Необычайно древний манускрипт из Музея редких книг «Ғылым Ордасы» (Алма-Ата) произвел в Казахстане настоящий фурор. Радиоуглеродный анализ показал рекордный возраст находки — 8 тыс. лет! Небольшой кусок претендента на самый древний письменный документ передали для подтверждения и в новосибирский Академгородок, специалисты которого уверенно заявили: подделка! Пытаясь искусственно состарить кожу, на которой и были написаны письмена, ее пропитали нефтяными смолами. В результате анализ радиоактивности дал такой сенсационный результат. Но технология ускорительной масс-спектрометрии и, что важно в данном случае, предварительной очистки образцов этого результата не подтвердила.
Ускорительный масс-спектрометр (УМС) Института ядерной физики СО РАН им. Г. И. Будкера хорошо известен археологам, геологам, биологам, медикам и даже полиции. Ежегодно через этот прибор проходит более тысячи образцов. Но, как уверяет создатель этого уникального прибора академик Василий Пархомчук, собрал он это чудо современной датировки буквально из того, что нашел на свалке. «Это для меня не работа — это мое хобби, ну а теперь и ответственность. Работа — это создание электронных кулеров для встречных потоков». Его дочь, канд. хим. наук Екатерина Пархомчук, еще лет десять назад тоже бы описала работу с УМС как хобби или интеллектуальную помощь папе. Даже сегодня основное место работы Екатерины — ст. науч. сотр. и руководитель группы темплатного синтеза Института катализа СО РАН. А вот руководитель лаборатории изотопных исследований ИАЭТ СО РАН и заместитель заведующего лабораторией радиоуглеродных методов анализа НГУ она по совместительству. О том, как создавался прибор, как он работает и что на нем исследуют, мы и попросили их рассказать.
На Земле углерод присутствует в виде трех изотопов — двух стабильных С12, С13 и одного радиоактивного С14. Последний регулярно попадает к нам из стратосферы. Дело в том, что под действием космических лучей в результате бомбардировки нейтронами находящегося в атмосфере в больших количествах азота происходит ядерная реакция. Мы получаем атом углерода с ядерной массой азота — 14. Ежегодно на Землю попадает около 7,5 кг С14. Общее его количество на нашей планете — 50 тонн. Не весь он результат «космических ядерных реакций». Около 1,3 тонны С14 — результат ядерных испытаний.
По геологическим меркам С14 — это весьма неустойчивый элемент. Период его полураспада — всего 5730 лет. Радиоактивный углерод обладает теми же химическими свойствами, что и обычный. А значит, полноценно участвует в круговороте веществ. Но в живые организмы он попадает только пока они живут, т. е. активно участвуют в обмене веществ. Именно на соотношении всего углерода и углерода-14 основан радиоуглеродный метод. Он широко известен и зарекомендовал себя как надежный и признанный в научных кругах, но далеко не всегда приемлемый… Для этого анализа требуется больше грамма вещества. Нечасто исследователи могут себе позволить выделить образец такой массы. Представьте сами, если мы от Туринской плащаницы или требующей датировки фаланги пальца отрежем несколько таких образцов и отправим по разным лабораториям, чтобы потом сравнить и получить достоверные результаты, то что останется?!
В качестве альтернативы методу анализа по радиоактивности лет тридцать назад ученые стали применять метод ускорительной масс-спектрометрии. Это современный сверхчувствительный метод изотопного анализа веществ, который был придуман физиками-ядерщиками. Они умеют определять даже энергии частиц, которые существуют буквально доли микросекунд. Так что подсчитать количество атомов углерода С14 для них задача вполне выполнимая.
В настоящее время по всему миру работает порядка ста ускорительных масс-спектрометров, причем девять находится в США и восемь — в небольшой по размерам Японии. В России — только два. Оба в Новосибирске. Первый был создан в 2005 году и до сих пор успешно трудится в Институте ядерной физики СО РАН в новосибирском Академгородке. Второй — MICADAS (Mini Сarbon Dating System) производства швейцарской компании Ionplus — в декабре 2019 года закупил Новосибирский государственный университет.
Высокие технологии из мусора?
«Мы теперь богатые! У нас два УМС! Наш российский прибор имеет напряжение 1 мегавольт и может регистрировать ряд редких изотопов, не только С14, но и, например, Be10, Al26, I131 и другие тяжелые изотопы. Новый швейцарский прибор MICADAS имеет в пять раз меньшее напряжение (200 кВ), рассчитан на регистрацию только С14. Он отличается от нашего в ряде конструктивных решений, — не без гордости рассказывает о новосибирских приборах Екатерина Пархомчук. — Ияфовский, конечно, не такой красивый и, может, не такой удобный. Но его можно починить, все детали заменяемы».
«Если честно, то свой прибор мы создали от бедности, — признается академик Пархомчук. — Стоимость анализа за рубежом колеблется от 500 до 1000 евро. Стоимость прибора и вовсе по тем временам (а с необходимостью таких анализов мы столкнулись в нулевые) нам была совершенно недоступна (она стартует от 3 млн евро). Ну, пришлось сделать самим». И физики сделали.
Предварительно обработанный образец представляет собой аккуратную крохотную таблетку около 1 мм шириной. Именно эту таблеточку и помещают в ускорительный масс-спектрометр. В приборе углероду для начала придется столкнуться с пучком атомов цезия. «Цезий легко отдает электроны углероду, так что в итоге мы получаем отрицательно заряженные ионы углерода, — старательно подбирая слова, объясняет мне академик Василий Васильевич, стараясь сохранить баланс между максимальной понятностью и минимальным искажением научного материала. — Использование отрицательных ионов на первой стадии селекции позволяет существенно уменьшить изобарный фон. Например, отрицательные ионы азота N14 нестабильны… Затем ионы углерода мы разгоняем до миллиона вольт и пропускаем через пары́ магния, где углерод „обдирается“ до заряда 3+… Далее ионы поворачиваются на 90° в магнитном поле и попадают в детектор частиц».
Опытные физики-ядерщики создали прибор достаточно быстро. Но столкнулись с еще одной проблемой: загрузить в него газы двуокиси углерода или кость древнего бизона невозможно. Прибор работает только с графитом! Как же превратить в графит осадочные породы, газ, ткани, кости, бумагу? Василий Васильевич признается, что бегал от знакомых к знакомым, пытаясь найти выход. Во время какого-то домашнего праздника он поделился своей проблемой с дочерью и зятем.
«У меня же Алексей — физик по образованию, а уже кандидатскую защитил как химик. Подумать о химических процессах и о ядерных ускорителях одновременно — вот это для него! — смеется Екатерина, кивая на супруга, Алексея Окунева. — Естественно, он тут же загорелся и даже успешно собрал свой вариант графитизатора. Швейцарский аналог стоит 16 млн руб., а он собрал тысяч за десять».
«Я наш первый графитизатор собрал и отладил года за два на семейные деньги, — вспоминает канд. хим. наук Алексей Окунев, ныне директор Высшего колледжа информатики НГУ и проректор НГУ по программам развития. — Основой стало оборудование, которое мы купили у разорившейся компании, производящей вина прямо тут, в Академгородке. Что вы смеетесь, это же 1990-е! А печи я купил у какого-то мужика, с рук. Это были печи с опытного завода СО РАН, правда, изоляция вся была съедена крысами. Пришлось подлатать. Вот из этого мы и собрали первый графитизатор. Своеобразное частно-государственное партнерство у нас получилось».
Мойте руки перед едой, а образцы — перед графитизацией
«Превратить в графит любые органические пробы — звучит как заказ на чудо или работа алхимика!» — не могу удержаться я. «Ну что вы! Это же просто химия! — смеется в ответ Екатерина. — На первом, подготовительном этапе из костей, которые почти на 50% состоят из неорганических соединений, выделяют белок — коллаген; из почв — гуминовые кислоты; из древесины — целлюлозу, ведь именно она закладывается в каждом годовом кольце; углекислый газ превращают в карбонаты металлов и т. д.»
Приходится учитывать, что органические образцы, пролежав в почве десятки тысяч лет подвергались воздействию и плесени, и насекомых, вступали в различные химические реакции и просто повреждались механически. «Смолы, древесный сок — их химический состав постоянно меняется. Водорастворимые вещества попадают и уходят из организма как во время его жизни, так и после смерти. Нужно учитывать особенности самого образца, — поясняет Екатерина Пархомчук. — Например, на экспертизу поступила картина. В свое время ее рисовали масляными красками, а значит, на картину могли попасть нефтяные примеси с содержанием C14, которое соответствует не возрасту картины, а возрасту нефтяных масел. В итоге можно получить вместо 200 лет с написания картины несколько тысяч…»
Кроме того, сотрудникам лаборатории приходится учитывать и состав разных красок: где-то использовались нефтяные масла, где-то льняные и т. д. От качества подготовки образца, по словам Катерины, зависит 90% успеха. Более того, единого рецепта для этого этапа быть не может. Так что подготовка образцов остается творческим этапом, требующим высокого профессионализма.
Как же, например, имея дело с костью древнего животного, отделить белки самого этого животного от белков других организмов, которые участвовали в разложении этой кости? «Можно расщеплять белки на аминокислоты, разделять их на жидкостном хроматографе и выделять ту, которая характерна для исследуемого животного», — объясняет Екатерина.
Когда же образец очищен, из него извлечено вещество, которое несет достоверную информацию, очищенную пробу помещают в графитизатор. В российском приборе пробу сжигают каталитически до углекислого газа, оксидов азота, оксида серы. Вся смесь газов поступает на сорбент (CaO). При этом углекислый газ вступает в реакцию с сорбентом и превращается в твердый карбонат кальция. Остальные газы в реакцию не вступают, они выводятся вакуумированием. Карбонат кальция же нагревают, получившийся чистый углекислый газ собирают замораживанием в отдельную пробирку с порошком железа, куда подают водород, затем пробирку нагревают для того, чтобы углекислый газ превратился в чистый графит. Швейцарский графитизатор немного отличается от нашего, но суть та же — углекислый газ превращают в графит.
От теории к практике
Одним из первых образцов, который удалось определить на «самодельном УМС» стала кость бизона, найденная в 1990-е годы под ИЯФом во время строительства одного из тоннелей для установки коллайдера. Оказалось, что эта самка бизона жила на территории будущего Академгородка около 27 тыс. лет назад.
Интересным получилось изучение на УМС древесины обычной сосны, растущей в Академгородке. Ускорительная масс-спектрометрия годичных колец открыла перед учеными страницы ядерных испытаний на Земле, что, впрочем полностью соответствует мировой калибровке С14. До 1950-х содержание С14 в атмосфере год от года колебалось незначительно. С 1945 года (первые ядерные испытания в США) содержание С14 в сосне, растущей в далекой Сибири, начало расти. На кривой содержания С14 отлично виден и мораторий на наземные ядерные испытания 1958–1961 годов. Но это незначительное уменьшение блекнет на фоне роста С14 во время холодной войны — за это время содержание радиоактивного углерода вырастает почти в два раза. Так появилась «бомбовая метка» в биосфере, иногда дающая очень важную информацию.
С гордостью вспоминает Екатерина исследование, в рамках которого удалось идентифицировать останки людей, найденные в Новосибирске во время сноса здания. Дело в том, что в этом здании до 1951 года находилась пересыльная тюрьма НКВД, а после — психоневрологическая больница. Найденные останки женщин, мужчин и детей могли принадлежать как заключенным, так и пациентам. Исследование не обнаружило повышенного содержания С14, а значит, эти люди жили до начала ядерных испытаний. Что, скорее всего, свидетельствует о том, что все найденные погибли во времена существования пересыльной тюрьмы.
Это далеко не единственный случай работы с человеческими костями. Например, в прошлом году в лабораторию обратились следователи из Пензы. Они вели дело, в котором фигурировал труп 2000 года. Но рядом нашли еще кости. Заводить ли дело? Связаны ли эти убийства? О найденных позже останках патологоанатомы уверено сообщали лишь то, что им больше двадцати лет. Анализ образцов с помощью УМС показал, что второй труп к первому точно не имеет никакого отношения — ему 3 тыс. лет. Но неожиданными выглядят и результаты по трупу 2000 года. Анализ УМС датировал этот образец 1989 годом. Кто же ошибся? «Фактически наш анализ лишь показывает, что в 1989 году этот человек жил и в коллаген его костей встраивался углерод, меченный „бомбовой меткой“, —поясняет Катерина. — Звучит парадоксально, но известно давно, что разные ткани обновляются с разной скоростью. Сейчас уже есть данные, какое время это занимает для костей, кожи, мышц и т. д.»
Аномальное увеличение количества С14 далеко не всегда помогает в датировке. Например, Екатерина вспоминает, как к ним привезли на датировку образцы почв с Урала, с древних могильников. Часть образцов имела 30-кратное превышение по С14! Оказалось, что эти могильники находятся недалеко от химкомбината «Маяк», где в 1957 году произошла так называемая Кыштымская катастрофа (авария, которая по тяжести последствий уступает лишь Чернобыльской АЭС и Фукусиме-1).
Далеко не всегда, как оказалось, результат ожидаем. Например, образцы керна, привезенного геологами с озера Чаны́ (Новосибирская область), показали разную скорость накопления осадочных пород. До 6 тыс. лет назад накопление шло очень медленно, а потом скорость резко увеличилась. По мнению специалистов, это означает, что само озеро появилось лишь 6 тыс. лет назад. Ранее считалось, что оно сформировалось в конце ледникового периода, 10–13 тыс. лет назад.
Проверь до клинических испытаний
Появление ускорительной масс-спектрометрии привело к развитию целого ряда новых направлений в испытаниях медицинских препаратов. Например, метод «микродозирования» позволяет проводить исследования еще до начала клинических испытаний. Для этого добровольцам вводят примерно сотую часть от фармакологически активной дозы, отслеживают путь препарата, время выведения из организма и т. д.
«Высокая чувствительность метода позволяет анализировать активность лекарственных препаратов, чья радиоактивность не превышает радиоактивности ведра с картошкой, — уверяет меня коллега Екатерины, канд. хим. наук Ксения Сашкина. — При такой малой радиоактивности испытания легко можно проводить прямо на людях».
Несколько лет назад завершилось уникальное исследование с участием целого ряда институтов СО РАН (Институт органической химии, Институт химической кинетики и горения, Институт катализа, Институт экспериментальной и клинической медицины, Институт ядерной физики) по исследованию проникающей способности аэрозолей при естественном воздействии на мышей. Ранее считалось, что крупные аэрозольные частицы (порядка 200 нм) задерживаются в легких. Но эти крупные частицы, меченные С14, которыми дышали мыши, нашли и в печени, и в почках, и в мозге. Кроме того, исследователи пытались понять, наблюдая за мышами, как выводятся более мелкие аэрозольные частицы (около 80 нм) из легких. В среднем частицы выводились около полугода. «Это большой срок — четверть жизни мыши, — обращает мое внимание Ксения. — Кроме того, если бы аэрозоли содержали канцерогенные вещества, которые образуются, например, во время пожаров, это бы весьма печально сказалось на здоровье».
Уже завершая интервью, я не смогла удержаться от комплимента Екатерине Пархомчук. Как эта хрупкая женщина успевает уделять внимание семье, трем детям, двум лабораториям, которыми руководит, успешно вести научную работу со своей группой, да еще и преподавать?! «Ну что вы, — машет на меня Екатерина рукой. — Одна бы я, конечно, ни с чем из этого не справилась! И дома, и на работе выручает командная работа. Вот, например, на УМС так успешно удается работать только потому, что команда сильная: есть и физики (Алексей Петрожицкий в НГУ, Сергей Растигеев в ИЯФе), и химики (целая химическая лаборатория в ИАЭТ), и программист (Михаил Игнатов)». И хотя Екатерина соглашается со мной, что УМС в Новосибирске работает успешно, но замечает, что, несмотря на низкую стоимость их анализов и на их высокое качество, зачастую ученые вынуждены обращаться к иностранным коллегам. «Всё очень просто, — поясняет мне химик Пархомчук. — Если датировка сделана на УМС Оксфорда, то публикацию с большей вероятностью возьмут в тот же Nature, например. И тут не важно ни то, что мы получаем те же результаты, ни то, что в Оксфорде сильно дороже. С этим приходится считаться».
Юлия Черная