生命科學

搭乘鈾釷時光機 重返遠古世界

我們無法真的回到過去,但利用日趨精進的定年技術,以更加明確畫出古人類的演化時間圖。

撰文/沈川洲

生命科學

搭乘鈾釷時光機 重返遠古世界

我們無法真的回到過去,但利用日趨精進的定年技術,以更加明確畫出古人類的演化時間圖。

撰文/沈川洲

重點提要
■利用放射性元素會隨著時間而衰變的特性,我們可依照同位素衰變比值計算出古老遺跡的年代。
■考古學研究常利用「碳14定年法」,但碳14的半衰期為5730年,測量年代極限約為五萬年,適用於演化時間上較晚出現的尼安德塔人遺跡,例如3萬9000年的滅絕族群。
■「鈾釷定年法」適合測定60萬年以內的地質年代,經過技術精進,已可測定的極限是80萬年,適用於更早期的古人類遺跡。

我們沒有哆啦A夢的時光機,不能回到過去,窺知究竟;但我們想要了解你我的過去,現在能做的事,就是找出全球各地人類的遺跡,而且還得想辦法知道發生的「時間」,才能一片一片依時序拼湊起來。

你也許知道,320萬年前的南猿露西(Lucy)是最早會用兩足行走的人類祖先;但2009年10月《科學》(Science)雜誌特別刊登11篇論文的專題報導,從南非阿爾迪(Ardi)古猿的骨骼特徵與年代,把這項紀錄推到更早的440萬年前。

第一次古人類大規模離開非洲的時間是190萬年前、北京原人生存年代為77萬年前、從澎湖水道發掘到的澎湖原人下頷骨則距今約45萬~19萬年前、歐洲的尼安德塔人消失於3萬9000年前!但你知道這些時間是怎麼來的嗎?

對於缺乏文字記載的歷史遺跡,人類學家比較不會去拜廟求神,倒是經常找地質定年學家來幫忙,以各種方法,直接測量或間接估計史前遺骸、化石或文化遺跡的年代,這種學問稱為「考古年代學」(archaeological chronology)。

其中,超過100年理論基礎的放射性時鐘(radioactive clock)已廣泛應用在遺跡的年代測定上。英國科學家、現代核物理之父拉塞福(Ernest Rutherford)在尚不知放射性同位素是何物的情況下(請見2011年12月號〈變動中的原子量〉),觀察釷元素「發散」(emanation)出來的「釷氣體」變化量與時間的關係,在1900年代提出對整個現代科學進展有重大影響的衰變理論。理論是這麼說的:物質隨時間的變化速率,等於物質的總量和一個常數的乘積。其實,當年拉塞福描述的「物質」就是放射性核種,「一個常數」便是衰變常數,而他觀察到的「釷氣體」則是由釷232衰變而來、半衰期為55.6秒的氡220。隨後,美國化學家波特伍德(Bertram Boltwood)在1907年依照這個理論,首度用鈾鉛含量比例測量礦物的形成時間。於是「衰變核種時光機」從此誕生,使得考古學研究如虎添翼,人類演化的相關進展,突飛猛進,一日千里。

「衰變核種時光機」發展至今,已超過數十種,但並非萬能,各有不同適用範圍與優缺點。舉例來說,在1930年代,由美國化學家利比(Willard Libby)帶領的研究團隊提出的碳14定年法,現在已經廣泛應用在考古學研究上,適合的材料很多,例如骨骼、木塊或貝殼都可以直接定年,像最晚期的尼安德塔人就是用此方法測得生存年代。碳14的半衰期為5730年,測量年代極限約為五萬年,所以更老的標本就得靠其他定年方法了。例如數百萬年前的露西與阿爾迪,缺乏適當的「衰變核種時光機」可對骨骼直接定年,而是利用「氬氬定年法」,測量遺跡上下層位的堆積火山灰裡礦物形成時間,間接估計而來。

同位素定年,帶我們回到過去

古人類常以洞穴為家,藉此防禦凶猛野獸攻擊,而且遮風避雨、冬暖夏涼,是絕佳的避難所與生息棲地。而石灰岩地質最容易形成洞穴,石灰岩主要成份是碳酸鈣,經偏酸性的雨水千萬年淋蝕,久而久之便形成了溶洞,提供古人類庇護所。許多10萬年以上的骨骼遺骸,常常被發現保存在這種相對封閉的環境中。全球各地四處可見石灰岩洞穴,例如從歐洲到中東一帶,從北亞、南亞,一直到南半球的新幾內亞與紐西蘭,如今都是我們了解過去人類在百萬年前離開非洲後的演化與文明起源的重要處所;而對於這些在數十萬年前到近代的出土物,現今美國哥倫比亞大學教授布羅克(Wally S. Broecker)早在1963年提出的鈾釷定年法,剛好是非常適合的「時光機」。
「鈾釷時光機」的母核種為鈾238與鈾234,是不穩定的核種,會衰變為釷230,然後持續衰變到最終穩定的鉛206。鈾釷定年法就是測量鈾238衰變系列中的三個放射性核種:鈾238、鈾234、釷230,三者的相對放射性活度比值,再依據定年公式來計算樣本的年齡。
一般地表環境中,釷元素具有非常強的親土性,在水中含量極低,所以在石灰岩溶洞裡,鐘乳石碳酸鈣剛沉積時幾乎不含釷230。碳酸鈣裡的鈾238與鈾234隨著時間流逝,衰變成越來越多的釷230,計算核種間的相對比值,便可以知道鐘乳石的沉積年齡。
當然,釷230也是不穩定核種,半衰期約為7.6萬年,所以「鈾釷時光機」適用的年代範圍從現代到60萬年。當研究人員找不到用碳14定年法的適當材料,或者是年代超過五萬年,就可以用洞穴遺址上下層位形成的鐘乳石,進行鈾釷定年來估計時間,許多歐洲發現的海德堡人與尼安德塔人都是用這種時光機得到年代。

一封來自美國的求救信

2009年初春,我的電子信箱裡收到一封來自美國地質調查所研究員比紹夫(Jim Bischoff)的求救信。信中寫道他與柏克萊地質年代學中心的夏普(Warren D. Sharp)以及西班牙人類學研究中心的首席科學家阿蘇亞加(Juan Luis Arsuaga)合作,在西班牙北方阿特普卡山區發現超過5000件人類骨骼化石的胡瑟裂谷洞穴,正在進行古人類演化定年工作。
研究團隊在這個洞穴挖掘出超過10具完整頭顱,由結構與特徵判斷,他們是目前為止發現的最早期尼安德塔人。比紹夫與夏普為一個頭顱樣本上沉積的碳酸鈣進行鈾釷定年,結果是43萬年;由於碳酸鈣只能在頭顱形成後沉積,也就是說尼安德塔人生存年代至少已經43萬年或更早,這個發現實在是太驚人了;因為過去科學家相信,尼安德塔人是30萬年前才出現。而同樣生活在歐洲,起源於約60萬年前、在30萬年前消失的海德堡人,經合理推論是尼安德塔人的祖先。
但這個新的定年結果顯示,尼安德塔人可能和海德堡人在同一個區域同時存在!另一個重點是,在胡瑟裂谷這個「白骨之坑」發現的早期尼安德塔人,可能的生存時間最早為何?分析位於遺骸堆積處正下方沉積的鐘乳石板形成年代,就可以解答。問題是,這個鐘乳石年齡就在鈾釷定年法的極限邊緣;比紹夫在2007年好不容易給出了一個60萬年,但誤差為「+無窮大」與「-7萬年」的範圍,這個年齡就好像只比問土地公好一些。於是,比紹夫問我,可不可以測準一點,給個比較精確的年代。
話說得容易,「給個比較精確的年代」,但連頂尖的柏克萊地質年代學中心都測不準,要對這種極限樣本精準定年,談何容易。只能說比紹夫剛好在對的時機,找到對的人幫忙,我們在2010年7月用最新的鈾234與釷230半衰期完成分析,測出85.6萬年,誤差為「+11.0萬年」及「-6.5萬年」。其實得到這個可靠且「精準」的年代,是非常困難的。
鈾釷衰變系統中,在釷230前三個半衰期時間裡,放射性活度比值變化較大。舉例來說,當鐘乳石保存到第一、第二和第三個半衰期時,釷230/鈾234的放射性活度比值,從初期的0,提高到0.500、0.750與0.875。到了第四到第七個半衰期時,活度比值只增加了幾個百分點。第八到第九個半衰期,活度比值僅提高千分之二,到了第十個半衰期以後,每經歷一個半衰期,活度比僅增加非常細微的萬分之幾,例如,第十一個半衰期活度比值為0.9994,到了第十二個半衰期(91.2萬年),活度比值為0.9996,釷230/鈾234活度比值的改變量僅僅萬分之二。在2008年以前,鈾釷同位素比值的測量誤差最小為千分之一,所以定年極限約為第八個半衰期(60萬年)。
想要用「鈾釷時光機」分析超過第十個半衰期(76萬年)以上的樣本,測量鈾釷同位素比值的誤差必須小於萬分之五,同時鈾234與釷230半衰期準確度也要提升才有可能,也就是說鈾釷定年系統需要重新精煉,整體提升;這樣的工作,少說也要花個五、六年才有可能。美國明尼蘇達大學地球科學系同位素實驗室的定年專家艾思本(Larry Edwards)與程海,自2004年起開始發展新一代的鈾釷時光機,我們也很幸運在團隊當中一起打拚。

Larry與海

鈾234與釷230的半衰期有數萬年以上,使用「計數器」測量核種衰變釋放的微弱放射性強度,不僅樣本需要數公克到數十公克之多,還要好幾天的分析時間,才能有百分之一的準確度。1990年代以後,「熱游離質譜儀」漸漸取代計數器,直接測量各核種含量的比例,所需的樣本不到一公克,而且只要幾個小時的測量時間,便可以精確得到鈾釷同位素比值,誤差為千分之一、二,比計數器還要好上5~10倍。但想要分析40萬年以上的樣本,還是很困難,主要原因是當時使用的半衰期是用計數器測量計算而來。鈾238為主要同位素,半衰期可以量得很準,為萬分之五;但非常微量的釷230與鈾234,數量僅僅約是鈾238的十萬分之五或更少,半衰期精確度僅有千分之四到八,比熱游離質譜儀分析的鈾釷同位素比值誤差還要大,影響到定年極限。
1996年,「Larry與海」開始進行新的半衰期計畫,經過四年,成功獲得精確的釷230與鈾234半衰期值,誤差為千分之二到三,一舉把「鈾釷時光機」的極限推到60萬年。當然這種「鈾釷時光機」無法測量80萬年以上的樣本,除非半衰期精準度再度提升。幸好在20世紀末期,質譜儀技術不斷翻新,新型的「感應耦合電漿質譜儀」問世,測量的靈敏度是熱游離質譜儀的10倍以上,提供了這個可能性。
2003年3月,我從明尼蘇達大學同位素實驗室返台的第三年,與Larry還有程海相約到德國不來梅市,測試最新型的「多頻感應耦合電漿質譜儀」,隨後相繼採購同型儀器。在這個跨國合作團隊中,我們共同研發高精確的鈾釷同位素分析技術,程海主要負責最重要的新半衰期計畫,台灣大學則專注在年輕樣本的定年工作(詳見2009年12月〈追尋地震預測的聖杯〉)。
經過五年的努力,我們把鈾釷同位素分析誤差下降至萬分之二,同時開發完成新的鈾234與釷230半衰期值,分別為24萬5620±260年與7萬5584±110年。程海在2008年夏天完成論文的第一版初稿,再經過五年的仔細驗證,終於在2013年6月讓這個劃時代的新里程碑正式發表問世!同時也代表著程海等人在2000年發表的半衰期完成階段性任務,光榮退役。由於大家的努力,我們才具備了測量60萬年以上樣本的能力,並於2009年獲邀加入胡瑟裂谷洞穴尼安德塔人的研究團隊,協助定年工作。
研究人類演化就像4D拼圖,成功與否,還原或失真,「時間」是一個極為重要的關鍵。雖然「鈾釷時光機」極限定年已經可以到80萬年,未來再怎麼精煉與突破,恐怕無法超過100萬年。對於直立人第一次大規模離開非洲後到80萬年前之間的全球人類演化拼圖,還得發展其他衰變核種時光機才行。