Martin Kamen hatte drei Tage und drei Nächte ohne Schlaf gearbeitet. Der US-Chemiker beendete ein Projekt, bei dem er und sein Kollege Sam Ruben ein Stück Graphit mit subatomaren Partikeln bombardiert hatten. Das Ziel ihrer Arbeit war es, neue Formen von Kohlenstoff zu schaffen, die praktische Anwendungen haben könnten.,

Erschöpft verließ Kamen sein Labor in Berkeley in Kalifornien, nachdem er das Projekt in den frühen Morgenstunden des 27. Er brauchte dringend eine Pause. Zerknittert, rotäugig und mit einem dreitägigen Bartwuchs sah er ein Durcheinander aus.

Und das war bedauerlich. Die Berkeley-Polizei suchte dann nach einem entflohenen Sträfling, der gerade mehrere Morde begangen hatte. Als sie den ungepflegten Kamen sahen, holten sie ihn sofort ab, packten ihn in den Rücken ihres Streifenwagens und verhörten ihn als mutmaßlichen Mörder.,

So wurde eine der revolutionärsten Forschungen, die im vergangenen Jahrhundert unternommen wurden, fast bei der Geburt beendet, als einer ihrer führenden Wissenschaftler des Mordes beschuldigt wurde. Erst als Zeugen deutlich machten, dass Kamen nicht der Mann war, der die Polizei danach war, wurde er freigelassen und durfte zurück zum Strahlungslabor der University of California gehen, um sich den Graphitklumpen anzusehen, den er und Ruben bestrahlt hatten.,

Es dauerte nicht lange, bis das Paar erkannte, dass es eine Substanz mit bemerkenswerten Eigenschaften hergestellt hatte, die seitdem eine Vielzahl verschiedener wissenschaftlicher Bereiche verändert hat und Wissenschaftlern weiterhin dabei hilft, wichtige Entdeckungen zu machen. Durch die Bestrahlung von Graphit hatten sie Kohlenstoff-14 erzeugt.

Martin Kamen im Jahr 1939., Foto: US National Archives Public Domain Archive

“ In dieser düsteren Nacht und am Morgen des 27.Februar 1940 begann eine Revolution in Physiologie, Biochemie, Archäologie, Geologie, Biomedizin, Ozeanographie, Paläoklimatologie und Anthropologie sowie Kernchemie“, sagt Umweltforscher John Marra, Autor des neu veröffentlichten Hot Carbon: Carbon-14 und eine Revolution in der Wissenschaft. „Carbon-14, vielleicht das wichtigste Isotop für das Leben auf der Erde, wurde ‚geboren‘.“

Kohlenstoff-14 hat sechs Protonen und acht Neutronen in seinem Kern., Im Gegensatz dazu hat der größte Teil des Kohlenstoffs in unserem Körper und in der Außenwelt, bekannt als Carbon-12, sechs Protonen und sechs Neutronen. Entscheidend ist, dass diese beiden zusätzlichen Neutronen den Kern eines Kohlenstoff-14-Atoms instabil machen, so dass er radioaktiv in ein Stickstoffatom zerfällt. Noch wichtiger ist, dass diese Zerfälle relativ selten sind, so dass Veränderungen in einer Kohlenstoffprobe über Zehntausende von Jahren gemessen werden können. (Siehe Kasten unten.)

„der Kohlenstoff ist das, was wir gemacht sind“, sagt Marra, wer ist professor für Erd-und Umweltwissenschaften am Brooklyn College, New York. „Kohlenstoff ist Leben., Es ist grundlegend auch, wie wir leben, wie die Erde bewohnbar ist – so ziemlich alles. Und seit der Entdeckung eines langlebigen Radioisotops aus Kohlenstoff haben wir ein erstaunliches Werkzeug, um in fast jeden Aspekt der Existenz auf der Erde einzutauchen – und vielleicht in das Universum.“

Wie Marra in dieser bemerkenswerten Geschichte von Kohlenstoff-14 enthüllt, haben Wissenschaftler schnell erkannt, dass das Isotop heute Lebewesen betreffen muss. Kosmische Strahlen zerschlagen die obere Atmosphäre und senden Kaskaden von Neutronen durch die Luft, berechneten sie., Diese Neutronen treffen auf Atome von Stickstoff, dem Hauptbestandteil der Erdatmosphäre, und verwandeln einige in Atome von Kohlenstoff-14. Diese Atome verbinden sich wiederum mit Sauerstoff zu radioaktivem Kohlendioxid, das von Pflanzen absorbiert wird und dann von Tieren gefressen wird. „Jedes Lebewesen auf der Erde wird dadurch radioaktiv, wenn auch leicht“, sagt Marra.

Und es dämmerte Willard Libby von der Chicago University, dass die von Carbon-14 erzeugte Radioaktivität zu einem enormen Vorteil genutzt werden könnte., Ein Chemiker, der an dem Manhattan-Projekt zum Bau der ersten Atombombe gearbeitet hatte, Libby erkannte, dass, wenn ein Organismus stirbt, er aufhören wird, Kohlenstoff zu absorbieren, einschließlich Kohlenstoff-14, und sein vorhandener Speicher des letzteren wird langsam zerfallen. Durch Messung der Radioaktivität einer dem Organismus entnommenen Probe konnte der Kohlenstoff-14-Gehalt geschätzt und das Datum seines Todeszeitpunkts gemessen werden. Die Wissenschaften der Archäologie und Paläontologie standen kurz vor der Revolution.

Ein großes Problem musste jedoch überwunden werden., Kohlenstoff-14 existiert nur in sehr geringen Mengen im Gewebe kürzlich verstorbener Tiere und Pflanzen: Etwa eines von einer Billion ihrer Kohlenstoffatome ist Kohlenstoff-14. Im Gegensatz dazu ist die natürliche Hintergrundstrahlung – von Thorium und Uran in Gesteinen und anderen Quellen-viel, viel höher. Wie könnten Forscher das schwache Signal von Carbon-14 von diesem überwältigenden Hintergrundrauschen trennen?

Libby löste das Problem, indem er seine Detektoren sorgfältig abschirmte und Wege entwickelte, um die Strahlung abzustimmen, die an die Wände seines Geräts gelangt war., Dann wandte er sich dem Gas Methan zu, das Kohlenstoff enthält, um seine Technik endgültig zu validieren und Proben aus zwei sehr unterschiedlichen Quellen zu vergleichen. Eine Probe wurde aus Erdgas gewonnen, einem fossilen Brennstoff, dessen Kohlenstoff-14 vor langer Zeit hätte verfallen sollen. Die zweite kam aus dem Kanalisationssystem der Stadt Baltimore und wurde aus menschlichen Exkrementen gewonnen. Es sollte reich an Kohlenstoff-14 sein, das gerade von Menschen produziert wurde, argumentierte Libby.

Und genau das hat er gefunden. Das alte Methan hatte keinen Kohlenstoff-14., Im Gegensatz dazu war Methan, das vom Menschen neu ausgeschieden wurde, relativ reich an Isotopen. Wie Marra sagt: „Menschliche Abfälle aus Abwasserleitungen schickten die Wissenschaft weiter.“

Libby lieferte dann einen endgültigen Beweis für seine Datierungstechnologie, indem er die Radioaktivität – und damit das Alter – einer Reihe organischer Proben bekannter Altertümer maß: Holz aus dem ägyptischen Bestattungsschiff von Sesostris III, Leinen, das eine Schriftrolle aus dem Toten Meer umwickelt hatte, und ein Brötchen, das während des Vulkanausbruchs, der Pompeji begrub, „gekocht“ worden war. Seine Ergebnisse stimmten perfekt mit den bekannten Daten der gescannten Elemente überein.,

Es war ein brillantes Unterfangen, für das Libby 1960 den Nobelpreis für Chemie erhielt, obwohl er in gewisser Weise Glück hatte. Libby ging davon aus, dass die Kohlenstoff-14-Produktion in der Atmosphäre in den letzten Zehntausenden von Jahren konstant war. Tatsächlich hat es sich dank Veränderungen der Sonnenfleckenaktivität, atmosphärischer Atombombentests und steigender Kohlendioxidemissionen aus fossilen Brennstoffen ziemlich stark verändert. Diese müssen bei der Schätzung des Alters sorgfältig berücksichtigt werden, Wissenschaftler erkennen jetzt, obwohl die zugrunde liegende Basis von Radiokohlenstoff Dating bleibt solide.,

Willard Libby erhält den Nobelpreis für Chemie, Dezember 1960. Foto: Bettmann Archiv

In jüngerer Zeit hat sich die Radiokohlenstoffdatierung von der einfachen Messung der von Kohlenstoff-14-Kernen emittierten Radioaktivität zur direkten Zählung der Anzahl der Atome des Isotops in einer Probe geändert. Dies geschieht mit einer Technik namens Accelerator Mass Spectrometry (AMS), die es Wissenschaftlern ermöglicht hat, Knochen, Artefakte und andere kohlenstoffbasierte Gegenstände aus der kleinsten Probe zu datieren. „Das war ein riesiger Fortschritt“, sagt Marra., „Statt Gramm zu analysierendes Material benötigt AMS nur Milligramm.“

Auf diese Weise lösten die Entwickler von AMS eine Dating-Revolution aus, die in den 60er Jahren begann und seitdem „eine ’neue Archäologie‘ – Revolution einleitete“, sagt Marra. Ein Beispiel für die Verwendung von Kohlenstoff-14 führte zum Umkippen der Idee, dass frühere westeuropäische Kulturen von Praktiken und Ideen abhängig waren, die im Nahen Osten begannen und sich mit der Ausbreitung der Landwirtschaft langsam nach Westen verbreiteten., Radiokohlenstoff Dating zeigte ein ganz anderes Bild und zeigte, dass sich die neolithischen Kulturen Großbritanniens entwickelt haben müssen, Frankreich und Mitteleuropa müssen sich unabhängig voneinander entwickelt haben.

Später wurde die Technik von Labors in Großbritannien, der Schweiz und den USA verwendet, um den Flachs zu datieren, der zum Weben des Turiner Leichentuchs verwendet wurde. Dieses Tuch, das mit dem negativen Bild eines bärtigen Mannes gekennzeichnet war, wurde von einigen als Grabtuch angesehen, in das Jesus nach der Kreuzigung eingewickelt war. Mit nur wenigen Stofffragmenten datierten Wissenschaftler es auf 1260-1390AD.,

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Im Laufe der Jahre hat sich die Verwendung von Kohlenstoff-14 weit über die Datierung antiker Artefakte hinaus verbreitet. Medikamente können mit Carbon-14 gekennzeichnet und verfolgt werden, während sie durch den Körper gehen, um ihre Sicherheit und Wirksamkeit zu testen. Andere Forscher haben das Isotop verwendet, um die Art und Weise zu verfolgen, wie Pflanzen Kohlendioxid in Zucker umwandeln und die komplizierten Prozesse enthüllen, die die Photosynthese unterstützen.,

Darüber hinaus wurde Carbon-14 genutzt, um Plankton und andere Formen des Meereslebens zu untersuchen und zu enthüllen, wie die Gewässer der Ozeane in einem großen miteinander verbundenen Netz von Strömungen zirkulieren, die den Planeten umkreisen. „Der Kohlenstoffgehalt eines Fisches registriert, was er gegessen hat, was wiederum die Chemie des umgebenden Wassers widerspiegelt, die davon beeinflusst wird, wie sich der Ozean vermischt hat“, sagt Marra., Für ein gutes Maß, Carbon-14 spielt jetzt eine wichtige Rolle bei der Aufdeckung, wie sich das Klima auf der Erde über Zehntausende von Jahren verändert hat, Arbeit von immenser Bedeutung, da Wissenschaftler Schwierigkeiten haben zu verstehen, wie steigende Kohlenstoffemissionen jetzt gefährliche globale Erwärmung auslösen.

„Wir haben in den letzten 60 bis 70 Jahren, nicht zuletzt aufgrund von Kohlenstoff-14, substantielles Verständnis für die natürliche Welt gewonnen“, sagt Marra. Sicherlich ist es schwer, die Auswirkungen auf die Wissenschaft zu übertreiben. Doch seine Entdecker Kamen und Ruben waren beide nach ihrem Durchbruch schlecht.,

Kamen, der aus einer Familie litauischer und belarussischer Emigranten stammte, erregte nach dem Eintritt der USA in den Zweiten Weltkrieg den Verdacht der US-Sicherheitskräfte und wurde beim Essen mit sowjetischen Konsularbeamten beobachtet. Er wurde kurzerhand aus seinem Labor entlassen und sein Pass wurde beschlagnahmt. Kamen wurde später 1948 vor das House Un-American Activities Committee gebracht, beschuldigt, Geheimnisse an die Sowjets weitergegeben zu haben. Erst Ende des Jahrhunderts wurde sein Ruf rehabilitiert.

Ruben hatte schlimmer noch Glück., Nach Pearl Harbor begann er mit der Erforschung der physiologischen Wirkungen von Phosgengas, einer chemischen Waffe. Während eines Tests brach eine Ampulle des Gases und er wurde mit Phosgen besprüht. Er starb einige Stunden später.

Wenn die Geschichte von Carbon-14 eines der bemerkenswerten Beispiele für den wissenschaftlichen Fortschritt im 20th Jahrhundert ist, ist das traurige Schicksal zweier seiner Hauptakteure ein Zeichen für die turbulenten Zeiten, in denen sie lebten.

• Hot Kohlenstoff: Kohlenstoff-14-und eine Revolution in der Wissenschaft von John Marra is published by Columbia University Press (£27). Um eine Kopie zu bestellen, gehen Sie zu guardianbookshop.com., Free UK p&p on all online orders over £15

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