Введение
Математическое отношение, используемое при анализе радиоактивных материалов. Изотопная подпись (также изотопный отпечаток) — это отношение нерадиогенных "стабильных изотопов", стабильных радиогенных изотопов или нестабильных радиоактивных изотопов определенных элементов в исследуемом материале. Отношения изотопов в образце измеряются с помощью изотопной масс-спектрометрии относительно изотопного стандартного образца. Этот процесс называется изотопным анализом.
An isotopic signature (also isotopic fingerprint) is a ratio of non radiogenic 'stable isotopes', stable radiogenic isotopes, or unstable radioactive isotopes of particular elements in an investigated material. The ratios of isotopes in a sample material are measured by isotope ratio mass spectrometry against an isotopic reference material. This process is called isotope analysis.
Стабильные изотопы
Атомная масса различных изотопов влияет на их химическую кинетику, что приводит к естественному разделению изотопов.
Изотопы азота
Азот-15, или 15N, часто используется в сельскохозяйственных и медицинских исследованиях, например, в эксперименте Меселсона — Сталя для установления природы репликации ДНК. Развитие этого исследования привело к разработке стабильного изотопного зондирования на основе ДНК, которое позволяет изучать связи между метаболической функцией и таксономической идентичностью микроорганизмов в окружающей среде без необходимости выделения культур. Белки можно изотопно метить, выращивая их в среде, содержащей 15N как единственный источник азота, например, в количественной протеомике, такой как SILAC. Азот-15 широко используется для отслеживания минеральных соединений азота (особенно удобрений) в окружающей среде. В сочетании с использованием других изотопных меток, 15N также является важным трассером для описания судьбы азотсодержащих органических загрязнителей. Отслеживание азота-15 — важный метод, используемый в биогеохимии. Соотношение стабильных изотопов азота, 15N/14N или δ15N, как правило, увеличивается с повышением трофического уровня: у травоядных значения изотопов азота выше, чем у растений, а у хищников — выше, чем у травоядных. В зависимости от исследуемой ткани, с каждым повышением трофического уровня обычно наблюдается увеличение на 3–4 промилле. Поэтому ткани и волосы веганов содержат значительно меньше δ15N, чем ткани людей, в основном употребляющих мясо. Аналогично, наземная диета оставляет иной изотопный след, чем морская. Изотопный анализ волос — важный источник информации для археологов, предоставляющий сведения о древних диетах и различных культурных установках в отношении источников пищи. Ряд других экологических и физиологических факторов может влиять на изотопный состав азота в основе пищевой цепи (то есть в растениях) или на уровне отдельных животных. Например, в засушливых регионах цикл азота имеет тенденцию быть более «открытым» и подверженным потере 14N, что приводит к увеличению δ15N в почвах и растениях. Это приводит к относительно высоким значениям δ15N у растений и животных в жарких и засушливых экосистемах по сравнению с более холодными и влажными. Кроме того, повышенные значения δ15N связаны с преимущественным выведением 14N и повторным использованием уже обогащенных 15N тканей в организме при длительном водном стрессе или недостаточном потреблении белка. δ15N также является диагностическим инструментом в планетарной науке, поскольку соотношение, наблюдаемое в атмосферах и поверхностных материалах, «тесно связано с условиями, при которых формируются материалы».
Изотопы свинца
Свинец состоит из четырех стабильных изотопов: 204Pb, 206Pb, 207Pb и 208Pb. Локальные вариации содержания урана, тория и свинца приводят к широкому изменению изотопных соотношений свинца в зависимости от местоположения. Свинец, выбрасываемый в атмосферу промышленными процессами, имеет изотопный состав, отличающийся от изотопного состава свинца в минералах. Сжигание бензина с добавкой тетраэтилсвинца приводило к образованию повсеместных частиц свинца микрометрового размера в выхлопных газах автомобилей; особенно в городских районах частицы свинца антропогенного происхождения встречаются гораздо чаще, чем природные. Различия в изотопном составе частиц, обнаруженных в объектах, могут быть использованы для приблизительного определения места их происхождения. Измерение изотопных соотношений углерода может быть использовано для выявления фальсификации меда. Добавление сахаров, происходящих из кукурузы или сахарного тростника (C4-растений), искажает изотопное соотношение сахаров в меде, но не влияет на изотопное соотношение белков; в нефальсифицированном меде изотопные соотношения углерода сахаров и белков должны соответствовать друг другу. Возможно обнаружение даже 7% добавки. Ядерные взрывы образуют 10Be в результате реакции быстрых нейтронов с 13C в углекислом газе, содержащемся в воздухе. Это один из исторических индикаторов прошлой активности на полигонах для ядерных испытаний.
Истоки Солнечной системы
Изотопные отпечатки используются для изучения происхождения материалов в Солнечной системе. Отношения изотопов кислорода, которые можно измерять с высокой точностью, дают уникальную и характерную подпись для каждого тела Солнечной системы. Различные кислородные изотопные сигнатуры могут указывать на источник материала, выброшенного в космос. Отношение изотопов титана на Луне (50Ti/47Ti) близко к земному (в пределах 4 ppm). В 2013 году было опубликовано исследование, показавшее, что вода в лунной магме "неразличима" с углеродистыми хондритами и практически идентична земной по изотопному составу воды.
Записи о ранних жизнях на Земле
Изотопная биогеохимия использовалась для изучения временной шкалы, связанной с возникновением жизни и ее ранних форм на Земле. Изотопные сигнатуры, характерные для жизни и сохранившиеся в осадочных породах, позволяют предположить, но не доказывают однозначно, что жизнь существовала на Земле уже 3,85 миллиарда лет назад. Данные по изотопам серы также использовались для подтверждения времени Великого окислительного события, во время которого в атмосфере Земли впервые зафиксировано измеримое увеличение содержания кислорода (до примерно 9% от современных значений) около 2,3–2,4 миллиарда лет назад. Массонезависимые фракции изотопов серы широко распространены в геологической летописи до примерно 2,45 миллиарда лет назад, и эти изотопные сигнатуры впоследствии сменились массозависимыми фракциями, что является веским доказательством перехода атмосферы от бескислородной к кислородной на этом рубеже. Современные бактерии, восстанавливающие сульфаты, склонны восстанавливать более легкий изотоп 32S вместо 34S, и присутствие этих микроорганизмов может заметно изменять изотопный состав серы в океане. Отсутствие изотопных фракций серы в сульфидных минералах может указывать на отсутствие этих бактериальных процессов или на недостаток доступного сульфата. Некоторые использовали эти знания о микробной фракции серы, чтобы предположить, что минералы (в частности, пирит) с большими фракциями изотопов серы по отношению к предполагаемому составу морской воды могут служить свидетельством жизни. Однако это утверждение не является однозначным и иногда оспаривается на основе геологических данных, полученных при изучении сульфидных минералов возрастом около 3,49 млрд лет из формации Дрессер в Западной Австралии, у которых значения δ34S достигают –22‰. Поскольку не доказано, что сульфидные и баритовые минералы образовались без значительного гидротермального влияния, это не является окончательным доказательством существования жизни или микробного пути восстановления сульфатов в архейский период.