Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

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/¹²

C 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 demonstrandum

¹⁵ – 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).