Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Дэвид Хелфанд Страница 44

Сера – еще один элемент, необходимый для жизни (седьмой по распространенности в организме – 0,2 %), и он имеет четыре стабильных изотопа. Преобладающий – 32S, но 4,25 % Серы приходится на более тяжелый изотоп 34S (доля двух других, 33S и 36S, значительно меньше 1 %). Две наиболее распространенных формы Серы на поверхности Земли – это Сера из магматических (вулканических) пород и молекула сульфата SO4, обнаруженная в океане. Соотношение 34S/32S в первой форме, подобно соотношению изотопов Азота в атмосфере, определяет нулевую точку, тогда как для сульфата, найденного в морской воде, это соотношение выше на +2,1 %. Животные не выделяют Серу, в отличие от Азота, поэтому соотношения изотопов Серы по всей пищевой цепи сходны с соотношениями в конечном источнике (горные породы/почва или морская вода). Поэтому соотношение изотопов Серы может служить вторичным показателем доли морепродуктов в диете, независимо от аномального соотношения изотопов Азота, обнаруженного у рифовых рыб.

Современное применение изотопных отношений

Я рискую показаться заезженной пластинкой, но тем не менее повторю: мы – это то, что мы едим. За последние пятнадцать лет соотношения стабильных изотопов Углерода, Азота и Серы стали частью исследований, посвященных изучению питания и здоровья людей. Одно из таких еще в 2007 году проводили Б. Бухардт, В. Банч и П. Хелин. В нем сравнивались соотношения изотопов в обрезках ногтей, собранных у сообщества инуитов в северной Гренландии (восемьдесят два образца) и у группы, живущей в Дании, в том числе у нескольких гренландцев, переселившихся туда19. Изотопные соотношения всех трех элементов сильно коррелировали друг с другом и заметно различались у двух групп (см. рис. 10.3).

Как и ожидалось, у инуитов, чья диета богата рыбой и морскими млекопитающими, значения всех трех показателей были высокими, тогда как у жителей Дании (будь то датчане или гренландцы) они оказались гораздо ниже, поскольку в их диете было больше овощей и травоядных животных. У двух датских веганов наблюдался самый низкий уровень Азота – отражение чисто растительной диеты без концентрации более тяжелого изотопа, характерной для животных.

Рис. 10.3. Корреляции 13C и 15N,34S и 13C и 34S и 15N у выборки инуитов из северной Гренландии, гренландцев, переехавших в Данию, коренных датчан и двух датчан-веганов, полученные Бухардтом и др. (2007) по образцам ногтей. Обратите внимание, что у гренландцев, переехавших в Данию, соотношения полностью совпадают с коренными датчанами – так проявляется преобладающее влияние диеты. Например, у гренландцев, которые едят в основном рыбу и хищных морских млекопитающих, значения 15N и 13C высоки, в то время как у датчан-веганов они оказываются одними из самых низких, как и ожидалось при растительной диете. Напомним, что растения избирательно усваивают более тяжелые изотопы, а животные концентрируют в своих телах более тяжелый 15N

Исследователи даже показали, какой эффект на соотношение изотопов в организме оказывают диетические вмешательства в реальном времени. Они на двадцать восемь дней перевели четырех добровольцев, двух мужчин и двух женщин, с их обычной диеты, в которой преобладали C3-растения и животный белок, на диету, богатую C4-растениями и белком, получаемым из морепродуктов, и обнаружили отчетливые изменения в прядях волос испытуемых, поскольку новая диета «перезагрузила» изотопные соотношения: соотношение 13C/12C изменилось на +0,85–0,90 %, а соотношение 15N/14N – на +0,15–0,22 % процента в одной пряди волос по мере ее месячного роста.

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