Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Хелфанд Дэвид

Сорок лет назад я прочитал одну статью, посвященную этой теме, и она показалась мне столь изящно простой и в то же время столь умной и столь идеально выразившей научный подход к миру, что вызвала во мне интерес к тому, как применить изотопы для воссоздания истории, – и этот интерес остался со мной на всю жизнь. Статья под названием «Изотопы Углерода, фотосинтез и археология» (Carbon Isotopes, Photosynthesis, and Archeology) появилась в журнале American Scientist, выходившем раз в два месяца в обществе Sigma Xi³. Ее автор, Николас ван дер Мерве, в то время работал на кафедре археологии Кейптаунского университета в его родной Южной Африке. Получив образование в Йельском университете, с 1966 по 1974 год он был профессором антропологии в Государственном университете Нью-Йорка в Бингемтоне, а потом отправился в Южную Африку, чтобы занять должность в Кейптауне. В 1988 году он приехал в Соединенные Штаты, получив профессорскую должность в Гарвардском университете, на кафедре имени Лэндона Клея, и с тех пор занимался археологией, науками о Земле и планетологией, а в 2000 году вернулся

в Кейптаун, где он по сей день – почетный профессор естествознания. Его историю я расскажу в первом разделе этой главы.

Растения – это их пища

Важно отметить, что вы не уникальны. Растения тоже состоят из того, что поедают. Независимо от вашей диеты, именно они служат основой вашей пищевой цепи. Они поглощают воздух и впитывают воду и минералы через свои корни, образуя фруктозу, целлюлозу и другие молекулы, составляющие растительный материал, так что соотношение изотопов в воздухе и почве отражается на их соотношении в растительном веществе и, в конечном итоге, в вашем организме. Впрочем, здесь, как всегда, необходимы тщательные измерения. Процесс фотосинтеза, при котором растения используют солнечный свет для производства своих молекул, в сущности, проводит в отношении некоторых изотопов политику дискриминации, причем ее конкретные способы зависят от вида растения. Опять же, способы, при помощи которых ваше тело обрабатывает потребляемую вами еду, меняют соотношение изотопов, поскольку пища превращается в кости, кровь и нейроны. Каждый шаг в этом процессе изменения изотопного состава, так называемом фракционировании, легко измерить, поэтому отслеживание этого – простая задача. Если сопоставить это с невозмутимыми часами поглощенных вами радиоактивных элементов, изотопный состав окаменелых костей дает нам возможность напрямую воссоздать историю того, как люди выбирали пищу, а также позволит проследить, от каких методов охоты и ведения сельского хозяйства они зависели.

В годы аспирантуры ван дер Мерве работал в Йельской радиоуглеродной лаборатории, где совершил поразительное открытие: он понял, что с помощью радиоуглеродного датирования можно определять происхождение железных орудий и других археологических артефактов. Процесс выплавки железа из руды начался по крайней мере еще в 1800 году до нашей эры в Хеттской империи и независимо в Китае к 600 году до нашей эры. Он требует нагрева руды до температуры более 1200 °C, для чего, в свою очередь, нужен древесный уголь. В ходе нагрева Углерод из древесного угля диффундирует в расплавленное Железо и составляет, в зависимости от достигнутой температуры, от 0,05 до 5 % готового продукта. Именно при помощи этих атомов Углерода (в частности, радиоактивного изотопа ¹⁴C) можно определить возраст Железа.

Оказывается, лучший древесный уголь получается из недавно срубленной зеленой древесины. В своем письме, написанном в 1750 году до нашей эры, Хаммурапи, царь Вавилона, наставляет своего слугу, начальника углежогов, «рубить только зеленую древесину»⁴. Нулевая точка времени для дерева, из которого производился древесный уголь, определена – оно срублено непосредственно перед тем, как диффундировать в Железо.

Ван дер Мерве доказал, что может успешно датировать древние железные артефакты, определив возраст (100 ± 80 г. н. э.) 230 граммов железных гвоздей из римского форта в Шотландии, построенного при Агриколе в 83 году нашей эры, а также фрагментов чугуна из гробницы в китайском Хотане (430 ± 80 г. до н. э.), созданных в период Воюющих царств, который продлился с 480 по 221 год до нашей эры.

К 1970-м годам ван дер Мерве решил добавить в свои археологические поиски стабильный изотоп Углерода ¹³C наряду с датированием при помощи радиоактивного изотопа ¹⁴C. Как мы еще увидим, этот более тяжелый и устойчивый родственник наиболее распространенного изотопа¹²C играет невероятно важную роль. Итоги своих исследований изотопов Углерода ван дер Мерве подвел в статье, неизменно вызывавшей мой интерес.

Начнем эту историю с того, что делают растения. Их «цель» в жизни – создавать растительный материал, в том числе такие молекулы, как глюкоза (C₆H₁₂O₆), сахароза (C₁₂H₂₂O₁₁) и амилоза (C₆H₁₀O₅), а затем соединять их в длинные цепи целлюлозы, лигнина и других молекул, образующие главные структурные компоненты клеточных стенок растений. Для создания этих молекул растения используют разные пути фотосинтеза, но фундаментальные принципы одни и те же. Лист вдыхает CO₂ из воздуха и в присутствии H₂O использует энергию солнечного света, чтобы разорвать связь CO₂, выпустить O₂ (вещество, которым мы дышим) обратно в атмосферу и ввести C в органические молекулы, которые необходимо построить. Чтобы получить даже самую простую молекулу глюкозы (C₆H₁₂O₆), необходимо множество шагов, но если говорить о соотношениях изотопов, то это первый шаг в процессе, который отличает различные механизмы, к которым прибегают растения.

C3 против С4

Более 90 % всех видов растений следуют C3-фотосинтезу, в ходе которого три атома Углерода из трех разных молекул CO₂ связываются в цепочку. Этот путь возник несколько миллиардов лет назад, когда концентрация CO₂ в атмосфере была намного выше, чем сегодня, а концентрация O₂ – ниже. Примерно 30 миллионов лет назад, когда концентрация CO₂ значительно снизилась (а миллиарды лет фотосинтеза подняли уровень O₂ до современных значений), развился более эффективный C4-фотосинтез, при котором уже на первом этапе связывается не три, а четыре атома Углерода. Это оказалось особенно выгодным в более жарком и сухом климате, поэтому несмотря на то, что C4-растения составляют менее 3 % всех растений, произрастающих сегодня на Земле, именно они отвечают за производство примерно 25 % мирового растительного материала. Кроме того, целых 46 % сельскохозяйственного производства зерна связано с тем, что кукуруза, сорго и просо используют C4-фотосинтез⁵. Третий механизм, который с эволюционной точки зрения также появился довольно поздно, называется CAM-фотосинтез (звучит как скороговорка: кислотный метаболизм толстянковых). Он обеспечивает первый этап фотосинтеза у остальных 6 % растений (в первую очередь у кактусов и суккулентов, в том числе и у важных компонентов тропических коктейлей с зонтиком, таких как агава текильная и ананасы).

Молекулы атмосферного CO₂ отражают соотношение изотопов Углерода, о котором мы говорили в главе 4: 98,9 % содержат ¹²C, 1,1 % – ¹³C и один из триллиона – ¹⁴C. Напомним, что все изотопы элемента химически идентичны; то есть молекула ¹²CO₂ химически неотличима от молекулы ¹³CO₂, и ее атом Углерода будет вести себя точно так же, когда эту молекулу разобьет на части сгусток солнечной энергии и она послужит для создания сахарозы или чего-то еще. Однако единственная отличительная особенность молекулы ¹³CO₂ состоит в том, что она тяжелее, чем ее «сестрица» ¹²CO₂, а тяжелые предметы движутся медленнее – как может подтвердить бывший марафонец, впоследствии набравший немало килограммов. «Раздобревшие» молекулы ¹³CO₂ не столь проворны, как их более легкие родственницы.

Рис. 10.1. Распределение соотношений ¹³C/¹²C для С3-растений (светло-серый) и С4-растений (темно-серый). Распределения не перекрывают друг друга и достигают пиковых значений примерно на уровне –2,0 % и –0,5 % соответственно по сравнению с содержанием ¹³C в воздухе. Отрицательные величины указывают на то, что все растения, о чем подробно говорится в тексте, не проявляют особой склонности к усвоению более тяжелого и медленного изотопа ¹³C, но на более кратком пути C3-фотосинтеза эта черта выражена в большей степени

Как следствие, когда C3-растение начинает поглощать CO₂, чтобы начать процесс фотосинтеза, оно легче находит более быстрые молекулы ¹²CO₂ – они всегда под рукой, в то время как «ленивые» и более тяжелые изотопы появляются не так часто. В результате материал C3-растений содержит в среднем на 1,95 % меньше ¹³C, чем было в окружающем воздухе⁶. C4-растениям, с другой стороны, приходится проявлять терпение, поскольку им необходимо собрать четыре молекулы CO₂ и разделить их еще до того, как завершится первый этап процесса. Хотя они тоже «недолюбливают» медленные молекулы ¹³CO₂, они не могут позволить себе быть настолько привередливыми, и в результате дефицит ¹³C в их целлюлозе составляет всего лишь 0,55 %⁷ (см. рис. 10.1).

Если вернуться к теме этой главы – ты есть то, что ты ешь, – то следовало бы ожидать, что в вашем организме будет разное соотношение изотопов ¹³C/¹²C в зависимости от того, какие растения вы потребляете в пищу – C3 или C4. Однако переваривание пищи и превращение ее в ткани тела – это, помимо прочего, химический процесс, на каждом этапе которого проявляется то же самое избирательное отношение как в пользу тяжелых атомов, так и против них. По сути, преобразование растительного материала в костный коллаген увеличивает исходное соотношение на +0,51 %, возрастание мышечной массы увеличивает его на +0,36 %, а образование жира снижает его на –0,30 %. Выше мы уже упоминали о том, что эти значения химической дискриминации называются коэффициентами фракционирования. Таким образом, в костях любителя растительной пищи, состоящей из C3-растений, соотношение ¹³C/¹²C будет меньше, чем в воздухе, на –1,95 % + 0,51 % = –1,44 %, в то время как у того, кто потребляет исключительно C₄– растения, оно составит –0,55 % + 0,51 % = –0,04 %, что, в принципе, можно приравнять к нулю – такое же соотношение наблюдается и в воздухе, из которого в конечном итоге произошел Углерод.