К лекции "О чем шумит Уссурийская тайга"

Продолжаем готовить потенциальных слушателей к лекции. Все эти предметы, представляющие, пожалуй, все природные стихии, кроме огня, по крайней мере однажды собираются на одном столе для получения информации совершенно особой важности. Про носителя этой информации — один химический элемент, извлекаемый из этих предметов, — следующий пост.

Софья Ковалевская, Emmy Noether и Vera Rubin стали героями предпраздничной лекции Юрия Николаевича Журавлева, вместо которой я должен был быть на банальном совещании (ну а девушки потом). Про Ковалевскую я предполагал, выбор Нётер и Рубин оказался весьма неожиданным. И это хороший повод узнать об их жизни в науке.

К лекции "О чем шумит Уссурийская тайга"

Название эссе выдающего генетика Феодосия Григорьевича Добржанского "Ничто в биологии не имеет смысла кроме как в свете эволюции" давно стало безоговорочным афоризмом. И рассуждать об Уссурийской тайге, не затрагивая ее эволюционного аспекта, тоже не имеет смысла. Преобразования в живой природе всегда происходят в определенных условиях среды, и краеугольным ее параметром является доступное тепло. Сейчас человечество на уровне банальной эрудиции фактически подменило одно из базовых физических понятий – "тепло", расхожей "температурой". "Сегодня тепло? – 10 градусов" – сейчас в нормальности такого диалога и усомниться никто не может, но мало, кто сейчас знает, что первые попытки измерения тепла были предприняты Галилеем в 1592 году, а только почти через полтора века, в 1742 году, Цельсий представил свою шкалу, и человечество, тогда еще далеко не всё, узнало, что такое 1 градус Цельсия. Опять же, вряд ли кто-либо из современников узнает сейчас шкалу Цельсия в том виде, в котором она была впервые им представлена: 0 градусов в ней означал превращение кипящей воды в пар, а 100 градусов – переход ее в твердое агрегатное состояние. В то, чем мы пользуемся сейчас, шкалу Цельсия превратил Карл Линней в 1745, перевернув ее (опять эти ботаники). Эволюция от современной температурной шкалы до систематического измерения температуры приземной атмосферы заняла еще почти полтора века. В 1880-х создана первая сеть метеорологических данных, достигшая расцвета в 1970-х (первая картинка).

Таким образом, с 1880-х мы имеем представления о температурном режиме атмосферы Земли, подкрепленные инструментальными измерениями, и знаем термометр как основной инструмент измерения температуры. Эта новация, естественно, имела для Мира огромное значение, но у биологов была потребность знать в каких условиях зародилась жизнь, в каких вымерли динозавры, и не менее важных для нас вопрос – в каких условиях формировалась Уссурийская тайга. Если в первом случае временная шкала – это миллиарды, то во втором и третьем – это миллионы лет, какой там Галилео Галилей. Что делать? – искать объекты, измеряемые состояния которых коррелировали мы с изменениями температуры. Нашли. И много. Благодаря стараниям поколения ученых, сейчас мы знаем, как изменялась температура нижних слоев атмосферы Земли за последние 500 миллионов лет – вторая картинка (промежуточный вопрос и для гусаров тоже – почему 500 миллионов?). Это достижение, а вернее, методы реконструкции температур, сравнимо по значимости с открытием термометра, и даже название его похоже – палеотермометр. И из серии объектов, проявляющих наибольшую корреляцию с температурой, особо выделяется химический элемент кислород, и это ответ на наше предыдущее "домашнее задание" по теме лекции. Кислород получил звание палеотермометра за одно из важнейших измеряемых его свойств – изотопного состава.

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.