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

гвоздей из римского форта в Шотландии, построенного при Агриколе в 83 году нашей эры, а также фрагментов чугуна из гробницы в китайском Хотане (430 ± 80 г. до н. э.), созданных в период Воюющих царств, который продлился с 480 по 221 год до нашей эры.

К 1970-м годам ван дер Мерве решил добавить в свои археологические поиски стабильный изотоп Углерода 13C наряду с датированием при помощи радиоактивного изотопа 14C. Как мы еще увидим, этот более тяжелый и устойчивый родственник наиболее распространенного изотопа12C играет невероятно важную роль. Итоги своих исследований изотопов Углерода ван дер Мерве подвел в статье, неизменно вызывавшей мой интерес.

Начнем эту историю с того, что делают растения. Их «цель» в жизни – создавать растительный материал, в том числе такие молекулы, как глюкоза (C6H12O6), сахароза (C12H22O11) и амилоза (C6H10O5), а затем соединять их в длинные цепи целлюлозы, лигнина и других молекул, образующие главные структурные компоненты клеточных стенок растений. Для создания этих молекул растения используют разные пути фотосинтеза, но фундаментальные принципы одни и те же. Лист вдыхает CO2 из воздуха и в присутствии H2O использует энергию солнечного света, чтобы разорвать связь CO2, выпустить O2 (вещество, которым мы дышим) обратно в атмосферу и ввести C в органические молекулы, которые необходимо построить. Чтобы получить даже самую простую молекулу глюкозы (C6H12O6), необходимо множество шагов, но если говорить о соотношениях изотопов, то это первый шаг в процессе, который отличает различные механизмы, к которым прибегают растения.

C3 против С4

Более 90 % всех видов растений следуют C3-фотосинтезу, в ходе которого три атома Углерода из трех разных молекул CO2 связываются в цепочку. Этот путь возник несколько миллиардов лет назад, когда концентрация CO2 в атмосфере была намного выше, чем сегодня, а концентрация O2 – ниже. Примерно 30 миллионов лет назад, когда концентрация CO2 значительно снизилась (а миллиарды лет фотосинтеза подняли уровень O2 до современных значений), развился более эффективный C4-фотосинтез, при котором уже на первом этапе связывается не три, а четыре атома Углерода. Это оказалось особенно выгодным в более жарком и сухом климате, поэтому несмотря на то, что C4-растения составляют менее 3 % всех растений, произрастающих сегодня на Земле, именно они отвечают за производство примерно 25 % мирового растительного материала. Кроме того, целых 46 % сельскохозяйственного производства зерна связано с тем, что кукуруза, сорго и просо используют C4-фотосинтез5. Третий механизм, который с эволюционной точки зрения также появился довольно поздно, называется CAM‐фотосинтез (звучит как скороговорка: кислотный метаболизм толстянковых). Он обеспечивает первый этап фотосинтеза у остальных 6 % растений (в первую очередь у кактусов и суккулентов, в том числе и у важных компонентов тропических коктейлей с зонтиком, таких как агава текильная и ананасы).

Молекулы атмосферного CO2 отражают соотношение изотопов Углерода, о котором мы говорили в главе 4: 98,9 % содержат 12C, 1,1 % – 13C и один из триллиона – 14C. Напомним, что все изотопы элемента химически идентичны; то есть молекула 12CO2 химически неотличима от молекулы 13CO2, и ее атом Углерода будет вести себя точно так же, когда эту молекулу разобьет на части сгусток солнечной энергии и она послужит для создания сахарозы или чего-то еще. Однако единственная отличительная особенность молекулы 13CO2 состоит в том, что она тяжелее, чем ее «сестрица» 12CO2, а тяжелые предметы движутся медленнее – как может подтвердить бывший марафонец, впоследствии набравший немало килограммов. «Раздобревшие» молекулы 13CO2 не столь проворны, как их более легкие родственницы.

Рис. 10.1. Распределение соотношений 13C/12C для С3-растений (светло-серый) и С4-растений (темно-серый). Распределения не перекрывают друг друга и достигают пиковых значений примерно на уровне –2,0 % и –0,5 % соответственно по сравнению с содержанием 13C в воздухе. Отрицательные величины указывают на то, что все растения, о чем подробно говорится в тексте, не проявляют особой склонности к усвоению более тяжелого и медленного изотопа 13C, но на более кратком пути C3-фотосинтеза эта черта выражена в большей степени

Как следствие, когда C3-растение начинает поглощать CO2, чтобы начать процесс фотосинтеза, оно легче находит более быстрые молекулы 12CO2 – они всегда под рукой, в то время как «ленивые» и более тяжелые изотопы появляются не так часто. В результате материал C3-растений содержит в среднем на 1,95 % меньше 13C, чем было в окружающем воздухе6. C4-растениям, с другой стороны, приходится проявлять терпение, поскольку им необходимо собрать четыре молекулы CO2 и разделить их еще до того, как завершится первый этап процесса. Хотя они тоже «недолюбливают» медленные молекулы 13CO2, они не могут позволить себе быть настолько привередливыми, и в результате дефицит 13C в их целлюлозе составляет всего лишь 0,55 %7 (см. рис. 10.1).

Если вернуться к теме этой главы – ты есть то, что ты ешь, – то следовало бы ожидать, что в вашем организме будет разное соотношение изотопов 13C/12C в зависимости от того, какие растения вы потребляете в пищу – C3 или C4. Однако переваривание пищи и превращение ее в ткани тела – это, помимо прочего, химический процесс, на каждом этапе которого проявляется то же самое избирательное отношение как в пользу тяжелых атомов, так и против них. По сути, преобразование растительного материала в костный коллаген увеличивает исходное соотношение на +0,51 %, возрастание мышечной массы увеличивает его на +0,36 %, а образование жира снижает его на –0,30 %. Выше мы уже упоминали о том, что эти значения химической дискриминации называются коэффициентами фракционирования. Таким образом, в костях любителя растительной пищи, состоящей из C3-растений, соотношение 13C/12C будет меньше, чем в воздухе, на –1,95 % + 0,51 % = –1,44 %, в то время как у того, кто потребляет исключительно C4-растения, оно составит –0,55 % + 0,51 % = –0,04 %, что, в принципе, можно приравнять к нулю – такое же соотношение наблюдается и в воздухе, из которого в конечном итоге произошел Углерод.

Если вы не вегетарианец, все немного сложнее, но принципы остаются теми же. Мясо – это мышцы, и если вы едите каре ягненка, вскормленного на С3-растениях, то соотношение изотопов 13C/12C, потребляемых вами, составит всего лишь –1,95 % (из растения) + 0,36 % (от преобразования в мышцы ягненка) + 0,51 % (от превращения в кость внутри вас) = –1,08 % по сравнению с воздухом.

Эти небольшие различия в процентах могут показаться столь тривиальными, что их невозможно измерить, но помните, что атомы крохотны. Даже если взять 1 грамм (0,04 унции) кости, атомов 13C будет на миллион триллионов меньше8, чем ожидалось, – и это немаленькое расхождение. И благодаря тому, что мы способны деконструировать образцы материалов и разделять их на атомные и изотопные составляющие, эти, казалось бы, небольшие отличия помогают нам успешно разгадывать тайны прошлого.

История кукурузы

Кукуруза появилась в высокогорьях