Датировака событий с помощью радиоуглерода

Этот метод основан на образовании радиоактивного углерода- 14 при бомбардировке атмосферного азота нейтронами космического излучения:

(5.3)

Нестабильные атомы углерода в превращаются в СО₂, который смешивается с обычной двуокисью углерода воздуха. За время своего периода полураспада (около 5730 лет) углерод-14, излучающий b-частицы, проникает во все живые организмы за счет фотосинтеза, а также в процессе дыхания и вместе с водой, в которой растворена двуокись углерода. Затем растения поедаются животными, которые выделяют углерод-14 в виде СО₂. Со временем изотоп различными путями включается в углеродный обмен, и устанавливается естественное равновесие, при котором в живых тканях отношение остается неизменным. Когда растение или животное погибает, обмен углерода-14 прекращается, и это отношение уменьшается по мере его распада. Такие изменения изотопного состава углерода действительно наблюдаются в ископаемых углях, нефти, в находящихся под землей остатках древесины, а также в мумиях, хранящихся в пирамидах. Спустя много лет содержание углерода-14 понижается, и радиоактивность органических остатков оказывается ниже, чем радиоактивность исходных живых тканей растений или животных.

В 1955 г. Либби предложил использовать этот факт для оценки времени, в течение которого изотоп углерода-14 расходовался в образцах без его компенсации за счет обмена с атмосферой. Из уравнения (20.4) имеем:

(5.4)

После логарифмирования и преобразования получим

(5.5)

Поскольку скорость распада прямо пропорциональна концентрации, это уравнение можно использовать для расчета возраста образца, если известны скорости распада углерода-14 в нем и в обычной живой ткани, в которой содержание углерода-14 возобновляется.

Радиоактивность природного изотопа углерода-14 крайне низка, всего около 15,3 распада в минуту на грамм углерода. Радиоактивность «древних» образцов углерода еще ниже (например, спустя 5730 лет после смерти скорость распада уменьшается до 7,6 распада в минуту на грамм углерода). Так что для этих измерений требуются весьма чувствительные счетчики и длительные времена для измерения радиоактивности с необходимой точностью. Тем не менее, метод датировки событий прошлого с помощью радиоуглерода оказался чрезвычайно ценным для установления возраста археологических находок, картин, а также других предметов, возраст которых находится в интервале от 1000 до –50 000 лет.

Изотопные исследования гемоглобина. Применение изотопов в биологии мы рассмотрим на примере гемоглобина, в особенности его групп гема.

В отличие от ряда других элементов железо, попадающее в организм с пищей, сравнительно трудно обменивается с железом, которое уже содержалось в организме. Основная масса железа содержится в виде железобелковых комплексов ферритина и трансферрина. Если в результате, например, кровотечения организм теряет железо, то источником запасного железа служит ферритин. Радиоактивный изотоп железа-59, введенный в организм человека, в конце концов, попадает в кровь и включается в гемоглобиновый комплекс. Железо вступит в гемоглобиновый комплекс только в том случае, если эритроциты находятся в интактном состоянии. Нет никаких реакций, в ходе которых железо вытеснялось бы из гемоглобина. Если эритроциты выведены из строя, то железо не покидает организм, а встраивается в молекулы гемоглобина, которые образуются в новых эритроцитах. Пока железо не теряется при кровотечении или переливании крови, оно остается в организме в течение длительного времени.

Какова же длительность жизни самого эритроцита? Ответ на этот вопрос был получен с помощью другого изотопа, радиоактивного ¹⁵N. Испытуемый принимал меченный ¹⁵N глицин в течение 2–3 дней. Затем с некоторыми интервалами времени отбирали пробы крови и определяли включение изотопа ¹⁵N в порфириновые группы гемоглобина. Было показано, что содержание азота-15 постепенно возрастало в течение ~1 месяца после введения. После этого в течение 2,5 месяца оно оставалось примерно постоянным и затем начинало постепенно снижаться. Эти эксперименты ясно показали, что группы тема в молекулах гемоглобина не подвергаются постоянному разложению и ресинтезу. Среднее время жизни оказалось равным около 3 месяцев. Однако азот группы тема в отличие от железа после развала гемоглобина выводится из организма.

В изотопных исследованиях часто используют метод изотопного разбавления. Пусть надо проанализировать содержание соединения А в смеси, которую невозможно количественно разделить на отдельные компоненты. Эту задачу можно выполнить следующим образом. К смеси добавляют небольшое количество А, содержащего известную примесь радиоактивного изотопа. Единственное условие дальнейшего анализа состоит в том, чтобы можно было хотя бы частично отделить из смеси компонент А в чистом виде. Введем коэффициент разбавления, равный отношению удельной активности изотопа А до разбавления к удельной активности того же изотопа после разбавления. Для стабильных изотопов отношение концентраций конкретного изотопа до и после разбавления во многих случаях можно определить с помощью масс-спектрометра. Исходя из коэффициента разбавления и количества добавленного компонента А, можно рассчитать концентрацию А в исходной смеси.

Метод изотопного разбавления можно использовать, например, для определения общего количества воды в организме. Для этого вводят известное количество воды, содержащей определенную примесь радиоактивного трития. Через некоторое время, требуемое для полного смешивания введенной воды с остальной ее частью, отбирают образец сыворотки крови и измеряют в нем удельную активность трития. Если при этом оказалось, что коэффициент разбавления равен, скажем, 800, то полное количество воды в организме в 800 раз превышает объем воды, введенной в эксперименте.