Введение

Аналитический метод, используемый для изучения изотопов. Изотопный анализ – это определение изотопного состава и концентрации определенных стабильных изотопов химических элементов в органических и неорганических соединениях. Изотопный анализ может применяться для понимания потока энергии в пищевых цепях, реконструкции прошлых экологических и климатических условий, изучения рациона питания человека и животных, установления подлинности продуктов питания, а также для решения широкого круга задач в физике, геологии, палеонтологии и химии. Соотношения стабильных изотопов измеряются с помощью масс-спектрометрии, которая разделяет различные изотопы элемента на основе их отношения массы к заряду.

Пораженные ткани

Изотопный кислород поступает в организм преимущественно с пищей и водой, где он используется для формирования костей и зубов, что важно для археологических исследований. Кислород включается в состав гидроксиапатита костей и зубной эмали. Костная ткань постоянно ремоделируется в течение жизни человека. Хотя скорость обновления изотопного кислорода в гидроксиапатите точно не известна, предполагается, что она сопоставима со скоростью обновления коллагена – около 10 лет. Таким образом, если человек проживает в определенном регионе 10 лет или более, изотопные соотношения кислорода в гидроксиапатите костей будут отражать соотношения кислорода, характерные для этого региона. Зубы не подвергаются постоянной регенерации, поэтому их изотопные соотношения кислорода остаются неизменными с момента формирования. Следовательно, изотопные соотношения кислорода в зубах отражают соотношения, существовавшие в регионе, где человек родился и вырос. При наличии молочных зубов также можно определить возраст, в котором ребенок был отлучен от груди. Производство грудного молока использует воду организма матери, которая содержит более высокие концентрации 18O из-за предпочтительной потери 16O с потом, мочой и выдыхаемым водяным паром. Несмотря на то, что зубы более устойчивы к химическим и физическим изменениям с течением времени, и кости, и зубы подвержены пост-осадочному диагенезу. Поэтому при изотопном анализе предпочтение отдается более устойчивым фосфатным группам, а не менее распространенным гидроксильным группам или более подверженным диагенетическим изменениям карбонатным группам.

Приложения

Изотопный анализ широко применяется в естественных науках, включая многочисленные области биологии, наук о Земле и экологии.

Реконструкция древних диет

Археологические материалы, такие как кость, органические остатки, волосы или морские раковины, могут служить субстратами для изотопного анализа. Соотношения изотопов углерода, азота и цинка используются для изучения диеты людей прошлого; эти изотопные системы могут применяться совместно с другими, такими как стронций или кислород, для решения вопросов о миграциях населения и культурных взаимодействиях, в том числе торговле. Изотопы углерода анализируются в археологии для определения источника углерода, лежащего в основе пищевой цепи. Исследуя соотношение изотопов 12C/13C, можно установить, питались ли животные и люди преимущественно растениями C3 или C4. К потенциальным источникам C3 относятся пшеница, рис, клубни, фрукты, орехи и многие овощи, в то время как к C4 – просо и сахарный тростник. Соотношения изотопов углерода также могут использоваться для разграничения морских, пресноводных и наземных источников пищи. Соотношение изотопов углерода можно измерять в костном коллагене или костном минерале (гидроксилапатите), и анализ каждой из этих фракций кости позволяет пролить свет на различные компоненты рациона. Углерод в костном коллагене преимущественно поступает из пищевого белка, а углерод в костном минерале – из всего потребленного углерода, включая углеводы, липиды и белки. Изотопы азота могут использоваться для оценки состояния почвы, а обогащенный δ15N – для выявления внесения навоза. Однако усложнение заключается в том, что обогащение происходит также под воздействием факторов окружающей среды, таких как денитрификация в водно-болотных угодьях, засоленность, засушливость, микроорганизмы и расчистка земель. Для получения точной картины палеодиеты важно понимать процессы диагенеза, которые могут повлиять на исходный изотопный сигнал. Также важно, чтобы исследователь учитывал вариации изотопов внутри индивидуумов, между индивидуумами и во времени. Особенно в бронзовом веке Средиземноморья анализ изотопов свинца оказался полезным инструментом для определения источников металлов и важным индикатором торговых связей. Однако интерпретация данных об изотопах свинца часто вызывает споры и сопряжена с многочисленными инструментальными и методологическими трудностями. Проблемы, такие как смешивание и повторное использование металлов из разных источников, недостаток надежных данных и загрязнение образцов, могут представлять значительные трудности при интерпретации.

Экология

Все биологически активные элементы существуют в ряде различных изотопных форм, среди которых две или более стабильны. Например, большая часть углерода представлена в виде 12C, при этом около 1% приходится на 13C. Соотношение этих изотопов может изменяться под воздействием биологических и геофизических процессов, и эти различия могут быть использованы экологами в различных целях. Основные элементы, применяемые в изотопной экологии, – это углерод, азот, кислород, водород и сера, но также кремний, железо и стронций.

Водород-2

Отношение 2H, также известного как дейтерий, к 1H изучалось как в растительных, так и в животных тканях. Изотопы водорода в растительных тканях коррелируют с локальными значениями воды, но изменяются из-за фракционирования в ходе фотосинтеза, транспирации и других процессов при формировании целлюлозы. Исследование изотопных соотношений тканей растений, произрастающих на небольшой территории в Техасе, показало, что ткани растений, использующих CAM-фотосинтез, были обогащены дейтерием по сравнению с растениями, использующими C4-фотосинтез. Изотопные соотношения водорода в животных тканях отражают рацион питания, включая питьевую воду, и используются для изучения миграции птиц и водных пищевых цепей.

Углерод-13

Изотопы углерода помогают нам определить основной источник первичной продукции, ответственный за поток энергии в экосистеме. Перенос 13C по трофическим уровням остаётся относительно постоянным, за исключением небольшого увеличения (обогащения менее 1‰). Значительные различия в значениях δ13C у животных указывают на то, что у них разные источники пищи или что их пищевые сети основаны на различных первичных производителях (например, на разных видах фитопланктона или прибрежных трав). Поскольку δ13C отражает исходный источник первичных производителей, изотопы также могут помочь определить изменения в диете – как кратковременные, долгосрочные, так и постоянные. Эти изменения могут даже коррелировать с сезонными колебаниями, отражая численность фитопланктона.

Сера-34

Хотя между трофическими уровнями не происходит обогащения 34S, стабильный изотоп может быть полезен для различения бентосных и пелагических продуцентов, а также продуцентов болот и фитопланктона. Когда организмы поедают друг друга, изотопы 15N передаются хищникам. Таким образом, организмы, находящиеся выше в трофической пирамиде, накапливают более высокие уровни 15N (и более высокие значения δ15N) по сравнению со своими жертвами и другими организмами, предшествующими им в пищевой сети. Многочисленные исследования морских экосистем показали, что в среднем между разными трофическими уровнями в экосистемах происходит обогащение 15N на 3,2‰ по сравнению с рационом питания. Помимо трофического положения организмов, значения δ15N широко используются для различения между источниками питательных веществ, связанными с сушей, и природными источниками. По мере того как вода перемещается из септиков в водоносные горизонты, богатая азотом вода поступает в прибрежные зоны. Нитраты в сточных водах имеют более высокие концентрации 15N, чем нитраты, содержащиеся в естественных почвах прибрежных зон. Бактериям легче усваивать 14N, чем 15N, поскольку это более легкий элемент и его легче метаболизировать. Таким образом, из-за предпочтений бактерий при выполнении биогеохимических процессов, таких как денитрификация и аммонификация, 14N удаляется из воды быстрее, чем 15N, что приводит к большему поступлению 15N в водоносный горизонт. Концентрация 15N в сточных водах составляет примерно 10-20‰, в отличие от естественных значений 15N, которые составляют 2-8‰. Этот метод определения высоких уровней поступления азота становится все более популярным для мониторинга поступления питательных веществ в устья рек и прибрежные экосистемы. Специалисты по охране окружающей среды все больше обеспокоены измерением антропогенного поступления питательных веществ в эстуарии, поскольку избыток питательных веществ может привести к эвтрофикации и гипоксическим явлениям, полностью уничтожая организмы в данной области.

Кислород-18

Анализ соотношения 18O к 16O в раковинах моллюска, обитающего в дельте реки Колорадо, использовался для оценки исторического распространения эстуария в дельте реки Колорадо до строительства плотин выше по течению.

Судебная медицина

Недавнее достижение в области судебной экспертизы – изотопный анализ прядей волос. Волосы растут с узнаваемой скоростью 9–11 мм в месяц или 15 см в год. Рост волос человека в основном обусловлен диетой, особенно потреблением питьевой воды. Стабильные изотопные соотношения питьевой воды зависят от местоположения и геологической среды, через которую она фильтруется. Соотношения изотопов 87Sr, 88Sr и кислорода различаются по всему миру. Эти различия в изотопных соотношениях затем биологически фиксируются в волосах по мере их роста, что позволяет определить недавнюю географическую историю путем анализа прядей волос. Например, можно установить, посещал ли подозреваемый в терроризме определенное местоположение, проведя анализ его волос. Этот анализ волос – неинвазивный метод, который становится все более популярным в случаях, когда анализ ДНК или другие традиционные методы не дают результатов. Изотопный анализ может использоваться следователями для определения, имеют ли два или более образца взрывчатых веществ общее происхождение. Большинство взрывчатых веществ содержат атомы углерода, водорода, азота и кислорода, поэтому сравнение их относительной распространенности изотопов может указать на общее происхождение. Исследователи также показали, что анализ соотношения 12C/13C позволяет установить страну происхождения взрывчатого вещества. Стабильный изотопный анализ также применялся для выявления маршрутов наркотрафика. Изотопный состав морфина, полученного из мака, выращенного в Юго-Восточной Азии, отличается от состава морфина, выращенного в Юго-Западной Азии. То же самое справедливо и для кокаина, происходящего из Боливии и Колумбии.

Отслеживаемость

Стабильный изотопный анализ также применяется для определения географического происхождения продуктов питания и древесины, а также для прослеживания источников и путей миграции нитратов в окружающей среде.

Гидрология

В изотопной гидрологии стабильные изотопы воды (2H и 18O) используются для оценки источников, возраста и путей движения воды в экосистемах. Основными факторами, влияющими на стабильный изотопный состав воды, являются испарение и конденсация. Изменчивость изотопов воды применяется для изучения источников питания ручьев и рек, скоростей испарения, инфильтрации в грунтовые воды и других гидрологических процессов.

Палеоклиматология

Соотношение 18O к 16O в льду и глубоководных кернах зависит от температуры и может использоваться как прокси-показатель для реконструкции изменений климата. В более холодные периоды истории Земли (гляциалы), такие как ледниковые эпохи, 16O предпочтительно испаряется из более холодных океанов, оставляя за собой немного более тяжелый и менее подвижный 18O. Организмы, такие как фораминиферы, которые объединяют кислород, растворенный в окружающей воде, с углеродом и кальцием для построения своих раковин, таким образом включают в них зависящее от температуры соотношение 18O к 16O. Когда эти организмы погибают, они оседают на дно океана, сохраняя долгосрочную и ценную летопись глобальных изменений климата на протяжении большей части четвертичного периода. Аналогично, ледяные керны на суше обогащаются более тяжелым 18O по отношению к 16O в более теплые климатические фазы (интергляциалы), поскольку для испарения более тяжелого изотопа 18O доступно больше энергии. Таким образом, запись изотопов кислорода, сохранившаяся в ледяных кернах, является "отражением" записи, содержащейся в океанических отложениях. Изотопы кислорода сохраняют информацию о влиянии циклов Миланковича на изменения климата в течение четвертичного периода, выявляя приблизительно 100 000-летнюю цикличность в климате Земли.