Термин "изотоп" был введен Фредриком Содди в 1913 году для обозначения химических элементов с разной атомной массой, разным числом нейтронов, но занимающих одинаковое положение в периодической таблице, то есть имеющих одинаковое число протонов и электронов. Термин «изотоп» происходит от изо, означающего «равный», и греческого «топос», означающего «место», в связи с одинаковым расположением в периодической таблице.
Если мы возьмем, например, лед с разных широт, или с разных глубин, если это ледяной керн, выбуренный в мощном леднике, то соотношение тяжелых и легких изотопов одного и того же элемента будут разными. Элемент, который чаще всего используется в качестве палеотермометра, – это кислород. Кислород (O) имеет три стабильных изотопа: 16O, 17O и 18O. Первый – легкий, последний – тяжелый. Если кислород входит в состав молекулы воды, то для перехода молекулы воды, содержащей 16O, в газовое агрегатное состояние требуется меньше энергии, чем для молекулы воды, содержащей 18O. То есть чем теплее, тем больше воды с 18O будет в облаках, то есть, соответственно и, например, в древесине, формирующейся в этот момент времени, и, наоборот, чем холоднее, тем его больше в воде, то есть в скелетах радиолярий, динофлагеллят и раковинах молюсков. Именно соотношение 18O и 16O обычно используется в палеоклиматических исследованиях. Соотношение 18O и 16O в биоминерализованных остатках живых организмов (костях, раковинах и зубах) зависит от температуры. В холодные периоды, например, во время оледенений, более легкий изотоп 16O испаряется гораздо быстрее, чем более тяжелый 18O, который остается в воде и, таким образом, включается в раковины.
Использование соотношения изотопов кислорода в качестве палеотермометра в карбонатных минералах основано на термодинамическом фракционировании между 16O и 18O, которое происходит во время выпадения осадков. Фракционирование изменяет соотношение изотопов 16O и 18O (обычно обозначается как 𝛿18O) в зависимости от температуры логарифмически. В океаническом диапазоне температур от -2°C до 30°C это изменение происходит в диапазоне от -0,20‰ до -0,27‰ на один °C в соответствии с термодинамическими моделями. Отношение 16O к 18O уменьшается по мере повышения температуры и скорости испарения. В целом, увеличение 𝛿18O на 1,0‰ эквивалентно охлаждению примерно на 4°C. Обратная картина наблюдается при конденсации воды.
Изотопный анализ – сложная и ресурсоемкая штука, делается на масс-спектрометрах, требующая работы очень квалифицированного персонала. Для постановки задачи по анализу изотопного состава элементов нужна очень правильная постановка задачи, основанная на доскональном знании процессов в которых задействованы элементы. Области, в которых изотопный анализ нужен как воздух, это, помимо биологии в самом широком смысле, еще и геология, геофизика, климатология и многие другие науки.
Главные элементы, изотопный состав которых больше всего востребован, это кислород, углерод, азот, уран, аргон, стронций, кальций, магний и много чего еще. В одних элементах интересны только стабильные изотопы, в других нестабильные и тогда нам важен период полураспада.
Но вернемся к кислороду и нашей Уссурийской тайге. Благодаря использованию кислорода как палеотермометра реконструирована температура разных геологических эпох, и мы можем представить, когда и в какой среде сформировались виды деревьев, составляющие основу Уссурийской тайги, как и в какой среде они эволюционировали, распространялись, вымирали, когда появилась удивительная адаптация деревьев к неблагоприятным условиям среды – листопадность, и как будут реагировать виды деревьев на происходящие изменения климата. Эти и еще многие другие вопросы, касающиеся изотопного состава элементов, без которых невозможно было бы прийти к современным знаниям об Уссурийской тайге, мы затронем на лекции.
Если возник интерес к тому, где еще применяется анализ изотопного состава, то можете погуглить про изотопы азота и пищевые цепи.