دانشمندان چگونه سن استخوان‌های دایناسور را تعیین می‌کنند؟
زمانی که دیرینه‌شناس مری شوایتزر (Mary Schweitzer) بافت نرمی را در فسیل تیرانوزاروس رکس (Tyrannosaurus rex) یافت، کشف او یک سؤال واضح را ایجاد کرد: چگونه این بافت می‌توانست تا این حد زنده بماند؟ این استخوان ۶۸ میلیون سال قدمت داشت و حکمت متعارف در مورد فسیل‌شدن این است که تمام بافت‌های نرم، از خون گرفته تا مغز، تجزیه می‌شوند. فقط قسمت‌های سخت، مانند استخوان‌ها و دندان‌ها می‌توانند به فسیل تبدیل شوند. اما برای برخی از مردم، این کشف سؤال متفاوتی را ایجاد کرد: چگونه دانشمندان می‌دانند که استخوان‌ها واقعاً ۶۸ میلیون سال سن دارند؟
دانش امروزی در مورد سن‌های فسیلی عمدتاً از سن‌سنجی رادیومتری (radiometric dating) که به نام سن‌سنجی رادیواکتیو (radioactive) نیز شناخته می‌شود، به دست می‌آید. سن‌سنجی رادیومتری بر خواص ایزوتوپ‌ها متکی است. ایزوتوپ‌ها عناصر شیمیایی مانند کربن یا اورانیوم هستند که به جز یک ویژگی کلیدی، یعنی تعداد نوترون‌های هسته آن‌ها، در بقیه ویژگی‌ها یکسان هستند.
اتم‌ها ممکن است دارای تعداد مساوی پروتون و نوترون باشند. با این حال، اگر تعداد نوترون‌ها خیلی زیاد یا خیلی کم باشد، اتم ناپایدار است و تا زمانی که هسته‌اش به حالت پایدار برسد، ذراتی از خود آزاد می‌کند. هسته را به عنوان هرمی از بلوک‌های سازنده اتم در نظر بگیرید. اگر بخواهید بلوک‌های اضافی را به هرم کناری اضافه کنید، ممکن است برای مدتی در جای خود باقی بمانند، اما در نهایت فرو می‌ریزند. اگر یک بلوک را از یکی از اضلاع هرم دور کنید نیز همین امر صادق است و بقیه ساختار را ناپایدار می‌کند. در نهایت، برخی از بلوک‌ها می‌توانند فرو بریزند و ساختاری کوچکتر و پایدارتر باقی بماند.
نتیجه مانند یک ساعت رادیواکتیو است که با تجزیه ایزوتوپ‌های ناپایدار به ایزوتوپ‌های پایدار، تیک تاک می‌کند. شما نمی‌توانید پیش‌بینی کنید که چه زمانی یک اتم ناپایدار خاص، یا والد (parent)، به یک اتم پایدار، یا دختر (daughter)، تجزیه می‌شود. اما شما می‌توانید پیش‌بینی کنید که چقدر طول می‌کشد تا یک گروه بزرگ از اتم‌ها تجزیه شوند. نیمه عمر (half-life) این عنصر مقدار زمانی است که نیمی از اتم‌های مادر در یک نمونه، تبدیل به اتم‌های دختر می‌شوند.
برای خواندن زمان در این ساعت رادیواکتیو، دانشمندان از دستگاهی به نام طیف‌سنج جرمی (mass spectrometer) برای اندازه‌گیری تعداد اتم‌های مادر و دختر استفاده می‌کنند. نسبت والدین به دختر می‌تواند به محقق بگوید که نمونه چند ساله است. هر چه ایزوتوپ‌های والد بیشتر باشد – و ایزوتوپ‌های دختر کمتر باشد – نمونه جوان‌تر است. نیمه عمر ایزوتوپی که اندازه‌گیری می‌شود تعیین می‌کند که چقدر در تاریخ‌گذاری نمونه‌های بسیار قدیمی، مفید است. وقتی همه والدین، تبدیل به دختر شدند، دیگر مبنایی برای مقایسه بین این دو ایزوتوپ وجود ندارد. دانشمندان نمی‌توانند تشخیص دهند که آیا این ساعت چند روز پیش شروع به کار کرده یا میلیون‌ها سال پیش. این بدان معناست که ایزوتوپ‌های با نیمه عمر کوتاه برای تاریخ‌گذاری استخوان‌های دایناسور‌ها کارایی ندارند.
نیمه عمر کوتاه تنها بخشی از مشکل در تعیین سن استخوان‌های دایناسور است – محققان همچنین باید به اندازه کافی اتم‌های والد و دختر را برای اندازه‌گیری پیدا کنند. در ادامه بخوانید تا ببینید چه چیزی برای سن‌سنجی یک فسیل لازم است و خاکستر آتشفشانی چه ارتباطی با آن دارد.
سن‌سنجی سنگ رسوبی
شناخته‌شده‌ترین شکل سن‌سنجی رادیومتری، تاریخ‌گذاری با کربن-14 (یکی از ایزوتوپ‌های پرتوزای اتم کربن– مترجم) است. این همان چیزی است که باستان‌شناسان برای تعیین سن آثار دست‌ساز بشر استفاده می‌کنند. اما قدمت کربن-14روی استخوان‌های دایناسور‌ها کار نمی‌کند. نیمه عمر کربن-14 تنها ۵۷۳۰ سال است، بنابراین تاریخ‌گذاری کربن ۱۴ تنها بر روی نمونه‌هایی با قدمت کمتر از ۵۰۰۰۰ سال مؤثر است.
از سوی دیگر، استخوان‌های دایناسور، میلیون‌ها سال قدمت دارند – برخی از فسیل‌ها میلیارد‌ها سال قدمت دارند. برای تعیین سن این نمونه‌ها، دانشمندان به ایزوتوپی با نیمه عمر بسیار طولانی نیاز دارند. برخی از ایزوتوپ‌های مورد استفاده برای این منظور عبارتند از اورانیوم-238، اورانیوم-235 و پتاسیم-40 که نیمه عمر هر کدام بیش از یک میلیون سال است.
متأسفانه، این عناصر در خود فسیل دایناسور‌ها وجود ندارند. هر یک از آن‌ها معمولاً در سنگ‌های آذرین (igneous rock) یا سنگ‌های ساخته‌شده از ماگمای سرد شده (مواد مذاب درون زمین که بسیار گرم بوده و تحت فشار شدید در زیر پوسته قرار گرفته‌اند و معمولاً از طریق شکستگی‌ها و سایر نقاط نازک بیرون می‌آیند و سرد می‌شوند – مترجم) وجود دارند. با این حال، فسیل‌ها در سنگ‌های رسوبی تشکیل می‌شوند – رسوب به سرعت بدن دایناسور را می‌پوشاند و رسوبات و استخوان‌ها به تدریج به سنگ تبدیل می‌شوند. اما این رسوب، به طور معمول ایزوتوپ‌های لازم در مقادیر قابل اندازه‌گیری را در خود ندارد. فسیل‌ها نمی‌توانند در سنگ‌های آذرین که معمولاً حاوی ایزوتوپ‌ها هستند، تشکیل شوند. دمای شدید ماگما استخوان‌ها را از بین می‌برد.
بنابراین برای تعیین سن لایه‌های سنگ‌های رسوبی، محققان ابتدا باید لایه‌های همسایه و مجاور آن‌ها را پیدا کنند که شامل سنگ‌های آذرینی مانند خاکستر آتشفشانی هستند. این لایه‌ها مانند تخته‌های ابتدا و انتهای یک ردیف کتاب هستند – آن‌ها شروع و پایانی را برای دوره زمانی ایجاد سنگ رسوبی ایجاد می‌کنند. با استفاده از سن‌سنجی رادیومتری برای تعیین سن براکت‌های آذرین (igneous brackets) ، محققان می‌توانند به طور دقیق سن لایه‌های رسوبی بین آن‌ها را تعیین کنند(منظور از براکت‌های آذرین لایه‌های خاکستری است که در بالا و پایین یک سنگ رسوبی قرار دارند و مانند علامت براکت یا تخته ابتدا و انتهای یک ردیف کتاب عمل می‌کنند و چون سن آن‌ها را می‌توان به دست آورد، حداکثر و حداقل سن یک لایه رسوبی را می‌توان تعیین کرد-م).
محققان با استفاده از ایده‌های اولیه تعیین سر و ته یا براکتینگ (bracketing) و سن‌سنجی رادیومتری، سن لایه‌های سنگ را در سراسر جهان تعیین کرده‌اند. این اطلاعات همچنین به تعیین سن خود زمین کمک کرده است. در حالی که قدیمی‌ترین سنگ‌های شناخته شده روی زمین حدود 3.5 میلیارد سال سن دارند، محققان بلور‌های زیرکنی (zircon crystals) را پیدا کرده‌اند که 4.۳ میلیارد سال قدمت دارند (USGS).
بر اساس تجزیه و تحلیل این نمونه‌ها، دانشمندان تخمین می‌زنند که خود زمین حدود 4.5 میلیارد سال قدمت دارد. علاوه بر این، قدیمی‌ترین سنگ‌های شناخته شده ماه نیز، 4.5 میلیارد سال قدمت دارند. از آنجایی که ماه و زمین احتمالاً همزمان شکل گرفته‌اند، این موضوع از ایده فعلی سن زمین پشتیبانی می‌کند.
سایر روش‌های تاریخ‌گذاری
سن‌سنجی رادیومتری تنها روش برای تعیین سن سنگ‌ها نیست. تکنیک‌های دیگر شامل تجزیه و تحلیل اسید‌های آمینه (analyzing amino acids) و اندازه‌گیری تغییرات در میدان مغناطیسی یک جسم (measuring changes in an object’s magnetic field) است. دانشمندان همچنین پیشرفت‌هایی در اندازه‌گیری‌های استاندارد رادیومتریک ایجاد کرده‌اند. برای مثال، با استفاده از لیزر، محققان می‌توانند اتم‌های والد و دختر را در مقادیر بسیار کمی از ماده اندازه‌گیری کنند، که امکان تعیین سن نمونه‌های بسیار کوچک را فراهم می‌کند.(New Scientist).
سؤالات متداول درباره استخوان دایناسور
قدیمی‌ترین فسیل‌ها کجا پیدا شد؟
قدیمی‌ترین فسیل‌ها که طبیعت میکروسکوپی دارند (در مقیاس‌های خیلی کوچک وجود دارند – مترجم)، در یک صخره 3.5 میلیارد ساله در غرب استرالیا کشف شدند.
آیا دایناسور‌ها میلیون‌ها سال قدمت دارند؟
در پایان دوره کرتاسه (Cretaceous Period)، دایناسور‌ها منقرض شدند. این زمان حدود ۶۵ میلیون سال پیش بود. اعتقاد بر این است که دایناسور‌ها نزدیک به ۱۶۵ میلیون سال روی زمین راه رفته‌اند.
سن فسیل چگونه محاسبه می‌شود؟
سن فسیل‌ها با استفاده از دو روش سن‌سنجی نسبی (relative dating) و سن‌سنجی مطلق (absolute dating) تعیین می‌شود. در سن‌سنجی نسبی، فسیل‌ها را با فسیل‌ها و سنگ‌های مشابه مقایسه می‌کنند که سن آن‌ها مشخص است. ولی سن‌سنجی مطلق برای محاسبه سن دقیق فسیل‌ها از طریق سن‌سنجی رادیومتری استفاده می‌شود. این فرآیند تجزیه ایزوتوپ را در داخل فسیل یا سنگ اندازه‌گیری می‌کند تا سن دقیق آن را تعیین کند.
آیا بافت نرم حتی در استخوان دایناسور‌ها یافت شده است؟
بلی. در حالی که به دلیل تجزیه شدن، وجود بافت نرم نادر است، دانشمندان قبلاً بافت نرم دست‌نخورده‌ای را در استخوان‌های دایناسور پیدا کرده بودند. مورد معروف زمانی است که دیرینه‌شناس آمریکایی مری شوایتزر از دانشگاه ایالتی کارولینای شمالی (North Carolina State University) فیبر‌های کلاژن (collagen fibers) را در استخوان پای فسیل شده یک تی‌رکس (T rex) کشف کرد.
