Стабильные изотопы в природе — на службе человека


Основные запасы углерода в природе, являющегося источником как натуральных, так и синтетических органических молекул, характеризуются довольно широким коридоромизотопного отношения — величины d13С колеблются от 0 d ‰ для углерода в морских продуктах до — 50 d ‰ в природном газе. Для всех изотопных композиций различных естественных источников углерода в различных местах земного шара изотопный состав является стабильным. Изотопный состав атмосферного углерода, являющегося «сырьевым» источником углерода для процесса фотосинтеза в растениях, варьируется от — 7 d ‰ над океаном до — 10 d ‰ над сельскими районами суши, удаленной от океана на значительные расстояния. Изотопные вариации также могут быть вызваны ростом содержания СО2 вследствие сжигания органического топлива, в соответствии с географическим местоположением и сезонными изменениями.
Для растений на суше величины d13С могут варьироваться в широких пределах — от — 8 d ‰ до — 35 d ‰ в зависимости от механизма фотосинтеза. В расстениях с механизмом фотосинтеза С3 типичный диапазон d13С лежит в пределах — 22 d ‰ — — 35 d ‰. Для растений С4 эти пределы составляют — 8 d ‰ — — 20 d ‰. Величины d13С для сухопутных животных (и человека в том числе) лежат в пределах — 15 d ‰ — — 25 d ‰. Изменения изотопных отношений внутри этих пределов для живых организмов происходят вдоль цепей питания. Нефти и уголь, являющиеся предшественниками большинства продуктов органического и промышленного синтеза, показывают величины d13С в пределах между — 25 d ‰ и — 30 d ‰, а некоторые даже в более широком диапазоне: от — 18 d ‰ до — 33 d ‰. Наконец, самые отрицательные значения величин d13С характерны для природного газа, они лежат в диапазоне — 30 d ‰ до — 50 d ‰.
Вариации изотопных отношений этих сырьевых материалов являются первым аргументом для использования методов анализа изотопной композиции с целью установления возможных фальсификаций.

Источники изотопных вариаций в природных соединениях растений

Фракционирование изотопов углерода, происходящее в процессах фотосинтеза, может быть объяснено небольшими различиями в физических и физико-химических свойствах 12С и 13С. Диффузия и реакционная способность более легких изотопов протекает немного быстрее. Исходя из этого, различия между растениями можно интерпретировать различиями внутренних парциальных давлений при различных условиях. Можно сформулировать следующие фундаментальные правила:

  • Более тяжелые изотопы концентрируются в более сжатом окружении (в смысле более сильных атомных связей)
  • Трансформация более тяжелых изотопов происходит медленнее
  • Фракционирование в химических процессах, обычно, большее, чем в физических процессах
  • Фракционирование в энзимных процессах обычно меньше, чем в соответствующих химических реакциях
  • Изменения внешних условий реакций, таких как температура, могут вызывать значительные изменения изотопного фракционирования в энзимных реакциях.
  • Растения С3 на суше характеризуются значительным изотопным фракционированием
  • Изотопное фракционирование изменяется с изменением концентрации внутреннего СО2.

Обеднение концентрации 13С в биомассе может происходить на стадии поглощения углерода растениями. Атмосферный СО2 напрямую вводится в цикл Кальвина рибулозой 1,5 дифосфаткарбокcилазы. Этот цикл получил название С3, поскольку продуктом карбоксилирования является фосфоглицерат (фосфоглицериновая кислота) — молекула с 3-х углеродным скелетом. Эффект фракционирования изотопов происходит на этапе карбоксилирования. Этот эффект ответственен за обеднение 13С, наблюдаемое в растениях С3, представленных, в основном, травами и овощными культурами. Следовательно, большинство растений, культивируемых для пищевого потребления, относятся по фотосинтезу к типу С3. С двумя большими исключениями — кукуруза и сахарный тростник.
Процесс фотосинтеза по механизму С4 протекает несколько иначе. В растениях, относящихся к этой категории, СО2 должен пройти через промежуточный цикл образования молекул с четырьмя атомами углерода и только затем, попадает в цикл Кальвина. Этот цикл включает процесс карбоксилирования фосфоэнолпирувата (PEP) в мезофильных клетках, перенос соединений с четырьмя атомами углерода (яблочная и аспаргиновая кислоты) в оболочечные клетки, за которым следует декарбоксилирование этих соединений. Изотопная дискриминация в растениях относящихся к этой категории, С4, зависит от фракционирования, происходящего во время диффузии СО2 в листья, а также фракционирования на первой стадии карбоксилирования. СО2 высвобождается при декарбоксилировании соединений, включающих четыре атома углерода и, затем, фиксируется RuBP карбоксилазой без фракционирования. Правда, при диффузии к оболочечным клеткам может происходить и обратная диффузия, при которой может наблюдаться некоторое фракционирование при поглощении углерода карбоксилазой Вариации условий окружающей среды для каждого процесса дискриминации изотопов углерода наблюдаются в растениях С4, но в общем случае, величина d13С для растений С4 менее чувствительна к изменениям условий окружающей среды, чем для С3 растений. Основные факторы влияния внешних условий, которые могут слегка изменять процесс дискриминации изотопов углерода — это температура, концентрация СО2 и влажность воздуха. Сезонные изменения дискриминации изотопов углерода в растениях С4 незначительны.
Кроме того, существует тип растений с промежуточным механизмом фотосинтеза С3 — С4. Он стоит ближе к типу С3, поскольку только малая часть углерода фиксируется в оболочечных клетках В процессе фотосинтеза принимает участие крассулациановая кислота и ее метаболизм (САМ) может рассматриваться как метаболический перенос углерода внутри клеток. Метаболизм крассулациановой кислоты обеспечивает адаптацию, способствующую механизму выживания в экстремальных условиях. В растениях С3 дискриминация, обычно, фиксируется в очень узких пределах от 3 до 4 ‰, отражая баланс между процессами диффузии и карбоксилирования. Для растений С4 к процессам низкой дискриминации через РЕР добавляется обратная диффузия от оболочечных клеток. Оба эти процесса комбинируются в растениях САМ, приводя к довольно широкому диапазону дискриминации, числено выражающемуся величинами между 2 и 22 ‰ (что эквивалентно значениям от — 10 до — 30 ‰ для величины d13С).
Помимо СО2 другим важным материалом для биосинтеза в растениях являются водород и кислород. Изотопный состав водорода и кислорода, включаемого в углеводы растений из воды, практически полностью определяется изотопным составом воды. Уже давно четко показано, что вариации отношений 18О/16О и 2Н/1Н напрямую коррелируют со средней годовой температурой. Температура конденсации воды сильно влияет на ее изотопный состав. В большинстве случаев, изотопный состав грунтовых вод очень близок к изотопному составу воды, выпадающей в качестве осадков, в свою очередь зависимого от расстояния данного географического места суши от океана. Была неоднократно показана прямая корреляция между изотопным составом целюлезы растений с вариациями средней годовой температуры. Таким образом, использование изотопных отношений . кислорода и водорода может обеспечивать прекрасное средство индикации параметров окружающей среды.
Важно отметить, что изотопный состав используемой растениями воды из окружающей среды, может подвергаться различным изменениям. Эти изменения описываются как «климатический эффект». Они являются маркерами различий изотопной композиции выпадающих осадков (в виде дождя или снега) и вертикальных и горизонтальных градиентов.
Измерение концентрации дейтерия в сахарах из Израильского апельсинового сока, например, показывают небольшой ее рост в летнее время. До конца января величины d(2Н) в нитроэфирах сахаров лежали в пределах между — 30 и -20 ‰, а с февраля до конца мая значения d(2Н) изменялись в пределах между — 30 и -20 ‰. Поскольку молекулы воды, включающие в себя более легкие изотопы, обладают большим давлением насыщенного пара, они предпочтительно улетают с поверхности листьев при испарении и происходит обогащение тяжелыми изотопами.
Можно привести еще один пример. Анализ нитроэфиров сахаров, полученных из свеклы, произрастающей в Северной Америке, показал наличие широтного градиента концентрации дейтерия. С широтой географического места произрастания свеклы величины d(2Н) изменялись от — 160 ‰ в Канаде до — 127 ‰ в Мичигане и Иллинойсе и до — 109 ‰ в Техасе.
Кроме того, изотопный состав воды подвергается большому влиянию внутри листа растений метаболическими процессами, которые либо производят, либо поглощают кислород и водород. Растением с очень сильным изотопным эффектом за счет этих процессов является виноград. К счастью, поскольку это помогает проводить анализ фальсификаций множества продуктов виноградарства (соки, вина, коньяки, шампанское и т.д.).
Таким образом, точное определение изотопных отношений водорода и кислорода в органических молекулах, производимых в результате биосинтеза в растениях, позволяет получить важнейшую информацию и о регионе произрастания растений и о факторах окружающей среды.
Малые отличия физических свойств различных изотопов химических элементов, приводят к небольшим отличиям их поведения в химических и биохимических реакциях. Последовательности крошечных изотопных эффектов прогрессивно накапливаются в молекуле и составляют ее изотопную «память происхождения». Эта память представляет собой изотопный состав элементов, входящих в эту молекулу, отражает ее изотопометрическую композицию и служит ее «изотопной подписью». Использование современных возможностей изотопной масс-спектрометрии с ее высочайшей точностью и воспроизводимостью позволяет «читать» эти «подписи». При этом потребность метода в количестве образца для анализа очень мала. Эти изотопные измерения способны давать информацию, могущую объективно и аргументировано служить вещественным доказательством перед законом и в судебных органах.
Основные области применения изотопных измерений для криминалистических целей, выявления фактов фальсификации, незаконного использования лекарственных, наркотических, допинговых средств таковы: — подделка регламентируемых продуктов, таких как пищевые продукты, напитки, ароматизаторы, эфирные масла и т.д. — Определение места происхождения различных продуктов, в том числе, наркотиков, взрывчатых веществ, лекарственных препаратов, алкогольных и безалкогольных напитков, нефтей, нефтепродуктов и т.д. — Дифференциация происхождения продуктов — из натурального или синтетического сырья — Допинговый контроль — определение природы биомолекул при их противозаконном использовании в качестве допинговых средств спортсменами или «спортивными» животными (лошади, собаки) — Защита патентного права синтетических материалов или коммерческих химических смесей — Преднамеренная маркировка небольшим количеством стабильных изотопов с целью введения метки товара для защиты авторского права производителя.