来自日本湖泊淤泥底部的新的放射性碳测量，可能在未来几十年里成为自然历史学家最有用的工具之一。有了这个新记录，考古学家就可以精确确定尼安德特人灭绝的时间。或者人类学家可以准确地确定人类何时迁徙到欧洲。或者气候科学家可以更好地了解最后一个冰河时代，以及是什么气候条件导致了冰川的退缩。
来自基本未受干扰的西格茨湖（Lake Suigetsu）的岩芯样本，科学家们花了近20年的时间试图获取和研究。换句话说，这些样本能够完善我们用来了解地球过去5万年历史的最佳工具之一。“毫不夸张地说，如果没有这种能力，人类学、考古学和古气候学等领域将不复存在，” 《科学》杂志的资深编辑杰西·史密斯（Jesse Smith）说道，该杂志今天发表了这篇论文。
要理解为什么，首先要了解放射性碳测年是如何工作的。
碳测年法利用一种被称为碳-14的放射性碳同位素的稳定、不变的衰变。它在大气中，在宇宙射线的存在下形成，宇宙射线会将氮分解成这种不稳定的碳形式。但对生命而言，它只是更多的碳，这意味着它被植物固定下来。吃这些植物的动物体内也含有碳-14。
碳-14的半衰期是5730年，误差大约为40年。利用这个已知的衰变速率，科学家可以通过测定样本中碳-14的含量相对于其稳定同位素碳-12的含量，来计算出古董的年代。例如，这可以用来确定考古遗址中有机物的年龄——比如人类遗骸、木制文物等等。这项技术是由恩里科·费米（Enrico Fermi）于1949年提出并于同年开始使用的。
问题在于，宇宙射线和大气本身是变化无常、不可预测的。这意味着大气中的碳-14含量会发生变化，因此植物和动物吸收的碳-14含量也会随之变化。要校准这个碳记录，就需要将放射性碳数据与已知年代的物品进行匹配——例如树木年轮或湖底沉积物。
“为了知道任何特定样本的计时器从何开始，人们必须知道过去大气中的碳-14含量是如何变化的，”史密斯告诉记者。“这个新的湖底岩芯样本正是做到了这一点。”
到目前为止，最古老的校准样本来自12593岁的树木年轮。而沉积物样本可以追溯到52800年前。
牛津大学教授、该论文的首席作者克里斯托弗·布朗克·拉姆齐（Christopher Bronk Ramsey）解释说，一旦有了超过12000年前的样本，准确地确定年代就会变得更加困难。这主要是由于最后一个冰河时代结束后的重大气候变化。科学家们有一些样本，来自海洋记录和洞穴沉积物，可以通过铀测量进行交叉比对，但这些样本无法提供大气碳-14的含量。
这篇新论文涉及多个国家的团队，研究了包含每年藻类沉积层的岩芯样本。这些硅藻每年都会覆盖湖底，之后会形成一层沉积物。它们非常清晰，肉眼可见，如下图所示。
科学家们说，这个湖泊非常平静，湖底缺氧，因此非常稳定。它从未被冰川覆盖，所以在最后一个冰河时代，树叶也会落在湖边的树上。这些树叶的化石残骸帮助研究团队完善了他们的碳年代测定。
纽卡斯尔大学教授竹内健（Takeshi Nakagawa）告诉记者，他于1993年首次参与了这个湖泊的沉积物采样。第一个来自该岩芯样本的科学论文发表于1998年。但1993年的岩芯并非连续样本，不同层之间存在间隙——就像其他校准技术一样，不清楚确切的年份如何匹配，使其成为一份不完整的记录。在获得英国自然环境研究理事会（Natural Environmental Research Council）的资助后，竹内健于2006年又取了一个岩芯。它完全连续，层层叠叠，可追溯到52800年前。
在某些情况下，层非常薄，肉眼无法辨认，因此竹内健向德国和英国的科学家寻求帮助。研究团队利用牛津大学的粒子加速器和瑞典物理学家手工制作的岩芯扫描仪对样本进行了研究。威尔士大学（University of Wales）的亨利·兰布（Henry Lamb）教授解释说，研究团队使用X射线荧光（X-ray fluorescence）技术，识别出了岩芯中化学物质的光谱特征及其成分的变化。该团队能够识别出由融雪、火山灰等季节性沉积层。兰布说，扫描40多米的岩芯花了几个月的时间。
兰布说：“我总是告诉我的学生，年代学在气候变化、考古学和人类进化研究中至关重要。现在，我可以告诉他们，西格茨湖提供了一个我们可以信赖的年代记录。”
该记录不会颠覆考古学——物品的测量年龄不会有千年级别的修订。但可能出现几百年范围内的变化，这仍然很重要。布朗克·拉姆齐说，当研究人类对气候的反应时，这些变化可能很重要。“更准确的校准时间尺度将使我们能够回答以前由于分辨率不足而无法解决的考古学问题。”
