Цианобактерии, которые изначально имели облик сине-зеленых водорослей и изменили Землю, внедрив в нашу атмосферу огромное количество Кислорода, также отлично удерживают Азот, особенно в океане. В то время как бактерии бобовых могут фиксировать на клеверном поле до 90 кг Азота на акр в год, у цианобактерий на коралловых рифах этот показатель составляет до 250 кг Азота на акр в год (это различие важно, о чем мы подробнее поговорим в этой главе).
В отличие от Углерода, большинство растений не особо избирательно относятся к более тяжелому изотопу Азота. Его содержание в большей части растительного материала колеблется в пределах ±0,5 % от показателя, характерного для воздуха, если растения выращиваются с использованием искусственных удобрений (при производстве синтетических удобрений используется атмосферный N2). Однако натуральные удобрения (например навоз) имеют более высокие значения 15N, что может смещать соотношение изотопов в растениях в положительную сторону от нуля. Более того, мы еще скажем, что это различие можно использовать для опознания настоящих органических культур.
Травоядные животные, в том числе все те, которых мы растим на мясо, встраивают атомы Азота из пищи в свои белковые молекулы. Однако животные также постоянно выделяют соединения, содержащие Азот; например, молекула мочевины с химической формулой CO(NH2)2 содержит два атома Азота. Этот процесс выделения благоприятствует более легкому изотопу 14N, поэтому доля более тяжелого изотопа15N в тканях и жидкостях животных примерно на 0,3–0,4 % выше по сравнению с той, которая содержится в потребляемой ими пище.
Так, у травоядных средние значения соотношения 15N/14N составляют +0,5 %. Хищники (которые обычно поедают травоядных) – это второй этап концентрации изотопа 15N, поскольку они также преимущественно выделяют более легкую форму атома, что дает среднее соотношение +0,8 %. Исключение из этого правила – океан, где пищевая цепь имеет на несколько ступеней больше, чем на суше, от планктона в основании до плотоядных рыб и морских млекопитающих, которых едим мы. Начиная с фитопланктона со значениями 15N/14N от +0,5 до +0,7 %, мы поднимаемся по цепочке к питающемуся им зоопланктону (от +0,8 до +1,0 %), к мелким рыбкам, пищей которым служит зоопланктон (от +1,1 до +1,3 %), потом – к более крупным хищным рыбам, которых едим мы, таким как лосось и тунец (от +1,4 до +1,7 %), а далее – к тюленям и косаткам, которые едят крупную рыбу (от +1,8 до +2,0 %)17.
Это несоответствие между морепродуктами, с одной стороны, и наземными растениями и животными – с другой позволяет нам воссоздать диету доисторических народов. М. Шёнингер, М. де Ниро и Х. Таубер обнаружили, что у обитателей прибрежных районов от Калифорнии до Дании соотношение 15N/14N в костях во времена неолита составляло от +1,5 до +2,0 %. Учитывая дополнительный уровень концентрации у этих людей (которые также выделяют мочевину), можно предположить, что большая часть их диеты состояла из рыбы со скромной примесью растений (и, возможно, птиц или млекопитающих)18. Напротив, как у мексиканских, так и у европейских земледельцев соотношение изотопов Азота составляло от +0,8 до +1,1 %, причем в первом случае соотношение 13C/12C наблюдалось на уровне –0,7 % (из-за кукурузы, C4-растения), а во втором – от –1,8 до –2,1 % (из-за С3-растений, входящих в диету).
Исследователи обнаружили один загадочный результат для аборигенов Багамских островов: у них соотношение 15N/14N вместо почти +2,0 % колебалось от +1,0 до +1,3 %, несмотря на очевидное изобилие местной рыбы и нехватку земли для выращивания сельскохозяйственных культур. Однако, как и в случае с Углеродом из тропических лесов, мы всегда должны внимательно отслеживать искажающие факторы. Как отмечалось выше, коралловые рифы густо заселены цианобактериями, усердно фиксирующими Азот. Из-за этого запасы 15N в окружающей воде истощаются быстрее, что ведет к появлению рыб (и, в конечном итоге, костей), которые по соотношению изотопов Азота близки к травоядным животным на суше.
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.