年代测定游戏

这些天，几乎每周都有关于地球生命史的重要发现成为头条新闻。事实上，就在上个月，研究人员描述了一种化石，它将关键哺乳动物特征的起源推溯到大约4500万年前。上周，科学家宣布，一项关于导致澳大利亚大部分大型动物灭绝的灭绝事件的新年代测定结果表明，是人类而非气候消灭了它们。虽然对用于重建我们星球过去的岩石、化石和考古遗迹的目视检查提供了关键信息，但只有确定它们的年代，研究人员才能将这些数据放入有意义的背景中。

准确测量地质时间的第一步出现在20世纪初，当时法国物理学家亨利·贝克勒尔发现了铀的天然放射性衰变。此后不久，在欧内斯特·卢瑟福相关工作的基础上，美国化学家伯特伦·博尔特伍德确定，他可以使用铀等放射性元素可预测的衰变成其他元素来记录时间。尽管博尔特伍德对地球年龄等事物的估计——他认为地球年龄约为22亿年——此后已被大幅修正，但他正确地指出，我们的星球比人们想象的要古老得多。

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在随后的几十年里，科学家们对原子的结构和行为做出了重要的新发现，并改进了他们现有的年代测定技术。最近，他们开发了许多新方法。一些使用放射性同位素；另一些则利用不同的现象，如热释光和电子自旋共振。还有一些，如氨基酸外消旋作用，显示出前景，但尚未成熟。

现在，在博尔特伍德开创性工作近100年后，据估计地球形成的时间至少是他声称的两倍。以下摘要简要介绍了研究人员一直在使用的一些年代测定技术，以探索和重建我们星球的过去，从45亿年前至今。——凯特·王

放射性同位素

使用放射性同位素的技术背后的前提很简单。每种同位素都有所谓的半衰期——即一个时间段，在此期间，种群中一半的原子衰变成稳定的子元素。这种半衰期因同位素而异。因此，不同的同位素更适合测定不同的物体。例如，对于碳14，半衰期仅为5730年。因此，碳14只能可靠地测定大约40,000年以内的物体的年代。

其他放射性同位素可用于准确测定更古老物体的年代。例如，氩40衰变成氩39，在强调去年夏天在格鲁吉亚共和国出土的两具古代人类头骨的重要性方面发挥了至关重要的作用。伯克利年代学中心的卡尔·C·斯威舍三世及其同事报告说，这些遗骸距今已有170多万年，因此代表了最早离开非洲殖民世界其他地区的人类。氩年代测定法也可用于测定年轻至10,000年和古老至数十亿年的物质的年代。

铀和铅同位素可以将我们追溯到更久远的过去。事实上，今年早些时候提出的研究结果表明，婴儿时期的地球可能比之前认为的更早地准备好支持生命。对在已知最古老的沉积岩中发现的单颗锆石晶体进行的铀铅年代测定表明，早在44亿年前，我们的星球就已经冷却到足以拥有地壳。最早的生命形式可能即将出现。

热释光和电子自旋共振

许多晶体，包括金刚石、石英和长石，会以已知的速率随时间累积和捕获电荷。事实证明，加热晶体会释放这些电子，从而发出可测量的光量。因此，研究人员可以确定自埋藏的晶体上次暴露于热量以来经过的时间。

就热释光而言，重置晶体时钟意味着将其加热到大约500摄氏度。科学家们说，由于这个条件，这项技术非常适合用于测定陨石撞击、早期人类使用的火烧石、烹饪炉灶和旧陶瓷的年代。

电子自旋共振 (ESR) 与热释光有些相似，也用于测定晶体的年代（尽管这些晶体是在贝壳和牙釉质中发现的）。然而，与热释光不同，这种方法计算的是晶体中捕获的电子的“未成对自旋”的数量，而不是释放它们。

ESR 可用于评估长达一百万年的材料，并且已成为古人类学家的不可或缺的工具，他们经常使用它来测定在珍贵的人类化石中发现的动物遗骸的牙齿的年代。

氨基酸外消旋作用

随着时间的推移，构成蛋白质的氨基酸会从所谓的左手状态缓慢转化为右手形式——这种现象称为外消旋作用。当温度和环境恒定时，转化以恒定速率发生。

理论上，这应该允许研究人员测定长达100,000年的蛋白质的年代。然而，到目前为止，该技术已被证明是有问题的——可能是因为很难知道条件是否一直恒定。（不过，一些研究人员已经提出，氨基酸外消旋作用的水平可以很好地指示古代 DNA 的保存情况。）