Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

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 изотопа¹⁵

N 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 ³⁴

S (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.

Современное применение изотопных отношений