Fossiliset luut Geofysikaaliset menetelmät Kailamäki Uine Luonnontieteelliset analyysit ja menetelmät Neandertalinihminen Opinnäytteet Paleoliittinen kivikausi Suomi

Tähtipölystä ukkosenjumalaan – Johdatus fossiilisten luiden uraanisarja-ajoittamiseen

Uine Kailamäki

Fossiilisten luiden ja hampaiden ajoittaminen uraanisarjamenetelmällä on Suomessa vielä suhteellisen vähän tunnettu ja sovellettu menetelmä. Kymmeniä tuhansia vuosia vanhojen luiden säilyminen happamassa maaperässämme on äärimmäisen onnekkaiden sattumusten ansiota, mikäli hautautunut orgaaninen materiaali ylipäätään säilyy kovin kauaa liukenematta orgaanisiin happoihin ja joutumatta erilaisten hajottavien eliöiden tuhoamaksi. Lisäksi kymmenisen tuhatta vuotta sitten päättynyt jääkausi jyräsi sitä edeltäneet maakerrokset valtaosin pois paikaltaan, minkä johdosta esimerkiksi mammuttilöydöt ovat Suomessa niin harvinaisia – vain kymmenen luuta ja hammasta (Ukkonen, Miettinen & Hanski 2010). Kaiken kukkuraksi yksi mammutiksi epäilty löytö osoittautuikin paljon vanhemmaksi Deinotherium-norsueläimen luuksi (Salonen et al. 2016).

Erittäin vanhaa fossiilista luumateriaalia on siis mahdollista löytää Suomestakin, mutta harvinaista herkkua se on. Mammutinluista Espoosta löytynyt poskihammas ja Vuosaaren kyynärluu ovat liian vanhoja radiohiilimenetelmällä ajoitettaviksi, mutta kummankin pitäisi oletetun ikänsä (Espoo 55 000 – 62 000 vuotta ja Vuosaari mahdollisesti jopa 120 000 vuotta) puolesta olla ajoitettavissa uraanisarjamenetelmillä. Vuosaaren löydöstä on kaavailtu tällaista U–Th-ajoitusta (Ukkonen, Miettinen & Hanski 2010: 28), joten ehkä kuulemme siitä vielä! Miljoonia vuosia vanha Deinotherium on U–Th-menetelmänkin ulottumattomissa, mutta dinosaurusten luulöytöjen ajoituksessa käytetty U–Pb-ajoitus saattaisi käydä kyseeseen.

Fossiloituneita hampaita. Kuva: Wikimedia Commons.

U-Th? U-Pb? Mistä näissä kirjainyhdistelmissä on kyse?

Maapallolla esiintyy kolme luonnollista hajoamissarjaa, joista kaksi saa alkunsa uraanista. Näihin hajoamissarjoihin perustuvia ajoitusmenetelmiä kutsutaan uraanisarjamenetelmiksi. Uraani on niin raskas alkuaine, että se hajoaa luonnostaan kohti energiallisesti edullisempaa ja siksi stabiilimpaa ydinrakennetta. Kaikki vismuttia (Bi) raskaammat alkuaineet ovat radioaktiivisia, mutta niille ominainen hajoamistiheys eli puoliintumisaika vaihtelee paljon – millisekunneista miljooniin vuosiin. Hajoamissarjat alkavat niin sanotuista lähtönuklideista: uraanin isotoopit 238U ja 235U, sekä torium-sarjan aloittava 232Th. Kaikki niistä päättyvät lopulta sellaiseen lyijyn (Pb) isotooppiin, jonka ytimen energiarakenne on riittävän edullinen tehdäkseen siitä stabiilin.

Fossiilisten luiden ja hampaiden lisäksi uraanisarjamenetelmillä on ajoitettu esimerkiksi kotiloiden kuoria, fossiilisia koralleja, fossiilista puuta, turvetta, öljyvärimaalauksia, tina- ja pronssitaidetta, jäätiköitä, munien kuoria (Schwarcz ja Blackwell 1992) ja jopa neandertalinihmisen jalanjälkiä (Onac et al. 2005). Menetelmillä on tutkittu myös paleoklimatologiaa, muinaisrantojen korkeuksia ja merkkejä seismisistä tapahtumista sekä ajoitettu geologisten ilmiöiden lisäksi luola- ja kalliomaalauksia. U–Th ja U–Pb viittaavat ketjujen isotooppipareihin, joiden pitoisuuksia vertaamalla ajoitus tehdään. Esimerkiksi U–Th on vakiintunut tarkoittamaan 238U-ketjuun kuuluvia 234U:ä ja sen ”tytärtä” 230Th:tä.

Mistä uraani sitten on syntynyt ja miten se on päätynyt maapallolle? Uraani ja muut raskaat alkuaineet ovat syntyneet äärimmäisissä kosmologisissa olosuhteissa tähtien räjähdyksissä ja törmäyksissä. Sitä on ollut mukana alusta alkaen, kun maapallo muodostui edesmenneiden taivaankappaleiden jälkeensä jättämästä tähtipölystä. Sitä on yhä jäljellä maaperässämme ja vesistöissämme, koska se hajoaa niin hitaasti, etteivät varantomme ole vieläkään loppuneet. Sen sijaan yhdestä luonnollisesta hajoamissarjasta olemme jo joutuneet luopumaan – maapallolla on nimittäin ollut neljäskin hajoamissarja, jonka lähtönuklidin varannot ovat kuitenkin nyt ehtyneet.

Keplerin supernova wikimedia commons
Keplerin supernovan räjähdys vuonna 1604 on viimeisin paljaalla silmällä tehty räjähdyshavainto. Raskaat alkuaineet syntyvät tällaisissa olosuhteissa. Kuva: Wikimedia Commons

Mitä radioaktiivinen hajoaminen käytännössä tarkoittaa?

Liian raskas ydin voi purkaa energiaa muutamalla keskenään hiukan erilaisella mekanismilla. Alfa-hajoamisessa ydin sinkoaa pois kahden protonin ja kahden neutronin rykelmän eli heliumytimen. Tälloin emonuklidi muuttuu toiseksi alkuaineeksi, jossa on kaksi protonia vähemmän. Protonien määrä määrittää, mistä alkuaineesta on kysymys. Samalla alkuaineella voi kuitenkin olla eri määriä neutroneita – silloin puhutaan isotoopeista. Esimerkiksi uraanisarjojen lähtönuklidit 238U ja 235U ovat uraanin isotooppeja – kummallakin on 92 protonia, mutta 238U:lla on kolme neutronia enemmän kuin 235U:lla. Niiden hajoamissarjat eli välituotteet, joiden kautta ne hajoavat, ovat myös keskenään erilaisia.

Beetahajoamisessa ydin muuttaa yhden neutroneistaan protoniksi ja sinkoaa samalla yhden elektronin (beetahiukkasen) pois. Tällöin alkuaine muuttuu jälleen toiseksi, ja nyt siinä on yksi protoni enemmän kuin emonuklidilla. Ytimillä on myös muutamia muita mahdollisia keinoja purkaa ylimääräistä energiaansa, kuten pelkkä sähkömagneettinen gammasäteily. Vain nämä kaksi esiteltyä mekanismia ovat olennaisia uraanisarjojen perusperiaatteiden ymmärtämisen kannalta. Radiokemia on kuitenkin äärimmäisen mielenkiintoista, ja sitä voidaan soveltaa arkeologiassa ja kemiassa monin tavoin, joten suosittelen lämpimästi tarkempaa perehtymistä aiheeseen!

Kuva 1. No niin, nyt päästään asiaan: Tässä havainnekuva 238U-sarjasta, johon suurin osa menetelmistä pohjautuu. Ei hätää, selitän kohta parhaani mukaan! Kuva: Kailamäki 2020.

Kuvassa 1 näkyvä sarja lähtee 238U-isotoopista (ylhäällä vasemmalla). Protonien määrä Z=92 tarkoittaa, että kyse on uraanista. Lähtönuklidi 238U hajoaa alfahajoamisella, menettää kaksi protonia ja hyppää siksi kaksi pykälää alaspäin. Nyt meillä on alfahiukkanen ja toriumin 234Th-isotooppi. Unohdetaan se alfahiukkanen, emme tarvitse sitä. Seuraavaksi sarja kulkee ylöspäin, eli ydin saa jostain protoneja – kuitenkin isotooppien massaluku, eli se pieni numero yläkulmassa, pysyy samana. 234Th → 234Pa → 234U. Muistatteko yhä beetahajoamisen? Kussakin hajoamisessa yksi ytimen neutroni muuttuu protoniksi, joten protonien lukumäärä Z kasvaa, mutta ydinhiukkasten määrä säilyy vakiona.

Hyvä – nyt pystytte varmasti seuraamaan kaaviota itsenäisesti sarjan viimeiseen, eli stabiiliin lyijyn 206Pb-isotooppiin. Ketjussa on muitakin lyijyn isotooppeja, mutta niiden ytimien rakenne ei ole riittävän energiaedullinen – pelkkä riittävä keveys ei nimittäin takaa ytimien stabiiliutta! Neutroneita ja protoneita on oltava sopiva määrä suhteessa toisiinsa. ”Miksi?” ja ”millainen sitten on sopiva määrä?” ovat kysymyksiä, joihin en valitettavasti pysty tämän jutun puitteissa vastaamaan. On kuitenkin olemassa hyvinkin keveitä radioaktiivisia aineita – keveimpänä vedyn tritiumiksi kutsuttu isotooppi 3H. Tässä kohtaa joudutte valitettavasti vain hyväksymään, että näin tämä asia menee!

Mårten_Eskil_Winge_-_Tor's_Fight_with_the_Giants thorium Wikimedia Commons
Raskas alkuaine torium on saanut nimensä skandinaavisen ukkosenjumala Thorin mukaan. Mårten Eskil Wingen maalaus vuodelta 1872 esittää Thorin taistelua jättiläisten kanssa. Kuva: Wikimedia Commons.

Selvä. Nyt tiedämme, mitä uraanisarjat ovat. Miten niillä sitten ajoitetaan?

Silloin, kun lähtönuklidin hajoamisaika on paljon hitaampi kuin sen tytärydinten, ja lähtönuklidin määrä on riittävä tasapainoon asti ehtimiseen, lähtönuklidin määrittämä hajoamistahti määrittää myös tytärten maksimimäärän. Puhutaan sekulaarisesta tasapainosta. Jos lähdetään tilanteesta, jossa on vain emonuklidia, niin lopulta sen syntyneiden tytärytimien aktiivisuus (eli hajoamistiheys) vastaa emonuklidin aktiivisuutta. Tämä edellyttää siis, että sekä emo että tytär ovat radioaktiivisia – stabiili tytär vain kerääntyy puoliintumisajan mukaisesti, eikä aiheuta sen kummempia toimenpiteitä enää.

Sekulaarisessa tasapainossa sarjan välituotteita siis syntyy ja hajoaa yhtä nopeasti. Sama aktiivisuus tarkoittaa kuitenkin eri ainemääriä – tasapainotilassa erittäin hitaasti hajoavia nuklideita on paljon enemmän kuin nopeasti hajoavia, jotta niiden aktiivisuudet olisivat samat. Radioaktiivisen aktiivisuuden kaava voidaan esittää monella tavalla riippuen käyttötarkoituksesta, mutta yksinkertaisimmillaan

A= ∆hajoamiset / ∆kulunut aika

kertoo meille, että kysymys on vain hajoamisten määrästä tietyssä aikayksikössä. Se taas riippuu kahdesta tekijästä: nuklidien määrästä ja nuklidin sille ominaisesta puoliintumisajasta.

Puoliintumisaika tarkoittaa yksinkertaisesti sitä aikaa, jonka kuluessa nuklidien määrä on puolittunut. Tästä näemme, että aktiivisuus laskee ajan myötä (vähemmän nuklideja = vähemmän hajoamisia), mikäli radionuklidia ei synny jostakin lisää. Ja siitähän näissä uraanisarjoissa nimenomaan on kyse – tyttäriä syntyy hiljalleen koko ajan lisää ja prosessi jatkuu, kunnes lähtönuklidit joskus kenties loppuvat maailmasta – ehkä jopa ydinpolttoaineeksi jalostettuna, luonnollisen hajoamisen sijaan. Sitä voitaneen kuitenkin pohtia lisää jossakin toisessa yhteydessä. Yritän seuraavaksi selittää auki, kuinka tasapainotilaan ”pyrkiminen” mahdollistaa uraanisarjoilla ajoittamisen.

Kuva 2: Sekulaarisen tasapainon periaate. ”Saturaatiotaso” kuvaa hitaasti hajoavan emonuklidin aktiivisuutta. Tytärytimen aktiivisuus (vasemmasta alakulmasta alkava musta käyrä) kasvaa nollatilanteesta, kunnes sitä lopulta syntyy yhtä nopeasti kuin hajoaa. Noin kuuden puoliintumisajan kuluttua ollaan jo niin lähellä, että ajoitus alkaa käydä vaikeaksi. Selitän alla tarkemmin! Kuva: Kailamäki 2020.

Uraanisarjat pyrkivät siis kohti sekulaarista tasapainoa (kuva 2). Luonnossa tämä prosessi kuitenkin häiriintyy kaiken aikaa – osa tyttäristä karkaa, osa oikein ripustautuu helmoihin ja jää peräkammarintytöksi. Emon elämä ei ole helppoa! Tämä häiriintyminen johtuu eri alkuaineiden erilaisista geokemiallisista käyttäytymistaipumuksista. Yksi liukenee herkästi ja karkaa matkoihinsa, toinen (olette varmasti kuulleet radonista) muuttuu kaasuksi ja aiheuttaa terveysongelmia viattomille suomalaisille. Arkeologien ja geologien kannalta tästä kaaoksesta on kuitenkin paljon hyötyä!

Jos opimme tuntemaan hajoamissarjojen eri jäsenten tyypillistä käyttäytymistä, voimme havaita, että esimerkiksi uraanilla on taipumus liueta kernaasti erilaisina uranyyli-ionien ja kompleksien sekamelskana ja kulkeutua siksi vesien mukana sinne minne vesikin menee. Uraanit hajoavat alfahajoamisilla toriumin erinäisiksi isotoopeiksi, joille taas on yhteistä se, että ne eivät luonnonoloissa liukene oikein minnekään. Jos siis jokin luonnonilmiö kerää itseensä vesien mukana uraania, mutta ei sisällä juurikaan toriumia, voidaan varovasti olettaa, että kaikki ilmiöstä löydetyt toriumatomit ovat kerätyn uraanin tyttäriä.

Jos tämä olettamus on perusteltu, voidaan uraanin (234U) ja toriumin (230Th) määrällisestä suhteesta laskea, kuinka lähelle sekulaarista tasapainoa systeemi on ehtinyt kehittyä, ja kuinka kauan aikaa on kulunut siitä, kun uraani jäi loukkuun systeemiin. Keskityn tässä tekstissä pitkälti juuri Th/U-menetelmään, sillä se on arkeologiassa käytetyimpiä ja parhaiten tunnettuja uraanisarjamenetelmiä. Tunnen sen itsekin parhaiten, vaikka myös moni muu nuklidipari sopii vastaavalla periaatteella ajoittamiseen.

Käytettyjen nuklidien puoliintumisajat asettavat raamit sille, kuinka vanhoja ilmiöitä niiden avulla voidaan ajoittaa. 238U–206Pb -ajoitusta käytetään maapallomme vanhimpien ilmiöiden ajoittamiseen, 234U–230Th:n yläraja taas on hiukan laitteiston tarkkuudesta ja näytemateriaalin laadusta riippuen noin 500 000 vuotta vanhoissa ilmiöissä. Alaraja muodostuu siitä, onko tytärydintä ehtinyt syntyä systeemiin niin paljoa, että se on havaittavissa laitteiston virhemarginaalit ylittävällä tarkkuudella. Mitä vähemmän tutkittavaa ainetta on, sitä suuremmiksi virherajat kasvavat – näytekoon olisi oltava silloin isompi.

Elämä ei tietenkään ole ihan näin suoraviivaista, vaan joskus uraania kertyy esimerkiksi sykähdyksittäin lisää, tai lähtee livohkaan sitä myötä kuin tuleekin – tällöin puhutaan ”avoimesta” systeemistä. Sellaisen ajoittaminen on paljon epävarmempaa ja vaikeampaa kuin ”suljetun” systeemin, johon joskus aikojen alussa vain humpsahti uraania määrä x, ja joka sitten alkoi hajota ylhäisessä yksinäisyydessään vuorovaikuttamatta enää muun maailman kanssa. Jos uraanin massavirta on mallinnettavissa, niin myös avoimia systeemejä voidaan ajoittaa, tosin niihin liittyy paljon enemmän epävarmuutta.

Ok… En vieläkään lopettanut lukemista. Haluan tietää enemmän luiden ja hampaiden ajoittamisesta!

Hienoa! Nyt tiedät kaiken tarpeellisen uraanisarja-ajoittamisen perusperiaatteista. On konkretian aika!

Luut eivät niitä tukirakenteenaan käyttävien olentojen eläessä sisällä paljoakaan uraania. Maahan hautautumisen jälkeen niihin alkaa kuitenkin absorboitua sitä maaperästä. Kun luut lopulta fossiloituessaan uudelleenmineralisoituvat, uraani jää uuden mineraalin rakenteeseen ”loukkuun”, eikä enää pääse pakenemaan kaiken maailman karbonaattivesien matkaan. Nyt meillä on ajoittamiskelpoinen suljettu systeemi, johon on tullut hautautumisen jälkeen uraania, josta osa on sittemmin hajonnut toriumiksi – ja siitä edelleen protaktiniumiksi ja vaikka miksi, mutta ei huolta – nekin on kyllä huomioitu laskuissa.

Osittain tai kokonaan avoimena systeeminä toimiminen on ongelmallista luiden ja monen muun orgaanisen aineen ajoittamisen kannalta. Ristiinajoitusta tulisikin siksi käyttää ajoitustulosten varmistamiseksi (Schwarcz ja Blackwell 1992: 534–535). Jos useampi toisistaan riippumaton ajoitusmenetelmä antaa samansuuntaisia tuloksia, voidaan olla paljon luottavaisempia sen suhteen, että ajoittaminen on tosiaan onnistunut. Tämä tosin koskee kaikkia ajoitusmenetelmiä, ei vain uraanisarjoja. Uraanisarjamenetelmä vastaavasti tarjoaa ristiinajoitusmahdollisuuden muille menetelmille.

Esimerkiksi ESR-ajoitusta (electron spin resonance dating), erilaisia luminesenssimenetelmiä, radiohiilimenetelmää tai samassa kontekstissa fossiloituneiden muiden organismien analysointia voidaan käyttää ristiinajoittamiseen silloin, kun niihin soveltuvaa näytemateriaalia on saatavilla. Avointen systeemien ajoittamisen tueksi on olemassa simulaatio-ohjelmia – esimerkiksi DECSERVIS-2, jota itse olen käyttänyt laskemaan erilaisia massavirtaskenaarioita ja niiden lopputuloksia. Toisinaan näytteiden historia on liian kompleksinen pääteltäväksi, mutta tasaisten massavirtojen ohella esimerkiksi sysäyksenomaiset uraanin määrän lisäykset voidaan joskus päätellä lopputuloksesta.

Näistä rajoitteista huolimatta uraanisarjamenetelmät ovat erittäin hyödyllisiä arkeologian ja geologian välineitä. Kuten kaikkien menetelmien kohdalla, on vain ymmärrettävä, millaisiin näytteisiin ja millä reunaehdoilla sitä kannattaa soveltaa. Kallio- ja luolamaalauksia peittävät kivisilaukset esimerkiksi ovat parhaimmillaan erittäin ihanteellisia suljettuja systeemeitä, joista saadaan tarkkoja ikäystuloksia pienillä virhemarginaaleilla, mutta pahimmillaan täysin ajoituskelvottomia nykyisillä metodeilla ja laitteilla. Sama koskee fossiilisia luita ja hampaita – monissa tutkimuksissa niistä on saatu erittäin hyviä ajoitustuloksia, mutta esimerkiksi puutteellisesti fossiloitunut näyte saattaa olla vaikea kohde ajoittamiselle.

Hurjan näköinen Neandertal-nukke Zagrosin paleoliittisessa museossa, Kermanshahissa, Iranissa. Kuva: Wikimedia Commons.

Fossiilit määritellään yleensä vähintään 10 000 vuotta sitten kuolleiden organismien jäänteiksi, mutta fossiloitumiseen liittyvä kivettymisprosessi voi tapahtua paljon nopeamminkin. Tätä kirjoittaessani en itse asiassa tiedä, onko Suomesta löydetty jääkautta nuorempia kivettyneitä luita tai hampaita, joihin uraanisarjamenetelmää voisi ehkä soveltaa. Toisaalta näin nuorissa luissa on yleensä mahdollisuus ajoittaa ne radiohiilimenetelmällä, joka on paljon helpompi ja edullisempi menetelmä.

Ehkä vielä joskus löydetään Suomestakin ihmeen kaupalla säilynyt ihmisluu viimeisintä jääkautta edeltävältä ajalta. Oli Susiluolan kiistelty aineisto sitten paleoliittista esineistöä tai luonnon muovaamaa, niin lähes varmaa on, että joku on täällä ennen jääkautta ja jääkausien välisillä lämpimillä kausilla käynyt metsästämässä muutaman mammutin – ellei sitten asettunut pysyvämminkin.Suosittelen uraanisarjamenetelmistä kiinnostuneille alan perusteoksena Ivanovichin ja Harmonin koostamaa “Uranium-series Disequilibrium: Applications to earth, marine, and environmental sciences” -kirjaa, joka löytyy Helsingin yliopiston Kumpulan kampukselta paikan päällä luettavaksi, mikäli siihen on muutoin vaikea päästä käsiksi. Yleistajuisena perehdytyksenä radiokemiaan suosittelen Säteilyturvakeskuksen ”Säteily ja sen havaitseminen”-kirjaa, joka on ilmaiseksi ladattavissa.———Kirjoittaja on gradunsa Helsingin yliopistoon uraanisarja-ajoittamisesta kirjoittanut tutkijanalku. Hän on aloittamassa jatko-opintoja Helsingin yliopiston Ancient Near Eastern Empires -huippuyksikön alaisessa projektissa geoarkeologian tiimoilta.

Lähteet:

Onac, B.P., Viehmann, I., Lundberg, J., Lauritzen, S.-E., Stringer, C. & Popiţă, V. 2005. ”U–Th ages constraining the Neanderthal footprint at Vârtop Cave, Romania.” Quaternary Science Reviews 24: 1151–1157.

Salonen, J.S., Saarinen, J., Miettinen, A., Hirvas, H., Usoltseva, M., Fortelius, M. & Sorsa, M. 2016. ” The northernmost discovery of a Miocene proboscidean bone in Europe.” Palaeogeography, Palaeoclimatology, Palaeoecology 454: 202–211.

Schwarcz, H.P. & Blackwell, B.A. 1992. “Archaeological applications.” Uranium-series Disequilibrium: Applications to earth, marine, and environmental sciences. Toinen painos. Koonneet Ivanovich, M. & Harmon, R.S. Clarendon Press, Oxford.

Ukkonen, P., Miettinen, A. & Hanski, I.K. 2010. ”Mammutin kyynärluu ja Eem-meren sedimenttiä Vuosaaresta: Suuri luu meren pohjalta.” Geologi 62(1): 23– 29.

Kommentoi

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Google photo

Olet kommentoimassa Google -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out /  Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.