Как изотопы раскрывают информацию об экосистемах

Изотопы элементов подобны братьям и сестрам. У них одинаковое количество протонов и электронов, но разное количество нейтронов по сравнению с основной формой элемента. Эта разница в нейтронах не влияет на их химические свойства, но позволяет ученым отслеживать и измерять, как изотопы перемещаются в окружающей среде.

Экологи и биологи измеряют соотношения стабильных изотопов распространенных элементов, таких как водород, углерод, кислород и азот, а также изотопов в молекулах N₂ и CO₂. Это помогает изучать биологические образцы и их круговорот в природе.

Лаборатория экологических молекулярных наук (Environmental Molecular Sciences Laboratory) — пользовательский объект Управления науки Министерства энергетики США — располагает инструментами для измерения изотопов. Масс-спектрометр для измерения изотопных соотношений (IRMS) позволяет проводить высокоточные измерения изотопов в органических и неорганических материалах. IRMS настолько чувствителен и точен, что может измерять даже чрезвычайно малые изотопные различия в природных образцах. Образцы могут быть от растений, микробов, почвы или ископаемого материала, в твердом, жидком или газообразном состоянии.

Процесс анализа включает преобразование образца в газообразную форму с помощью термических и химических методов. Органические и неорганические материалы превращаются в газы, такие как CO₂, N₂, CO. При сжигании органических образцов инструмент улавливает образующиеся кислород и воду, пропуская в IRMS только газы CO₂ и N₂. Затем эти газы ионизируются.

Масс-спектрометр разделяет ионизированные молекулы по массе в магнитном поле и измеряет долю изотопных элементов в каждой молекуле. Например, соотношение изотопов ¹³C и ¹²C в CO₂. Результаты сравниваются с известными изотопными стандартами, что позволяет определить точный изотопный состав образца и сделать данные сопоставимыми с литературой.

Эта информация используется для понимания:

• Как питательные вещества перемещаются между экосистемами.
• Как взаимодействия микробов и условий окружающей среды влияют на процессы в растениях: фотосинтез, распределение углерода в корни, выделение химических веществ из корней в почву, круговорот углерода и использование азота.

Данные дают представление о нескольких научных областях:

• Изучение микробных сообществ вокруг корней растений.
• Взаимосвязь атмосферы и суши.
• Биологические процессы на молекулярном уровне.

Эти исследования углубляют понимание круговорота питательных веществ в экосистемах, глобального климата и водного цикла, а также закладывают научную основу для создания более эффективных биотоплив.

Всего один нейтрон может изменить свойства элемента — и наше понимание биологических и экологических процессов.