Ooit, heel lang geleden, leefden de mensen in West-Europa als jagers en verzamelaars. Het klimaat was koud en het leven was hard tijdens de laatste ijstijd. Mensen leefden in grotten of overdekte kuilen; een eerste vorm van huizen. Met behulp van benen naalden maakten ze leren kleding om zich tegen de kou te beschermen. Met primitieve wapens als vuistbijlen en speren joegen ze op bizons, mammoeten en rendieren, en verdedigden zich tegen sabeltandtijgers. Daarnaast verzamelden ze groenten en fruit.

Maar hoe komen we eigenlijk aan deze informatie? Archeologen hebben dit scenario afgeleid uit de overblijfselen van deze beschavingen. Archeologische vondsten bestaan uit menselijke en dierlijke botten, primitieve werktuigen van been, ivoor en steen, en zelfs schilderingen en gravures op rotswanden. Soms vinden archeologen resten van hutten: een kunstmatige kuil met daaromheen een regelmatige opstelling van gaten voor palen, of een patroon van grote beenderen en stenen. Hierdoor kunnen we ons een voorstelling maken van het leven van onze verre voorouders. Maar hoe weten we wannéér deze mensen leefden en hoe weten we eigenlijk dat al deze voorwerpen uit dezelfde periode afkomstig zijn?

Archeologische vondsten worden vaak gedateerd met behulp van de C-14methode. Deze dateringsmethode gebruikt het radioactief verval van koolstof om de leeftijd van organische resten te schatten. De jagers en verzamelaars uit het verhaaltje hierboven blijken met deze datering ongeveer 30.000 jaar geleden te hebben geleefd, in het late pleistoceen. Deze datering is echter niet onomstreden. Er zijn mensen die geloven dat de aarde nog helemaal geen tienduizenden jaren oud is. De geschatte leeftijd van deze voorwerpen kan dan nooit kloppen, dus moet er een fout in de C-14-methode zitten.

Creationisme: God schiep de aarde en de mens

De belangrijkste tegenstanders van C-14 datering zijn de ‘jonge aarde creationisten’. Creationisten geloven dat de aarde en alle levende wezens door een godheid geschapen zijn. Volgens de ‘jonge aarde creationisten’ heeft deze schepping bovendien niet al te lang geleden plaatsgevonden, en is de aarde niet meer dan 10.000 jaar oud. Deze groep bestaat voor een groot deel uit christenen, omdat berekeningen aan de hand van de bijbel aangeven dat de aarde rond 4000 voor Christus is geschapen (zie kader). Vooral in de Verenigde Staten is dit een invloedrijke beweging. In een aantal staten zijn ze er zelfs in geslaagd het onderwijs in de evolutietheorie uit het middelbare schoolprogramma te houden omdat dit strijdig is met hun geloof.

Volgens de jonge aarde creationisten kunnen de resultaten van koolstofdatering niet juist zijn. Als de aarde maar 10.000 jaar geleden is geschapen, kan de onderkaak van de sabeltandtijger die in het jaar 2000 uit de Noordzee is gevist, nooit 28.000 jaar oud zijn. Ook de holenmens kan geen 30.000 jaar geleden hebben geleefd. Om hun ideeën kracht bij te zetten zoeken deze creationisten naar fouten in de methode van C-14 datering en naar redenen waarom deze dateringsmethode verkeerde antwoorden zou kunnen geven. Hoe werkt de methode en hoe gaan wetenschappers om met de creationistische kritiek?

Het principe van C-14 datering

C-14 datering is gebaseerd op het radioactief verval van koolstof 14. Dit is een verzwaard koolstofatoom; een koolstofatoom dat twee neutronen meer bevat dan een normaal koolstofatoom, C-12. Het verzwaarde atoom is instabiel en vervalt na verloop van tijd naar stikstof. De halveringstijd van dit proces is ongeveer 5730 jaar, met een onzekerheid van 30 jaar. Dat wil zeggen dat van een hoeveelheid C-14 atomen na 5730 jaar ongeveer de helft van de atomen zal zijn vervallen.

C-14 komt gewoon in de natuur voor. Het gedraagt zich in vrijwel ieder opzicht als een normaal koolstof atoom, en zal dus ook in je lichaam terechtkomen. Binnen je lichaam vervalt een deel van de C-14 atomen. Doordat je steeds weer nieuwe koolstof binnenkrijgt, komt er ook weer nieuwe C-14 bij. Dit proces stopt natuurlijk als je dood gaat. Vanaf dat moment neemt de hoeveelheid C-14 in je lichaam alleen nog maar af, terwijl de hoeveelheid normale koolstof, C-12, gelijk blijft. Door de verhouding tussen de hoeveelheid C-14 en de hoeveelheid C-12 in organische overblijfselen te meten, kan nu berekend worden hoe lang geleden een organisme is overleden (zie kader).

Hoe werkt C-14 datering?

C-14 datering is gebaseerd op het radioactief verval van koolstof-14. Dit is een koolstof atoom met een kern bestaande uit 6 protonen en 8 neutronen. Dat zijn twee neutronen meer dan het normale koolstof atoom: C-12. Behalve in massa gedraagt het C-14 atoom zich chemisch gezien hetzelfde als een C-12 atoom; het reageert nog steeds als koolstof met andere materialen. De twee extra neutronen zorgen er echter voor dat het atoom niet langer stabiel is. Er is een kans dat het atoom vervalt. Dit betekent dat het uit elkaar valt in verschillende elementen. In het geval van koolstof-14 wordt er een neutron uit de kern gesplitst in een proton en een elektron. Het gevormde elektron wordt direct uitgestoten: de zogenaamde ß-straling. In de kern blijven 7 protonen en 7 neutronen over. Dat is de kern van een gewoon stikstof atoom N-14.

Het kan echter behoorlijk lang duren voordat een C-14 atoom vervalt. Op ieder moment is er een kans dat het atoom vervalt, en je kunt van tevoren niet zeggen wanneer het zal gebeuren. Wel kun je meten hoe lang het duurt voor de helft van een hoeveelheid atomen is vervallen: de halfwaardetijd. In het gevalt van C-14 is die 5730 jaar, met een onzekerheid van ongeveer 30 jaar. Iedere 5730 jaar zal dus de helft van je hoeveelheid C-14 atomen vervallen.

Je zou verwachten dat de voorraad C-14 hierdoor op een gegeven moment op zou raken. In de stratosfeer, de bovenste laag van de atmosfeer, ontstaat echter ook steeds weer nieuwe koolstof-14. Kosmische straling, straling afkomstig uit de ruimte, botst in de atmosfeer tegen andere deeltjes aan. Hierdoor kan een energierijk proton vrijkomen. Als dit tegen een stikstofatoom botst, ontstaat er soms N-15, een instabiele variant van stikstof. Dit vervalt op de duur, waarbij onder andere C-14 wordt gevormd. Hierdoor wordt er steeds weer nieuwe C-14, zodat de totale hoeveelheid C-14 ongeveer constant blijft. Op dit moment is ongeveer 1 op de 7,5×10¹¹ koolstof atomen een C-14 atoom.

Deze zwaardere variant, of isotoop, van koolstof is verder gewoon gemengd met de normale koolstof. Voor chemische en biologische processen is het verschil tussen de twee isotopen niet merkbaar. Het verzwaarde isotoop C-14 komt dus ook in planten terecht, en in mensen en dieren. Binnen je lichaam kan dit isotoop nog steeds vervallen. De hoeveelheid neemt dan af. Omdat je echter ook steeds nieuwe koolstof binnenkrijgt, blijft het aandeel van C-14 in je lichaam zolang je leeft gelijk aan dat in de buitenwereld. Zodra je echter sterft, neemt je lichaam geen nieuwe koolstof meer op. Vanaf dat moment zal de hoeveelheid C-14 in je lichaam geleidelijk gaan dalen. De hoeveelheid C-12 blijft echter gelijk.

Als we nu organische resten vinden, kunnen we de verhouding van C-14 ten opzichte van C-12 meten. Onder aanname dat we de verhouding toen het organisme leefde weten, kunnen we nu berekenen hoe lang geleden het organisme overleed. Hiermee hebben we een dateringsmethode verkregen voor organische materialen. Omdat we genoeg C-14 over moeten hebben om betrouwbaar te kunnen meten, werkt deze datering tot zo’n 50.000 jaar terug. Voor oudere voorwerpen wordt de meetonnauwkeurigheid te groot.

Onterechte aannames?

Op het eerste gezicht lijkt koolstofdatering een redelijke methode. Een eenvoudige berekening levert een leeftijdsschatting voor een oud stuk organisch materiaal. Er worden echter een aantal belangrijke aannames gemaakt bij deze methode, en dat is precies waar de creationisten C-14 datering op aanvallen.

Ten eerste wordt er vanuit gegaan dat we de oorspronkelijke verhouding van C-14 en C-12 in een organisme weten. Die informatie is nodig voor de berekening, om de oorspronkelijke hoeveelheid C-14 in het organisme te bepalen. Eerst werd aangenomen dat de hoeveelheid C-14 in de atmosfeer ongeveer constant bleef. Onderzoekers rekenden daarom gewoon met de huidige verhouding in de atmosfeer als beginverhouding.

Dit bleek echter incorrect omdat de hoeveelheid C-14 door meer factoren wordt beïnvloed dan alleen het verval en de aanmaak van C-14 in de atmosfeer. Zo veroorzaken schommelingen in het magnetisch veld van de aarde ook veranderingen in de afbuiging van kosmische straling. Daardoor is de aanmaak van C-14 in de atmosfeer niet constant over langere perioden. Ook veranderingen in de zonneactiviteit en de veranderingen in de oceaanspiegel door de ijstijden zouden de hoeveelheid C-14 in de biosfeer beïnvloeden. Tenslotte heeft de mens zelf de koolstofverhouding in de afgelopen eeuw ook nog beïnvloed. Door enorm veel fossiele brandstoffen te verbranden, waar minder C-14 inzit omdat het oude organische resten zijn, hebben we extra C-12 in de atmosfeer gebracht en zo het aandeel van C-14 verlaagd. Bij kernproeven komt juist weer veel C-14 vrij. Kortom, we mogen er niet vanuit gaan dat het aandeel van C-14 in de koolstofvoorraad duizenden jaren geleden net zo was als nu.

Om toch een betrouwbare koolstofdatering te krijgen, zijn er zogenaamde kalibratie-curven opgesteld. Een kalibratie-curve is een grafiek waarin de ‘C-14 leeftijd’ van een voorwerp met de echte leeftijd wordt vergeleken (zie figuur). Deze grafiek wordt gemaakt door een heleboel voorwerpen waarvan de leeftijd al bepaald is, opnieuw te dateren met de C-14 methode. De kalibratiecurve is nu de grafiek waarin de koolstofleeftijd tegen de echte leeftijd van de voorwerpen wordt uitgezet. Met behulp van deze curve kunnen onderzoekers koolstofleeftijden naar echte leeftijden omrekenen. Het probleem van de variabele koolstofverhouding is hiermee min of meer opgelost, maar het is natuurlijk de vraag hoe betrouwbaar deze curven zijn. Dat hangt af van de betrouwbaarheid van de andere gebruikte dateringsmethoden bij het opstellen van de curven.

Hoe constant is de vervalsnelheid van C-14?

Een tweede aanname van de C-14 datering, is dat de vervalsnelheid van C-14 constant is. Als de vervalsnelheid in de loop van de tijd zou veranderen, of beïnvloed wordt door bijvoorbeeld temperatuur of druk, zou de halfwaardetijd niet langer een vast getal zijn. De berekening klopt dan van geen kanten.

In veel natuurkundige theorieën wordt de vervalsnelheid standaard als constant verondersteld. Het zou een fundamentele wet zijn dat het radioactief verval nergens door wordt beïnvloed. De vervalsnelheden van instabiele elementen zijn dan fysische constanten.

Dit wordt door creationisten in twijfel getrokken. Het is moeilijk te bewijzen dat een vervalsnelheid nergens door beïnvloed wordt en niet over hele lange tijd zou kunnen veranderen. Creationistische wetenschappers doen dan ook veel experimenten met radioactief verval, in de hoop aan te tonen dat de vervalsnelheid van C-14 niet vast ligt.

Het internet staat vol met tegenstrijdige verhalen over deze al dan niet constante vervalsnelheid. In ieder geval lijkt het verval onder normale omstandigheden behoorlijk constant. Maar of dat nu al tienduizenden jaren lang zo is?

De rol van verontreinigingen

De derde belangrijke aanname die gemaakt wordt bij C-14 datering, is dat de hoeveelheid C-14 en C-12 nadat het organisme gestorven is alleen nog worden beïnvloed door het verval van C-14. Dat is echter niet vanzelfsprekend. Als materialen duizenden jaren in de aarde begraven liggen, kunnen ze vroeg of laat worden doordrongen door boomwortels. Deze levende wortels bevatten een hoger percentage C-14 en verstoren daarmee de verhouding in de begraven materialen. Bovendien kan er nieuwe koolstof binnendringen via vocht en olie. Tenslotte kan er na het opgraven nog nieuwe koolstof aan het object vastplakken, bijvoorbeeld van het papier van verpakkingsmateriaal. Al deze factoren verstoren de precieze bepaling van de hoeveelheid oude C-14 die nog in het voorwerp aanwezig is.

Om het effect van deze besmetting met nieuwe koolstof te minimaliseren, worden de monsters goed schoongemaakt. Vaak wordt de buitenste laag verwijderd omdat deze waarschijnlijk sterker is aangetast. Om binnengedrongen vocht en olie te verwijderen worden de monsters gewassen met zuur en alkali-oplossingen. Zo wordt het effect van de vervuiling geminimaliseerd. Bovendien worden er meerdere monsters genomen uit verschillende delen van het voorwerp. De verschillen tussen de leeftijdsschattingen van deze monsters geven een indicatie van de mate van vervuiling door nieuwe koolstof. Een voorwerp kan immers maar een leeftijd hebben. Waar mogelijk geven de onderzoekers bovendien een schatting van het totale effect van de waargenomen vervuiling. Hierdoor wordt de bepaling van de hoeveelheid overgebleven C-14 zo nauwkeurig mogelijk gemaakt.

Een korreltje zout

Het moge duidelijk wezen: C-14 datering is niet zo absoluut als wetenschappers zouden willen. Het is geen wondermiddel dat ons precies verteld hoe oud dat stukje bot nu is. Misschien was die sabeltandtijger wel een paar duizend jaar jonger dan C-14 datering ons zegt. Er zijn immers allerlei processen die de datering kunnen verstoren, waardoor de geschatte leeftijd kan veranderen.

Tegelijkertijd blijkt deze dateringsmethode in de meeste gevallen wel antwoorden te geven die kloppen met wat andere dateringen zeggen. Door middel van correcties is een aantal systematische fouten verholpen, en door foutschattingen hebben we een redelijk idee van hoe nauwkeurig een datering is. De kritiek van de creationisten heeft er juist voor gezorgd dat de methode verder is verbeterd. Door rekening te houden met foutmarges en te combineren met andere dateringsmethoden kun je dus wel degelijk zinnige resultaten krijgen. De Urkse sabeltandtijger leefde écht 28.000 jaar terug.

Bronnen:

Cambridge encyclopedie van de archeologie, Nederlandse uitgave Uitgeverij Unieboek b.v., Bussum, 1981, ISBN 90 228 3684 3 Binas, vierde druk Uitgeverij Wolters-Noordhof b.v., Groningen, 1998, ISBN 90 01 89377 5 Systematische natuurkunde N1-3 Uitgeverij Nijghversluys, Baarn, 2002, ISBN 90 425 0365 3 Sabeltandtijger leefde in Europa nog in het Laat-Pleistoceen (PDF-artikel van Dick Mol) www.wikipedia.nl www.creaton.nl