Тяжелые изотопы Водорода (на долю 2H в настоящее время приходится около 0,02 % всего Водорода) и Кислорода (доля 18O – примерно 0,25 % от уровня 16O), присутствуя в воде (H2O), делают ее «тяжелой». В роли «посредников» они позволяют точно определять температуру и место выпадения осадков (см. ниже и главу 11). Но кроме того, фракционирование, происходящее при образовании воды в ходе метаболических реакций, приводит к систематическому появлению других фракций тяжелой воды, более высоких, чем те, которые присутствуют в воде, поступающей в наш организм с пищей и напитками. Поскольку диабет вызывает обезвоживание и, следовательно, заставляет в большом количестве потреблять питьевую воду, было показано, что у мышей с индуцированным диабетом соотношения 2H/1H и 18O/16O на –0,13 % и –0,27 % ниже, чем у их здоровых собратьев. Хотя этот эффект еще не установлен у больных диабетом, Т. Куо и его коллеги показали соотношения более легких изотопов у пациентов с заболеваниями почек25.

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.