Як атомна бомба залишила слід у нашому організмі

80 років тому в пустелі штату Нью-Мексико вперше підірвали ядерну бомбу - під час випробування під кодовою назвою "Трійця" (Trinity). Сьогодні прихована спадщина ядерних випробувань досі зберігається в наших клітинах - і виявляється несподівано корисною для науковців.

Вона - у ваших зубах, у ваших очах і навіть у мозку. Науковці називають це явище "ядерним сплеском" або "імпульсом бомби" - і вже понад пів століття його слід присутній усередині людського тіла.

16 липня 1945 року вчені з Мангеттенського проєкту підірвали першу ядерну бомбу. Вибух потужністю 18,6 кілотонни осяяв небо й випустив пекельну хвилю над пустелею штату Нью-Мексико, коли вогняна куля здійнялася високо вгору. У наступні дні білі пластівці та пил осіли на прилеглій території. У розсекреченому звіті того часу йдеться, що радіоактивні частинки розповсюдилися на площі понад 7 000 квадратних кілометрів. І це випробування стало лише початком атомної епохи.

У 1950-х роках ядерних вибухів над землею було так багато, що вони змінили хімічний склад атмосфери - водночас змінивши вуглецевий баланс життя на Землі назавжди. Ці зміни торкнулися океанів, відкладів, сталагмітів, фауни - і самого людського організму.

На відміну від прямого радіоактивного забруднення, ядерний сплеск не є шкідливим. Навпаки - останніми роками він став несподівано корисним для науковців. Дехто навіть називає його "світлим боком ядерного гриба".

Чому? Сліди цього імпульсу настільки повсюдні, що він, серед іншого, дозволяє судмедекспертам визначати дату народження (або смерті) людини, допомагає дізнатися вік нейронів у мозку, виявляти походження браконьєрських тварин, підтверджувати рік витримки вина і навіть визначати справжній вік акул, яким сотні років.

А тепер він може допомогти й у визначенні нової геологічної епохи. У липні 2023 року група геологів запропонувала визнати наявність ядерного сплеску в канадському озері - разом із іншими штучними маркерами середини XX століття - офіційним початком антропоцену.

То що ж таке цей ядерний сплеск, і що він може розповісти про нас і наш світ?

До того як Договір про заборону ядерних випробувань 1963 року зобов'язав країни-учасниці проводити випробування лише під землею, вони підірвали сотні ядерних бомб просто неба. Понад 500 таких вибухів - переважно здійснених США та СРСР - викинули радіоактивні речовини в атмосферу.

Добре відомо, що ці випробування поширили радіоактивні матеріали на великі відстані, завдали шкоди людям і дикій природі, зробивши цілі регіони непридатними для життя. Але менш відомий поза науковим середовищем факт: ядерні вибухи також спричинили реакції з природним азотом, утворюючи нові ізотопи - зокрема, вуглець-14.

До 1960-х років наземні випробування призвели до того, що кількість вуглецю-14 в атмосфері подвоїлася порівняно з попереднім природним рівнем. Спершу цей ізотоп потрапив у воду, осади й рослинність, а згодом - через харчовий ланцюг - і до організму людини. Його навіть виявляли в істотах, що мешкають у найглибших океанських западинах.

"Фактично, кожен резервуар вуглецю на Землі, який з кінця 1950-х перебував в обміні з атмосферним CO₂, був мічений бомбовим вуглецем-14", - пише Вальтер Кутшера з Віденського університету, який у 2022 році опублікував огляд наукових застосувань цього сплеску в журналі Radiocarbon.

Ще в середині ХХ століття науковці зауважили стрибок рівня вуглецю-14, коли припинились атмосферні випробування. Але лише за десятиліття вони зрозуміли, що ці підвищені рівні можуть бути корисними. З 1950-х років вуглець-14 вже використовували для датування палеолітичних решток і стародавніх текстів - за принципом його радіоактивного розпаду, відомого як радіовуглецеве датування.

Ізотоп нестабільний: він повільно розпадається на азот із періодом напіврозпаду 5 730 років. Тож коли, скажімо, помирав неандерталець, кількість вуглецю-14 у його кістках і зубах починала поступово зменшуватись. Вимірявши цей спад, можна визначити приблизну дату його смерті.

Однак радіовуглецеве датування має обмеження - воно добре працює для зразків віком понад 300 років, бо за коротший час ізотоп ще не встигає суттєво розпастись. Додатково ускладнює датування останніх століть й "ефект Зюсса" - наслідок викидів додаткового CO₂ людиною з часів Індустріальної революції.

Та на зламі століть дослідники зрозуміли, що бомбовий сплеск дає змогу застосовувати вуглець-14 інакше - і головне, він дозволяє точно датувати події останніх 70–80 років.

Починаючи з піка в 1950-х роках, рівні ізотопу в природі (та в людях) поступово знижувалися. Тож вчені можуть аналізувати співвідношення вуглецю-14 в будь-якій органічній речовині, яка обмінювалася атмосферним вуглецем з часу випробувань, і визначити період її формування з точністю до одного-двох років.

Це стосується і нас із вами. Якщо ви народилися у 1950-х, у ваших тканинах накопичилося більше вуглецю-14, ніж у дитини 1980-х, хоча рівні лише зараз починають наближатися до доатомного стану.

Судово-медична експертиза

Одне з перших застосувань "ядерного сплеску" допомогло криміналістам встановити вік невпізнаних людських останків. Судово-медичні експерти з'ясували, що можна виміряти вміст бомбового вуглецю-14 у зубах, кістках, волоссі або навіть у кришталику ока, щоб визначити, скільки людині було років або коли вона померла, кажуть Еден Сентейн Джонстон-Белфорд з Університету Монаша та Сорен Блау з Вікторіанського інституту судової медицини в Австралії.

У своєму огляді 2019 року Джонстон-Белфорд і Блау наводять численні приклади, коли ядерний сплеск допомагав у поліцейських розслідуваннях. Наприклад, у 2010 році слідчі використали його, щоб підтвердити: тіло, знайдене в озері на півночі Італії, вбивця скинув туди за рік до того.

Вони також зазначають, що знання про те, скільки часу минуло від моменту смерті, може бути "надзвичайно важливим у випадках порушень прав людини, таких як воєнні злочини, геноцид і позасудові страти".

Наприклад, у 2004 році датування волосся з масового поховання в Україні за допомогою ядерного сплеску дозволило слідчим ідентифікувати нацистський воєнний злочин, що стався між 1941 і 1952 роками.

Бомбовий сплеск також надав нове розуміння клітин у нашому тілі та мозку. У 2005 році біологиня Кірсті Сполдінг з Каролінського інституту в Швеції разом із колегами показала, що можна датувати відносний вік наших клітин, аналізуючи бомбовий вуглець-14 у їхній ДНК. У наступних дослідженнях вона використовувала цю техніку, щоб відповісти на питання: чи певні клітини в нашому тілі залишаються з нами від народження, чи вони постійно оновлюються.

Наприклад, у 2008 році Сполдінг і її колеги показали, що тіло постійно замінює жирові клітини, звані адипоцитами, коли ті відмирають. Вона виявила, що загальна кількість цих жирових клітин залишається сталою протягом усього дорослого життя – що відкриває нові підходи до боротьби з ожирінням.

"Розуміння того, що це динамічний процес, відкриває нові терапевтичні можливості, які можуть включати вплив на швидкість народження чи загибелі жирових клітин у поєднанні з фізичними вправами та дієтою, щоб зменшити кількість жирових клітин при ожирінні", – каже вона.

У 2013 році Сполдінг та її колеги також використали бомбовий сплеск для вивчення оновлення клітин мозку. Протягом багатьох років дослідники вважали, що кількість нейронів фіксується в дитинстві, і її попередні дослідження це підтверджували - принаймні для кори головного мозку. Однак, датуючи нейрони в гіпокампі за допомогою вуглецю-14, вона з командою підтвердила, що нові нейрони можуть утворюватися там протягом усього дорослого життя.

Підтверджене іншими дослідженнями, можливе існування "дорослого нейрогенезу" стало одним із найважливіших відкриттів у нейронауці за останні 20 років. Хоча наука ще не дала остаточної відповіді, відкриття дало поштовх до нових медичних стратегій, які можуть запобігати втраті нейронів через хвороби або навіть стимулювати утворення нових.

Світанок нової епохи

Нарешті, бомбовий сплеск нещодавно номінували як один із кількох маркерів, що можуть офіційно позначити початок антропоцену – нової геологічної епохи, визначеної діяльністю людини.

Невдовзі після того, як виникла ідея антропоцену, геологи почали обговорювати, як визначити його географічне розташування на Землі за допомогою так званого "золотого шипа" або маркеру – шару породи, льодового керна або осаду, з якого починається нова епоха у стратиграфічному літописі. Кожен основний геологічний період має такий орієнтир.

Початок голоцену позначений певним льодовим керном у центрі Гренландії.

Юрський період бере початок в австрійських Альпах, на перевалі Куьйох (Kuhjoch) у горах Карвендаль, де вперше з'являється гладкостулковий амоніт Psiloceras.

Один із найдавніших "золотих шипів" на Землі - в горах Фліндерс в Австралії. Він позначає початок едіакарію понад 600 мільйонів років тому - періоду, коли клімат періодично занурювався в стан "снігової Землі".

Протягом років розглядали різні "відбитки" людської діяльності як можливі маркери початку антропоцену: це могло бути зростання рівня метану внаслідок раннього землеробства тисячі років тому (виявлене в льодовикових кернах), докази забруднення свинцем через видобуток і плавлення руди 3000 років тому або ж зростання кількості побічних продуктів спалювання викопного палива під час промислової революції.

Однак у 2016 році Робоча група з антропоцену (Anthropocene Working Group, AWG) - частина організації, що ухвалює рішення - рекомендувала вважати маркером 1950-ті роки, коли бомбовий сплеск вуглецю-14 увійшов до геологічного літопису. Разом із ним до уваги беруться й інші ядерні маркери, такі як осади плутонію, ізотопи цезію-137 і стронцію-90, а також антропогенні відкладення, наприклад, сфероїдальні вуглецеві частинки (SCPs) - тип золи, що утворюється під час високотемпературного спалювання вугілля.

Втім, не всі погодилися, що обрати 1950-ті - це гарна ідея. Один з учасників групи нещодавно подав у відставку на знак протесту, вважаючи, що потужний вплив людства на природу почався значно раніше. Проте Робоча група наполягає: середина ХХ століття - це чітко помітна позначка у геологічних шарах, яка свідчить про момент, коли людство справді та безповоротно заявило про себе у природі по всій планеті.

Цей період також збігається з так званим "великим прискоренням" - вибуховим зростанням впливу людства на планету через експоненційне збільшення викидів парникових газів, споживання води та земель, закислення океанів, виснаження рибних ресурсів, знищення тропічних лісів та багато іншого.

Бомбовий сплеск залишиться у літописі ще дуже довго, дозволяючи геологам виявляти його навіть через десятки тисяч років.

"Сигнал радіовуглецю буде виявлятися приблизно 60 000 років і є досить стандартним об'єктом для аналізу", - каже геолог Колін Вотерс з Лестерського університету, який очолює AWG.

AWG дослідила 12 потенційних локацій, які могли б стати офіційним місцем закладення "золотого шипа" - маркера початку нової геологічної епохи. Серед них: печера в Італії, де сліди бомбового імпульсу та інші маркери зафіксовані в сталактитах; археологічні розкопки у Відні; ділянка торфовища поблизу кордону Чехії та Польщі; кораловий риф біля північно-східного узбережжя Австралії.

У липні 2023 року група рекомендувала (можливо, згодом сумнозвісного) "переможця" - озеро Кроуфорд в Онтаріо, Канада. З його мулових відкладень вилучили керн, що містить вуглець-14, особливо різкий маркер плутонію та інші антропогенні сигнатури, що перемістили до безпечного місця зберігання.

Проте ця пропозиція згодом загрузла в науковій бюрократії. У березні 2024 року підкомісія Міжнародної комісії зі стратиграфії відхилила пропозицію щодо визнання антропоцену як формальної одиниці геологічного часу.

Якщо ж керн із озера зрештою стане офіційним маркером, це технічно означатиме, що і ми з вами носимо в собі один із слідів початку антропоцену - в наших клітинах. Наступні покоління - вже ні, адже підвищений рівень вуглецю-14 майже повернувся до доядерного стану.

І тому, якщо археологи майбутнього колись досліджуватимуть збережені людські рештки з нашого часу, вони зможуть дізнатися про унікальний момент історії - епоху ядерних вибухів, великого прискорення та століття, коли людство почало змінювати природу так, як цього не було ніколи раніше.