Хранители времени. Реконструкция истории Вселенной атом за атомом

Растения – это их пища

Важно отметить, что вы не уникальны. Растения тоже состоят из того, что поедают. Независимо от вашей диеты, именно они служат основой вашей пищевой цепи. Они поглощают воздух и впитывают воду и минералы через свои корни, образуя фруктозу, целлюлозу и другие молекулы, составляющие растительный материал, так что соотношение изотопов в воздухе и почве отражается на их соотношении в растительном веществе и, в конечном итоге, в вашем организме. Впрочем, здесь, как всегда, необходимы тщательные измерения. Процесс фотосинтеза, при котором растения используют солнечный свет для производства своих молекул, в сущности, проводит в отношении некоторых изотопов политику дискриминации, причем ее конкретные способы зависят от вида растения. Опять же, способы, при помощи которых ваше тело обрабатывает потребляемую вами еду, меняют соотношение изотопов, поскольку пища превращается в кости, кровь и нейроны. Каждый шаг в этом процессе изменения изотопного состава, так называемом фракционировании, легко измерить, поэтому отслеживание этого – простая задача. Если сопоставить это с невозмутимыми часами поглощенных вами радиоактивных элементов, изотопный состав окаменелых костей дает нам возможность напрямую воссоздать историю того, как люди выбирали пищу, а также позволит проследить, от каких методов охоты и ведения сельского хозяйства они зависели.

В годы аспирантуры ван дер Мерве работал в Йельской радиоуглеродной лаборатории, где совершил поразительное открытие: он понял, что с помощью радиоуглеродного датирования можно определять происхождение железных орудий и других археологических артефактов. Процесс выплавки железа из руды начался по крайней мере еще в 1800 году до нашей эры в Хеттской империи и независимо в Китае к 600 году до нашей эры. Он требует нагрева руды до температуры более 1200 °C, для чего, в свою очередь, нужен древесный уголь. В ходе нагрева Углерод из древесного угля диффундирует в расплавленное Железо и составляет, в зависимости от достигнутой температуры, от 0,05 до 5 % готового продукта. Именно при помощи этих атомов Углерода (в частности, радиоактивного изотопа ¹⁴C) можно определить возраст Железа.

Оказывается, лучший древесный уголь получается из недавно срубленной зеленой древесины. В своем письме, написанном в 1750 году до нашей эры, Хаммурапи, царь Вавилона, наставляет своего слугу, начальника углежогов, «рубить только зеленую древесину»⁴. Нулевая точка времени для дерева, из которого производился древесный уголь, определена – оно срублено непосредственно перед тем, как диффундировать в Железо.

Ван дер Мерве доказал, что может успешно датировать древние железные артефакты, определив возраст (100 ± 80 г. н. э.) 230 граммов железных 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 южной Мексики – в те времена и в тех краях ее называли «маис». Ученые постепенно сходятся во мнении, что она произошла от теосинте, цветущей травы, произраставшей только в данной местности. На вид теосинте значительно отличается от современной кукурузы с горсткой семян (зерен), сгруппированных на толстом стебле, но имеет поразительное генетическое сходство с последней. Многие авторы предполагают, что селекция теосинте, начатая еще 9000 лет назад местными охотниками-собирателями, привела к тому, что кукурузу начали выращивать еще прежде 4000 г. до н. э.; более того, при помощи радиоуглеродного датирования удалось установить, что самые древние кукурузные початки, найденные в пещере Гила-Накиц в Оахаке, Мексика, оставались там с 4235 года до нашей эры, то есть появились 6250 лет назад⁹.