На какие вопросы ответят изотопы?

10

Сотрудники ЦКП ТНЦ СО РАН выполняют исследования для учёных из многих городов России

Как проникнуть внутрь какой-либо субстанции и с точностью до пятидесяти лет узнать возраст археологических находок, определить состояние климата на нашей планете тысячи лет назад, охарактеризовать экологическую обстановку в той или иной местности, узнать, является ли мед настоящим продуктом или же фальсификатом? Ответы на эти и многие другие вопросы можно узнать при помощи изотопных анализов, основанных на методах изотопной масс-спектрометрии и радиоуглеродного анализа, применив целый комплекс оборудования, действующего на базе Регионального центра коллективного пользования ТНЦ СО РАН.

– Наш центр располагает широким спектром высокотехнологичного оборудования, которого нет во многих вузах или научных организациях, – поясняет директор ЦКП Юрий АНДРЕЕВ. – Нам поступают заказы на проведение исследований из разных уголков России. Что касается изучения различных образцов методом изотопной масс-спектрометрии и радиоуглеродного анализа, то к нам постоянно обращаются археологи, ведущие свои изыскания в Республике Алтай и в Алтайском крае, Кемеровской области, в Челябинске; выполнялся ряд исследований для ученых-климатологов из Тюмени, Петрозаводска и Хабаровского края…

 

Что такое изотопы?

Изотопы – это атомы, содержащие в своих ядрах одинаковое число протонов, но различное число нейтронов. Некоторые изотопы радиоактивны, их называют радиоизотопами или радионуклидами. Другие не подвержены радиоактивному распаду, их называют стабильными изотопами. Они остаются неизменными на протяжении миллионов лет. Например, водород существует в виде одного радиоактивного изотопа – 3Н (тритий) и двух стабильных – 1Н и 2Н (дейтерий). Углерод имеет два стабильных изотоп 12С и 13С и несколько радиоактивных. Наиболее известен изотоп с массой 14 (14С). Этот радиоуглерод, в результате распада, за десятки тысяч лет практически полностью превращается в другой элемент – азот.

Отношение стабильных изотопов каждого элемента в различных природных объектах неодинаково. И главным приложением метода измерений изотопных отношений является определение происхождения объекта. В настоящее время анализ изотопов является эффективным аналитическим методом в различных областях науки.

 

Остатки былых времен

Археологию можно сравнить с книгой времени, часть страниц из которой утрачена, а восстановить их поможет кропотливый труд ученых. Еще полвека назад исследователи могли лишь мечтать о том, что возраст находок можно будет установить не с помощью классических методов стратиграфии на основе изучения литологических особенностей и ископаемых остатков в породах, а с помощью специальных приборов.

– Мы определяем возраст костей человека и животных, древесины, древесного угля, встречающихся в захоронениях, – рассказывает Галина СИМОНОВА, старший научный сотрудник лаборатории биоинформационных технологий ИМКЭС СО РАН, представитель ИМКЭС СО РАН в Совете пользователей Томского Центра коллективного пользования СО РАН. – Определение осуществляется радиоуглеродным методом. Радиоизотоп углерода 14С образуется под действием космических лучей. Растения в ходе фотосинтеза поглощают углекислый газ, содержащий радиоуглерод. По пищевой цепочке радиоуглерод попадает из растений к травоядным животным, а затем хищникам. После гибели организма приток радиоуглерода прекращается, и он начинает распадаться. Скорость распада не зависит от внешних условий. Зная скорость распада и определив содержание радиоуглерода в археологическом объекте, можно определить момент гибели живого организма с достаточно высокой точностью до плюс-минус 50 лет. Радиоуглеродный метод позволяет определить возраст объекта до 50-60 тыс. лет.

В настоящее время мы выполняем интересную работу, исследуя масштабное погребение, обнаруженное археологами в Кемеровской области (Танай): это останки большого жертвоприношения – кости 52 лошадей. Исследованные нами образцы относятся к разному времени – это и VI–VII века нашей эры, и второе-первое тысячелетия до нашей эры. Нам попадались и палеонтологические образцы, например, кости шерстистого носорога, который когда-то обитал на просторах Сибири. Их возраст составлял около 30 тыс. лет. Прибор, на котором мы измеряем радиоактивность изотопов, называется жидкостно-сцинтилляционный спектрометр-радиометр Quantulus. Он обладает очень высокой чувствительностью и позволяет определять активность различных изотопов (β- излучателей), например, радиоуглерода и трития.

 

Реконструкция климата

Нам сложно представить, но сама природа бережно хранит для нас подсказки, по которым мы сможем узнать, каким был климат на нашей планете тысячи лет тому назад. Реконструкция палеоклимата – это тот необходимый фундамент, на базе которого осуществляются прогнозы грядущих глобальных изменений климата. Например, продатировав торфяную колонку, можно ответить на вопрос, каким был климат в прошлом.

– Образцы для изучения могут быть самые разные – это керны почв, торфов, донные отложения, остатки растительности и даже пыльца. Подобные исследования мы проводили для Томского госуниверситета; Института криосферы земли (г. Тюмень) – в целях изучения таких суровых уголков России, как Гыданский полуостров и остров Белый; для объединенной дирекции государственных природных заповедников и национальных парков Хабаровского края «Заповедное Приамурье».

 

Экология

Учеными был выполнен ряд проектов, связанных с экологической тематикой. Как отметила Галина Владимировна, одно из направлений – это исследование воздействий антропогенных выбросов на окружающую среду. Субстанцией, которая «копит» различные атмосферные взвеси, является пыль, оседающая на снег. Путем выделения из нее черного углерода, являющегося основным компонентом сажи, который не вступает в реакции с другими элементами, можно проводить идентификацию источника поступления сажи. Во всем мире уже активно ведутся работы по мониторингу черного углерода. Томские ученые стали первопроходцами в России по этой тематике.

Как показал анализ изотопного состава частиц атмосферных взвесей (для этого были взяты пробы снежного покрова в семнадцати пунктах на территории Томского района с разной антропогенной нагрузкой), основным источником черного углерода в Томске является ТЭЦ, транспорт и печное отопление. А изотопный состав азота во мхах и лишайниках показал выбросы диоксида азота в центральной части города, что связано с работой ТЭЦ.

Особенное значение сейчас приобретают вопросы радиационной безопасности, поэтому одним из самых востребованных направлений является мониторинг содержания радиоактивных элементов в объектах окружающей среды, которые подвергались длительному влиянию предприятий ядерного цикла. Маркерами техногенного загрязнения окружающей среды являются тритий и радиоуглерод.

– Эти изотопы могут накапливаться в течение долгого времени в экосистемах и тканях живых организмов, это представляет серьезную опасность из-за возможных повреждений генетического аппарата и увеличения вредных мутаций, – поясняет Галина Симонова.

Объектом изучения стала целлюлоза, выделенная из спилов стволов деревьев. Годичные кольца содержат бесценную информацию о содержании изотопов в биологических объектах. Согласно полученным результатам, содержания трития в деревьях, произраставших в окрестностях Томска, значительно выше, чем, например, в Литве и Ирландии. Также годичные кольца «рассказали» о том, что уровень содержания трития напрямую зависит от степени близости к техногенному источнику и направления ветра. Наиболее подверженными радиоактивному загрязнению оказались территории в северном и северо-восточном направлении в радиусе 30 километров от Томска. «Пиковым» по значениям содержания трития оказался 2008 год:

– Мы связываем это явление с запланированной остановкой двух реакторов на СХК, этот процесс сопровождается активацией быстрых нейтронов лития с образованием трития.

 

Оборудование не обманешь

Изотопный масс-спектрометрический комплекс на базе масс-спектрометра DELTA V Advantage позволяет проводить исследования в различных областях науки,  и спектр его применения постоянно растет, например, при определении аутентичности продуктов питания. Любопытно, что с его помощью можно определить качество столь востребованного продукта, как мед! Проведенное исследование с точность до 100 процентов даст ответ, качественный мед или же это подделка, в которую недобросовестные производители добавили сахарного сиропа или патоки. Можно обмануть покупателя,  но никак не оборудование, которое определит фальсификат, потому в случае добавления посторонних примесей мед будет иметь другой изотопный состав углерода по отношению к изотопному состава углерода белковой фракции меда.

Ольга БУЛГАКОВА.