Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом - Дэвид Хелфанд Страница 45

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.

Затем исследователи изучили соотношение 18O/16O в зубной эмали. Из дождевых туч первой выпадает более тяжелая вода, содержащая 18O, из-за чего соотношение изотопов Кислорода уменьшается по мере удаления от источника испарения (в данном случае от Средиземного моря). Эмаль показала, что в детстве, когда ему было от трех до пяти лет, Этци пил воду с соотношением –1,1 % по сравнению со стандартным значением. Это исключает южные геологические провинции (ближайшие к океану), где эти значения намного больше, а значит, Этци родился в окрестностях долины Эйсак, примерно в 25 км к северу от современного Больцано.

Анализ бедренных костей Этци показывает, что содержание в них Стронция 87Sr/86Sr значительно отличается от его зубов: 87Sr/86Sr = 0,7177. Кроме того, в небольших кусочках слюды, обнаруженных в его желудке – предполагают, что они находились там вместе с недавно съеденным молотым зерном, – наблюдается соотношение Аргона 40Ar/39Ar. Это позволяет предположить, что от места своего рождения он перебрался примерно на 25 км к западу, в края, недалеко от которых в наши дни находится Мерано, а свой последний приют нашел в 25 километрах к северо-западу от современной австрийской границы. Так по мельчайшим атомам можно рассказать историю Этци по прошествии пяти тысячелетий с момента его смерти27.

Изотопные соотношения одинаково хорошо применимы не только к людям, но и к другим существам, благодаря чему нам открыты и их жизненные истории. Недавно М. Вуллер и его коллеги28 воссоздали жизнь шерстистого мамонта, обитавшего на Аляске 17 100 лет назад, еще до того, как первые люди добрались до Северной Америки. Соотношения 87Sr/86Sr, 18O/16O, 15N/14N и 13C/12C, зафиксированные на 2,5-метровом бивне, позволили исследователям выстроить картину мест, в которых находился мамонт на протяжении всех двадцати восьми лет его жизни, с недельными интервалами. Соотношение Стронция и Кислорода в бивне было таким же, как и в растениях, служивших мамонту пищей, что, в свою очередь, отражало характер местной природы.

ДНК выявила одну Х‐хромосому – перед нами оказался мужской экземпляр. Первые полтора года он жил вблизи реки Юкон, скитаясь от полуострова Сьюард до дельты, а следующие четырнадцать лет провел в странствиях, преодолев более 1000 км, в основном к югу от хребта Брукс. Пятнадцать лет – это примерно тот возраст, когда молодые самцы изгоняются из матриархального стада (по крайней мере, у современных слонов) и отправляются в путь самостоятельно. Наш мамонт расширил свой ареал. Когда ему было девятнадцать, двадцать, двадцать два и двадцать три года (но не двадцать один, не двадцать четыре и не двадцать пять), соотношение Стронция раз в год систематически падало, что свидетельствует о сезонной миграции. Последние два года он провел к северу от хребта Брукс. Резкий скачок соотношения 15N/14N в конце жизни указывал на то, что он, вероятно, умер от голода (вспомните беременных с утренним недомоганием).

В аналогичном исследовании 13 200-летнего мастодонта из Индианы также удалось засвидетельствовать заметное изменение ареала обитания животного в период, когда ему было от двенадцати до четырнадцати лет и пришла пора покинуть родное стадо. Используя зависящее от температуры соотношение 18O/16O, Дж. Миллер