Dit is het vierde deel in een vijfdelige serie, geschreven door deskundigen die te zien zijn in de nieuwe Hall of Fossils-Deep Time tentoonstelling van het Smithsonian, die nu te zien is in het National Museum of Natural History. De volledige serie is te vinden in ons Deep Time Special Report
“Geen enkel fossiel wordt begraven met zijn geboorteakte,” schreef de gerenommeerde wetenschapsredacteur Henry Gee in zijn verhandeling uit 2000, In Search of Deep Time. Hoewel dit waar is, zijn fossielen begraven met een overvloed aan aanwijzingen die ons in staat stellen hun geschiedenis te reconstrueren. Een reeks absolute dateringstechnieken heeft het mogelijk gemaakt om de tijdschaal van de geschiedenis van de aarde vast te stellen, inclusief de leeftijd en oorsprong van het leven, het tijdstip van massa-extincties en het verslag van de menselijke evolutie.
In 2013 ontdekte ons onderzoeksteam in de Afar-regio in Ethiopië een zeldzaam fossiel kaakbeen dat behoort tot ons geslacht, Homo. Om het mysterie op te lossen wanneer deze menselijke voorouder op aarde leefde, keken we naar nabijgelegen vulkanische aslagen voor antwoorden. Met het vergrootglas van een geoloog kunnen we de as zorgvuldig scannen op zoek naar minuscule mineralen die kleiner zijn dan een enkel strooisel op een suikerkoekje en die de sleutel vormen tot het bepalen van de leeftijd van een fossiel.
Werken in dit deel van Ethiopië is een heel avontuur. Het is een gebied waar 90 graden Fahrenheit koel lijkt, stof een gegeven is, water niet, en een normaal dagelijks woon-werkverkeer bestaat uit racen tegen struisvogels en remmen voor kamelen als we paden door de woestijn smeden. Maar dit dorre en vijandige landschap is een van de belangrijkste locaties ter wereld om te bestuderen wanneer en hoe de vroege mens rechtop begon te lopen, gereedschap begon te gebruiken en zich begon aan te passen aan zijn veranderende omgeving.
Vroeger, voordat we preciezere middelen hadden om fossielen te dateren, vertrouwden geologen en paleontologen op relatieve dateringsmethoden. Ze keken naar de positie van sedimentaire gesteenten om de volgorde te bepalen. Stelt u zich uw wasmand eens voor – de vuile kleren van vorig weekend liggen op de bodem, maar die van vandaag liggen bovenop de stapel. Het concept voor sedimentaire gesteenten is hetzelfde. Oudere rotsen liggen op de bodem, jongere rotsen liggen bovenop. Onderzoekers gebruikten ook biostratigrafie, de studie van de manier waarop fossielen verschijnen, zich vermenigvuldigen en verdwijnen in de loop van het gesteente, om relatieve leeftijden vast te stellen. We gebruiken deze relatieve dateringsmethoden vandaag de dag nog steeds als een eerste benadering voor het dateren van fossielen voordat we een numerieke, of absolute, leeftijd toekennen.
Kunnen we echte fossielen dateren? Soms.
Wetenschappers, geochronologen genaamd, zijn experts in het dateren van gesteenten en fossielen, en kunnen vaak fossielen dateren die jonger zijn dan ongeveer 50.000 jaar met behulp van radiokoolstofdatering. Deze methode is gebruikt om data te verschaffen voor allerlei interessant materiaal zoals rotskunst in grotten en gefossiliseerde poep. Helaas zijn fossielen zoals onze kaakbeenderen en de dinosaurussen die te zien zijn in de nieuwe tentoonstelling “Fossil Hall-Deep Time” in het Smithsonian’s National Museum of Natural History, gewoon te oud voor koolstofdatering. In deze gevallen moeten we vertrouwen op het gesteente zelf. We dateren het gesteente en daaruit kunnen we de fossielen dateren.
De eerste grote uitdaging is het vinden van het juiste soort gesteente om te verzamelen voor laboratoriumanalyse. We hebben het geluk dat de Afar-regio vulkanische as-horizonten in de sedimentaire gesteentelagen heeft. Vlak onder de vindplaats van het fossiele kaakbeen vond ons team een nieuwe vulkanische aslaag die wij de Gurumaha Tuff noemden. Het woord gurumaha in de lokale taal betekent milkshake – een weerspiegeling van onze mentaliteit in de 90 graden middaghitte. In zekere zin kunnen we vulkanische aslagen beschouwen als begraven stopwatches. Als de vulkaan uitbarst, gaat de timer lopen en wij gebruiken absolute dateringstechnieken om de verstreken tijd te bepalen.
Vulkanisch gesteente bevat gewoonlijk van nature radioactieve mineralen – onze suikerkoekjes. We kunnen deze mineralen dateren met technieken die gebaseerd zijn op het radioactieve verval van isotopen, dat met een bekende snelheid plaatsvindt. Voor het meten van isotopen zijn meestal lasers en massaspectrometers nodig en soms zelfs kernreactoren. Wij berekenen de leeftijd aan de hand van de vervalsnelheid en de isotopenmetingen, die ons de verstreken tijd op onze stopwatch geven.
Wij hebben de Gurumaha Tuff met succes op 2,82 miljoen jaar oud gedateerd door het van nature radioactieve mineraal veldspaat te dateren. Omdat het kaakbeen boven het Gurumaha Tufsteen uit erodeerde, moet het jonger zijn. We berekenden dat het kaakbeen tussen 2,80 en 2,75 miljoen jaar oud is, waarmee het het oudst bekende fossiel van ons geslacht Homo is.
Geochronologen hebben een overvloed aan hulpmiddelen tot hun beschikking, maar toch blijken sommige gesteenten en fossielen nog steeds moeilijk te dateren. Innovaties in bestaande dateringsmethoden nemen deze hindernissen weg. Herzieningen van een methode die elektronspinresonantie wordt genoemd, stellen wetenschappers bijvoorbeeld in staat zeldzame fossielen, zoals hominentanden, te dateren omdat zij het fossiel direct kunnen dateren zonder het specimen zichtbaar te beschadigen. In de Afar proberen wetenschappers de datering te bepalen van de lagen waaruit de fossielen zijn geërodeerd, in plaats van af te gaan op de aanwezigheid van vulkanische as. Dit zou ons nauwkeuriger de ouderdom van fossielhoudend gesteente kunnen vertellen en nieuwe terreinen voor onderzoek openen waar dergelijke lagen ontbreken.
Fossielen bestrijken een geologische tijdspanne van honderden tot zelfs miljarden jaren en worden in vele gesteentesoorten en omgevingen ontdekt.
Wetenschappers hebben fossielen die in Zuid-Afrikaanse grotten zijn gevonden, gedateerd op 236.000 tot 335.000 jaar oud met behulp van verschillende geochronometers, waaronder optisch gestimuleerde luminescentie, een instrument waarmee kan worden berekend wanneer grotafzettingen voor het laatst aan licht zijn blootgesteld. Een andere veelgebruikte methode, uranium-looddatering, berust op het radioactieve verval van uranium en kan worden gebruikt om gesteenten te dateren die de oudst bekende fossielen op aarde bevatten – meer dan 3,5 miljard jaar oud! Om dat in de juiste context te plaatsen: de leeftijd van de aarde is 4,54 miljard jaar, maar onze soort bestaat pas ongeveer 300.000 jaar.
De leeftijd van de aarde en de oorsprong van het leven zijn bijna niet te bevatten, maar de nieuwe Deep Time Hall van het Smithsonian is ontworpen om ons te helpen de enorme omvang van de geschiedenis van de aarde te begrijpen in het licht van onze huidige invloeden. De 18e-eeuwse geoloog James Hutton erkende dat geologische processen lange tijdschalen vereisen, een concept dat centraal staat in wat wij bedoelen met de term diepe tijd. Het doel van geochronologie – het dateren van gesteenten en fossielen – is om de data die we verkrijgen samen te weven om het buitengewone verhaal van de diepe tijd van de aarde te vertellen.