為什麼科學家能確定人類祖先、恐龍化石和其他生物的年齡？

在美國大西洋海岸，考古學家發現了4000多年前印第安人留下的牡蠣殼；在摩洛哥，古生物學家發掘出了一種一億六千六百萬年前生活在地球上的恐龍化石。

那麼，科學家是如何確定這些東西的年齡的呢？

在確定這些古生物、古人類的遺蹟時，科學家使用的是放射性定年技術，也就是通過計算考古樣品中仍然存在的某些元素的放射性原子的含量來確定物體的大致年齡。

對於過去五萬年左右的人類或動物遺骸和手工藝品，研究人員觀察的是樣本中的碳14的含量。這種被稱為「放射性碳」的碳元素同位素是由宇宙射線與地球大氣中的氮碰撞時產生的。碳14的化學性質和一般的碳元素(碳12)完全一樣，植物光合可以通過光合作用吸收它，然後將其傳遞到食物鏈的上層。當動物和植物活著的時候，它們所含的碳14的水平往往與它們所處環境中的水平相同。但生物死亡之後，它們停止消耗或吸收放射性碳元素，放射性過程便開始了，放射性碳同位素衰變回氮元素。因此，研究人員將碳14的含量與碳12和碳13的含量進行比較，就可以確定一種生物死亡的時間。死亡生物體內碳14的含量呈指數衰減，大約5,730年後下降到初始值的一半。利用加速器質譜儀，研究人員可以很容易地測量樣品中的放射性碳元素。

然而，太陽耀斑和一些其他事件會影響高層大氣中放射性碳的含量，而且放射性碳在整個世界的分布也有些不同。根據樹木年輪、冰芯和其他來源的測量數據，研究人員設計了校準曲線，顯示環境中碳14的濃度是如何隨時間變化的。北半球、南半球和海洋環境都有各自的校準曲線，為了達到最精確的年代測定，考古學家還得考慮導致大氣放射性碳局部變化的因素。

對於每一個古人類考古遺址，科學家都想知道古人類什麼時候在那裡？他們在那裡呆了多久？他們幹了些什麼？為了重建一個古人類遺址的演化過程，放射性碳元素定年法是一種很好的方法，因為在動物骨頭、古人類使用過的布料上、種子裡等各種有機物中都有碳14的蹤跡。然而對於在大約五萬年以前的遺址，死亡生物體中幾乎所有的碳14都已經衰變，無法通過碳同位素確定他們的年齡。科學家必須轉向壽命更長的放射性元素。

一些放射性元素起源於地幔，通過火山作用到達地表，並被困在土壤和巖石中的礦物晶體中。例如，在幾百萬年的時間裡，鈾235和鈾238經歷了多階段的衰變，變成了鉛的同位素，這使鈾同位素成為一種理想的定年元素，研究人員可以通過測量鉛和鈾同位素的比率來確定樣品的年齡。

但是，使用這種技術來確定生活在數百萬年前的生物化石的年代，比如恐龍，卻遠非那麼簡單。化石本身通常不能直接確定年代，化石的形成經過各種過程，其中最常見的過程稱為礦化。當一個死去的恐龍被埋葬後，其堅硬的部分，如骨頭，會被礦化保存下來。隨著水滲入遺骸，水中的礦物質會填滿骨頭的縫隙，凝固成晶體結構，最終取代了有機物。當礦物形成化石的時候，它們就不再「新鮮」——裡面的鈾已經被汙染了數百萬年。試圖直接確定一種生物的年代將會產生錯誤的結果，因為化石可能比生物體本身要古老得多。

因此，科學家必須依靠化石周圍或附近的地質構造來計算它們的年齡。由於化石通常是在沉積巖層中發現，古生物學家可以通過檢查沉積巖上面或下面的礦物來確定它們的年代。

鋯石，一種通常在巖漿活動形成的巖石中發現的礦物，是一種理想的定年礦物。它是在冷卻巖漿中形成的，晶體結構中含有鈾而不含鉛。因此，鋯石樣品中的任何鉛都必須是通過鈾的放射性衰變形成。這一特徵使地質學家能夠測定散布在沉積巖層中的火山灰的年代。在沉積巖中發現的任何化石都必須比下面的火山灰年輕，比上面的火山灰古老。

但是如果化石附近沒有火山灰層呢？

科學家也可以利用附近已知存在於某一特定時間段內的物種的「標準化石」來確定化石的年齡，甚至通過研究地球磁場磁極倒轉改變時在巖石中留下的磁性特徵來確定化石的年代。

近幾十年來，隨著科學技術的不斷進步，放射性碳年代測定法和鈾鉛年代測定法的準確性和精確度都有所提高，從最早的動物到人類文明的興起，科學家拼湊出了地球生物完整的演化歷史。

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