از کجا سن فسیل‌ها را می‌دانیم؟

دو پرسش در یک پرسش

وقتی کسی می‌پرسد یک فسیل چند سال دارد، در واقع دو چیز می‌پرسد.

اول: این فسیل از آن یکی قدیمی‌تر است یا جوان‌تر؟ دوم: چند سال دارد، به‌صورت یک عدد واقعی؟

دانشمندان به پرسش اول با خواندن لایه‌های سنگی جواب می‌دهند. به پرسش دوم با اندازه‌گیری اتم‌های پرتوزا. این دو روش پشتیبان هم‌اند و هیچ‌کدام حدس نیست.

خواندن لایه‌ها

سنگ قدیمی‌تر زیر است

سنگ اغلب لایه‌لایه شکل می‌گیرد. ماسه، گل و خاکستر آتشفشانی ته‌نشین می‌شوند، دفن می‌شوند و سفت می‌شوند. لایه‌های تازه روی لایه‌های قدیمی‌تر می‌نشینند.

پس در سنگی که به‌هم نریخته، لایه پایینی از لایه بالایی قدیمی‌تر است. این قانون برهم‌نهی (law of superposition) نام دارد. دانشمندی دانمارکی به نام نیکلاس استنو آن را در سال 1669 نوشت، خیلی پیش از آن‌که کسی بداند اتم‌ها می‌توانند فروپاشی کنند.

برهم‌نهی شمار سال‌ها را نمی‌دهد. ترتیب را می‌دهد. با این حال باز هم نیرومند است. دلیل این است که فسیل‌های لایه‌های پایین‌تر فسیل‌های قدیمی‌ترند.

فسیل‌های شاخص جاهای دور را به هم وصل می‌کنند

بعضی گونه‌ها در منطقه‌ای گسترده پخش بودند اما فقط برشی کوتاه از زمان زیستند. این گونه‌ها مثل نشانگر زمان کار می‌کنند. زمین‌شناسان آن‌ها را فسیل‌های شاخص (index fossils) می‌نامند.

آمونیت‌ها، خویشاوندان مارپیچیِ ماهی مرکب و هشت‌پا، فسیل‌های شاخص کلاسیک برای عصر دایناسورها هستند. تریلوبیت‌ها سنگ‌های بسیار قدیمی‌تر را نشان می‌دهند. اگر یک فسیل شاخص در ولز و در مراکش پیدا شود، دلیل خوبی هست که فکر کنیم آن دو لایه سنگی تقریباً هم‌زمان شکل گرفته‌اند.

فسیل‌های شاخص به زمین‌شناسان اجازه می‌دهند لایه‌های سنگی را در سراسر قاره‌ها با هم تطبیق بدهند. با این حال، فقط ترتیب و تطبیق را می‌دهند، نه سال‌ها را.

ساعت‌های پرتوزا شمار سال‌ها را می‌دهند

بعضی اتم‌ها ناپایدارند. در گذر زمان به عنصری دیگر تبدیل می‌شوند. در سنگ معمولی هیچ چیز آن را تندتر یا کندتر نمی‌کند: نه گرما، نه فشار، نه شیمی.

این تغییر یکنواخت یک ساعت است. این روش سن‌سنجی پرتوسنجی (رادیومتریک) نام دارد.

نیمه‌عمر یعنی چه

نیمه‌عمر زمانی است که طول می‌کشد تا نیمی از اتم‌های ناپایدار یک نمونه تغییر کنند.

با 100 اتم ناپایدار شروع کنید. پس از یک نیمه‌عمر حدود 50 تا مانده است. پس از دو نیمه‌عمر حدود 25. پس از سه نیمه‌عمر حدود 12 یا 13.

اتم‌هایی که این‌ها به آن تبدیل می‌شوند در سنگ می‌مانند. پس آزمایشگاه دو چیز را اندازه می‌گیرد: چه مقدار از عنصر اصلی باقی مانده و چه مقدار از عنصر تازه انباشته شده است. نسبت میان این دو می‌گوید چند نیمه‌عمر گذشته است.

عنصرهای مختلف نیمه‌عمرهای بسیار متفاوتی دارند. این مفید است، چون برای هر مقیاس زمانی یک ساعت به دانشمندان می‌دهد.

کربن-14: ساعت چیزهای زمانی زنده و تازه‌تر

کربن-14 ساعتی است که بیشتر مردم نامش را شنیده‌اند، و بیشتر از همه هم بد فهمیده می‌شود.

جانداران کربن را از هوا و از غذا می‌گیرند. کسر بسیار کوچکی از آن کربن، کربن-14 است. تا زمانی که جاندار زنده است، ذخیره‌اش را مدام پر می‌کند. وقتی می‌میرد، پر شدن متوقف می‌شود و کربن-14ای که از پیش دارد شروع به کم شدن می‌کند.

کربن-14 نیمه‌عمری حدود 5,730 سال دارد. پس از حدود 50,000 سال آن‌قدر کم می‌ماند که اندازه‌گیری‌اش نامطمئن می‌شود.

این دو محدودیت سخت به کربن‌سنجی می‌دهد.

• فقط روی موادی کار می‌کند که زمانی زنده بودند: چوب، استخوان، زغال، پارچه، صدف، دانه.
• فقط تا حدود 50,000 سال پیش کار می‌کند.

چرا «کربن‌سنجی دایناسور» اشتباه است

بعضی وقت‌ها مردم درباره فرگشت بحث می‌کنند و می‌گویند کربن‌سنجی برای دایناسورها قابل اعتماد نیست. این درست است، و هیچ دانشمندی مخالف نیست. کربن‌سنجی هرگز روی دایناسورها به کار نمی‌رود.

دایناسورهای غیر از پرندگان حدود 66 میلیون سال پیش منقرض شدند. این بیش از هزار نیمه‌عمر کربن-14 است. چیزی برای اندازه‌گیری باقی نمی‌ماند.

فسیل دایناسور با لایه‌های سنگی و ساعت‌های بسیار کندتر تاریخ‌گذاری می‌شود. کربن-14 ابزار نادرستی است، همان‌طور که خط‌کش آشپزخانه ابزار نادرستی برای اندازه‌گیری فاصله تا شهری دیگر است.

ساعت‌هایی برای زمان ژرف

برای میلیون‌ها و میلیاردها سال، دانشمندان از عنصرهایی استفاده می‌کنند که بسیار کندتر فروپاشی می‌کنند.

پتاسیم-آرگون. پتاسیم-40 با نیمه‌عمری حدود 1.25 میلیارد سال به آرگون-40 فروپاشی می‌کند. آرگون گاز است و از گدازه داغ بیرون می‌رود. وقتی گدازه به سنگ سرد می‌شود، آرگون درونش به دام می‌افتد. پس این ساعت از لحظه سرد شدن سنگ شروع می‌شود.

نسخه‌ای دقیق‌تر از این روش، به نام سن‌سنجی آرگون-آرگون، لایه‌های آتشفشانی اطراف اسکلت مشهور Australopithecus afarensis با لقب لوسی را تاریخ‌گذاری کرد، که در سال 1974 در Hadar در اتیوپی پیدا شد. آن لایه‌ها سن او را حدود 3.2 میلیون سال نشان دادند.

اورانیوم-سرب. اورانیوم-238 از راه زنجیره‌ای از گام‌ها به سرب-206 فروپاشی می‌کند. نیمه‌عمرش حدود 4.5 میلیارد سال است. نوع دوم، اورانیوم-235، با نیمه‌عمری حدود 704 میلیون سال به سرب-207 فروپاشی می‌کند.

داشتن دو ساعت اورانیومی در یک بلور هدیه‌ای است. هر کدام می‌تواند دیگری را وارسی کند.

زیرکن: بلوری که سندهای خودش را نگه می‌دارد

سن‌سنجی اورانیوم-سرب در کانی سخت و کوچکی به نام زیرکن (zircon) بهتر از همه کار می‌کند.

وقتی بلور زیرکن در ماگمای در حال سرد شدن رشد می‌کند، ساختارش اتم‌های اورانیوم را می‌پذیرد اما سرب را به‌شدت رد می‌کند. پس زیرکن تازه با اورانیوم و تقریباً بدون سرب شروع می‌کند. هر سربی که بعداً درونش پیدا شود باید فراورده فروپاشی باشد.

زیرکن همچنین بسیار سخت و از نظر شیمیایی سرسخت است. بلورها از هوازدگی، دفن‌شدن و بازیافت شدن در سنگ‌های تازه جان به در می‌برند. دانه‌های زیرکن از Jack Hills در غرب استرالیا حدود 4.4 میلیارد سال تاریخ‌گذاری شده‌اند، که آن‌ها را قدیمی‌ترین تکه‌های شناخته‌شده زمین می‌کند.

چرا سنگ را تاریخ‌گذاری می‌کنیم، نه فسیل را

این بخشی است که بیشتر مردم را غافلگیر می‌کند. دانشمندان معمولاً خود فسیل را تاریخ‌گذاری نمی‌کنند.

فسیل اغلب در ماسه‌سنگ یا گل‌سنگ پیدا می‌شود. آن سنگ‌ها از دانه‌هایی ساخته شده‌اند که از سنگ‌های قدیمی‌تر جای دیگری ساییده شده‌اند. تاریخ‌گذاری یک دانه ماسه می‌گوید آن دانه نخستین بار کِی بلور شد، دور از آن‌جا و خیلی پیش، نه این‌که جانور کِی مرد.

سنگ آتشفشانی فرق دارد. جریان گدازه یا یک بستر خاکستر آتشفشانی همه چیز را ذوب می‌کند و بعد در یک رویداد سرد می‌شود. ساعت از همان‌جا شروع می‌شود.

پس روش استاندارد «محصور کردن» است. یک لایه آتشفشانی تاریخ‌گذاری‌شده زیر فسیل و لایه آتشفشانی تاریخ‌گذاری‌شده دیگری بالای آن پیدا کنید. فسیل باید از لایه پایینی جوان‌تر و از لایه بالایی قدیمی‌تر باشد. اگر خاکستر زیر 376 میلیون سال و خاکستر بالا 374 میلیون سال قدمت داشته باشد، فسیل میان آن‌ها حدود 375 میلیون سال دارد.

گروهی که دنبال Tiktaalik roseae بود از همین راه می‌دانست کدام سنگ‌های قطب شمال را بکَند، و یک فسیل ماهی از همین راه عددی مثل «375 میلیون سال» می‌گیرد. شواهد فسیلی بقیه آن داستان را می‌گوید.

سن زمین

زمین حدود 4.54 میلیارد سال دارد.

این عدد بیشتر از سنگ‌های زمین نمی‌آید، و دلیل خوبی دارد. زمین سطح خودش را بازیافت می‌کند. حرکت صفحه‌ها، کوه‌زایی و فرسایش سنگ قدیمی را نابود می‌کنند. قدیمی‌ترین سنگ‌هایی که تا کنون پیدا شده‌اند، گنایس Acasta در شمال کانادا، حدود 4.03 میلیارد سال دارند، و زیرکن‌های Jack Hills تا حدود 4.4 میلیارد سال عقب می‌روند. این‌ها حداقل سن پوسته‌اند، نه سن سیاره.

شهاب‌سنگ‌ها مشکل را حل می‌کنند. بیشتر شهاب‌سنگ‌ها هم‌زمان با بقیه منظومه شمسی شکل گرفتند و دیگر هرگز ذوب نشدند. دانشمندان سرب موجود در مواد شهاب‌سنگ را اندازه گرفتند، از جمله شهاب‌سنگ آهنی Canyon Diablo در آریزونا. جواب حدود 4.54 میلیارد سال درآمد، با عدم قطعیتی کمتر از حدود یک درصد.

زمین و شهاب‌سنگ‌ها از همان ابر مواد تقریباً هم‌زمان شکل گرفتند، پس آن سن برای زمین هم صدق می‌کند.

راستی‌آزمایی‌هایی که سن‌سنجی را قابل اعتماد می‌کنند

ساعتی که نتوانید وارسی‌اش کنید فقط یک ادعاست. سن‌سنجی پرتوسنجی را می‌شود به چند روش مستقل وارسی کرد.

حلقه‌های درخت. بسیاری از درخت‌ها هر سال یک حلقه اضافه می‌کنند. حلقه‌ها را می‌شود مستقیم شمرد و میان تنه‌های هم‌پوشان، زنده و مرده، تطبیق داد. وقتی زنجیر شوند، سندهای بلوط و کاج اروپایی بیش از 10,000 سال به عقب می‌رسند. بعد چوبی با سن شمارش‌شده حلقه را می‌شود کربن‌سنجی کرد و دو عدد را مقایسه کرد.

هسته‌های یخ. برف در گرینلند و جنوبگان در چرخه‌های سالانه می‌بارد، و لایه‌های دفن‌شده را می‌شود مثل حلقه‌های درخت با گرد و غبار، اسیدیته و شیمی شمرد. هسته GISP2 از گرینلند در ده‌ها هزار لایه شمرده شد. هسته‌های جنوبگان خیلی دورتر هم به عقب می‌روند. فوران‌های آتشفشانی با تاریخ‌های شناخته‌شده تاریخی به شکل جهش‌های اسیدی در یخ دیده می‌شوند، دقیقاً همان‌جا که شمارش لایه‌ها می‌گوید.

وارو (varve)ها. بعضی دریاچه‌های آرام در تابستان لایه‌ای روشن و در زمستان لایه‌ای تیره می‌گذارند، یک جفت در هر سال. به این‌ها وارو می‌گویند. رسوب دریاچه Suigetsu در ژاپن چنین لایه‌هایی را در ده‌ها هزار سال حفظ کرده، و تکه‌های برگی که در آن‌ها به دام افتاده‌اند کربن‌سنجی شده‌اند. شمارش لایه‌ها و سن‌های رادیوکربن با هم هماهنگ‌اند.

روش‌های مختلف، آزمایشگاه‌های مختلف. یک واحد سنگی اغلب با بیش از یک روش و در بیش از یک آزمایشگاه تاریخ‌گذاری می‌شود، توسط گروه‌هایی که نمی‌خواهند در برابر همه اشتباه کنند. پتاسیم-آرگون و اورانیوم-سرب عنصرهای متفاوت را با شیمی و تجهیزات متفاوت اندازه می‌گیرند. وقتی به یک عدد برسند، تصادف دیگر توضیح معقولی نیست.

سن‌سنجی چه کاری می‌تواند و چه کاری نمی‌تواند

سن‌سنجی پرتوسنجی جادو نیست، و دانشمندان درستکار این را می‌گویند.

• هر سن با یک بازه خطا می‌آید، مثل «1.8 میلیون سال، به‌اضافه یا منهای 0.05 میلیون».
• سنگی که دوباره گرم شده باشد ممکن است ساعتش تا حدی از نو تنظیم شده باشد، پس زمین‌شناسان این را بررسی می‌کنند.
• نمونه ممکن است آلوده شود، پس آزمایشگاه‌ها نمونه‌های شاهد و تکرار اجرا می‌کنند.
• روش نادرست روی ماده نادرست جواب نادرست می‌دهد، که دقیقاً دلیلی است که هیچ‌کس دایناسور را کربن‌سنجی نمی‌کند.

دانستن محدودیت‌ها بخشی از روش است، نه ضعفی در آن.

چرا این برای فرگشت مهم است

فرگشت زمان می‌خواهد، و زمان ژرف یک فرض نیست. یک اندازه‌گیری است، که با فیزیک انجام می‌شود، با لایه‌های سالانه قابل شمارش وارسی می‌شود و در آزمایشگاه‌های قاره‌های مختلف تکرار می‌شود.

وقتی تاریخ‌ها سر جایشان باشند، فسیل‌ها دیگر تلی از استخوان‌های کهنه نیستند و به تاریخی مرتب تبدیل می‌شوند. برای دیدن شکل آن تاریخ شواهد فسیلی را بخوانید. برای دیدن این‌که همین داستان در جانداران زنده چگونه پدیدار می‌شود، شواهد ژنتیکی را بخوانید.