Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Хелфанд Дэвид

Этот спор мог бы перейти в разряд «академических», которые развиваются только по мере смерти участников, но на помощь пришли изотопы Углерода. Большую часть тропической растительности составляли C3-растения, а анализ костей животных того периода показал, что те немногие C4-травы, которыми они в принципе могли питаться, снижая тем самым соотношение ¹³C/¹²C, не оказывали никакого влияния, поскольку черепахи, рыбы и крупные грызуны, которых ели коренные жители, потребляли в основном материал C3-растений.

Однако оставался очень важный вопрос. Была ли культивированная маниока растением C3 или C4? Проблему решила поездка из Бингемтона на пуэрто-риканский рынок в Нью-Йорке, где мы купили два пирожных с маниокой; весь путь туда и обратно занял семь часов. Соотношение ¹³C/¹²C составило –1,9 %, как и ожидалось для стандартного C3-растения. Однако два скелета

с берегов реки Ориноко, которые были найдены в Пармане, в нескольких сотнях километров вверх по течению от Карибского моря, и возраст которых составил 2800 лет, удивили исследователей: соотношение ¹³C/¹²C в костях составляло –1,9 % – иными словами, оно оказалось таким же, как и при потреблении чистых C3-растений, без добавления +0,5 %, которого можно было бы ожидать с учетом формирования костей.

Еще одно измерение изотопных соотношений, которое провели Э. Медина и П. Минчин, решило эту загадку¹³. Ученые показали, что у самой земли в тропическом лесу соотношение атмосферных ¹³C/¹²C было на 0,5 % ниже, чем на верхушках деревьев, поскольку воздух, захваченный у земли густым пологом, обогащается гниющим растительным материалом, у которого и так наблюдается дефицит изотопа¹³ C¹⁴. Эти дополнительные полпроцента просто компенсируют те +0,5 %, которые мы должны были бы добавить в расчете на костный коэффициент фракционирования – и тем самым мы получаем ожидаемый результат для диеты с высоким содержанием C₃– растений. Это хороший пример разумной осторожности, которую следует соблюдать, когда мы пытаемся выяснить истину, обращаясь к изотопной летописи. Во введении мы уже отмечали, что атомы позволяют избежать культурных предубеждений, свойственных историкам, но подвержены множеству физических и химических воздействий, каждое из которых необходимо тщательно оценить, прежде чем делать окончательные выводы.

А как насчет костей более позднего периода, отнесенных примерно к 400 году нашей эры, когда процветали главные вождества? Они показали среднее значение, равное –0,33 %, что даже ниже, чем у их любящих кукурузу собратьев из Северной Америки, и это подтверждало, что их диета примерно на 80 % состояла из кукурузы. Quod erat demonstrandum¹⁵ – гипотеза Рузвельт подтвердилась.

Другие изотопы и диета

Природа биологических процессов заключается в построении сложных молекул из простых строительных блоков. В ходе этого процесса, как мы уже отмечали на примере Углерода, искажаются изотопные соотношения, что дает нам ключ к разгадке происхождения «кирпичиков». Но Углерод – не единственный элемент, для которого это справедливо. Например, Азот, следующий элемент в Периодической таблице и четвертый по распространенности в организме, также имеет два стабильных изотопа: ¹⁴N и ¹⁵N. Как и в случае с Углеродом, более тяжелый изотоп встречается гораздо реже, составляя всего 0,64 % Азота в нашей атмосфере, где преобладающим компонентом оказывается N₂ (составляющий почти 78 % воздуха). Атомы Азота необходимы многим биологическим молекулам, но ни растения, ни животные не могут использовать обильный атмосферный N₂, поскольку разорвать связь между двумя атомами слишком трудно. Чтобы Азот стал биологически полезным, его требуется «зафиксировать» (иными словами, разбить на части и встроить в другие молекулы, которые биологические системы могут разобрать на части и обратить себе на пользу). Эта роль отведена нескольким видам бактерий, называемым диазотрофами¹⁶. Некоторые из них живут в симбиозе на корнях растений, относящихся к семейству бобовых (горох, фасоль, клевер, люцерна, арахис и т. д.), и активно преобразуют бесполезный атмосферный N₂ в полезные формы Азота, помогая этим растениям превзойти своих соседей. Когда бобовые умирают (или их вспахивают), фиксированный Азот высвобождается в почву, где может служить удобрением и стимулировать рост растений, лишенных этих полезных бактерий.

Цианобактерии, которые изначально имели облик сине-зеленых водорослей и изменили Землю, внедрив в нашу атмосферу огромное количество Кислорода, также отлично удерживают Азот, особенно в океане. В то время как бактерии бобовых могут фиксировать на клеверном поле до 90 кг Азота на акр в год, у цианобактерий на коралловых рифах этот показатель составляет до 250 кг Азота на акр в год (это различие важно, о чем мы подробнее поговорим в этой главе).

В отличие от Углерода, большинство растений не особо избирательно относятся к более тяжелому изотопу Азота. Его содержание в большей части растительного материала колеблется в пределах ±0,5 % от показателя, характерного для воздуха, если растения выращиваются с использованием искусственных удобрений (при производстве синтетических удобрений используется атмосферный N₂). Однако натуральные удобрения (например навоз) имеют более высокие значения ¹⁵N, что может смещать соотношение изотопов в растениях в положительную сторону от нуля. Более того, мы еще скажем, что это различие можно использовать для опознания настоящих органических культур.

Травоядные животные, в том числе все те, которых мы растим на мясо, встраивают атомы Азота из пищи в свои белковые молекулы. Однако животные также постоянно выделяют соединения, содержащие Азот; например, молекула мочевины с химической формулой CO(NH₂)₂ содержит два атома Азота. Этот процесс выделения благоприятствует более легкому изотопу ¹⁴N, поэтому доля более тяжелого изотопа¹⁵N в тканях и жидкостях животных примерно на 0,3–0,4 % выше по сравнению с той, которая содержится в потребляемой ими пище.

Так, у травоядных средние значения соотношения ¹⁵N/¹⁴N составляют +0,5 %. Хищники (которые обычно поедают травоядных) – это второй этап концентрации изотопа ¹⁵N, поскольку они также преимущественно выделяют более легкую форму атома, что дает среднее соотношение +0,8 %. Исключение из этого правила – океан, где пищевая цепь имеет на несколько ступеней больше, чем на суше, от планктона в основании до плотоядных рыб и морских млекопитающих, которых едим мы. Начиная с фитопланктона со значениями ¹⁵N/¹⁴N от +0,5 до +0,7 %, мы поднимаемся по цепочке к питающемуся им зоопланктону (от +0,8 до +1,0 %), к мелким рыбкам, пищей которым служит зоопланктон (от +1,1 до +1,3 %), потом – к более крупным хищным рыбам, которых едим мы, таким как лосось и тунец (от +1,4 до +1,7 %), а далее – к тюленям и косаткам, которые едят крупную рыбу (от +1,8 до +2,0 %)¹⁷.

Это несоответствие между морепродуктами, с одной стороны, и наземными растениями и животными – с другой позволяет нам воссоздать диету доисторических народов. М. Шёнингер, М. де Ниро и Х. Таубер обнаружили, что у обитателей прибрежных районов от Калифорнии до Дании соотношение ¹⁵N/¹⁴N в костях во времена неолита составляло от +1,5 до +2,0 %. Учитывая дополнительный уровень концентрации у этих людей (которые также выделяют мочевину), можно предположить, что большая часть их диеты состояла из рыбы со скромной примесью растений (и, возможно, птиц или млекопитающих)¹⁸. Напротив, как у мексиканских, так и у европейских земледельцев соотношение изотопов Азота составляло от +0,8 до +1,1 %, причем в первом случае соотношение ¹³C/¹²C наблюдалось на уровне –0,7 % (из-за кукурузы, C₄– растения), а во втором – от –1,8 до –2,1 % (из-за С₃– растений, входящих в диету).

Исследователи обнаружили один загадочный результат для аборигенов Багамских островов: у них соотношение ¹⁵N/¹⁴N вместо почти +2,0 % колебалось от +1,0 до +1,3 %, несмотря на очевидное изобилие местной рыбы и нехватку земли для выращивания сельскохозяйственных культур. Однако, как и в случае с Углеродом из тропических лесов, мы всегда должны внимательно отслеживать искажающие факторы. Как отмечалось выше, коралловые рифы густо заселены цианобактериями, усердно фиксирующими Азот. Из-за этого запасы ¹⁵N в окружающей воде истощаются быстрее, что ведет к появлению рыб (и, в конечном итоге, костей), которые по соотношению изотопов Азота близки к травоядным животным на суше.

Сера – еще один элемент, необходимый для жизни (седьмой по распространенности в организме – 0,2 %), и он имеет четыре стабильных изотопа. Преобладающий – ³²S, но 4,25 % Серы приходится на более тяжелый изотоп ³⁴S (доля двух других, ³³S и ³⁶S, значительно меньше 1 %). Две наиболее распространенных формы Серы на поверхности Земли – это Сера из магматических (вулканических) пород и молекула сульфата SO₄, обнаруженная в океане. Соотношение ³⁴S/³²S в первой форме, подобно соотношению изотопов Азота в атмосфере, определяет нулевую точку, тогда как для сульфата, найденного в морской воде, это соотношение выше на +2,1 %. Животные не выделяют Серу, в отличие от Азота, поэтому соотношения изотопов Серы по всей пищевой цепи сходны с соотношениями в конечном источнике (горные породы/почва или морская вода). Поэтому соотношение изотопов Серы может служить вторичным показателем доли морепродуктов в диете, независимо от аномального соотношения изотопов Азота, обнаруженного у рифовых рыб.