Кіріспе
Изотоптарды зерттеуге қолданылатын талдау әдісі. Изотоптық талдау – органикалық және органикалық емес қосылыстардағы химиялық элементтердің белгілі бір тұрақты изотоптарының изотоптық қолтаңбасын, мөлшерін анықтау. Изотоптық талдау тағамдық тізбекте энергия ағынын түсінуге, өткен орта және климат жағдайларын қайта құруға, адамдар мен жануарлардың тамақтануын зерттеуге, тағамның шынайылығын растауға, сондай-ақ физикалық, геологиялық, палеонтологиялық және химиялық процестердің алуан түрлерін зерттеуге қолданылады. Тұрақты изотоптардың арақатынасы массалық спектрометрия көмегімен өлшенеді, ол элементтің әртүрлі изотоптарын массасы мен зарядының қатынасына сәйкес бөліп шығарады.
Isotope analysis is the identification of isotopic signature, abundance of certain stable isotopes of chemical elements within organic and inorganic compounds. Isotopic analysis can be used to understand the flow of energy through a food web, to reconstruct past environmental and climatic conditions, to investigate human and animal diets, for food authentification, and a variety of other physical, geological, palaeontological and chemical processes. Stable isotope ratios are measured using mass spectrometry, which separates the different isotopes of an element on the basis of their mass to charge ratio.
Зақымдалған тіндер
Изотоптық оттегі денеге негізінен жұту арқылы сіңіріледі, содан кейін ол археологиялық мақсаттар үшін сүйектер мен тістердің қалыптасуында пайдаланылады. Оттегі сүйек және тіс эмалінің гидроксикарбонат апатитіне енгізіледі. Сүйек адамның өмірі бойында үнемі жаңарып отырады. Гидроксиапатиттегі изотоптық оттегінің айналу жылдамдығы толыққанды белгілі болмаса да, ол коллагендікіне ұқсас деп есептеледі; шамамен 10 жыл. Осылайша, егер адам 10 жыл немесе одан ұзақ уақыт бойы бір аймақта тұрса, сүйек гидроксиапатитіндегі изотоптық оттегінің арақатынасы сол аймақтағы оттегінің арақатынасын көрсетеді. Тістер үнемі жаңарып отырмайды, сондықтан олардың изотоптық оттегінің арақатынасы қалыптасқан сәттен бастап өзгермейді. Демек, тістердегі изотоптық оттегінің арақатынасы адамның туған және өскен аймағының арақатынасын көрсетеді. Сүт тістері болған жағдайда, баланың неше жасында емшектен айырылғанын анықтау да мүмкін. Ана сүті анасының дене суынан түзіледі, онда тер, зәр және ылғалды тыныс арқылы 16O жоғалуына байланысты 18O деңгейі жоғары болады. Тістер уақыт өте келе химиялық және физикалық өзгерістерге көбірек төзімді болғанымен, екеуі де шөгінділік диагенезге ұшырайды. Сондықтан, изотоптық талдау аз мөлшердегі гидроксил тобы немесе диагендік карбонат тобының орнына, көбірек тұрақты фосфат топтарын пайдаланады.
Қолданбалар
Изотоптық талдау табиғи ғылымдарда кеңінен қолданылады. Оған биологиялық, жер және экологиялық ғылымдардың көптеген қолданыс салалары жатады.
Ежелгі диеталарды қалпына келтіру
Археологиялық материалдар, мысалы сүйек, органикалық қалдықтар, шаштар немесе теңіз қабықшалары, изотоптық талдау үшін негіз ретінде қолданылуы мүмкін. Көміртек, азот және мырыш изотоптарының арақатынастары өткен адамдардың тамақтануын зерттеуге пайдаланылады; бұл изотоптық жүйелерді стронций немесе оттегі сияқты басқаларымен бірге, халықтың қозғалысы және сауда сияқты мәдени өзара әрекеттер туралы сұрақтарға жауап беру үшін қолдануға болады. Көміртегі изотоптары археологияда тағамдық тізбектегі көміртек көзін анықтау үшін талданады. 12C/13C изотоптық қатынасын қарастыру арқылы, жануарлар мен адамдар негізінен C3 немесе C4 өсімдіктерімен қоректенгенін анықтауға болады. C3 толықтандырғыштарына бидай, күріш, түйнектер, жемістер, жаңғақтар және көптеген көкөністер жатады, ал C4 толықтандырғыштарына тары және қант қамысы жатады. Көміртегі изотоптарының арақатынасын теңіз, тұщы су және құрлықтағы тағамдық көздерін ажырату үшін де қолдануға болады. Көміртегі изотоптарының арақатынасын сүйек коллагенінде немесе сүйек минералында (гидроксилапатитте) өлшеуге болады, және сүйектің осы фракцияларының әрқайсысын диетаның әртүрлі компоненттерін анықтау үшін талдауға болады. Сүйек коллагеніндегі көміртек негізінен диеталық ақуыздан алынады, ал сүйек минералындағы көміртек барлық тамақтанған көміртектерден, соның ішінде көмірсулар, липидтер және ақуыздан алынады. Азот изотоптары топырақтың жағдайын болжау үшін қолданылуы мүмкін, ал байытылған δ15N тыңайтқыш қосылғанын болжау үшін қолданылады. Қиындық сол, байыту қоршаған орта факторларының нәтижесінде де жүреді, мысалы, батпақты жерлердегі денитрификация, тұздылық, құрғақтық, микроорганизмдер және тазалау. Палеодиетаның нақты суретін алу үшін бастапқы изотоптық сигналға әсер ететін диагенез процестерін түсіну маңызды. Сондай-ақ, зерттеуші үшін жеке адамдардағы, адамдар арасындағы және уақыт өте келе изотоптардың өзгеруін білу маңызды. Әсіресе қола дәуірінің Жерорта теңізінде, қорғасын изотоптарын талдау металдардың көздерін анықтау үшін пайдалы құрал және сауда үлгілерінің маңызды көрсеткіші болды. Дегенмен, қорғасын изотоптарының деректерін түсіндіру көбінесе даулы болып келеді және көптеген құралдық және әдістемелік қиындықтарға тап болады. Әртүрлі көздерден алынған металдарды араластыру және қайта пайдалану, сенімді деректердің шектеулі болуы және сынамалардың ластануы сияқты мәселелер түсіндіруде қиындықтар тудыруы мүмкін.
Экология
Барлық биологиялық белсенді элементтер бірнеше түрлі изотоптық формаларда кездеседі, олардың екеуі немесе одан да көбі тұрақты болады. Мысалы, көміртегінің көп бөлігі 12C түрінде, ал шамамен 1%-ы 13C түрінде болады. Екі изотоптың арақатынасы биологиялық және геофизикалық процестер нәтижесінде өзгеруі мүмкін, ал осы айырмашылықтарды экологтар түрлі мақсаттар үшін пайдалана алады. Изотоптық экологияда көміртек, азот, оттегі, сутек және күкірт негізгі элементтер болып табылады, сонымен қатар кремний, темір және стронций да қолданылады.
Сутек-2
2Н, сонымен қатар деутерий деп аталатын, 1Н-ге қатынасы өсімдік және жануар тіндерінде зерттелді. Өсімдік тіндеріндегі сутегі изотоптары жергілікті су мәндерімен байланысты, бірақ фотосинтез, транспирация және целлюлозаның қалыптасу процестеріндегі фракциялануға байланысты өзгереді. Техас штатының шағын ауданында өсетін өсімдіктер тіндерінің изотоптық қатынастарын зерттеу нәтижесінде КАМ өсімдіктерінің тіндері C4 өсімдіктеріне қарағанда дейтерийге байытылғандығы анықталды. Жануар тіндеріндегі сутегі изотоптарының қатынасы диетасын, соның ішінде ішетін суын көрсетеді және құстардың көші-қонын және су азық тізбектерін зерттеу үшін қолданылған.
Көміртек-13
Көміртегі изотоптары экожүйедегі энергия ағынына жауапты негізгі өндіріс көзін анықтауға көмектеседі. 13C трофикалық деңгейлер арқылы берілуі, шамалы артқаннан басқа, салыстырмалы түрде тұрақты болып қалады (байыту < 1 ‰). Жануарлар арасындағы δ13C-тің айқын айырмашылықтары олардың әртүрлі тамақ көздері бар екенін немесе олардың тамақ тізбектері әртүрлі бастапқы өндірушілерге негізделгенін көрсетеді (мысалы, фитопланктонның түрлері, батпақты шөптер). δ13C бастапқы өндірушілердің бастапқы көзін көрсететіндіктен, изотоптар диетадағы қысқа мерзімді, ұзақ мерзімді немесе тұрақты өзгерістерді анықтауға да көмектеседі. Мұндай өзгерістер тіпті маусымдық өзгерістермен байланысты болуы мүмкін, фитопланктонның көптігін көрсетеді.
Күкірт-34
Трофикалық деңгейлер арасында 34S байыту болмағандықтан, тұрақты изотоп бентостық және пелагикалық өндірушілерді, сондай-ақ батпақты және фитопланктондық өндірушілерді ажыратуға көмектеседі. Организмдер бір-бірін жегенде 15N изотоптары хищниктерге беріледі. Осылайша, трофикалық пирамидадағы жоғары тұрған организмдер тағамдық тізбекте өздерінен және алдыңғы организмдерден алған жемдеріне қарағанда 15N-нің жоғары деңгейін (және жоғары δ15N мәндерін) жинақтайды. Теңіз экожүйелерінде жүргізілген көптеген зерттеулер көрсеткендей, экожүйелердегі әртүрлі трофикалық деңгейдегі түрлер арасында 15N орташа есеппен 3,2‰-ға байиды. Организмдердің трофикалық орналасуынан басқа, δ15N мәндері құрлықтан келген және табиғи қоректік заттар көздерін ажырату үшін де жиі қолданылады. Су септиктерден су жинағыштарға ағып келе жатқанда, азотқа толы су жағалау аймақтарына жеткізіледі. Қалдық судың нитраты жағалауға жақын аймақтардағы табиғи топырақтағы нитратқа қарағанда 15N-нің жоғары концентрациясын қамтиды. Бактериялар үшін 14N-ді сіңіру 15N-ге қарағанда ыңғайлырақ, себебі ол жеңіл элемент және метаболизмде оңай өңделеді. Осылайша, бактериялардың денитрификация және аммиактың ұшқындануы сияқты биогеохимиялық процестерді жүзеге асырғандағы басымдығына байланысты, 14N судан 15N-ге қарағанда жылдам жоғалады, нәтижесінде су жинағышқа көбірек 15N түседі. 15N шамамен 10-20‰ құрайды, ал табиғи 15N мәндері 2-8‰-ға тең. Азоттың жоғары деңгейін анықтаудың осы әдісі, өзен сағалары мен жағалау экожүйелеріне қоректік заттардың түсуін бақылауға бағытталған зерттеулерде жиі қолданылады. Экологиялық менеджерлер антропогендік қоректік заттардың суға түсуін өлшеуге көбірек мән береді, өйткені қоректік заттардың артық болуы эвтрофикацияға және гипоксиялық құбылыстарға әкелуі мүмкін, бұл аймақтан организмдердің толық жойылуына соқтыруы мүмкін.
Қалдық
Колорадо өзенінің дельтасындағы бөгеттер салынғанға дейін, өзен сағасының тарихи шегін анықтау үшін Колорадо дельтасының шұңғыл қабықшаларындағы 18O мен 16O арақатынасы талданды.
Сот медицинасы
Сот медицинасының соңғы жетістігі – шаштың изотоптық талдауы. Шаштың ай сайын 9-11 мм немесе жылына 15 см өсу қарқыны байқалады. Адам шашының өсуі негізінен тамақтануға, әсіресе ішетін суға байланысты. Ішетін судың тұрақты изотоптық қатынастары географиялық орналасуымен және судың өтетін геологиялық құрамымен анықталады. 87Sr, 88Sr және оттегі изотоптарының құрамы әлемнің әртүрлі аймақтарында өзгеше болады. Изотоптық қатынастағы осы айырмашылықтар шаш өскен кезде биологиялық тұрғыдан "орнатылады", сондықтан шаш талшықтарын талдау арқылы соңғы географиялық тарихын анықтау мүмкін. Мысалы, террорист күдіктісінің шашын талдау арқылы оның жақында белгілі бір жерде болғаны анықталуы мүмкін. Бұл шаш талдауы ДНК немесе басқа дәстүрлі әдістер нәтиже бермейтін жағдайларда қолданылатын, кең таралған әдіс. Сот-медициналық сарапшылар изотоптық талдауды екі немесе одан көп жарылғыш заттың үлгілерінің бірдей көзден шыққан-шықпағанын анықтау үшін пайдалана алады. Көптеген жарылғыш заттардың құрамында көміртек, сутегі, азот және оттегі атомдары болады, олардың изотоптарының салыстырмалы мөлшерін салыстыру арқылы ортақ шығу тегін анықтауға болады. Зерттеушілер 12C/13C қатынастарын талдау арқылы жарылғыш заттың қандай елде жасалғанын анықтауға болатынын көрсетті. Тұрақты изотоптық талдау есірткі тасымалының жолдарын анықтау үшін де қолданылады. Оңтүстік-Шығыс Азияда өсірілген опийден алынған морфин мен Оңтүстік-Батыс Азияда өсірілген опийден алынған морфиннің изотоптық құрамы әртүрлі. Осы принцип Боливиядан және Колумбиядан алынған кокаинге де қолданылады.
Тiзiмдiлiк
Тұрақты изотоптық талдау сонымен қатар азық-түлік пен ағаш материалдарының географиялық тегін, ал қоршаған ортадағы нитраттардың пайда болуын және олардың не болатынын анықтау үшін қолданылған.
Гидрология
Изотоптық гидрологияда судың тұрақты изотоптары (2H және 18O) экожүйелер арқылы ағатын судың бастауын, жасын және ағыс жолдарын анықтау үшін пайдаланылады. Судың тұрақты изотоптық құрамын өзгертетін басты факторлар – булану мен конденсация. Су изотоптарының айырмашылықтары өзендер мен салаларға судың түсу көздерін, булану деңгейін, жер асты суларының толығуын және басқа да гидрологиялық процестерді зерттеуге қолданылады.
Палеоклиматология
Мұз және терең теңіз түйінділеріндегі 18O мен 16O арақатынасы температураға тәуелді және климат өзгерісін қайта құру үшін аралық өлшем ретінде пайдаланылуы мүмкін. Жер тарихының суық кезеңдерінде (мұздықтар), мысалы, мұз дәуірлерінде 16O салқын мұхиттардан басымдықпен буланып, сәл ауыр және жай 18O қалдырылады. Қабықшаларын құру үшін айналадағы судағы еріген оттегіні көміртек және кальциймен біріктіретін форманифералар сияқты организмдер температураға тәуелді 18O/16O арақатынасын өздеріне сіңіреді. Бұл организмдер өлгенде теңіз түбіне шөгіп, Квартер кезеңінің көп бөлігінде жаһандық климат өзгерісінің ұзақ және құнды жазбасын сақтайды. Сол сияқты, құрлықтағы мұз түйінділері жылы климаттық фазаларда (мұз аралықтар) 16O-ға қарағанда ауыр 18O-ға байытылады, себебі ауыр 18O изотопының булануы үшін көбірек энергия қол жетімді. Сондықтан, мұз түйінділерінде сақталған оттегі изотоптарының жазбасы мұхит шөгінділеріндегі жазбаның "айдағы көлеңкесі" болып табылады. Оттегі изотоптары Миланкович циклдарының Квартер кезеңінде климат өзгерісіне тигізген әсерін сақтайды, Жер климатының шамамен 100 000 жылдық циклдылығын көрсетеді.