О годичных кольцах и пыльце. Истории о прошлом человечества глазами растений

На Земле есть живые деревья, чей возраст насчитывает более 4000 лет. Например, Мафусаил – остистая межгорная сосна (Pinus longaeva), произрастающая в США. Есть еще Прометей – представитель того же вида. Ну и еще пара деревьев и… и на этом все. Работать, по большому счету, не с чем. На такой скудной выборке построить достоверную шкалу нельзя, уж больно велика вероятность допустить ошибку. А статистика такое очень не любит. Получается, что наши возможности ограничены лишь относительно долгоживущими видами, вдобавок к тому еще и не образующими крупные популяции. Картина выходит довольно пессимистичной. К счастью, на деле все совсем не так. Стараниями настоящих властелинов годичных колец – ученых-дендрохронологов – с помощью деревьев мы можем заглянуть даже в доцивилизационные времена и стать свидетелями далеких, но очень ярких событий в человеческой истории. Растения сами дали нам для этого все необходимые инструменты.

Чтобы прочитать эту живую летопись, нужно сперва понять, как она создается. Под корой каждого дерева заключен сложный живой механизм, который каждый год добавляет к своей биографии новую главу. Историю здесь пишет крошечный, почти невидимый слой клеток под корой – камбий. Он работает тихо, незаметно, но невероятно точно, как часовой механизм природы. Камбий – настоящая мастерская роста. Расположенный между древесиной и лубом, этот слой состоит из молодых, гибких клеток, готовых в благоприятное время превратиться во что-то новое.

Весной, когда солнце пригревает, а почва наполняется влагой, камбий просыпается первым. Он начинает строить, и делает это быстро и энергично. У хвойных деревьев в это время рождаются крупные тонкостенные клетки. У лиственных – мелкие сосуды, аккуратные и плотные. Ботаники называют это ранней древесиной. А потом, ближе к лету, ритм меняется. Рост замедляется. Клетки становятся мельче, их стенки толстеют и набирают прочность. Так формируется поздняя древесина – плотная и темная. Ее появление знаменует окончание сезона роста.

Между весенним и летним слоями граница почти незаметна, есть лишь плавный переход. Его не так-то просто уловить. Но вот между концом одного года и началом следующего уже появляется четкая, хорошо заметная черта. Здесь клетки становятся совсем плоскими, толстостенными – как будто дерево ставит точку. Это терминальный слой, природный разделитель глав. Именно по нему ученые и считают годы: одно кольцо – один год. Просто, гениально, безошибочно (рис. 1).

Рис. 1. Поперечный срез ствола четырехлетнего лириодендрона (лат. Liriodendron) под микроскопом. Четко различима структура четырех годичных колец, разделенных слоями терминальной древесины. У лиственных пород деревьев клетки древесины образуют сложные узоры, уникальные для каждого вида: А – ранняя древесина; Б – поздняя древесина; В – терминальная древесина; 1–4 – годичные кольца. Круглые области – трахеи и трахеиды (сосуды), предназначенные для проведения воды. Последовательность крупных сосудов из ранней древесины и более мелких сосудов из поздней древесины создает четкую текстуру. Сосуды с крупной апертурой формируются в более благоприятные для роста периоды времени.

Источник: Berkshire Community College Bioscience Image Library (адаптация).

Но самое интересное начинается дальше. Годичные кольца дают науке не просто календарь. Кольцо получилось толстым? Значит, природа в тот год была щедра и год выдался теплым и достаточно влажным. На срезе за ним следует ряд тонких колец? Дерево тогда едва выжило, несколько лет оно боролось за жизнь, страдая от засухи или аномальных холодов. Так в каждом кольце сохраняется отпечаток климатических изменений, зафиксированный в древесине на века.

Особенно ярко эта летопись читается там, где времена года четко выражены. Чаще всего такое наблюдается в умеренных широтах[1]. Там весна – это всегда взрыв жизни, а зима – глубокий сон. В таких регионах дожди и солнце, жара и заморозки сменяют друг друга с хирургической точностью. Именно здесь деревья становятся лучшими хронистами Земли, молчаливыми и абсолютно беспристрастными. Для науки это невероятно ценно, ведь мы говорим об истории, которую, как известно, пишут победители. А проигравшим слова не дают. Но только не в нашем случае! Деревья не позволят фактам исчезнуть в тумане мифов, политических интриг или простой человеческой забывчивости. Они – архивы без цензуры, в которых не переписывают даты, не стирают неудобные факты, не сжигают страницы после смены власти. Классик говорил, что рукописи не горят, и воистину был прав! Особенно, если речь идет о летописи годичных колец.

Итак, деревья – наилучшие хранители правды. Их кольца не лгут, не скрывают, не приукрашивают. Но как превратить эту летопись в точные календарные даты? Годичные кольца нетрудно рассмотреть на поперечном срезе ствола и без всякой дополнительной техники определить возраст растения. Достаточно просто посчитать. Звучит очень просто, но что же это получается? Неужели ученые ходят по лесам с топорами наперевес и рубят вековые деревья в угоду своим публикационным целям? На самом деле нет. Безусловно, объектом внимания дендрохронологов часто становятся стволы давно срубленных растений, срубы домов или деревянные предметы материальной культуры, но и без изучения живых деревьев никак не обойтись. И тут на помощь приходит не топор, а тонкий, почти ювелирный инструмент – возрастной бур.

Это устройство, похожее на длинное шило с резьбой, аккуратно ввинчивается в ствол. Если его вытащить из дерева, то на выходе мы получим тонкий цилиндр древесины, не толще карандаша. Ни ран, ни рубцов, ни ущерба для дерева. Оно даже не заметит операции. А ученый получит полную летопись жизни растения, от самой сердцевины до коры. Каждое кольцо на месте, и по ним уже можно отсчитать года. Теперь-то и начинается самое захватывающее, ведь пазл еще нужно правильно собрать. Один образец – это лишь одна история. Чтобы иметь перед глазами достаточно полную картину происходивших событий, нужно собрать десятки, а то и сотни таких образцов. Логика здесь такая: деревья одного вида, с одного склона, из одного леса – все они пережили одно и то же лето, одну и ту же зиму. Поэтому их кольца будут «звучать» в унисон. А узор, созданный чередой колец, будет неповторим и уникален для каждой отдельно взятой популяции деревьев. Ведь двух одинаковых лесов просто не бывает.

Тут настает время второго акта в этой детективной истории, поскольку ученым надо четко сказать: «это произошло в таком-то году» (к примеру, «в 1482-м»). Здесь уже не «примерно в XV веке», не «где-то во время крестьянских восстаний». Здесь – точный год. Каждое кольцо получает свой календарный адрес: «весна 1815-го», «зима перед чумой 1346-го». Как? Да очень просто! Особенно если вы знаете, когда дерево перестало расти. Мы уже упоминали, что дендрохронология чаще всего имеет дело с деревьями, которые давным-давно перестали быть живыми. Сотни лет назад люди превратили их в балки средневековых замков, обшивку затонувших драккаров[2], корпуса скрипок или же в доски для живописных панно. Они мертвы, но их кольца все еще хранят память. Проблема в том, что без внешней привязки – без «якоря» – мы точно не знаем, где начинается отсчет. И тут нас выручит живое дерево. Это наш современник, свидетель, хранитель непрерывной летописи, отправная точка. Тем самым возрастным буром у него берут тонкий керн[3], а затем читают годичные кольца до самого последнего, самого свежего. Того, что сформировалось в прошлом году. Выполнив все эти манипуляции, мы уже точно можем сказать, где здесь «сегодня».

Дальше начинается настоящая магия науки. История начинает оживать. Ученый накладывает узор колец с живого дерева на узор с древней доски и ищет момент, где рисунок совпадает идеально: вот тут у всех деревьев региона есть тонкое кольцо – ага, засуха! Потом виден резкий скачок – это точно был теплый дождливый год. А потом снова спад. Нашел? Значит, у тебя перед глазами уже полноценный фрагмент истории. Теперь-то уже можно «пришить» древнюю доску к живому календарю и продлить хронологию дальше в прошлое. Как присоединить один кусочек пазла к другому. Этот способ называется перекрестной датировкой. Именно он превращает давно срубленное дерево в часы, которые тикают сквозь века. Без него штрихкод из годичных колец – это просто красивые полоски. С ним же каждое дерево становится точной машиной, дающей точную хронологическую карту событий былых лет. Продолжать действовать таким образом можно практически бесконечно, с каждым шагом погружаясь все глубже в прошлое (рис. 2).

Рис. 2. Перекрестное датирование. Ученые строят шкалу для датировки, основываясь на совпадении в узоре годичных колец с одинаковой толщиной, погружаясь в прошлое по цепочке «живые деревья → мертвые деревья → ныне существующие деревянные постройки → деревянные археологические памятники → окаменевшие деревья».

Таким образом ученые действуют со времен уже знакомого нам Эндрю Дугласа. Как-никак это он заложил фундаментальные принципы метода. А базисные вещи меняются редко. Астроном не зря обратил внимание на желтую сосну. Она широко распространена в землях Северной Америки. Поэтому немудрено, что индейцы использовал ее древесину в качестве строительного материала. Но вот беда – максимальный срок жизни растений этого вида не превышает 500 лет. Ученый был уверен, что Таос-Пуэбло появился раньше, и принялся искать способы справиться с проблемой. Проделав колоссальную работу, ему удалось найти перекрытие между «штрихкодами» ранних дат в хронологии живых сосен и поздними кольцами на бревнах из индейских построек. Временной мостик был построен, так что остальное уже было делом техники. Очень скоро Дуглас нашел совпадения между участками дендрошкал в самых разных поселениях коренных народов Америки и продлил свою хронологию почти на 2000 лет в прошлое, определив не только возраст Таос-Пуэбло, но и многих других археологических памятников в США [2].

Что же, появление принципа перекрестного датирования было по-настоящему значимым событием. Однако за поворотом специалистов уже ждал еще один научный перелом. Спустя 20 лет после опубликования первых работ Дугласа для «властелинов колец» поистине наступила новая эра. Открытие во втором десятилетии ХХ века явления изотопии предопределило будущее науки о датировании. Уран, свинец, калий, аргон и другие элементы стали отличными помощниками в определении возраста различных предметов. Но лучшим партнером для дендрохронологии стал углерод. Технология определения возраста старинных образцов органики была предложена Уиллардом Либби в 1946 году, так что у древесного метода датировки была небольшая фора по сравнению со своим «младшим братом». Дендрохронология, в отличие от радиоуглеродного датирования, Нобелевской премии не снискала. Первые работы по хронологии годичных колец появились все же раньше публикаций Дугласа. То есть еще до того, как Альфред Нобель составил свое знаменитое завещание. А по правилам фонда премию ученым посмертно не присуждают.

Такой исход может показаться несправедливым, но вот какая тут вышла ирония судьбы. Именно «старший брат», лишенный лавров и медалей, стал той самой опорой, без которой радиоуглеродный метод никогда бы не смог засиять так ярко! Прежде всего потому, что атомы, как оказалось, не всегда говорят правду. Или, точнее, кое-чего недоговаривают. Радиоуглеродный анализ дает нам цифры, но с некоторой долей погрешности. И ошибается порой на десятки, а то и на сотни лет. Чем глубже в прошлое, тем больше будет разбег дат. А что же деревья? Годичные кольца себе такой вольности не позволяют и всегда дают конкретный ответ. С точностью до года.

Чтобы понять, почему эти два метода прекрасно сработались, нужно заглянуть в саму природу жизни на нашей планете. Углерод – это ее основа. Из него построены все белки, жиры, углеводы и нуклеиновые кислоты, необходимые для передачи наследственной информации. Каждая клетка нашего тела, каждый лист на дереве, каждая бактерия в почве – все это собрано на основе углеродного скелета. Его атомы способны существовать в виде двух стабильных изотопов: углерод–12, углерод–13 (12С, 13С) и одного радиоактивного: углерод–14 (14С), который постоянно образуется в атмосфере Земли под воздействием космических лучей.

Как и стабильные собратья, радиоактивный изотоп вступает в реакцию с кислородом, образуя необходимый для фотосинтеза углекислый газ и фиксируясь в растениях. Наращивая свою биомассу, они становятся пищей для травоядных животных, на которых, в свою очередь, охотятся хищники. В результате этого поглощенный растениями радиоуглерод движется по пищевым цепям и накапливается абсолютно во всех живых организмах. Содержание стабильных изотопов углерода в биологических объектах после их смерти остается неизменным, а радиоактивный углерод–14 постепенно распадается. Следовательно, анализируя соотношение стабильного и радиоактивного углерода в древнем материале, можно сделать вывод о его возрасте на дистанции до 55 000 лет. Этот предел обусловлен тем, что примерно к этому времени количество углерода–14 в образцах становится настолько ничтожным, что его уже трудно измерить с достаточной точностью даже современными приборами [3].

Проблема состоит еще и в том, что скорость распада изотопа далеко не всегда удается надежно спрогнозировать. Даже сейчас это остается нетривиальной задачей, особенно если стараться построить шкалу без уточнений с помощью сторонних методов. Поначалу это вообще приводило к необъяснимым, на первый взгляд, казусам. Так, однажды ученые решили проверить радиоуглеродным методом возраст останков нескольких нидерландских дворян. Их годы жизни были доподлинно известны, все они родились в XI–XIII веках. В распоряжении специалистов были могильные плиты с высеченными датами, поэтому неожиданностей ждать как будто бы не приходилось. Однако, когда ученые взялись за анализ изотопов, их ждал настоящий сюрприз. По результатам датирования все эти знатные особы вдруг постарели на 400 лет, радиоуглерод четко указал на VII век. Почему? Да потому что ели много рыбы. Типичный рацион жителей побережья.

Такое объяснение звучит как абсурд, но у него есть крепкая научная основа. Оказалось, что радиоуглерод все же не всесилен, а работающих с ним могут подстерегать довольно неожиданные трудности. Например, изотопный метод предполагает, что каждый организм на Земле дышит одним и тем же воздухом, что все мы вбираем в себя одинаковое количество углерода–14. Сначала так и полагали, но реальность, как это часто бывает, оказалась сложнее. В любом правиле найдутся свои исключения. В случае радиокарбона этим исключением оказалась вода.

Дело тут было вот в чем. В океанах, морях, реках и озерах углерод часто успевает сильно «состариться», прежде чем успеет добраться из глубинных отложений до поверхности. Там, на дне, радиоактивный изотоп сотни лет был изолирован от атмосферы и уже успел частично распасться. Рыбы, моллюски и другие жители гидросферы поглощают его постоянно в течение всей жизни, так он включается в пищевую цепь. В результате оказывается, что еще до рождения в организмах всевозможных обитателей рек, морей и океанов углерода–14 оказывается гораздо меньше, чем могло бы быть, если бы они жили на суше[4]. Вот поэтому результат датирования и показал возраст дворян куда больше реального, «старый» углерод регулярно попадал в их организм с морепродуктами и остался там на века. Сейчас наука уже научилась делать поправку в таких ситуациях, но на заре развития метода этот эффект попортил ученым немало крови [4].

С деревьями же складывается совсем другая ситуация. После того как клетки камбия завершают свою сезонную активность и процесс формирования годичного кольца завершается, радиоактивные изотопы в нем начинают распадаться с постоянной скоростью. Это свойство оказалось очень ценным для ученых. Радиоуглеродный метод не всегда дает четкий ответ, потому что уровень радиоактивного изотопа углерода в атмосфере нашей планеты периодически в прошлом менялся. Так уж вышло, что содержание углерода–14 в атмосфере сильно зависит от солнечной активности, и от этого никуда не деться. Мощные вспышки на Солнце или же, наоборот, резкое снижение их количества, произошедшее однажды в прошлом, вносят свои коррективы и мешают точному определению возраста по изотопным шкалам.

И вот тут на помощь углеродному датированию приходят растения. После завершения формирования годичного кольца радиоизотопы в нем перестают обновляться, ведь растение больше не использует углерод для построения древесины. Сезон завершен, и потребности в наращивании тканей до следующего периода роста уже не будет. Именно поэтому деревья оказались идеальными архивными хранилищами уровня содержания радиоактивного изотопа углерода, когда-то поглощенного ими из атмосферы.

Однако содержание углерода–14 в атмосфере – величина непостоянная. Оно меняется, в том числе из-за колебаний солнечной активности. И что важно, эти изменения тоже «записываются» в изотопном составе древесных колец. Поэтому, используя данные дендрохронологии, ученые могут понять, в какие календарные годы произошли эти скачки, и сделать поправку в своей шкале радиодатировки. Ну а затем перенести эти выводы уже на углерод, выделенный из останков других организмов. Работая в паре, эти два метода позволяют получать точные данные, избегая ошибок, связанных с воздействием множества экологических факторов.

Звучит все это и правда красиво, но без одной проблемы тут все же не обошлось. Долгие годы у дендрохронологии был собственный, маленький, но очень злой «дьявол». Выглядел этот негодник следующим образом. Хронологическая шкала, построенная для, например, Шотландии, была бесполезна в датировках материала, собранного в Китае или США. Так уж устроен наш мир, природные сообщества очень ревнивы и требуют от ученых персонального анализа для каждого из них. Создать идеальную, работающую везде и всегда хронологию годичных колец долгое время представлялось совершенно непосильной задачей. И вот совсем недавно науке удалось этого «дьяволенка» победить. Ну или как минимум крепко взять за горло.

Ключ к решению проблемы был найден за пределами Земли. Началось все с открытия, сделанного в 2012 году молодой исследовательницей Фусой Мияке, тогда еще аспиранткой Нагойского университета. Анализируя годичные кольца японских кедров (Cryptomeria japonica), она обнаружила необъяснимый, но четкий всплеск радиоуглерода–14, приходящийся на 774–775 годы н. э. Этот сигнал был настолько сильным, что в 20 раз превышал колебания солнечной активности, которые обычно регистрируют современные астрономы [5].

Позже международная команда исследователей под названием COSMIC{COSMIC (Commensal Open-Source Multimode Interferometer Cluster) – комплекс обработки сигналов, подключенный к радиоастрономической обсерватории VLA. Это масштабный проект по поиску внеземного разума в рамках программы SETI (Search for Extraterrestrial Intelligence).}* подтвердила: это явление не было локальной аномалией. В 2018 году в журнале Nature они опубликовали работу, показавшую, что те же самые пики углерода–14 присутствуют в древесине на всех пяти континентах – от западноамериканской сосны (Pinus ponderosa) до новозеландского каури (Agathis australis). Более того, в ледяных кернах Гренландии и Антарктиды в тех же временных слоях обнаружили всплески бериллия–10 – еще одного изотопа, образующегося под действием космических лучей. Это означало, что Земля в конце VIII века подверглась мощнейшему потоку высокоэнергетического излучения, возможно, произошедшего от сверхсильной солнечной вспышки или даже всплеска активности более далекой звезды.

Сегодня такие глобальные всплески радиоуглерода носят имя своей первооткрывательницы, их называют «события Мияке». После 774 года был найден и второй ясный сигнал – в 993–994 годах, а затем и еще несколько, самый древний из которых датирован 7176 годом до н. э. Для дендрохронологии это стало еще одним прорывом. До этого увязать древесные хронологии разных регионов, особенно там, где нет перекрывающихся периодов роста, было действительно крайне сложно. Но события Мияке работают как космические метки времени, видимые одновременно во всех деревьях планеты. Благодаря им ученые получили возможность синхронизировать дендрошкалы с точностью до одного года, независимо от вида дерева или климата региона [6].

Нужно отметить, естественно-научными методами дело не ограничилось. Авторы публикации нашли следы описываемых событий и в исторических документах. Так, британские астрономы VIII века отмечали регулярное появление «красного креста в небе, похожего на кровавое северное сияние» в промежутке между 773 и 776 годами. Врач Томас Шорт (1690–1772) упоминал запись из такого важного исторического источника эпохи раннего Средневековья, как «Хроники Титмара Мерзебургского», сделанную 7 января 993 года: «…в один из ночных часов, внезапно, как в полдень, в ночи засиял свет. Это длилось час, затем небо стало красным и ночь вернулась…» Но даже не это было самым интересным.

Через три года после публикации доказательств глобального характера последствий вспышек уже другая исследовательская группа применила полученные коллективом COSMIC данные к изучению возраста построек викингов – первых колонизаторов Северной Америки. Археологи обнаружили элементы деревянных домов на острове Ньюфаундленд еще в 1960 году, но однозначно ответить на вопрос об их возрасте долгое время не удавалось. Историкам известны исландские саги XIII века, описывающие экспедиции древнескандинавского мореплавателя Лейфа Эриксона в страну, называемую Винланд. Так варяги называли земли Северной Америки, лежащие за морями, далеко на западе. Анализ текстов указывал на то, что первые скандинавы достигли берегов Нового Света примерно на рубеже тысячелетий нашей эры, но это были все же косвенные выводы. Железные гвозди и элементы вооружения, оставленные викингами в поселении, – все это подкрепляло догадки, но конкретный год высадки колонистов все же оставался неизвестен. До тех пор, пока свое слово не сказали годичные кольца.

Дендрохронологи изучили образцы из Ньюфаундленда и смогли найти в деревянных элементах построек следы события Мияке 993 года. При этом годичные кольца, содержащие следы необычно высокого уровня углерода–14, были перекрыты 28 слоями, не содержащими радиоуглеродных аномалий. А это значит, что использованные для постройки знаменитых длинных домов деревья были срублены викингами спустя 28 лет после вспышки. То есть в 1021 году. Техника обработки древесины однозначно указывала на обработку бревен железными топорами, поэтому говорить об индейском происхождении стройматериалов не приходилось – аборигены Северной Америки тогда железа не знали. Конечно, можно предположить, что деревья были срублены скандинавами и раньше, но это маловероятно. Во-первых, лежалая древесина быстро сыреет и сильно теряет в прочности. Во-вторых, судя по всему, пришельцам на новой земле приходилось действовать оперативно, опасаясь стычек с местными. Кроме того, из саг мы знаем, что викинги ненадолго задержались в новой колонии – спустя две зимы после прибытия отряд Лейфа отплыл домой, оставив нам на память интереснейшую археологическую загадку [7].

Значимость полученных данных сложно переоценить – в этих исследованиях впервые была подтверждена глобальная межконтинентальная согласованность локальных дендрохронологических датировок. Подобные работы открывают удивительные горизонты для наук об исторической летописи нашей планеты. Еще совсем недавно погрешность радиоуглеродного датирования на предельных временных отсечках измерялась сотнями лет, что позволяло всевозможным приверженцам альтернативных исторических взглядов предъявлять к хронологам массу претензий. Появление методик, основанных на глобальной привязке абсолютных календарных датировок образцов с разных концов Земли к уровню солнечного излучения в будущем может дать нам возможность безошибочно датировать очень древние образцы не только по годам, но и по сезонам (основываясь на логике прироста уже упомянутых выше ранней и поздней древесин)! И это не фантастика, методика работает уже сейчас.

Археология говорит нам, что первые деревянные постройки появились около 10 000 лет назад. До столь древних времен ученые пока не дотянулись, но интересные результаты тем не менее есть. Именно дендрохронологи смогли приоткрыть завесу тайны, окружавшей развалины крепости Пор-Бажын, расположенной в Республике Тыва. Памятник изучали очень долго, однако установить время и предназначение постройки никак не удавалось. Кроме того, в Пор-Бажыне не было найдено никаких признаков заселения. Культурный слой был очень беден, не было ничего, что свойственно обжитому месту. Специалисты, изучавшие историю азиатского Средневековья, предполагали, что крепость была заброшена вскоре после строительства, но почему? Благодаря событию Мияке получили не только точную дату постройки, но и узнали, что деревья, из которых изготовили стройматериалы, были срублены летом. На это указала как раз та самая граница между ранней и поздней древесиной во внешних кольцах. Дендрохронологи отнесли начало строительства к 777 году, то есть к эпохе третьего Уйгурского каганата. Правивший тогда Бёгю-каган отказался от языческих культов и принял манихейство – религию, рассматривающую все сущее как непрерывную борьбу добра и зла. Далеко не все уйгуры одобрили идею кагана, и вскоре произошло восстание. Пор-Бажын возводили именно как святилище для обрядов новой веры, так что после смерти правителя потребность в нем отпала и манихейский храм был разрушен. Бёгю-каган погиб в 779 году, как раз к моменту завершения строительных работ. Поэтому обряды в нем не проводились, что и стало причиной отсутствия культурного слоя как такового на месте развалин [8].