Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Дэвид Хелфанд Страница 43

в Нью-Йорке, где мы купили два пирожных с маниокой; весь путь туда и обратно занял семь часов. Соотношение 13C/12C составило –1,9 %, как и ожидалось для стандартного C3-растения. Однако два скелета с берегов реки Ориноко, которые были найдены в Пармане, в нескольких сотнях километров вверх по течению от Карибского моря, и возраст которых составил 2800 лет, удивили исследователей: соотношение 13C/12C в костях составляло –1,9 % – иными словами, оно оказалось таким же, как и при потреблении чистых C3-растений, без добавления +0,5 %, которого можно было бы ожидать с учетом формирования костей.

Еще одно измерение изотопных соотношений, которое провели Э. Медина и П. Минчин, решило эту загадку13. Ученые показали, что у самой земли в тропическом лесу соотношение атмосферных 13C/12C было на 0,5 % ниже, чем на верхушках деревьев, поскольку воздух, захваченный у земли густым пологом, обогащается гниющим растительным материалом, у которого и так наблюдается дефицит изотопа13 C14. Эти дополнительные полпроцента просто компенсируют те +0,5 %, которые мы должны были бы добавить в расчете на костный коэффициент фракционирования – и тем самым мы получаем ожидаемый результат для диеты с высоким содержанием C3-растений. Это хороший пример разумной осторожности, которую следует соблюдать, когда мы пытаемся выяснить истину, обращаясь к изотопной летописи. Во введении мы уже отмечали, что атомы позволяют избежать культурных предубеждений, свойственных историкам, но подвержены множеству физических и химических воздействий, каждое из которых необходимо тщательно оценить, прежде чем делать окончательные выводы.

А как насчет костей более позднего периода, отнесенных примерно к 400 году нашей эры, когда процветали главные вождества? Они показали среднее значение, равное –0,33 %, что даже ниже, чем у их любящих кукурузу собратьев из Северной Америки, и это подтверждало, что их диета примерно на 80 % состояла из кукурузы. Quod erat demonstrandum15 – гипотеза Рузвельт подтвердилась.

Другие изотопы и диета

Природа биологических процессов заключается в построении сложных молекул из простых строительных блоков. В ходе этого процесса, как мы уже отмечали на примере Углерода, искажаются изотопные соотношения, что дает нам ключ к разгадке происхождения «кирпичиков». Но Углерод – не единственный элемент, для которого это справедливо. Например, Азот, следующий элемент в Периодической таблице и четвертый по распространенности в организме, также имеет два стабильных изотопа: 14N и 15N. Как и в случае с Углеродом, более тяжелый изотоп встречается гораздо реже, составляя всего 0,64 % Азота в нашей атмосфере, где преобладающим компонентом оказывается N2 (составляющий почти 78 % воздуха). Атомы Азота необходимы многим биологическим молекулам, но ни растения, ни животные не могут использовать обильный атмосферный N2, поскольку разорвать связь между двумя атомами слишком трудно. Чтобы Азот стал биологически полезным, его требуется «зафиксировать» (иными словами, разбить на части и встроить в другие молекулы, которые биологические системы могут разобрать на части и обратить себе на пользу). Эта роль отведена нескольким видам бактерий, называемым диазотрофами16. Некоторые из них живут в симбиозе на корнях растений, относящихся к семейству бобовых (горох, фасоль, клевер, люцерна, арахис и т. д.), и активно преобразуют бесполезный атмосферный N2 в полезные формы Азота, помогая этим растениям превзойти своих соседей. Когда бобовые умирают (или их вспахивают), фиксированный Азот высвобождается в почву, где может служить удобрением и стимулировать рост растений, лишенных этих полезных бактерий.

Цианобактерии, которые изначально имели облик сине-зеленых водорослей и изменили Землю, внедрив в нашу атмосферу огромное количество Кислорода, также отлично удерживают Азот, особенно в океане. В то время как бактерии бобовых могут фиксировать на клеверном поле до 90 кг Азота на акр в год, у цианобактерий на коралловых рифах этот показатель составляет до 250 кг Азота на акр в год (это различие важно, о чем мы подробнее поговорим в этой главе).

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 изотопа15N 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