Устойчивый изотоп 13С в экологии

Часто исходным пунктом для изменения течения науки являются новые методы. Никакое другое научное знание не имело большего влияния на исследования в функциональной (ориентированной на процессы) экологии с середины 70-х годов XX в., как то, что имеющиеся везде в природе изотопы таких важных химических элементов, как водород, азот, кислород (см.

Соединения, содержащие тяжелый изотоп, имеют свойство несколько медленнее диффундировать, чем те же соединения, но с более легким вариантом того же элемента, и во многих случаях скорость процесса замедляется. Говорят о физическом и биохимическом фракционировании (разъединении) устойчивых изотопов. В случае углерода это касается преимущественно перемещения |3С02. Здесь фракционирование происходит таким образом, что С02 с более тяжелым изотопом 13С в растительных тканях дискриминируется от С02 с более легким изотопом |2С, т.е. |3С встречается в меньшем количестве по сравнению с его содержанием в воздухе (бокс 13.1).

813С

пробы

Д = -

813С =

1 000(%с).

-і

Измерительный инструмент для идентификации соотношений изотопов — масс-спектрометр, который все более становится стандартным прибором в биологии.

С02 в атмосфере, из которой в растения поступает 813С, имеет в настоящее время значение, на -8 %с отличающееся от белемни- тового стандарта. Это значение становится все более негативным из-за сжигания ископаемых запасов угля. В XIX в. оно составляло менее -7 %с (реконструкция по воздуху из растаявшего полярного льда). Вместо соотношения изотопов по сравнению с белемнитовым известняком, дающим отрицательные значения 8|3С, в качестве альтернативы дискри

(13С/12С)про6ь,

(13о/|2ю

V I ^/стандарта

1 + 8bCnpo6t

Объем дискриминации |3С02 при процессах фотосинтеза дает представление о важных этапах восприятия С02 (устьичная диффузия и карбоксилирование). Поскольку ассимиляты интегрируют свои «подписи» и длительно сохраняются в структурных тканях растения, значения 8|3С являются зеркальным отображением условий ассимиляции в течение роста растения в настояшее время в такой же степени, как и тысячи или даже миллионы лет назад. Связь между газообменом и дискриминацией |3С была сформулирована Г. Феркьюэром и многократно подтверждена экспериментально:

А = а + (Ь - а)р/ра,

соответственно 8|3С пробы = 8|3С воздуха + а + + (Ь - а) р,/ра (а = 4,4 %с, фракционирование путем диффузии; b = 28 %с, фракционирование путем карбоксилирования; р* и ра — внутреннее и внешнее парциальное давление С02).

Поскольку ра известно, можно через А вычислить значение р,. при этом из ничтожной пробы ткани получают сведения об устьич- ном ограничении газообмена во время образования ассимилятов.

-(%с).

- 813С

минации 13С (позитивной) приводится величина А по сравнению с воздухом:

Физическая дискриминация, т.е., в              Этот С02, обедненный |3С, служит для свя-

сущности, диффузия через поры устьиц,              зывания фермента RubP-оксигеназы через

слабая и приводит к очень незначительно-              RubisCo (рибулозо-1,5-бифосфаткарбокси-

му количеству 13С под эпи дермисом — 4,4 %с.              лаза/оксигеназа) — процесса, при котором

lt;1

Рис. 13.37. Изменение значений 813С в растениях (листьях) и прилегающего почвенного гумуса вдоль 3 000-метрового высотного профиля в Новой Гвинее (затенен 95%-й доверительный интервал) (из Ch.Korner).

Почва содержит изотопные знаки растений. Растения интегрируют дискриминацию за периоды от месяца до нескольких лет, почвы запасают информацию столетиями и тысячелетиями. Горные растения дифференцируют ,3С в меньшей степени, чем растения в долинах

13С дискриминируется существенно интенсивнее, а именно до 28 %с. Если происходит первоначально связывание РЕР-кар- боксилазой (растения С4 и САМ), то это не приводит к такой дополнительной дискриминации, так как данный энзим не нарушает целостности С02. В этом случае общая дискриминация ограничивается устьицами (4,4 %с). Некоторые мелкие неясности возникают у растений С3 из-за того, что выдыхаемый наружу С02 из субстрата, уже обедненного 13С, фиксируется опять, что может играть особую роль в незначительном раскрытии устьичной щели. Таким образом, общая дискриминация будет всегда значительной (сильно негативное значение 813С), если доминирует дискриминация путем RubisCo (С3-расте- ния при широко открытых устьицах), и незначительной (менее негативное значение 8|3С), если устьица сильно сужены и препятствуют усвоению С02, или у С4- и CAM-растений.

32 %с), а у С4-растений — между -12 и -14 %о. У CAM-растений они зависят от того, полностью ли идет метаболизм по типу САМ, или при влажной погоде и ассимиляция происходит по типу С3 (большей частью значения находятся в интервале -13...-20%с). Экологическая польза такой информации очевидна.

С помощью значений 813С можно по малейшим пробам мертвого растительного материала (а также гербарных образцов и фосси- мизированных растений) различать растения С3- и С4-типа и, что особенно интересно, выявлять, возникли ли эти структуры в случае С3-растений в условиях водного дефицита (слабонегативное 813С) или при хорошем водоснабжении (сильнонегативное 8|3С). По жиру, костям или зубам животных можно узнать, выпасались ли они и когда именно на пастбищах с растениями С4-типа. Пробы почвенного гумуса могут показать, возник ли он из остатков растений С3- или С4-типа (доказательства исторических смен растительности). Этим методом удалось, например, доказать, что ископаемые моллюски с современной территории пустыни Негев тысячи лет назад питались хорошо водоснабжаемыми растениями С3-типа (влажный климат), что в течение истории Земли растения С4-типа всегда преобладали в те эпохи, когда содержание С02 в атмосфере было низким, а также доказать, что в листьях высокогорных растений всего мира ограничение карбоксилизирования относительно незначительно, в сравнении с близкими видами растений низменных территорий (менее негативное 813С), что отражается и на почвенном гумусе (рис. 13.37). Также в результате изотопного анализа фоссилизированных отложений бактерий получены первые свидетельства существования на Земле фотосинтезирующих организмов миллиарды лет назад. Поскольку |3С также является полностью безопасным маркирующим веществом (меченым атомом), имеющимся в нашем распоряжении, этот изотоп может служить заменой радиоактивному изотопу |4С.