Еще один интересный пример того, насколько сильно изотопные соотношения зависят от диеты и состояния организма, – изменение изотопного соотношения Азота, происходящее в случаях недостаточного поступления пищи (особенно белка). Этот эффект был впервые отмечен в экспериментах на животных: у только что вылупившихся перепелов, которых держали на строгой диете, соотношение 15N/14N было на +0,19 % выше, чем у их братьев и сестер, которым разрешалось есть столько, сколько они хотели20, – поскольку организм, ограниченный в еде, разрушал собственные белки и выделял отходы, обогащенные легким изотопом. Этот эффект впоследствии наблюдался у больных анорексией, начинавших программу восстановления: в образцах волос виден систематический градиент от кончиков (от момента, предшествующего входу, «самый болезненный» период) к корням («самое здоровое» время до выхода из программы восстановления).
Яркая иллюстрация – ежемесячное взятие проб у беременной, страдавшей от тяжелой утренней тошноты в первом триместре. Она похудела на 5,5 кг, но ко времени рождения ребенка выздоровела, и вес увеличился на 8 кг по сравнению с первоначальным. В период утренней тошноты соотношение изотопов Азота в ее организме резко поднялось на целых +0,10 %, а затем снизилось до –0,16 %, поскольку ее вес восстановился, когда она достигла полного срока вынашивания (см. рис. 10.4)21.
По мере того как мы получали все больше данных, некоторые ученые начали рассматривать изотопные соотношения как инструмент для изучения не только питания, но и болезней. Например, используя диеты с различными уровнями C4-сахаров (к таким относятся и кукурузный сироп с высоким содержанием фруктозы, и тростниковый сахар), К. Кук и его коллеги обнаружили соответствующие изменения в соотношении 13C/12C в глюкозе крови после еды22. П. Пэйтел и его коллеги выяснили, что существует обратная корреляция между потреблением рыбы, показателем которого служит низкое соотношение изотопов Углерода, и риском диабета23. Печень – место производства мочевины и синтеза белка – процессов, в ходе которых Азот разделяется на фракции. К. Петцке и его соавторы выявили, что у пациентов с циррозом печени (дегенеративным заболеванием) соотношение изотопов Азота в волосах было на –0,32 % ниже, чем у здоровых людей24.
Рис. 10.4. Измерение соотношения 15N/14N в организме беременной по сравнению с соотношением в воздухе в зависимости от времени (зачатие соответствует нулевой неделе). Также на графике указан вес женщины. Утреннее недомогание в первом триместре привело к ярко выраженному похуданию и одновременно к резкому повышению соотношения изотопов Азота, которое изменилось, как только начался набор веса (Reitsema, 2013)
Тяжелые изотопы Водорода (на долю 2H в настоящее время приходится около 0,02 % всего Водорода) и Кислорода (доля 18O – примерно 0,25 % от уровня 16O), присутствуя в воде (H2O), делают ее «тяжелой». В роли «посредников» они позволяют точно определять температуру и место выпадения осадков (см. ниже и главу 11). Но кроме того, фракционирование, происходящее при образовании воды в ходе метаболических реакций, приводит к систематическому появлению других фракций тяжелой воды, более высоких, чем те, которые присутствуют в воде, поступающей в наш организм с пищей и напитками. Поскольку диабет вызывает обезвоживание и, следовательно, заставляет в большом количестве потреблять питьевую воду, было показано, что у мышей с индуцированным диабетом соотношения 2H/1H и 18O/16O на –0,13 % и –0,27 % ниже, чем у их здоровых собратьев. Хотя этот эффект еще не установлен у больных диабетом, Т. Куо и его коллеги показали соотношения более легких изотопов у пациентов с заболеваниями почек25.
У Кальция пять стабильных изотопов, из которых преобладает 40Ca (96,9 %), а большую часть остальных составляет 44Ca (2,1 %). Процессы фракционирования приводят к тому, что в человеческих костях наблюдается избыток более легкого изотопа по сравнению с его соотношением в пище, тогда как и мягкие ткани, и моча содержат больше тяжелого изотопа. При остеопорозе костные минералы повторно поглощаются и выводятся с мочой, в которой из-за этого оказывается больше легких изотопов, чем обычно. Поэтому анализ мочи обеспечивает простой и неинвазивный способ мониторинга потери костной массы.
Наконец, соотношения изотопов можно использовать и при судебно-медицинских экспертных исследованиях, связанных с маркировкой пищевых продуктов. Как отмечалось выше, предполагается, что органические культуры выращиваются с использованием только натуральных удобрений (то есть отходов животноводства), и поскольку такие отходы содержат больше тяжелого 15N, в органических культурах должны наблюдаться более высокие значения 15N/14N, чем в культурах, выращиваемых с использованием искусственных удобрений. Чистый клеверный мед должен иметь соотношение 13C/12C, соответствующее C3-растениям; любое отклонение предполагает подмешивание (гораздо более дешевого) кукурузного сиропа с высоким содержанием фруктозы или тростникового сахара. Точно так же и бренди, дистиллированный из C3-винограда, не должен иметь признаков обогащения дистиллированным спиртом из хлебного зерна.
Путешествие Этци: сила изотопов
В сентябре 1991 года, путешествуя в Альпах недалеко от итало-австрийской границы, двое немецких туристов наткнулись на человеческий торс, заметный под кромкой отступающего ледника. Решив, что это, должно быть, давно пропавший без вести турист, они уведомили власти. В каком-то смысле они были правы, но когда тело достали и установили его возраст при помощи радиоуглеродного датирования, выяснилось, что прогулка, во время которой погиб Этци – такое имя получил «найденыш», – состоялась 5200 ± 70 лет назад26. Подробный анализ этого частично мумифицированного тела позволил совершить захватывающие открытия, связанные с одеждой, орудиями и диетой европейцев медного века. Однако к нашему разговору об изотопах имеет отношение та удивительная точность, с которой мы можем определить место рождения Этци и его последующих странствий.
Во введении к этой главе мы уже отмечали, что самые долговечные атомы в организме человека находятся в зубной эмали. Слои этого твердого вещества, называемого апатитом, состоят из кристаллического фосфата кальция (в первую очередь Ca5(PO4)3(OH). Они откладываются по мере роста постоянного зуба, начиная с рождения и примерно до пятилетнего возраста.
В Периодической таблице химических элементов непосредственно под Кальцием находится Стронций, поэтому их свойства, о чем мы говорили в главе 4, достаточно схожи, и Стронций легко приходит на смену Кальцию в кристаллах апатита. В отличие от зубной эмали, время обновления атомов в человеческих костях составляет десять или двадцать лет. Таким образом, эмаль свидетельствует о том, где человек родился, а кости – о том, где он провел пару последних десятилетий взрослой жизни. Например, Этци на момент смерти было примерно сорок пять лет.
Вольфганг Мюллер и его коллеги исследовали четыре геологические провинции в северо-восточной Италии и охарактеризовали их по соотношению изотопов Стронция и Свинца – 87Sr/86Sr и 206Pb/204Pb соответственно. Местные растения поглощают эти почвенные минералы, а когда кто-то поедает растения, минералы становятся частью его зубов, что дает нам возможность судить о месте рождения Этци. Анализ эмали его клыков (с соотношением 87Sr/86Sr, равным 0,7215) позволил исключить две геологические провинции.
