين إن التأريخ بالكربون غير موثوق للديناصورات. وهذا صحيح، ولا يختلف معه أي عالم. فالتأريخ بالكربون لا يُستخدم أبداً على الديناصورات.

فالديناصورات غير الطيور انقرضت قبل نحو 66 مليون سنة. وهذا أكثر من ألف عمر نصف للكربون-14. ولن يتبقى شيء يمكن قياسه.

وتُؤرَّخ أحفورة الديناصور بطبقات الصخر وبساعات أبطأ بكثير. فالكربون-14 أداة خاطئة، كما أن مسطرة المطبخ أداة خاطئة لقياس المسافة إلى مدينة أخرى.

ساعات للزمن العميق

لملايين ومليارات السنين، يستخدم العلماء عناصر تتحلل بمعدل أبطأ بكثير.

البوتاسيوم-أرغون. يتحلل البوتاسيوم-40 إلى أرغون-40 بعمر نصف نحو 1.25 مليار سنة. والأرغون غاز، ويتسرب من الحمم الساخنة. وحين تبرد الحمم وتصير صخراً، يُحبس الأرغون في داخلها. ولذلك تبدأ هذه الساعة في لحظة تبرّد الصخر.

وقد أرّخت نسخة مُحسَّنة من هذه الطريقة، تسمى التأريخ بالأرغون-أرغون، الطبقات البركانية المحيطة بالهيكل الشهير لـ Australopithecus afarensis الملقب لوسي، الذي وُجد في هدار في إثيوبيا عام 1974. وقد وضعتها تلك الطبقات عند نحو 3.2 مليون سنة.

اليورانيوم-رصاص. يتحلل اليورانيوم-238 إلى رصاص-206، عبر سلسلة من الخطوات. وعمر نصفه نحو 4.5 مليار سنة. ونوع ثانٍ، هو اليورانيوم-235، يتحلل إلى رصاص-207 بعمر نصف نحو 704 ملايين سنة.

وأن تكون لديك ساعتا يورانيوم في البلورة نفسها نعمة. فكل واحدة تستطيع أن تتحقق من الأخرى.

الزركون: البلورة التي تحفظ سجلاتها بنفسها

يعمل التأريخ باليورانيوم-رصاص على أفضل وجه في معدن صغير صلب يسمى الزركون (zircon).

عندما تنمو بلورة زركون في صهارة باردة، يقبل تركيبها ذرات اليورانيوم لكنه يرفض الرصاص بشدة. ولذلك تبدأ بلورة الزركون الجديدة باليورانيوم ومن دون رصاص تقريباً. وأي رصاص يوجد فيها لاحقاً لا بد أن يكون ناتج تحلل.

والزركون أيضاً شديد الصلابة وعنيد كيميائياً. فتبقى بلوراته بعد التجوية والدفن وإعادة التدوير في صخر جديد. وقد أُرِّخت حبيبات زركون من تلال جاك (Jack Hills) في غرب أستراليا بنحو 4.4 مليار سنة، مما يجعلها أقدم قطع معروفة من الأرض.

لماذا نؤرخ الصخر لا الأحفورة

وهذا هو الجزء الذي يفاجئ معظم الناس. فالعلماء عادةً لا يؤرخون الأحفورة نفسها.

فكثيراً ما توجد الأحفورة في حجر رملي أو حجر طيني. وهذه الصخور مصنوعة من حبيبات تآكلت من صخور أقدم في مكان آخر. وتأريخ حبة رمل يخبرك متى تبلورت تلك الحبة أول مرة، بعيداً وقبل زمن طويل، لا متى مات الحيوان.

أما الصخر البركاني فمختلف. فتدفق الحمم أو طبقة الرماد البركاني يصهر كل شيء ثم يبرد في حدث واحد. وتبدأ الساعة حينها.

ولذلك فالنهج المعتاد هو الحصر بين طبقتين. نجد طبقة بركانية مؤرخة تحت الأحفورة وأخرى مؤرخة فوقها. فلا بد أن تكون الأحفورة أحدث من الطبقة السفلى وأقدم من العليا. فإذا كان الرماد أسفلها عمره 376 مليون سنة والرماد أعلاها عمره 374 مليون سنة، فالأحفورة بينهما عمرها نحو 375 مليون سنة.

وبهذه الطريقة عرف الفريق الباحث عن Tiktaalik roseae أي صخور القطب الشمالي يحفر فيها، وكيف تكسب أحفورة سمكة رقماً مثل “375 مليون سنة”. وتروي الأدلة الأحفورية بقية تلك القصة.

عمر الأرض

عمر الأرض نحو 4.54 مليار سنة.

ولا يأتي هذا الرقم أساساً من صخور الأرض، وهناك سبب وجيه لذلك. فالأرض تعيد تدوير سطحها. وحركة الصفائح وتكوّن الجبال والتعرية تدمر الصخور القديمة. وأقدم الصخور التي وُجدت حتى الآن، وهي نيس أكاستا (Acasta Gneiss) في شمال كندا، عمرها نحو 4.03 مليار سنة، وتدفع زركونات جاك هيلز العمر إلى نحو 4.4 مليار. وهذه أعمار دنيا للقشرة الأرضية، لا عمر الكوكب.

وتحل النيازك المشكلة. فمعظم النيازك تكوّن في الوقت نفسه الذي تكوّن فيه بقية المجموعة الشمسية، ولم يُصهر مرة أخرى. وقد قاس العلماء الرصاص في مادة النيازك، ومنها النيزك الحديدي من كانيون ديابلو في أريزونا. فخرجت النتيجة نحو 4.54 مليار سنة، بهامش شك أقل من نحو واحد في المئة.

وتكونت الأرض والنيازك من سحابة المواد نفسها في وقت متقارب، ولذلك ينطبق ذلك العمر على الأرض أيضاً.

التحققات المتقاطعة التي تجعل التأريخ جديراً بالثقة

الساعة التي لا يمكنك التحقق منها مجرد ادعاء. والتأريخ الإشعاعي يمكن التحقق منه بعدة طرق مستقلة.

حلقات الأشجار. تضيف أشجار كثيرة حلقة واحدة كل سنة. ويمكن عدّ الحلقات مباشرة ومطابقتها بين جذوع متداخلة، حية وميتة. وبربطها معاً، تمتد سجلات البلوط والصنوبر الأوروبية أكثر من 10,000 سنة إلى الوراء. ويمكن بعد ذلك تأريخ خشب معروف العمر بعدّ حلقاته بالكربون، ومقارنة الرقمين.

لب الجليد. يتساقط الثلج في دورات سنوية في غرينلاند والقارة القطبية الجنوبية، ويمكن عدّ الطبقات المدفونة مثل حلقات الأشجار، باستخدام الغبار والحموضة والكيمياء. وعُدّت طبقات عينة GISP2 من غرينلاند عبر عشرات آلاف الطبقات. وتمتد عينات القارة القطبية الجنوبية أبعد من ذلك بكثير. وتظهر الانفجارات البركانية ذات التواريخ التاريخية المعروفة على شكل قمم حمضية في الجليد، في المكان الذي يقول عدّ الطبقات إنها ينبغي أن تكون فيه بالضبط.

الطبقات السنوية للبحيرات (varves). تترسب في بعض البحيرات الهادئة طبقة شاحبة في الصيف وطبقة داكنة في الشتاء، بمعدل زوج واحد كل سنة. وتسمى هذه الفارفات (varves). وتحفظ رواسب بحيرة سويغتسو في اليابان طبقات كهذه على امتداد عشرات آلاف السنين، وقد أُرِّخت بالكربون أجزاء أوراق محبوسة فيها. وعدّ الطبقات وتواريخ الكربون المشع يتطابقان.

طرق مختلفة ومختبرات مختلفة. كثيراً ما تُؤرَّخ وحدة صخرية واحدة بأكثر من طريقة، وفي أكثر من مختبر، على يد فرق لا تريد أن تخطئ علناً. فالبوتاسيوم-أرغون واليورانيوم-رصاص يقيسان عناصر مختلفة بكيمياء مختلفة ومعدات مختلفة. وعندما تصل الطريقتان إلى الرقم نفسه، لا تعود الصدفة تفسيراً معقولاً.

ما يستطيع التأريخ فعله وما لا يستطيعه

التأريخ الإشعاعي ليس سحراً، والعلماء الصادقون يقولون ذلك.

• كل تاريخ يأتي مع هامش خطأ، مثل “1.8 مليون سنة، زائد أو ناقص 0.05 مليون”.
• الصخر الذي أُعيد تسخينه قد تُعاد ساعته جزئياً إلى الصفر، ولذلك يتحقق الجيولوجيون من ذلك.
• يمكن أن تتلوث العينة، ولذلك تجري المختبرات عينات فارغة وتكرارات.
• الطريقة الخاطئة على المادة الخاطئة تعطي جواباً خاطئاً، وهذا بالضبط سبب أن لا أحد يؤرخ ديناصوراً بالكربون.

ومعرفة الحدود جزء من الطريقة، لا ضعف فيها.

لماذا يهم هذا للتطور

يحتاج التطور إلى زمن، والزمن العميق ليس افتراضاً. إنه قياس، جرى بالفيزياء، وتم التحقق منه بطبقات سنوية يمكن عدّها، وتكرر في مختبرات على قارات مختلفة.

وحين تتحدد التواريخ، يتوقف السجل الأحفوري عن أن يكون كومة عظام قديمة ويصبح تاريخاً مرتباً. ولترى كيف يبدو هذا التاريخ، اقرأ الأدلة الأحفورية. ولترى كيف تظهر القصة نفسها في الكائنات الحية، اقرأ الأدلة الوراثية.