עדכון של מאגר הנתונים שעליו מתבססת השיטה הוותיקה לקביעת גילם של מאובנים עתיקים צפוי לשדרג את יכולותיה, וגם לשנות את הידוע לנו על גילם של ממצאים ארכיאולוגיים חשובים
תארוך פחמן 14, המשמש לקביעת גילם של ממצאים ארכיאולוגיים ופרהיסטוריים, עומד לעבור שדרוג משמעותי. לאחרונה התפרסם עדכון חדש ומקיף של מאגר הנתונים שעליהם מתבססת שיטת התארוך, והוא עתיד לשפר את רמת הדיוק של חקר העבר. העדכון עשוי לשנות את תארוכם של ממצאים פרהיסטוריים חשובים, ואף לשנות את תפיסותינו על שלבי ההתפתחות של המין האנושי ומתי הם התרחשו.
מאז שנכנס לשימוש בשנות ה-60 של המאה הקודמת, תארוך הפחמן חולל מהפכה במחקר הארכיאולוגי והפלאונטולוגי (חקר המאובנים). בפעם הראשונה אפשר היה לקבוע את גילם של ממצאים באמצעות שיטות מעולם המדעים המדויקים, במקום להסתמך רק על עדויות כתובות וממצאים עקיפים כמו סוג החרסים שנמצאו בחפירות. שיטת התארוך הזו מנצלת את תכונותיו הרדיואקטיביות של אחד האיזוטופים של היסוד פחמן, המאפשרות לחשב את גילם של שרידים אורגניים מרגע שמתו ונקברו.
לפני שתארוך הפחמן נכנס לשימוש, ארכיאולוגים נאלצו להסתמך על ממצאים עקיפים, כמו סוג החרסים שהשתנה מתקופה לתקופה. שברי כד מתקופת האבן בספרד | Marco Ansaloni, Look at Sciences, SPL
שלושה סוגים של פחמן
אטומים מורכבים מפרוטונים ונייטרונים, שנמצאים בגרעין, ומאלקטרונים המסתובבים סביבו. איזוטופים הם אטומים שמספר הפרוטונים בגרעין שלהם זהה, ולכן הם נחשבים אותו יסוד ורוב התכונות הכימיות והפיזיקליות שלהם זהות, אך הם נבדלים זה מזה במספר הניטרונים. ההבדל הזה עשוי להתבטא ביציבות שלהם, כלומר בנטייתם להתפרק. הפחמן מופיע בכדור הארץ בשלושה איזוטופים שונים שבהם שישה, שבעה או שמונה ניטרונים, ונקראים בהתאמה פחמן 12, פחמן 13 ופחמן 14 – המספר מייצג את הסכום הכולל של הניטרונים והפרוטונים בגרעין. פחמן 14 אינו יציב לאורך זמן, והוא מתפרק לאיזוטופ חנקן 14 בתהליך שנקרא דעיכה רדיואקטיבית. במקביל נוצר כל הזמן פחמן 14 חדש במרומי האטמוספרה, מתגובה של אטומי חנקן עם קרינת השמש.
הפחמן הוא מרכיב עיקרי בגופם של כל היצורים החיים. הם קולטים אותו לאורך חייהם מהסביבה על ידי קיבועו ישירות מהאוויר ומהמים בתהליך הפוטוסינתזה, כפי שעושים צמחים ויצורים חד-תאיים מסוימים, או על ידי אכילה של צמחים או של יצורים שניזונים מצמחים. היחס הכמותי בין שלושת איזוטופי הפחמן בגוף מייצג בקירוב את היחס ביניהם באטמוספרה.
זאת כל עוד היצור חי. ברגע שהוא מת, פוסקת כניסתם של אטומי פחמן חדשים. בהדרגה אטומי הפחמן 14 הישנים דועכים לחנקן 14, ואילו כמותם של האיזוטופים פחמן 12 ופחמן 13 נותרת יציבה. כך חלקו היחסי של האיזוטופ לעומת שני האחרים הולך ופוחת ככל שנוקף הזמן, בקצב קבוע וידוע המכונה זמן מחצית החיים. מדידת חלקם היחסי של פחמן 14 ותוצר הדעיכה חנקן 14 בשרידי היצור המת, והצבתם עם זמן מחצית החיים של האיזוטופ בנוסחה המתאימה, מאפשרת לחשב כמה שנים חלפו מאז שהיצור מצא את מותו. כך אפשר לחשב את גילם של עצמות, פיסות עץ וחומרים אורגניים נוספים.
האטומים דועכים בקצב קבוע. מבנה של אטום פחמן 14, עם שישה פרוטונים (באדום) ושמונה ניטרונים (בכחול) בגרעינו | Mikkel Juul Jensen, SPL
שינויים קלים אך משמעותיים
אחת מההנחות שהחישוב מתבסס עליהן הוא שריכוז הפחמן 14 באטמוספרה ובאוקיינוס נותר זהה תמיד, אך למעשה ריכוזו עבר שינויים לא קטנים. לכן צריך לכייל את החישוב לפי מה שידוע על הריכוז שהיה קיים בתקופה המשוערת שבה היצור חי, אחרת יתקבל גיל שגוי. אומנם השגיאה קטנה למדי, אך כשמבקשים למקם אירועים קדומים על ציר הזמן ולפענח את סדר התרחשותם, אפילו לטעויות קטנות עלולות להיות משמעויות מרחיקות לכת.
כדי ללמוד איך השתנה חלקו היחסי של פחמן 14 באטמוספרה עלינו לאתר שרידים אורגניים שאפשר לתארך גם בשיטות אחרות, נוסף על תארוך הפחמן. את חלקו של פחמן 14 באטמוספרה באותה תקופה אפשר להסיק מהסטייה שמתקבלת בין תארוך הפחמן לשיטות התארוך האחרות. זו משימה פשוטה יחסית כשמדובר בעבר הקרוב, אך היא נהיית יותר ויותר קשה ככל שחוזרים אחורה בזמן.
הכלי העיקרי ששימש בעבר לכיול הערכות ריכוז הפחמן הקדום היה מדידתו באזורים שונים של גזעי עצים, שהתאריך שלהם נקבע בעזרת טבעות הגדילה. בעצים חיים טבעות הגדילה מתווספות לגזע בקצב קבוע של טבעת אחת בשנה, כך שאפשר לדעת את גיל העץ על ידי ספירה פשוטה של הטבעות מההיקף החיצוני פנימה. העץ החי הזקן ביותר ששימש למטרה הזאת גדל בקליפורניה. בעזרתו יצרו מדענים רישום מדויק של ריכוז הפחמן 14 באטמוספרה מההווה ועד לפני כ-5,000 שנה. התאמה של רצפי טבעות של עצים מודרניים עם גזעי עצים קדומים שהתגלו בחפירות ובביצות, אפשרה להאריך את טווח הכיול עד 13,910 שנים אחורה.
לאחר מכן, עם פיתוחן של שיטות תארוך נוספות, הוארך בהדרגה טווח הכיול המוסכם על הקהילה המדעית ל-26 אלף שנה לפני זמננו, ובשנת 2009 אף זינק עד לכ-50 אלף שנה. העדכון המקיף האחרון נעשה לשיטה בשנת 2013, ושיפר משמעותית את רמת הדיוק שלה. עם זאת היא עדיין אינה חפה מטעויות, והן גדלות ככל שמתרחקים אחורה בזמן.
בעבר כיול תארוך הפחמן נעשה בעזרת טבעות הגדילה של עצים. גזע עץ כרות מציג את טבעות הגדילה | Maurice Nimmo, SPL
ידע חדש על העבר
הכיול המעודכן החדש, שנקרא IntCal20, מתבסס על 12,904 מדידות – כמעט כפליים ממספר המדידות ששימשו לכיול הקודם. בנוסף עשו החוקרים שימוש גם במדידות פחמן 14 שנאספו ממאובנים, אלמוגים, משקעי אגמים ונטיפים, שבדומה לטבעות העצים אפשר לתארך אותם גם באמצעים נוספים. כלים סטטיסטיים משופרים אפשרו לצמצם את אי הוודאות הכרוכה באיחוד של רצפי מדידות נפרדים. כעת הכיול החדש מאפשר לתארך בדיוק רב ממצאים פרהיסטוריים על פני 55 אלף שנה – 5,000 שנה מוקדם יותר מהרף הקודם.
העדכון כבר הוביל לתיקונים בתארוכם של ממצאים פרהיסטוריים חשובים, כמו אלה שמלמדים על ראשית הופעתו של האדם המודרני מחוץ לאפריקה: עצם הלסת Oase 1 שנמצאה ברומניה, ונחשבת לאחד מהשרידים הקדומים ביותר של האדם המודרני באירופה, תוארכה על סמך הכיול הקודם לטווח השנים בין 41,770-37,310 לפני זמננו. הכיול החדש צמצם את טווח הטעות והעמיד את תארוכה העדכני על 41,180-39,190 שנה, נתון שמעלה את גילה המשוער של הלסת בכמה מאות שנים. שרידיו של אדם מודרני נוסף מסיביר, המכונה Ust’-Ishim, דווקא נמצאו צעירים יותר בכאלף שנה לעומת הכיול הקודם, וגילם מוערך כעת בכ-45,950-42,890 שנים לפני זמננו.
מעבר לחשיבות שיש לתארוך של שרידים אנושיים, מציאת גילם המדויק יכול ללמד אותנו דברים נוספים, כגון הקשרים הגיאוגרפיים וההיסטוריים בין אוכלוסיות אנושיות שונות. לדוגמה, ריצוף הגנום שהופק מ-Oase 1 חשף שבלסת היה שיעור גבוה יותר של גֵנים ניאנדרטליים לעומת חלקם בגנום האנושי בן זמננו, דבר שמעיד שהערבוב בין אוכלוסיות האדם השונות באזור רומניה התרחש כמאתיים שנה מלבד לפני הולדתו של בעל הלסת. תומס היאם (Higham), שהיה בין חוקרי הלסת הקדומה Oase 1, מסביר בראיון לכתב העת המדעי Nature שהתארוך המעודכן שלה משליך גם על מה שידוע לנו בנוגע לתקופה שבה האדם הניאנדרטלי חי באירופה.
