Биологическое фракционирова­ние изотопов

БИОЛОГИЧЕСКОЕ ФРАКЦИОНИРОВАНИЕ ИЗОТОПОВ, фракционирование изотопов живыми организмами в процессах метаболизма, в результате которого они приобретают изотопный состав, отличный от изотопного состава среды; при этом внутри организма изотопы распределяются неравномерно между разными молекулами и структурными группами отдельных молекул. Биологическое фракционирование изотопов было установлено в 1939 году американскими исследователями А. Ниром и Е. Гульбрансеном, которые обнаружили, что живые организмы и органические соединения содержат меньше изотопа ¹³С, чем природные карбонаты. В последующем американские учёные Г. Крейг (1953), С. Эпстайн (1960), Ф. Абельсон (1961) и немецкий учёный Э. Дегенс (1967) показали, что разделение изотопов, приводящее к обеднению автотрофных организмов изотопом ¹³С относительно исходного СО₂ среды, происходит при фотосинтезе.

На Земле наблюдаются широкие вариации соотношения стабильных изотопов для органического вещества в целом и его компонентов. Растения суши обеднены ¹³С в большей степени, чем морской планктон. Существует различие между биологическим фракционированим изотопов у высших растений с разным типом фотосинтеза (так называемые С-3 и С-4 растения). Различия в изотопном составе проявляются и между липидами, белками, углеводами и т.п.

Экспериментальными исследованиями школы российского геохимика Э. М. Галимова в 1970-80 годах были выявлены тонкие отличия в изотопном составе соединений одного и того же класса, а также разных структурных групп внутри соединений (например, молекулы хлорофилла) - так называемый внутри- и межмолекулярный изотопные эффекты. Было установлено, что нередко наблюдаемые отношения изотопов углерода в молекулах биологического происхождения (при существенной химической неравновесности биологических систем) соответствуют такому отношению, которое имело бы место при изотопном равновесии. Предполагается, что этот факт обусловлен ферментативным характером биологических процессов. Природа этого явления остаётся предметом дискуссий. Обнаруженная закономерность послужила основой для развития изотопной органической геохимии. Органическое вещество, содержащееся в минеральных осадках, осадочных породах, горючих полезных ископаемых, в целом наследует изотопный состав своих биопредшественников, что ставит изотопный анализ в ряд наиболее информативных методов при решении генетических проблем в геохимии нефти и практических задач поисков и разведки углеводородов. Отклонения от унаследованного распределения изотопов в составе органического вещества несут информацию об обстановке в бассейне осадконакопления, о диагенетических и постдиагенетических процессах в осадках. Знание закономерностей биологического фракционирования изотопов биогенных элементов необходимо при исследованиях в области экологии (при реконструкции палеообстановок и природных циклов элементов), археологии, физиологии, антропологии и медицины.

Биологическое фракционирование изотопов тяжёлых переходных элементов (например, Fe) совокупно с лёгкими элементами (особенно С, N, S) открыло новые возможности изучения внеземного вещества и эволюции ранней жизни на Земле в архее и протерозое.

Лит.: Галимов Э. М. Природа биологического фракционирования изотопов. М., 1981; Stable isotopes in the biosphere. Kyoto, 1995; Schmidt Н. L. Fundamentals and systematics of the non-statistical distribution of isotopes in natural compounds // Naturwissenschaften. 2003.Bd 90. № 12.