Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом
Шрифт:
Современное применение изотопных отношений
Я рискую показаться заезженной пластинкой, но тем не менее повторю: мы – это то, что мы едим. За последние пятнадцать лет соотношения стабильных изотопов Углерода, Азота и Серы стали частью исследований, посвященных изучению питания и здоровья людей. Одно из таких еще в 2007 году проводили Б. Бухардт, В. Банч и П. Хелин. В нем сравнивались соотношения изотопов в обрезках ногтей, собранных у сообщества инуитов в северной Гренландии (восемьдесят два образца) и у группы, живущей в Дании, в том числе у нескольких гренландцев, переселившихся туда19. Изотопные соотношения всех трех элементов сильно коррелировали друг с другом и заметно различались у двух групп (см. рис. 10.3).
Как и ожидалось, у инуитов, чья диета богата рыбой и морскими млекопитающими, значения всех трех показателей были высокими, тогда
Рис. 10.3. Корреляции 13C и 15N,34S и 13C и 34S и 15N у выборки инуитов из северной Гренландии, гренландцев, переехавших в Данию, коренных датчан и двух датчан-веганов, полученные Бухардтом и др. (2007) по образцам ногтей. Обратите внимание, что у гренландцев, переехавших в Данию, соотношения полностью совпадают с коренными датчанами – так проявляется преобладающее влияние диеты. Например, у гренландцев, которые едят в основном рыбу и хищных морских млекопитающих, значения 15N и 13C высоки, в то время как у датчан-веганов они оказываются одними из самых низких, как и ожидалось при растительной диете. Напомним, что растения избирательно усваивают более тяжелые изотопы, а животные концентрируют в своих телах более тяжелый 15N
Исследователи даже показали, какой эффект на соотношение изотопов в организме оказывают диетические вмешательства в реальном времени. Они на двадцать восемь дней перевели четырех добровольцев, двух мужчин и двух женщин, с их обычной диеты, в которой преобладали C3-растения и животный белок, на диету, богатую C4-растениями и белком, получаемым из морепродуктов, и обнаружили отчетливые изменения в прядях волос испытуемых, поскольку новая диета «перезагрузила» изотопные соотношения: соотношение 13C/12C изменилось на +0,85–0,90 %, а соотношение 15N/14N – на +0,15–0,22 % процента в одной пряди волос по мере ее месячного роста.
Еще один интересный пример того, насколько сильно изотопные соотношения зависят от диеты и состояния организма, – изменение изотопного соотношения Азота, происходящее в случаях недостаточного поступления пищи (особенно белка). Этот эффект был впервые отмечен в экспериментах на животных: у только что вылупившихся перепелов, которых держали на строгой диете, соотношение 15N/14N было на +0,19 % выше, чем у их братьев и сестер, которым разрешалось есть столько, сколько они хотели20, – поскольку организм, ограниченный в еде, разрушал собственные белки и выделял отходы, обогащенные легким изотопом. Этот эффект впоследствии наблюдался у больных анорексией, начинавших программу восстановления: в образцах волос виден систематический градиент от кончиков (от момента, предшествующего входу, «самый болезненный» период) к корням («самое здоровое» время до выхода из программы восстановления).
Яркая иллюстрация – ежемесячное взятие проб у беременной, страдавшей от тяжелой утренней тошноты в первом триместре. Она похудела на 5,5 кг, но ко времени рождения ребенка выздоровела, и вес увеличился на 8 кг по сравнению с первоначальным. В период утренней тошноты соотношение изотопов Азота в ее организме резко поднялось на целых +0,10 %, а затем снизилось до –0,16 %, поскольку ее вес восстановился, когда она достигла полного срока вынашивания (см. рис. 10.4)21.
По мере того как мы получали все больше данных, некоторые ученые начали рассматривать изотопные соотношения как инструмент для изучения не только питания, но и болезней. Например, используя диеты с различными уровнями C4– сахаров (к таким относятся и кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы, и тростниковый сахар), К. Кук и его коллеги обнаружили соответствующие изменения в соотношении 13C/12C в глюкозе крови после еды22. П. Пэйтел и его коллеги выяснили, что существует обратная корреляция между потреблением рыбы, показателем которого служит низкое соотношение изотопов Углерода,
Рис. 10.4. Измерение соотношения 15N/14N в организме беременной по сравнению с соотношением в воздухе в зависимости от времени (зачатие соответствует нулевой неделе). Также на графике указан вес женщины. Утреннее недомогание в первом триместре привело к ярко выраженному похуданию и одновременно к резкому повышению соотношения изотопов Азота, которое изменилось, как только начался набор веса (Reitsema, 2013)
Тяжелые изотопы Водорода (на долю 2H в настоящее время приходится около 0,02 % всего Водорода) и Кислорода (доля 18O – примерно 0,25 % от уровня 16O), присутствуя в воде (H2O), делают ее «тяжелой». В роли «посредников» они позволяют точно определять температуру и место выпадения осадков (см. ниже и главу 11). Но кроме того, фракционирование, происходящее при образовании воды в ходе метаболических реакций, приводит к систематическому появлению других фракций тяжелой воды, более высоких, чем те, которые присутствуют в воде, поступающей в наш организм с пищей и напитками. Поскольку диабет вызывает обезвоживание и, следовательно, заставляет в большом количестве потреблять питьевую воду, было показано, что у мышей с индуцированным диабетом соотношения 2H/1H и 18O/16O на –0,13 % и –0,27 % ниже, чем у их здоровых собратьев. Хотя этот эффект еще не установлен у больных диабетом, Т. Куо и его коллеги показали соотношения более легких изотопов у пациентов с заболеваниями почек25.
У Кальция пять стабильных изотопов, из которых преобладает 40Ca (96,9 %), а большую часть остальных составляет 44Ca (2,1 %). Процессы фракционирования приводят к тому, что в человеческих костях наблюдается избыток более легкого изотопа по сравнению с его соотношением в пище, тогда как и мягкие ткани, и моча содержат больше тяжелого изотопа. При остеопорозе костные минералы повторно поглощаются и выводятся с мочой, в которой из-за этого оказывается больше легких изотопов, чем обычно. Поэтому анализ мочи обеспечивает простой и неинвазивный способ мониторинга потери костной массы.
Наконец, соотношения изотопов можно использовать и при судебно-медицинских экспертных исследованиях, связанных с маркировкой пищевых продуктов. Как отмечалось выше, предполагается, что органические культуры выращиваются с использованием только натуральных удобрений (то есть отходов животноводства), и поскольку такие отходы содержат больше тяжелого 15N, в органических культурах должны наблюдаться более высокие значения 15N/14N, чем в культурах, выращиваемых с использованием искусственных удобрений. Чистый клеверный мед должен иметь соотношение 13C/12C, соответствующее C3-растениям; любое отклонение предполагает подмешивание (гораздо более дешевого) кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы или тростникового сахара. Точно так же и бренди, дистиллированный из C3-винограда, не должен иметь признаков обогащения дистиллированным спиртом из хлебного зерна.
Путешествие Этци: сила изотопов
В сентябре 1991 года, путешествуя в Альпах недалеко от итало-австрийской границы, двое немецких туристов наткнулись на человеческий торс, заметный под кромкой отступающего ледника. Решив, что это, должно быть, давно пропавший без вести турист, они уведомили власти. В каком-то смысле они были правы, но когда тело достали и установили его возраст при помощи радиоуглеродного датирования, выяснилось, что прогулка, во время которой погиб Этци – такое имя получил «найденыш», – состоялась 5200 ± 70 лет назад26. Подробный анализ этого частично мумифицированного тела позволил совершить захватывающие открытия, связанные с одеждой, орудиями и диетой европейцев медного века. Однако к нашему разговору об изотопах имеет отношение та удивительная точность, с которой мы можем определить место рождения Этци и его последующих странствий.