De radiokoolstofklok
Deze klok dateert overblijfselen van eens levende organismen. Maar hoe goed werkt ze?
ALLE voorgaande klokken lopen zo langzaam dat ze voor archeologische problemen weinig of geen waarde hebben. Voor de tijdschaal van de menselijke geschiedenis is een veel sneller lopende klok nodig. In deze behoefte is voorzien door de radiokoolstofklok.
Koolstof-14, een radioactieve isotoop van de gewone koolstof-12, werd het eerst ontdekt in atoomsplijtingsexperimenten in een cyclotron. Toen vond men ook koolstof-14 in de atmosfeer van onze aarde. Ze zendt een zwakke bètastraling uit, die met een geschikt instrument geteld kan worden. Koolstof-14 heeft een halveringstijd van slechts 5700 jaar, geschikt voor het dateren van dingen die met de vroege geschiedenis van de mens te maken hebben.
De andere radioactieve elementen die wij hebben besproken, hebben een levensduur die vergeleken met de ouderdom van de aarde lang is, en daarom bestaan ze sinds de schepping van de aarde nog steeds. Koolstof-14 heeft echter zo’n korte levensduur in vergelijking met de ouderdom van de aarde dat ze er alleen nog maar kan zijn als ze voortdurend op een of andere wijze is geproduceerd. Dat is inderdaad het geval, en wel door de kosmische stralen die de atmosfeer bombarderen en daarbij stikstofatomen omzetten in radioactieve koolstof.
Deze koolstof, in de vorm van kooldioxide, wordt door planten gebruikt in het fotosyntheseproces en wordt in levende cellen in allerlei organische verbindingen omgezet. Dieren en, ja, ook wij mensen eten plantaardig materiaal, zodat al wat leeft dus radiokoolstof gaat bevatten in dezelfde verhouding als waarin ze in de lucht aanwezig is. Zolang een bepaald organisme leeft, wordt de erin aanwezige radiokoolstof, die natuurlijk ook vervalt, aangevuld door nieuwe opname. Maar wanneer een boom of een dier sterft, wordt de aanvoer van nieuwe radiokoolstof afgesneden en begint het radiokoolstofgehalte af te nemen. Als een stuk houtskool of een bot van een dier 5700 jaar bewaard blijft, zal het nog slechts half zoveel radiokoolstof bevatten als toen het nog levend weefsel was. In principe kunnen wij dus door de hoeveelheid koolstof-14 te meten in iets dat ooit levend was, vaststellen hoe lang het inmiddels dood is.
De radiokoolstofmethode kan toegepast worden op de meest uiteenlopende zaken van organische oorsprong. Vele duizenden voorwerpen zijn ermee gedateerd. Hun fascinerende verscheidenheid blijkt uit een paar voorbeelden:
Hout van het grafschip dat is gevonden in het graf van farao Sesostris III werd gedateerd op 1670 v.G.T.
Kernhout van een reuzensequoia in Californië, die 2905 jaarringen had toen hij in 1874 werd omgehakt, werd gedateerd op 760 v.G.T.
Het linnen dat gewikkeld zat om de Dode-Zeerollen, die op basis van het gebruikte schrift op de eerste of tweede eeuw v.G.T. gedateerd worden, leverde op grond van het radiokoolstofgehalte een ouderdom van 1900 jaar op.
Een stuk hout dat op de Ararat was gevonden en waarvan sommigen het mogelijk achtten dat het van Noachs ark afkomstig was, bleek slechts uit 700 G.T. te dateren — behoorlijk oud inderdaad, maar lang niet oud genoeg om van voor de Vloed te dateren.
Sandalen van gevlochten touw, opgegraven uit vulkanische puimsteen in een grot in Oregon, leverden een ouderdomsbepaling van 9000 jaar op.
Voor vlees van een mammoetbaby, duizenden jaren ingevroren in de modder van Siberië, vond men een ouderdom van 40.000 jaar.
Hoe betrouwbaar zijn deze dateringen?
Fouten in de radiokoolstofklok
De radiokoolstofklok leek heel eenvoudig en ongecompliceerd toen ze voor het eerst werd gedemonstreerd, maar inmiddels weet men dat er allerlei fouten bij kunnen optreden. Nadat de methode zo’n twintig jaar was gebruikt, werd er in 1969 in Uppsala (Zweden) een conferentie gehouden over radiokoolstofchronologie en andere verwante dateringsmethoden. De daar gevoerde discussies tussen de chemici die de metingen verrichten, en de archeologen en geologen die de resultaten gebruiken, brachten wel een dozijn tekortkomingen aan het licht die de dateringen ongeldig zouden kunnen maken. In de zeventien jaar die er sindsdien al weer verstreken zijn, is er weinig bereikt om deze tekortkomingen te verhelpen.
Een hardnekkig probleem is altijd geweest dat het monster niet verontreinigd mag zijn, hetzij met moderne (levende) koolstof of met oude (dode) koolstof. Zo zou bijvoorbeeld een stuk hout dat afkomstig is uit het hart van een oude boom, levend sap kunnen bevatten. En als dat met een organisch oplosmiddel (gemaakt van dode petroleum) geëxtraheerd is, zou iets van het oplosmiddel in het geanalyseerde gedeelte kunnen zijn achtergebleven. Oude begraven houtskool zou kunnen zijn gepenetreerd door worteltjes van levende planten. Ook zou het verontreinigd kunnen zijn met veel ouder bitumen, dat moeilijk te verwijderen is. Er zijn levende schaaldieren gevonden met carbonaat afkomstig uit mineralen die lang begraven hebben gelegen of uit zeewater dat omhoog is gekomen uit de oceaandiepte, waar het zich duizenden eeuwen heeft bevonden. Zulke dingen kunnen een monster of ouder of jonger doen schijnen dan het in werkelijkheid is.
De ernstigste fout in de theorie van de radiokoolstofdatering is de aanname dat het niveau van koolstof-14 in de atmosfeer altijd gelijk is geweest aan wat het nu is. Dat niveau hangt in de eerste plaats af van de snelheid waarmee koolstof-14 door kosmische stralen wordt geproduceerd. Kosmische stralen variëren soms enorm in intensiteit, omdat ze in grote mate worden beïnvloed door veranderingen in het aardmagnetische veld. Magnetische stormen op de zon zorgen soms urenlang voor een duizendvoudige verhoging van de kosmische straling. Het aardmagnetische veld is de afgelopen millennia sterker en ook zwakker geweest. En sinds de explosie van kernbommen is het niveau van koolstof-14 over de hele wereld aanmerkelijk verhoogd.
Aan de andere kant wordt de verhouding beïnvloed door de hoeveelheid stabiele koolstof in de lucht. Grote vulkaanuitbarstingen veroorzaken een meetbare toename van het reservoir stabiele koolstofdioxide en verdunnen de radiokoolstof. In de afgelopen eeuw heeft de mens in een ongeëvenaard tempo fossiele brandstof, vooral kolen en olie, verstookt, en daarmee een permanente verhoging van de hoeveelheid atmosferische kooldioxide teweeggebracht. (Meer bijzonderheden over deze en nog andere onzekerheden in de radiokoolstofklok werden gegeven in Ontwaakt! van 8 augustus 1972.)
Dendrochronologie — datering op basis van de groeiringen van bomen
Geconfronteerd met al deze fundamentele zwakheden hebben de beoefenaars van de radiokoolstofdatering hun toevlucht genomen tot het standaardiseren van hun dateringen met behulp van houtmonsters die werden gedateerd door jaarringen te tellen. Hiervoor leenden zich vooral exemplaren van de bristlecone pine, de borstelden, die in het zuidwesten van de Verenigde Staten leeftijden van honderden en zelfs duizenden jaren bereikt. Dit studiegebied wordt dendrochronologie genoemd.
Men houdt de radiokoolstofklok dus niet meer voor een dateringsmethode die een absolute chronologie oplevert; ze meet alleen relatieve ouderdommen. Om de werkelijke datering te krijgen moet de radiokoolstofdatering gecorrigeerd worden aan de hand van de jaarringchronologie. Het resultaat van een radiokoolstofmeting wordt daarom nu een „radiokoolstofdatum” genoemd. Door met deze meting dan een kalibratiecurve gebaseerd op jaarringen te raadplegen, leidt men vervolgens de absolute datering af.
Deze aanpak geeft betrouwbare resultaten voor zover de telling van de jaarringen van de borstelden te vertrouwen valt. Nu dient zich het probleem aan dat de oudste levende boom waarvan de ouderdom bekend is slechts tot 800 G.T. teruggaat. Om de schaal verder door te trekken, proberen geleerden overlappende patronen van dunne en dikke ringen in stukken dood hout die daar vlak bij zijn aangetroffen, op elkaar te passen. Door een combinatie van zeventien stukken van omgevallen bomen beweren zij nu een jaarringenreeks te hebben die meer dan 7000 jaar teruggaat.
Maar de jaarringenstandaard staat niet op zich. Soms zijn zij er niet zeker van waar zij een bepaald stuk dood hout moeten inpassen en wat doen zij dan? Zij vragen een radiokoolstofmeting en gebruiken die om het stuk hout een plaats toe te kennen. Dit doet denken aan twee lammen met samen maar één kruk die zij beurtelings gebruiken, waarbij de een eerst een tijdje op zijn metgezel leunt en hem dan weer helpt om op de been te blijven.
Het is verbazingwekkend dat deze losse stukken hout zo wonderbaarlijk bewaard zijn gebleven in de open lucht. Men zou denken dat ze zouden zijn weggespoeld door zware regenval of meegenomen als brandhout of voor een ander doel. Hoe komt het dat ze niet zijn weggerot of door insekten zijn aangetast? Het is aannemelijk dat een levende boom de tand des tijds en het woeden der elementen weet te doorstaan, en dat zo nu en dan een boom duizend jaar of langer blijft leven. Maar dood hout? Zesduizend jaar lang? Het vraagt veel van onze bereidheid tot geloven. En dit is het fundament waar de oudere radiokoolstofdateringen op berusten.
Niettemin hebben de radiokoolstofexperts en de dendrochronologen het klaargespeeld om zulke twijfels te verdringen en de problemen glad te strijken, en beide groepen voelen zich happy met hun compromis. Maar hoe staat het met hun klanten, de archeologen? Die zijn niet altijd gelukkig met de dateringen die zij krijgen voor de monsters die zij insturen. Een van hen zei er op de conferentie in Uppsala het volgende over:
„Als een radiokoolstofdatum onze theorieën ondersteunt, zetten wij hem in onze hoofdtekst. Als hij die niet compleet tegenspreekt, maken wij er een voetnootje van. En als hij er totaal naast zit, laten wij hem gewoon vallen.”
Enkelen van hen denken er nog steeds zo over. Een archeoloog schreef onlangs over een radiokoolstofdatering die de vroegste domesticatie van dieren zou moeten aangeven:
„Archeologen zijn er niet meer zo van overtuigd dat radiokoolstofdateringen alleen omdat ze uit ’wetenschappelijke’ laboratoria komen, direct bruikbaar zijn. Hoe groter de verwarring wordt met betrekking tot welke methode, welk laboratorium, welke halveringstijd en welke kalibratie het meest betrouwbaar is, hoe minder wij archeologen ons slaafs verplicht zullen voelen om welke ’datum’ dan ook die ons wordt geboden, zonder vragen te aanvaarden.”
De radiochemicus die de datering had geleverd, antwoordde: „Wij geven de voorkeur aan feiten die gebaseerd zijn op gedegen metingen — boven een archeologie die zich baseert op modieuze ideeën of emoties.”
Als geleerden zo sterk van mening verschillen over de geldigheid van deze dateringen die tot het verre verleden van de mens teruggaan, is het dan begrijpelijk als de leek wat skeptisch reageert bij het lezen van op wetenschappelijk „gezag” gebaseerde berichten zoals die welke aan het begin van deze artikelen geciteerd werden?
Rechtstreekse telling van koolstof-14
Een recente ontwikkeling in de radiokoolstofdatering is een methode om niet alleen de bètastralen van de vervallende atomen maar alle koolstof-14-atomen in een klein monster te tellen. Dit is vooral nuttig wanneer het gaat om het dateren van een zeer oud monster waarin slechts een minieme hoeveelheid koolstof-14 is overgebleven. Van een miljoen koolstof-14-atomen zal er gemiddeld iedere drie dagen slechts één vervallen. Dit maakt het tot een zeer moeizame zaak om voldoende radioactiviteit te meten om die te kunnen onderscheiden van de achtergrond van kosmische straling.
Maar als wij op het moment zelf alle koolstof-14-atomen kunnen tellen zonder te hoeven wachten tot ze vervallen, winnen wij een miljoenvoud in gevoeligheid. Dit bereikt men door een bundel positief geladen koolstofatomen in een magneetveld te buigen zodat de koolstof-14 gescheiden wordt van de koolstof-12. De lichtere koolstof-12 wordt in een kleinere cirkel gedwongen en de zwaardere koolstof-14 passeert door een spleet en wordt geteld.
Deze methode is gecompliceerder en duurder dan het tellen van de bètastralen, maar heeft het voordeel dat de hoeveelheid materiaal die voor een test nodig is, duizend keer zo klein mag zijn. Het opent de weg tot een ouderdomsbepaling van zeldzame oude handschriften en andere artefacten, voorwerpen van menselijke makelij, waarvan men nooit een monster van ettelijke grammen aan het dateren zou hebben opgeofferd. Nu kunnen dergelijke voorwerpen worden gedateerd aan slechts een paar milligrammen materiaal.
Eén toepassing van de methode zou het dateren zijn van de lijkwade van Turijn, waarin naar sommigen geloven Jezus’ lichaam gewikkeld is geweest voor zijn begrafenis. Als een radiokoolstofdatering zou aantonen dat de stof niet zo oud is, zou dat een bevestiging vormen voor de vermoedens van de twijfelaars die de lijkwade voor bedrog houden. Tot dusver heeft de aartsbisschop van Turijn nooit een monster voor datering willen afstaan omdat daarvoor een te groot stuk nodig zou zijn. Maar met de nieuwe methode zou een vierkante centimeter voldoende zijn om uit te maken of het materiaal uit de tijd van Christus of uit de middeleeuwen dateert.
Hoe dan ook, pogingen om het tijdsbereik uit te breiden zijn van weinig betekenis zolang de grotere problemen onopgelost blijven. Hoe ouder het monster is, hoe moeilijker het is om ervoor te zorgen dat er absoluut geen spoortje jongere koolstof in aanwezig is. En hoe verder wij voorbij de paar duizend jaar proberen te gaan waarvoor wij over een betrouwbare kalibratie beschikken, hoe minder wij weten van het atmosferische niveau van koolstof-14 in die oude tijden.
Men heeft nog verschillende andere methoden voor het dateren van gebeurtenissen in het verleden bestudeerd. Sommige hebben direct met radioactiviteit te maken, zoals het meten van splijtingssporen en thermoluminescentie. Sommige berusten op andere processen, zoals de afzetting van warven (laagjes sediment) door stroompjes die van een gletsjer afkomen en de hydratie bij van obsidiaan gemaakte artefacten.
Racemisatie van aminozuren
De racemisatie van aminozuren is weer een andere dateringsmethode. Maar wat betekent „racemisatie”?
Aminozuren behoren tot een groep koolstofverbindingen die vier verschillende groepen atomen aan een centraal koolstofatoom bevatten. De tetrahedrische (piramide-achtige) plaatsing van de groepen maakt het atoom als geheel asymmetrisch. Zulke moleculen bestaan in twee vormen. Hoewel ze chemisch identiek zijn, is de een fysisch het spiegelbeeld van de ander. Een eenvoudige illustratie hiervan is een paar handschoenen. Ze hebben dezelfde grootte en vorm, maar de ene past alleen aan uw rechterhand, de andere alleen aan uw linker.
Een oplossing van één vorm van zo’n verbinding draait het polarisatievlak van een bundel gepolariseerd licht naar links; de andere soort draait het polarisatievlak naar rechts. Wanneer een chemicus uit eenvoudiger verbindingen een aminozuur maakt, krijgt hij gelijke hoeveelheden van beide vormen. Elke vorm heft het effect van de andere vorm op gepolariseerd licht op. Dit wordt een racemisch mengsel genoemd: linksdraaiende en rechtsdraaiende aminozuren zijn in gelijke hoeveelheden in het mengsel aanwezig.
Wanneer in levende planten of dieren aminozuurverbindingen worden gevormd, ontstaan die in slechts één vorm, gewoonlijk de ’linkse’ of l- (voor levo-) vorm. Als een dergelijke verbinding wordt verhit, leidt de thermische beweging van de moleculen ertoe dat sommige binnenstebuiten worden gedraaid, zodat de linkse vorm nu een rechtse (dextro) wordt. Deze verandering heet racemisatie. Als dit proces lang genoeg kan voortgaan, levert het gelijke hoeveelheden l- en d-vormen. Dit is daarom zo interessant, omdat het te maken heeft met levende organismen, net zoals de radiokoolstofdatering.
Bij lagere temperaturen verloopt de racemisatie langzamer. Hoeveel langzamer hangt af van de energie die het vergt om het molecule binnenstebuiten te keren. Het proces verloopt volgens een welbekende chemische wet, de vergelijking van Arrhenius. Als het aminozuur steeds verder wordt afgekoeld, gaat de reactie steeds langzamer totdat wij, bij gewone temperaturen, helemaal niets zien veranderen. Maar wij kunnen nog steeds de vergelijking gebruiken om te berekenen hoe snel het aminozuur verandert. Er blijkt dat het tienduizenden jaren zou duren voordat een gemiddeld aminozuur in de racemische toestand begint te komen waarin zowel de linkse als de rechtse vorm van de aminozuren in gelijke hoeveelheden aanwezig is.
Het idee achter de dateringsmethode is dit: Als een bot in de grond terechtkomt en daar blijft liggen, gaat het asparaginezuur (een gekristalliseerd aminozuur) in het bot langzaam racemiseren. Lange tijd daarna graven wij het bot op, wij extraheren en zuiveren het overgebleven asparaginezuur en vergelijken de polarisatiegraad ervan met die van zuiver l-asparaginezuur. Aan de hand hiervan kunnen wij schatten hoe lang geleden dat bot een deel was van een levend schepsel.
De vervalcurve is er net zo een als die van een radioactief element. Elk aminozuur heeft zijn eigen karakteristieke vervalsnelheid, net zoals uranium langzamer vervalt dan kalium. Maar merk dit belangrijke verschil op: De snelheid van radioactief verval kan niet beïnvloed worden door de temperatuur, terwijl racemisatie als chemische reactie heel duidelijk afhankelijk is van de temperatuur.
Een paar toepassingen van de racemisatiemethode die veel publiciteit hebben gekregen, waren metingen aan resten van menselijke skeletten gevonden langs de kust van Californië. Een ervan, de Del-Mar-mens genoemd, werd volgens deze methode gedateerd op 48.000 jaar. Een ander, het skelet van een vrouw gevonden in een opgraving dichtbij Sunnyvale, scheen nog ouder te zijn, een opzienbarende 70.000 jaar! Deze ouderdommen verwekten heel wat beroering, niet alleen in de algemene pers, maar vooral onder paleontologen, omdat niemand had geloofd dat er zo lang geleden al mensen in Noord-Amerika waren. De veronderstelling werd geuit dat er dan wel 100.000 jaar geleden mensen vanuit Azië over de Beringstraat konden zijn getrokken. Maar hoe zeker waren de dateringen die door deze nieuwe methode werden geleverd?
Om daar een antwoord op te geven, werden er tests uitgevoerd met een radiometrische methode waarbij tussenliggende vervalprodukten tussen uranium en lood gebruikt werden die halveringstijden hebben die zich voor dit tijdsgebied lenen. Dit leidde tot een ouderdom van 11.000 jaar voor het Del-Mar-skelet en van slechts 8000 of 9000 jaar voor de vondst van Sunnyvale. Er klopte iets niet.
De grote onzekerheid bij data die op racemisatie gebaseerd zijn, is de onbekendheid met de mate van verhitting die het monster heeft meegemaakt. Zoals hierboven is vermeld, is de racemisatiesnelheid bijzonder gevoelig voor de temperatuur. Als de temperatuur met 14 graden Celsius stijgt, gaat de reactie tienmaal zo snel. Hoe kan iemand weten aan welke temperaturen de beenderen al die jaren in het verleden blootgesteld zijn geweest? Hoeveel zomers hebben ze onbedekt onder de hete Californische zon gelegen? Of hebben ze misschien zelfs in een kampvuur of een bosbrand gelegen? Behalve de temperatuur blijken ook andere factoren de snelheid sterk te beïnvloeden, zoals de pH (de zuurtegraad). Een bericht zegt: „Aminozuren in afzettingen vertonen een aanvankelijke racemisatiesnelheid die een orde van grootte (tien keer) hoger is dan de snelheid die men bij vrije aminozuren bij vergelijkbare pH en temperatuur vindt.”
Zelfs dat is nog niet het einde van het verhaal. Een van de bij Sunnyvale gevonden beenderen werd getest op radiokoolstof, zowel door het tellen van de bètadeeltjes van de vervallende atomen als door de nieuwere methode van het tellen van de atomen. Deze gaven ruwweg dezelfde uitkomsten. Het gemiddelde was slechts 4400 jaar!
Wat kunnen wij geloven? Kennelijk zijn sommige uitkomsten er faliekant naast. Moeten wij dan maar het meeste vertrouwen stellen in de radiokoolstofmethode, aangezien daar meer ervaring mee is opgedaan? Maar zelfs met die methode leveren verschillende monsters van hetzelfde bot dateringen op die variëren van 3600 tot 4800 jaar. Wellicht moeten wij gewoon toegeven, met de woorden van de reeds geciteerde geleerde: ’Misschien zijn ze allemaal fout.’
[Inzet op blz. 23]
Inmiddels weet men dat er bij de radiokoolstofklok allerlei fouten kunnen optreden
[Kader op blz. 22]
Recentelijk berichtte Science News onder de titel „Nieuwe dateringen voor ’vroege’ gereedschappen”:
„Vier benen artefacten waarvan men had gedacht dat ze een bewijs leveren voor de aanwezigheid van mensen in Noord-Amerika zo rond 30.000 jaar geleden, zijn hoogstens ongeveer 3000 jaar oud, berichten de archeoloog D. Earl Nelson van de Simon Fraser-universiteit in Brits Columbia en zijn collega’s in SCIENCE van 9 mei. . . .
Het verschil in ouderdomsschattingen tussen de twee soorten koolstofmonsters van hetzelfde been is op zijn zachtst gezegd opmerkelijk. Een ’ontvlezer’ bijvoorbeeld, gebruikt om vlees van huiden af te schrapen, had aanvankelijk een radiokoolstofouderdom van 27.000 jaar gekregen. Die ouderdom is nu herzien tot ongeveer 1350 jaar.” — 10 mei 1986.
[Diagram op blz. 24]
(Zie publicatie voor volledig gezette tekst)
De hoeveelheid koolstof-14 (of geracemiseerd asparaginezuur) varieert met uitwendige omstandigheden
Variatie in kosmische straling
Koolstof-14
Temperatuurveranderingen
Asparaginezuur
[Diagram op blz. 26]
(Zie publicatie voor volledig gezette tekst)
L-asparaginezuur
COOH C NH2 H CH2COOH
D-asparaginezuur
HOOC C H2N H HOOCH2C