年代測定遊戲

這些天，幾乎每週都有關於地球生命史的重要發現成為頭條新聞。事實上，就在上個月，研究人員描述了一種化石，它將關鍵哺乳動物特徵的起源推溯到大約4500萬年前。上週，科學家宣佈，一項關於導致澳大利亞大部分大型動物滅絕的滅絕事件的新年代測定結果表明，是人類而非氣候消滅了它們。雖然對用於重建我們星球過去的岩石、化石和考古遺蹟的目視檢查提供了關鍵資訊，但只有確定它們的年代，研究人員才能將這些資料放入有意義的背景中。

準確測量地質時間的第一步出現在20世紀初，當時法國物理學家亨利·貝克勒爾發現了鈾的天然放射性衰變。此後不久，在歐內斯特·盧瑟福相關工作的基礎上，美國化學家伯特倫·博爾特伍德確定，他可以使用鈾等放射性元素可預測的衰變成其他元素來記錄時間。儘管博爾特伍德對地球年齡等事物的估計——他認為地球年齡約為22億年——此後已被大幅修正，但他正確地指出，我們的星球比人們想象的要古老得多。

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在隨後的幾十年裡，科學家們對原子的結構和行為做出了重要的新發現，並改進了他們現有的年代測定技術。最近，他們開發了許多新方法。一些使用放射性同位素；另一些則利用不同的現象，如熱釋光和電子自旋共振。還有一些，如氨基酸外消旋作用，顯示出前景，但尚未成熟。

現在，在博爾特伍德開創性工作近100年後，據估計地球形成的時間至少是他聲稱的兩倍。以下摘要簡要介紹了研究人員一直在使用的一些年代測定技術，以探索和重建我們星球的過去，從45億年前至今。——凱特·王

放射性同位素

使用放射性同位素的技術背後的前提很簡單。每種同位素都有所謂的半衰期——即一個時間段，在此期間，種群中一半的原子衰變成穩定的子元素。這種半衰期因同位素而異。因此，不同的同位素更適合測定不同的物體。例如，對於碳14，半衰期僅為5730年。因此，碳14只能可靠地測定大約40,000年以內的物體的年代。

其他放射性同位素可用於準確測定更古老物體的年代。例如，氬40衰變成氬39，在強調去年夏天在喬治亞共和國出土的兩具古代人類頭骨的重要性方面發揮了至關重要的作用。伯克利年代學中心的卡爾·C·斯威舍三世及其同事報告說，這些遺骸距今已有170多萬年，因此代表了最早離開非洲殖民世界其他地區的人類。氬年代測定法也可用於測定年輕至10,000年和古老至數十億年的物質的年代。

鈾和鉛同位素可以將我們追溯到更久遠的過去。事實上，今年早些時候提出的研究結果表明，嬰兒時期的地球可能比之前認為的更早地準備好支援生命。對在已知最古老的沉積岩中發現的單顆鋯石晶體進行的鈾鉛年代測定表明，早在44億年前，我們的星球就已經冷卻到足以擁有地殼。最早的生命形式可能即將出現。

熱釋光和電子自旋共振

許多晶體，包括金剛石、石英和長石，會以已知的速率隨時間累積和捕獲電荷。事實證明，加熱晶體會釋放這些電子，從而發出可測量的光量。因此，研究人員可以確定自埋藏的晶體上次暴露於熱量以來經過的時間。

就熱釋光而言，重置晶體時鐘意味著將其加熱到大約500攝氏度。科學家們說，由於這個條件，這項技術非常適合用於測定隕石撞擊、早期人類使用的火燒石、烹飪爐灶和舊陶瓷的年代。

電子自旋共振 (ESR) 與熱釋光有些相似，也用於測定晶體的年代（儘管這些晶體是在貝殼和牙釉質中發現的）。然而，與熱釋光不同，這種方法計算的是晶體中捕獲的電子的“未成對自旋”的數量，而不是釋放它們。

ESR 可用於評估長達一百萬年的材料，並且已成為古人類學家的不可或缺的工具，他們經常使用它來測定在珍貴的人類化石中發現的動物遺骸的牙齒的年代。

氨基酸外消旋作用

隨著時間的推移，構成蛋白質的氨基酸會從所謂的左手狀態緩慢轉化為右手形式——這種現象稱為外消旋作用。當溫度和環境恆定時，轉化以恆定速率發生。

理論上，這應該允許研究人員測定長達100,000年的蛋白質的年代。然而，到目前為止，該技術已被證明是有問題的——可能是因為很難知道條件是否一直恆定。（不過，一些研究人員已經提出，氨基酸外消旋作用的水平可以很好地指示古代 DNA 的儲存情況。）