Poranna toaleta. Pracowicie szorujesz zęby, promieniejąc z radości na widok ich bieli. Warto wiedzieć, że zęby także promieniują, i to dosłownie, ponieważ dawno temu zostały wzbogacone dodatkowymi dawkami promieniotwórczego izotopu węgla 14C (zwykły węgiel ma liczbę masową 12C). Jego nadwyżka w szkliwie zębów to konsekwencja prób atomowych prowadzonych na Ziemi w najostrzejszej fazie zimnej wojny, czyli w latach 50. i 60. XX w. Zęby urodzonych właśnie wtedy zawierają szczególnie dużo tej radioaktywnej substancji. Ci, którzy przyszli na świat w późniejszych dekadach, mają jej mniej, ale wciąż powyżej normy.
Nie ma powodu do obaw. Stężenie izotopu 14C w szkliwie jest zbyt małe, aby mogło zagrozić zdrowiu człowieka. Zarazem jednak na tyle duże, że ten „bombowy węgiel”, jak mówią Anglosasi, na zawsze pozostanie cechą charakterystyczną ludzi urodzonych w epoce atomowej. To nasz znak rozpoznawczy nieusuwalny także po śmierci.
Gdybyśmy urodzili się wcześniej, nie mielibyśmy w sobie żadnych odpadów atomowych. Z kolei u tych, którzy na świat przyszli w XXI stuleciu, nadwyżka bombowego węgla wynosi tylko parę procent powyżej normy. Ten ślad po zimnowojennym wyścigu atomowym powinien się całkowicie zatrzeć w ciągu paru dekad.
Atomowa dostawa
Najwięcej „bombowego” śmiecia unosiło się w powietrzu dokładnie pół wieku temu. W 1964 r. po raz pierwszy od ponad dekady mocarstwa atomowe – USA, Wielka Brytania i Związek Radziecki – nie przeprowadziły ani jednej próbnej eksplozji atomowej w powietrzu. Była to konsekwencja podpisania przez nie traktatu o zakazie testów jądrowych w atmosferze, kosmosie i pod wodą.
Porozumienie weszło w życie jesienią 1963 r., kończąc dekadę zupełnie wariackiej rywalizacji pomiędzy mocarstwami, podczas której Nikita Chruszczow wygrażał Zachodowi nie tylko butem i zdaniami w stylu: „zakopiemy was”, ale też 60-megatonową wodorową Car-Bombą zdetonowaną w 1961 r. na Nowej Ziemi.
Zanim doszło do podpisania traktatu, w latach 1954–63 na globie przeprowadzono blisko 500 powietrznych prób nuklearnych. Jeden ze skutków to pojawienie się w powietrzu około 1,7 tony promieniotwórczego węgla 14C. Nie był on bezpośrednim produktem reakcji rozszczepienia. Powstawał, gdy uwolnione podczas eksplozji neutrony zderzały się w powietrzu z cząsteczkami azotu. W podobny sposób ten sam izotop powstaje naturalnie, tyle że sprawcą kolizji są neutrony przybywające z kosmosu. Takiego naturalnego węgla 14C jest w ziemskiej atmosferze około 1,2 tony. Zatem za sprawą wybuchów jądrowych jego poziom podniósł się w ciągu zaledwie dekady ponaddwukrotnie.
Prądy powietrzne szybko rozniosły nowe zanieczyszczenie po całym globie. Atomowy odpad zaczął wnikać we wszystkie ekosystemy i oczywiście w ludzi – wraz z pokarmem roślinnym i zwierzęcym, który spożywali. I wnika do dziś. Na szczęście w coraz mniejszych ilościach. Nie dlatego, że promieniotwórczy izotop węgla jest taki nietrwały. Czas jego połowicznego rozpadu wynosi aż 5730 lat. Ale ziemska atmosfera znalazła na niego sposób. Nuklearny śmieć wchodzi w reakcje z tlenem, tworząc dwutlenek węgla, który finalnie ląduje w oceanach i głębszych warstwach gleby. W efekcie poziom izotopu co sześć lat spada o połowę.
Wnikanie 14C w organizm zaczyna się już na etapie życia płodowego. Dlatego każdy z nas, przychodząc na świat, ma w sobie trochę tego atomowego odpadu. Izotop może przetrwać szczególnie długo w szkliwie zębów. Budujące go kryształki dwuhydroksyapatytu tworzą najtwardszą tkankę w ludzkim organizmie. Powstaje ona z komórek zwanych ameloblastami, które pojawiają się już w 16–17 tygodniu ciąży. Noworodek z drugiej połowy XX w. ma zawiązki zębów stałych wzbogacone izotopem 14C. Taki grzech pierworodny dzieci z epoki termonuklearnej.
Kim jest ten nieboszczyk?
Skoro nie można się go pozbyć, to jak wykorzystać wszechobecność nuklearnego odpadu? Naukowcy stwierdzili, że można go zastosować do oznaczania wieku niezidentyfikowanych zwłok ludzkich. Pionierem metody jest Bruce Buchholz, fizyk z kalifornijskiego instytutu Lawrence Livermore National Laboratories. Dekadę temu zaczął on zliczać atomy węgla 14C w próbkach szkliwa zębów za pomocą akceleratorowego spektrometru masowego. – To precyzyjne liczydło atomów. Jeśli próbka jest dobrej jakości, pozwala określić moment urodzenia człowieka z dokładnością do półtora roku – wyjaśnia naukowiec.
W grudniu 2004 r. przez Ocean Indyjski przetoczyło się tragiczne tsunami, zabijając blisko 200 tys. ludzi. Wśród ofiar fali oceanicznej byli też szwedzcy turyści przebywający w południowej Azji. Kilka tygodni później biolog Kirsty Spalding i patolog Henrik Druid, oboje z Instytutu Karolińskiego w Sztokholmie, zwrócili się do Buchholza z propozycją wspólnego zidentyfikowania ciał znajdujących się w najgorszym stanie, które długo leżały w wodzie. Sześć z nich udało się rozpoznać, co badacze opisali w artykule opublikowanym jesienią 2005 r. w tygodniku „Nature”. Tym samym nowa technika została oficjalnie namaszczona przez świat nauki.
Od tej pory przydała się już kilka razy do ustalania tożsamości ofiar żywiołów i katastrof. Buchholz badał próbki ciał ludzi zabitych przez trzęsienie ziemi w Haiti w 2010 r. Przede wszystkim jednak pracował na zlecenie laboratoriów kryminalistycznych.
Radioaktywny odpad przydaje się też w innych, mniej przygnębiających badaniach. Wspomniana Kirsty Spalding wykorzystuje go do określania wieku komórek tworzących rozmaite tkanki w organizmie człowieka. Robi to, oznaczając wiek nici DNA w komórkach. – To taka kapsuła czasu. Raz utworzona zachowuje do końca wszystkie swoje składniki – tłumaczy badaczka. Najpierw wzięła na cel komórki tłuszczowe. Była ciekawa, czy człowiek dorosły także je wytwarza. Długo przeważał pogląd, że nie, ale hipoteza była trudna do zweryfikowania.
Spalding znalazła sposób, a wynik wzbudził sensację. Pobrała komórki tłuszczowe od kilkudziesięciu osób, wyłuskała DNA zawierające izotop 14C, a próbki posłała Buchholzowi. Ten stwierdził, że spora część komórek powstała niedawno, zatem nasz organizm musi je wytwarzać na bieżąco, zastępując nimi stare. Innymi słowy, ludzka tkanka tłuszczowa się regeneruje. Spalding podała nawet, w jakim tempie: rocznie 10 proc. komórek zostaje wymienionych. Wniosek był przygnębiający dla ludzi walczących z nadwagą: nawet jeśli uda się zbić zbędne kilogramy, liczba komórek tłuszczowych nie spadnie nawet na jotę, jedynie się skurczą.
Równie intrygujące okazały się badania tkanki mózgowej. Pod koniec lat 90. naukowcy ogłosili, że w hipokampie – części mózgu odgrywającej ważną rolę w procesach uczenia się i zapamiętywania – powstają nowe neurony. Ich eksperymentu nigdy jednak nie powtórzono, ponieważ został uznany za szkodliwy. Spalding znów postanowiła wykorzystać zimnowojenne atomy węgla.
Nie poszło jej tak łatwo jak z komórkami tłuszczowymi. Musiała dobrać się do niewielkiej, ważącej zaledwie parę gramów, struktury zwanej zakrętem zębatym – jednej z części hipokampa. Zajęło to... 10 lat. Uczona wykorzystała do badań mózgi 55 zmarłych osób, które za życia wyraziły zgodę na takie eksperymenty. Przez pierwsze pięć lat Spalding i jej zespół próbowali wybrać odpowiednie neurony, pobrać z nich DNA i znaleźć w nich węgiel z wybuchów jądrowych. Następne pięć biedziła się nad odpowiednim przygotowaniem próbek do analiz.
– To było fascynujące i piekielnie frustrujące. Lata mijały, a my staliśmy w miejscu – opowiada uczestnik tych badań Jonas Frisén, profesor Instytutu Karolinska. Udało się dopiero w zeszłym roku: dzięki izotopowi 14C określono wiek neuronów z zakrętu hipokampa z dokładnością do jednego roku.
Z wyliczeń wynikało, że każdego dnia powstaje tam około 1400 nowych komórek nerwowych. Tyle samo umiera. Przełomowe odkrycie z lat 90., którego jednym ze współautorów był Frisén, dzięki eksplozjom termonuklearnym z połowy XX w. doczekało się wreszcie spektakularnego potwierdzenia. Tymczasem dla atomowego odpadu znaleziono kolejne zastosowanie: wykrywanie oszustw.
Tropienie fałszywek
W słynnej weneckiej galerii sztuki współczesnej, założonej w Palazzo Venier dei Leoni przez amerykańską kolekcjonerkę Peggy Guggenheim, wśród obrazów Picassa, Dalego, Ernsta, Pollocka, Magritte’a znajduje się też dzieło przypisywane francuskiemu kubiście Fernandowi Légerowi. Od lat toczył się jednak spór o jego autentyczność. Wygląda na to, że właśnie został rozstrzygnięty.
Naukowcy z włoskiego Narodowego Instytutu Fizyki Jądrowej we Florencji ogłosili, że jest to fałszywka. Pomógł im oczywiście węgiel 14C. Próbkę obrazu poddano testom w akceleratorowym spektrometrze masowym. I okazało się, że namalowano go w 1959 r. Zmarły cztery lata wcześniej Léger nie mógł być jego autorem.
Przed węglem 14C drżą też fałszerze win. Krzew winorośli, tak jak każda inna roślina, pochłania izotop z atmosfery wraz z dwutlenkiem węgla. Następnie trafia on do dojrzewających gron, a na końcu – do wyprodukowanego z nich wina. Dlatego wystarczy mała próbka napoju, aby się dowiedzieć, z którego roku pochodzi, pod warunkiem oczywiście, że winorośl wyrosła już w erze nuklearnej.
Jako pierwszy przeprowadził taki test rok temu Graham Jones z uniwersytetu w Adelajdzie w Australii. Wykonał go na 20 butelkach czerwonego wina australijskiego z lat 1958–97. Trafił bezbłędnie we wszystkich przypadkach. Ponieważ według ekspertów 5 proc. butelek markowego wina sprzedawanego na świecie to podróbki, Jones znalazł sobie zajęcie do końca życia. Zapewne nie on jeden – fizycy brytyjscy z Oxford Radiocarbon Accelerator Unit wykryli kilka prób sfałszowania butelek whiskey. Miały pochodzić z XIX w., a okazało się, że wybuchy atomowe z połowy XX w. odcisnęły na nich swoje piętno. Paskudne oszustwo.
Ratujmy słonie
Być może węgiel 14C pomoże dziko żyjącym słoniom. Ich wspaniałe ciosy także zostały nim wzbogacone. – Dzięki temu można ustalić, czy znajdująca się w handlu kość słoniowa pochodzi z czasów, gdy na zwierzęta wolno było jeszcze polować, czy też została pozyskana przez kłusowników – wyjaśnia geochemik Kevin Uno z instytutu Lamont-Doherty Earth Observatory pod Nowym Jorkiem.
W przypadku słoni afrykańskich główną cezurą jest rok 1989. Wtedy bowiem wprowadzono zakaz międzynarodowego obrotu ich ciosami. Pośrednicy handlujący nielegalnie zdobytą kością słoniową są jednak sprytni. Często przekonują, że pochodzi ona sprzed 1989 r. – Teraz takie kłamstwo łatwo będzie wykryć – twierdzi Uno. Swoją metodę opisał niedawno w czasopiśmie „PNAS”. Wcześniej przetestował ją na kilkudziesięciu próbkach tkanek. Badacz ma nadzieję, że dzięki rozpowszechnieniu się testów na obecność węgla 14C w szkliwie uda się ograniczyć rzezie afrykańskich słoni. Każdego roku kłusownicy zabijają ich około 30 tys.
Trzeba się jednak śpieszyć, ponieważ korzyści wynikające z faktu, że pół wieku mocarstwa na całego wygrażały sobie atomowymi maczugami, stopniowo maleją – w miarę jak z powietrza ubywa pozostałości z nuklearnego wyścigu zbrojeń. Mimo wszystko to dobrze, że jest ich coraz mniej.