Геохимия стабильных изотопов некоторых биогенных элементов в биосфере

Изучены особенности изотопного фракционирования H, C, Mg, Fe, Zn в живых организмах, включая человека. Установлены: фазовый изотопный эффект в системе «выдыхаемый воздух – кровь»; вариации изотопов основных биогенных химических элементов в пределах одной биологической системы; особенности поведения...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Опубліковано в: :	Збірник наукових праць Інституту геохімії навколишнього середовища
Дата:	2013
Автори:	Соботович, Э.В., Лысенко, О.Б., Демихов, Ю.Н., Скульский, Н.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут геохімії навколишнього середовища НАН України та МНС України 2013
Онлайн доступ:	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/140392
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Геохимия стабильных изотопов некоторых биогенных элементов в биосфере / Э.В. Соботович, О.Б. Лысенко, Ю.Н. Демихов, Н.А. Скульский // Збірник наукових праць Інституту геохімії навколишнього середовища. — К. : ІГНС, 2013. — Вип. 22. — С. 43-68. — Бібліогр.: 58 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	nasplib_isofts_kiev_ua-123456789-140392
record_format	dspace
spelling	Соботович, Э.В. Лысенко, О.Б. Демихов, Ю.Н. Скульский, Н.А. 2018-07-06T08:56:54Z 2018-07-06T08:56:54Z 2013 Геохимия стабильных изотопов некоторых биогенных элементов в биосфере / Э.В. Соботович, О.Б. Лысенко, Ю.Н. Демихов, Н.А. Скульский // Збірник наукових праць Інституту геохімії навколишнього середовища. — К. : ІГНС, 2013. — Вип. 22. — С. 43-68. — Бібліогр.: 58 назв. — рос. 2616-7735 https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/140392 550.42:546.027:504.7 Изучены особенности изотопного фракционирования H, C, Mg, Fe, Zn в живых организмах, включая человека. Установлены: фазовый изотопный эффект в системе «выдыхаемый воздух – кровь»; вариации изотопов основных биогенных химических элементов в пределах одной биологической системы; особенности поведения четных и нечетных стабильных и радиоактивных изотопов химических элементов. Показано, что изотопы являются перспективными источниками информации о физиологическом состоянии организма человека, что может быть использовано в диагностических целях. Вивчено особливості ізотопного фракціонування H, C, Mg, Fe, Zn в живих організмах, у тому числі й людини. Встановлено: фазовий ізотопний ефект у системі «повітря, що видихається– кров»; варіації ізотопів основних біогенних хімічних елементів у межах однієї біологічної системи; особливості поведінки парних і непарних стабільних і радіоактивних ізотопів хімічних елементів. Показано, що ізотопи є перспективним джерелом інформації фізіологічного стану організму, що може бути використано в діагностичних цілях. This study deals with peculiarities of isotopic fractionation of H, C, Mg, Fe, Zn in living organisms, including human. Investigated here are: phase isotope effect in the «exhaled air–blood» system, isotope variations of basic biogenic chemical elements within a biological system, mode of behavior of even and odd stable and radioactive isotopes of chemical elements. It is shown that the isotopes are promising source of information on physiological state of an organism, which can be used for diagnostic purposes. ru Інститут геохімії навколишнього середовища НАН України та МНС України Збірник наукових праць Інституту геохімії навколишнього середовища Геохимия стабильных изотопов некоторых биогенных элементов в биосфере Геохімія стабільних ізотопів деяких біогенних елементів у біосфері Geochemistry of stable isotopes of some biogenic elements is in biosphere Article published earlier
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
title	Геохимия стабильных изотопов некоторых биогенных элементов в биосфере
spellingShingle	Геохимия стабильных изотопов некоторых биогенных элементов в биосфере Соботович, Э.В. Лысенко, О.Б. Демихов, Ю.Н. Скульский, Н.А.
title_short	Геохимия стабильных изотопов некоторых биогенных элементов в биосфере
title_full	Геохимия стабильных изотопов некоторых биогенных элементов в биосфере
title_fullStr	Геохимия стабильных изотопов некоторых биогенных элементов в биосфере
title_full_unstemmed	Геохимия стабильных изотопов некоторых биогенных элементов в биосфере
title_sort	геохимия стабильных изотопов некоторых биогенных элементов в биосфере
author	Соботович, Э.В. Лысенко, О.Б. Демихов, Ю.Н. Скульский, Н.А.
author_facet	Соботович, Э.В. Лысенко, О.Б. Демихов, Ю.Н. Скульский, Н.А.
publishDate	2013
language	Russian
container_title	Збірник наукових праць Інституту геохімії навколишнього середовища
publisher	Інститут геохімії навколишнього середовища НАН України та МНС України
format	Article
title_alt	Геохімія стабільних ізотопів деяких біогенних елементів у біосфері Geochemistry of stable isotopes of some biogenic elements is in biosphere
description	Изучены особенности изотопного фракционирования H, C, Mg, Fe, Zn в живых организмах, включая человека. Установлены: фазовый изотопный эффект в системе «выдыхаемый воздух – кровь»; вариации изотопов основных биогенных химических элементов в пределах одной биологической системы; особенности поведения четных и нечетных стабильных и радиоактивных изотопов химических элементов. Показано, что изотопы являются перспективными источниками информации о физиологическом состоянии организма человека, что может быть использовано в диагностических целях. Вивчено особливості ізотопного фракціонування H, C, Mg, Fe, Zn в живих організмах, у тому числі й людини. Встановлено: фазовий ізотопний ефект у системі «повітря, що видихається– кров»; варіації ізотопів основних біогенних хімічних елементів у межах однієї біологічної системи; особливості поведінки парних і непарних стабільних і радіоактивних ізотопів хімічних елементів. Показано, що ізотопи є перспективним джерелом інформації фізіологічного стану організму, що може бути використано в діагностичних цілях. This study deals with peculiarities of isotopic fractionation of H, C, Mg, Fe, Zn in living organisms, including human. Investigated here are: phase isotope effect in the «exhaled air–blood» system, isotope variations of basic biogenic chemical elements within a biological system, mode of behavior of even and odd stable and radioactive isotopes of chemical elements. It is shown that the isotopes are promising source of information on physiological state of an organism, which can be used for diagnostic purposes.
issn	2616-7735
url	https://nasplib.isofts.kiev.ua/handle/123456789/140392
citation_txt	Геохимия стабильных изотопов некоторых биогенных элементов в биосфере / Э.В. Соботович, О.Б. Лысенко, Ю.Н. Демихов, Н.А. Скульский // Збірник наукових праць Інституту геохімії навколишнього середовища. — К. : ІГНС, 2013. — Вип. 22. — С. 43-68. — Бібліогр.: 58 назв. — рос.
work_keys_str_mv	AT sobotovičév geohimiâstabilʹnyhizotopovnekotoryhbiogennyhélementovvbiosfere AT lysenkoob geohimiâstabilʹnyhizotopovnekotoryhbiogennyhélementovvbiosfere AT demihovûn geohimiâstabilʹnyhizotopovnekotoryhbiogennyhélementovvbiosfere AT skulʹskiina geohimiâstabilʹnyhizotopovnekotoryhbiogennyhélementovvbiosfere AT sobotovičév geohímíâstabílʹnihízotopívdeâkihbíogennihelementívubíosferí AT lysenkoob geohímíâstabílʹnihízotopívdeâkihbíogennihelementívubíosferí AT demihovûn geohímíâstabílʹnihízotopívdeâkihbíogennihelementívubíosferí AT skulʹskiina geohímíâstabílʹnihízotopívdeâkihbíogennihelementívubíosferí AT sobotovičév geochemistryofstableisotopesofsomebiogenicelementsisinbiosphere AT lysenkoob geochemistryofstableisotopesofsomebiogenicelementsisinbiosphere AT demihovûn geochemistryofstableisotopesofsomebiogenicelementsisinbiosphere AT skulʹskiina geochemistryofstableisotopesofsomebiogenicelementsisinbiosphere
first_indexed	2025-11-25T20:40:30Z
last_indexed	2025-11-25T20:40:30Z
_version_	1850526595462201344
fulltext	43 УДК 550.42:546.027:504.7 Соботович Э.В., Лысенко О.Б., Демихов Ю.Н., Скульский Н.А. ГУ «Институт геохимии окружающей среды НАН Украины» ГЕОХИМИЯ СТАБИЛЬНЫХ ИЗОТОПОВ НЕКОТОРЫХ БИОГЕННЫХ ЭЛЕМЕНТОВ В БИОСФЕРЕ Изучены особенности изотопного фракционирования H, C, Mg, Fe, Zn в живых организмах, включая человека. Установлены: фазовый изотопный эффект в системе «выдыхаемый воз- дух – кровь»; вариации изотопов основных биогенных химических элементов в пределах од- ной биологической системы; особенности поведения четных и нечетных стабильных и ра- диоактивных изотопов химических элементов. Показано, что изотопы являются перспе- ктивными источниками информации о физиологическом состоянии организма человека, что может быть использовано в диагностических целях. Введение Эволюционное развитие любого живого организма зависит от состояния окружаю- щей среды, т.е. от комплекса абиотических и биотических экологических факторов, кото- рые превалируют в ней в то или иное время. Современный человек, по сравнению с любыми другими живыми системами, обла- дает наивысшими адаптационными возможностями относительно окружающей среды, по- скольку он научился создавать для себя локальные комфортные условия своего существо- вания. Здоровье человека в значительной степени зависит от эндогенных факторов окру- жающей среды, превышающих способность адаптации организма к ним. Природа и общество – это не хаотические наборы живых и неживых компонентов. Они структурированы в виде определенных систем и подсистем строгой иерархии. При этом существует немало форм классификаций разнообразных природных, искусственных и социальных систем в зависимости от того какие критерии взяты за основу. Как известно, человечество находится под постоянным влиянием геосфер. Причем, влияние современной цивилизации на окружающую среду достигло того уровня, о кото- ром В.И. Вернадский писал: «Ноосфера есть новое геологическое явление на нашей пла- нете. В ней человек становится крупномасштабной геологической силой» [1]. И совре- менный уровень достижений в ядерной и космической сфере, в генной- и ДНК-инженерии расширил и укрепил иллюзию человека о своих возможностях. Нельзя отрицать существование влияния многих биологических и биотропных фак- торов, часть из которых очевидна и хорошо изучена. Однако существует огромное коли- чество других геогенных факторов биотропного влияния, которые либо мало изучены, ли- бо вообще остались вне сферы изучения их человеком. Среди них можно выделить гео- магнитную активность, магнитные аномалии, естественное фоновое излучение, изотопное фракционирование, миграцию жидкостей и эмиссию газов в зонах разломов, едва разли- чимые сейсмические явления, которые вызывают локальные изменения геохимических и геофизических параметров, цикличность тектонических и климатических процессов, гео- электричество, геопатогенные зоны и другие. Известно, что многие закономерности распространенности изотопов в природе конт- ролируются процессами, происходящими в биосфере. Поэтому биохимические исследова- ния все чаще стали включать в себя подробное изучение изотопного состава геологичес- ких объектов. В результате значительная часть экспериментальных данных, касающихся изотопного состава биосистем, была получена в ходе геохимических исследований. Этим, вероятно, объясняется внимание геохимиков, интересующихся ролью живого вещества в природе, к процессам биологического фракционирования изотопов. ЗБІРНИК НАУКОВИХ ПРАЦЬ ІНСТИТУТУ ГЕОХІМІЇ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА, 2013, ВИП. 22 44 Химический состав живых организмов «Геохимия – наука двадцатого столетия. Она могла возникнуть лишь после появле- ния современного научного представления об атомах и химических элементах, но корни ее идут глубоко в прошлое науки» [2]. Хорошо известно, что все существующие на Земле живые организмы состоят из впо- лне определенного набора химических элементов, передаваемого в тех же соотношениях из поколения в поколение, т.е. можно сказать, что химический состав любого организма – важный систематический признак [3]. При этом возникают два вопроса: • является ли такая передача абсолютно стабильной из поколения в поколение или же она меняется в процессе геохимической эволюции земной поверхности, но со скоро- стью, мало доступной человеческому восприятию; • соответствует ли место химического элемента в периодической таблице Менде- леева его роли в живом веществе? Химический состав современных организмов складывался под воздействием двух процессов: с одной стороны, это эволюция состава атмосферы, гидросферы и литосферы; с другой – это жизненно необходимая для организма концентрация уже имеющихся вну- три него соотношений элементов. По словам знаменитого французского физиолога и па- тофизиолога Клода Бернара, «постоянство внутренней среды – необходимое условие сво- бодной жизни организма». Изучение прошлого организмов, их эволюции и адаптации к из- меняющейся геохимической среде обитания, поможет грамотно ориентироваться в настоя- щем и решать актуальные проблемы медицины, экологии и сопряженные с ними проблемы. Организмы способны избирательно поглощать и накапливать некоторые элементы из окружающей среды. В первую очередь это касается легких химических элементов, поско- льку содержание химических элементов в организмах с ростом атомной массы элемента чаще всего уменьшается. Однако присутствие некоторых химических элементов (в коли- честве даже нескольких атомов на клетку) оказывает значимое влияние на процессы внут- риклеточного метаболизма. С этих позиций были предприняты попытки создать класси- фикацию так называемых «жизненно необходимых» химических элементов, недостаток или избыток которых угнетает жизнедеятельность организма. Перечень химических элементов, которые относят к «жизненно необходимым », ва- рьирует у разных исследователей в довольно широких пределах. Однако, по мнению бо- льшинства классиков, в графе «жизненно необходимые» неизменно повторяются 20 эле- ментов (табл. 1). К четырем органогенным элементам (O, C, H, N) добавляются P, S, Na, K, Mg, Ca, Cl, Fe, Cu, Zn, Mn, Cr, Se, Mo, I, Co [4]. Таблица 1. Средний состав жизненно необходимых элементов в живом веществе Содержание в организ- мах [3], моль/т Ядерные характеристики [6] Э ле м ен т Наземные растения Наземные животные И зо то пы С ре дн яя р ас - пр ос тр ан ен - но ст ь [5 ], % С пи н I,h Магнитный момент µ,µn Q, фм2 1 2 3 4 5 6 7 8 1Н 99,99 1/2 +2,79284734 1H 55 000 70 000 2Н 0,01 1 +0,857438228 +0,0028 12C 98,93 0 6C 37 833 38 750 13C 1,07 1/2 +0,7024118 14N 99,64 1 +0,40376100 +1,56 7N 2143 7143 15N 0,36 1/2 —0,28318884 16O 99,76 0 17O 0,04 5/2 —1,89379 —2,6(3) 8О 25 625 11 625 18O 0,20 0 11Na 52 174 23Na 100 3/2 +2,217520(2) +10,1(8) СОБОТОВИЧ Э.В., ЛЫСЕНКО О.Б., ДЕМИХОВ Ю.Н., СКУЛЬСКИЙ Н.А. ГЕОХИМИЯ СТАБИЛЬНЫХ ИЗОТОПОВ 45 Продолжение табл. 1 1 2 3 4 5 6 7 8 24Mg 78,99 0 25Mg 10,00 5/2 —0,85545 +22 12Mg 132 41 26Mg 11,01 0 15Р 74 548—1420 31Р 100 1/2 +1,13160 32S 94,99 0 0 33S 0,75 3/2 +0,6438212 —6,4(10) 34S 4,25 0 0 16S 106 156 35S 0,01 3/2 +1,00 +0,0471 35Cl 75,77 3/2 +0,8218736(5) 8,249(2) 17Cl 57 79 37Cl 24,23 3/2 +0,6841230(5) 6,493(2) 39K 93,26 3/2 +0,39147 +4,9(4) 19K 360 190 41K 6,73 3/2 +0,2148701 +6,0(5) 40Ca 96,94 0 42Ca 0,64 0 43Ca 0,13 7/2 —1,31726(60) <23 44Ca 2,08 0 46Ca 410-3 0 20Ca 450 5–212,5 48Ca 0,18 0 50Cr 4,35 0 52Cr 83,79 0 53Cr 9,50 3/2 —0,47454(3) 2,2 24Cr 0,0044 0,0014 54Cr 2,36 0 25Mn 11,45 0,004 55Mn 100 5/2 +3,468716(2) +35(5) 54Fe 5,85 0 56Fe 91,75 0 57Fe 2,12 1/2 +0,09044(7) 26Fe 2,5 2,9 58Fe 0,28 0 27Co 0,008 0,0005 59Co 100 7/2 +4,627(9) +40,4(40) 63Cu 69,15 3/2 +2,227206 —20,9(3) 29Cu 0,22 0,04 65Cu 30,85 3/2 +2,3816 19,5(4) 64Zn 48,27 0 66Zn 27,98 0 67Zn 4,10 5/2 +0,8752049 +15,0(15) 68Zn 19,02 0 30Zn 1,53 2,45 70Zn 0,63 0 74Se 0,90 0 76Se 9,20 0 77Se 7,60 1/2 +0,534270(8) 78Se 23,70 0 80Se 49,80 0 34Se 82Se 8,80 0 92Mo 14,84 0 94Mo 9,25 0 95Mo 15,92 5/2 —0,9142(1) —1,9(12) 96Mo 16,68 0 97Mo 9,55 5/2 —0,9335(1) —10,2(39) 98Mo 24,13 0 42Mo 100Mo 9,63 0 53I 127I 100 5/2 +2,81327 —78,9 Примечание: Q – Электрический и квадрупольный момент Тем не менее, вопрос о том, какие из обнаруженных в живом веществе химических элементов действительно жизненно необходимы, а какие попадают в организм случайно за счет пищи, воды и воздуха (не принося ему при этом значимого ущерба), остается по- ЗБІРНИК НАУКОВИХ ПРАЦЬ ІНСТИТУТУ ГЕОХІМІЇ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА, 2013, ВИП. 22 46 прежнему дискуссионным. Стабильные изотопы элементов Сфера использования человеком созданных природой изотопов касается как органи- ческого, так и неорганического мира. Современные исследования доказывают, что изотопы – носители памяти о рождении и преобразовании молекул, а фракционирование изотопов – это химическая история ве- щества. Службу памяти изотопы реализуют в двух функциях. Во-первых, они участвуют в создании памяти, в ее запасании (через изотопные эффекты в актах рождения и преобра- зования молекул). Во-вторых, они – наследники и хранители памяти как свидетели хими- ческих событий (и нынешних, и древних, происходивших за многие тысячелетия до на- ших дней). Это давно доказано многочисленными науками о Земле, которые используют изотопные измерения как методы для изучения важных и ранее неразрешимых проблем [7]. Стабильные изотопы позволяют решать те же задачи, что и радиоактивные, причем без искажения результатов под влиянием облучения. Большая сложность измерений ком- пенсируется повышенной надежностью результатов. Можно надеяться, что развитие изме- рительной техники и большая доступность аппаратуры в дальнейшем будут способствовать замене во многих исследованиях радиоактивных изотопов стабильными. В то же время по- вышение чувствительности радиометрических методов позволит уменьшать дозы применя- емых изотопов и тем самым и отклонения от индикаторности, вызванные радиацией. В итоге можно сказать, что стабильные изотопы могут быть использованы как изо- топные индикаторы в двух случаях: 1) использование их в качестве «внешней метки» при поступлении в живой организм в микроколичествах с пищей, водой, воздухом или лекарственными препаратами, что дает возможность описывать углеродный и азотный стресс при голодании диких животных, изучать влияния эндогенных и экзогенных факторов окружающей среды на диетическое фракционирование изотопов С, N в живых организмах, прогнозировать географический регион происхождения людей и рацион их питания; 2) при определении соотношений собственных изотопов организма, являющихся внутримолекулярным явлением (так называемая «внутренняя метка»). Использование «внутренней метки» все чаще находит применение для определения и объяснения процессов, протекающих в живых организмах, в частности у человека. Це- лью использования «внутренней метки» является изучение последовательности биохими- ческих превращений, определение конкурирующих параллельных реакций и измерение скорости образования промежуточных продуктов. В мировой практике для измерения изменений изотопного состава принята δ-систе- ма, в которой содержание изотопа выражается через изотопный состав некоторого станда- рта и измеряется в промилле (‰). Так, для углерода 13С: δ13С, ‰ = [(Rобр./Rстанд.) – 1]×103, (1) где Rобр. = (13С/12С)обр., т.е. выражает относительное содержание тяжелого и легкого изо- топа в образце; Rстанд. – такое же отношение для стандарта. Иначе говоря, при измерении изотопов используют не абсолютные величины их от- ношений, а относительные отклонения от изотопного состава стандартного образца. По- ложительные значения δ13С указывают на увеличенное содержание тяжелого изотопа углерода в образце относительно стандарта, а отрицательные значения – на снижение со- держания в образце тяжелого изотопа по сравнению со стандартом. Природные изотопные эффекты Для успешного применения изотопов всегда важно иметь представления о свойствах и различиях не только самих изотопов, но и одних и тех же соединений разного изотопно- го состава. Это крайне необходимо для анализа химических реакций, особенно для ана- лиза сложных биологических проблем. Известно, что физические и физико-химические СОБОТОВИЧ Э.В., ЛЫСЕНКО О.Б., ДЕМИХОВ Ю.Н., СКУЛЬСКИЙ Н.А. ГЕОХИМИЯ СТАБИЛЬНЫХ ИЗОТОПОВ 47 свойства веществ в случае изменения изотопного состава тем больше, чем меньше номер химического элемента (при одной и той же разнице в атомных номерах элементов). «Вследствие различий в физико-химических свойствах изотопных молекул их хими- ческие и физические превращения обычно сопровождаются фракционированием изото- пов, т.е. распределением их между двумя фракциями вещества с разными изотопными от- ношениями» [8]. Или, другими словами, фракционирование изотопов состоит в том, что относительное содержание одного из изотопов в данном соединении увеличивается за счет снижения его содержания в другом, т.е. фракционирование изотопов является следс- твием их физико-химической неравноценности, что может сказываться на скоростях про- цессов, энергетическом состоянии и ядерном магнетизме системы. Процессы фракционирования изотопов (их разделение между двумя фракциями) в неживом веществе до настоящего времени можно считать достаточно хорошо изучен- ными. Для того, чтобы получить полное объяснение обнаруженным природным изотоп- ным эффектам, авторы сочли целесообразным проанализировать те основные изотопные эффекты, которые индуцируют фракционирование изотопов в биологических системах (табл. 2). Поэтому при описании изотопных элементов авторы останавливались только на тех, которые проявляются в биосистемах. Таблица 2. Классификация изотопных эффектов Изотопный эффект Физические свойства. Различия, в которых обу- славливается изотопный эффект (И. э.) Тип Разновидность Проявление в биосис- темах Гравитационный Не обнаружен Диффузионный Обнаружен у фотосин- тезирующих растений Инерциальный Электромагнитный (разделение изотопных ионов в электрическом и магнитном поле) Наличие эффекта требу- ет дальнейших исследо- ваний Фазовый Установлен авторами в системе «выдыхаемый воздух–кровь» Корпускулярно- химический Адсорбционный Пока нет сведений Термодинамический Обнаружен внутримо- лекулярный изотопный эффект. Наличие межмолекуля- рного изотопного эффе- кта является предметом дискуссии Кинетический Хорошо изучен для фо- тосинтезирующих рас- тений Фотохимический Нет сведений Масса. И. э. 1 рода Химический Туннельный Нет сведений Спин, магнитный мо- мент. И. э. II рода Ядерно- химический Ядерно-спиновый Обнаружен в биосисте- мах Как видно из таблицы 2, из изотопных эффектов I рода (или масс-зависящих эффек- тов) в биосистемах, согласно правилу плеяд, проявляют свое влияние фазовый и химичес- кие (кинетический и термодинамический) изотопные эффекты. Изотопные эффекты II рода или масс-независимые эффекты, согласно правилу пле- яд, были обнаружены в радикальных и ион-радикальных химических реакциях. Поскольку ЗБІРНИК НАУКОВИХ ПРАЦЬ ІНСТИТУТУ ГЕОХІМІЇ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА, 2013, ВИП. 22 48 некоторые биохимические процессы в живых организмах протекают также по ион- радикальному механизму, то можно ожидать здесь проявление изотопных эффектов II рода. Фазовый изотопный эффект. Основной вклад в формирование изотопного состава атмосферных осадков, а следовательно и поверхностных вод континентов, вносит фрак- ционирование изотопов при конденсации водяного пара; фракционирование при испаре- нии вносит меньший вклад. Следует отметить, что для атмосферных осадков и поверхнос- тных вод континентов обычно наблюдается корреляционная зависимость между δD и δ18О: δD = аδ18О + b ‰, при а = 8, b = 10 зависимость называется прямой Крейга. При замерзании воды также происходит разделение изотопов водорода и кислорода. Процесс протекает в условиях близких к равновесным и приводит к обогащению льда D и 18О в воде поверхностного слоя примерно на 20 ‰ и 2 ‰, соответственно. В живых организмах можно было бы ожидать наличие фазового эффекта в системе «выдыхаемый воздух–кровь» на границе пар–жидкость в легких. Такой прогноз был нами подтвержден в результате проведения серии экспериментов по исследованию изотопного состава водорода: выдыхаемой человеком влаги, атмосферной влаги, биологических жид- костей, тканей и продуктов метаболизма человека [9]. Химический изотопный эффект состоит из термодинамического и кинетического эффектов. Термодинамический изотопный эффект основан на стремлении системы изотопных молекул к минимуму энергии. Действительно, квантово-статистические расчеты термоди- намических состояний системы из двух атомов показывают, что энергия такой системы изменяется при перераспределении изотопов в ней и стремится к минимуму. Для расчета константы равновесия требуются экспериментальные данные о частотах колебательных спектров, массах и числах симметрии молекул, участвующих в изотопно- обменной реакции. Для плеяд изотопов с ростом массы изотопа наблюдается увеличение частот колебаний и, следовательно, увеличение энергии связи в молекуле, т.е. тенденция к накоплению тяжелых изотопов в молекулах с большей энергией связи. Основные частоты колебаний, см—1: Н2 – 4405,3; D2 – 3118,8; Т2 – 2546,5. Таким образом, для изотопов водорода не следует ожидать изменения направления изотопных эффектов на обратное при переходе от дейтерия к тритию. Кинетический изотопный эффект (КИЭ) основан на различии абсолютных скоро- стей реакций изотопных молекул. В ряде физико-химических процессов, протекающих в неравновесных условиях, разделение изотопов может происходить за счет кинетических факторов. В соответствии с теорией абсолютных скоростей химических реакций в реак- циях участвуют не все молекулы, а только те из них, которые достигли энергии актива- ции. При распределении молекул по скоростям согласно закону Максвелла количество молекул dN имеющих скорость в диапазоне от V до V + ∆V определяется выражением: 2KT mv 3 2 2 e 2KT m dN ×     ≈ , (2) где: dN – число молекул, скорости которых лежат в интервале скоростей ∆V; V – нижняя граница интервала скоростей ∆V; m – масса молекулы; K – газовая, постоянная; T – темпе- ратура. Доля тяжелых молекул со скоростью V меньше доли легких молекул, поэтому бо- льшая часть легких молекул примет участие в реакции. Таким образом, химический кине- тический эффект не может привести к нарушению закономерности фракционирования в триадах изотопов. Для изотопов водорода (трития, дейтерия и протия) различие в скоростях протекания реакций, в которых участвуют изотопические молекулы, обусловлено как разницей масс молекул, так и изменением энергии активации. Если же обе молекулы тяжелые, то изото- пный состав мало влияет на их массы. В этом случае различие в кинетике практически це- ликом будет обязано изменению энергии активации образования активированного ком- СОБОТОВИЧ Э.В., ЛЫСЕНКО О.Б., ДЕМИХОВ Ю.Н., СКУЛЬСКИЙ Н.А. ГЕОХИМИЯ СТАБИЛЬНЫХ ИЗОТОПОВ 49 плекса. Но учет скорости протекания реакций, обусловленный разницей масс молекул принципиально результата не изменит. Следовательно, при химических изотопных эффектах изотопы водорода должны вес- ти себя синхронно и проявлением химических изотопных эффектов нельзя объяснить принципиальное различие в поведении протия, дейтерия и трития в биосистемах. Диффузионный изотопный эффект. В случае фотосинтезирующей фиксации угле- рода высшими растениями, морскими водорослями и автотрофными бактериями, одним из процессов, ответственным за фракционирование углерода, является диффузия СО2 внутрь и наружу из тканей растений. Фракционирование углерода на этом этапе у высших растений характеризуется величиной порядка —4 ‰, что вносит существенный вклад в суммарное фракционирование изотопов углерода в растениях С4 (среднее значение δ13С около –13 ‰, относительно стандарта PDB), в то время как эта стадия оказывает малый вклад на пути фи- ксации углерода растениями С3 (среднее значение δ13С около –28—30 ‰, относительно стандарта PDB). Медленная диффузия СО2 в воде вносит существенный вклад в процесс формирования δ13С морских и пресноводных водорослей [10]. По аналогии с фотосинтезирующей фиксацией углерода, можно ожидать влияния диффузии на изотопный состав легких элементов и в меж- и внутриклеточных процессах, в том числе и у гетеротрофных организмов. Этот эффект носит кинетический характер и не должен изменить направленность процессов для дейтерия и трития. Ядерно-спиновый (магнитный) изотопный эффект (МИЭ). Некоторые химичес- кие реакции, прежде всего радикальные и ион-радикальные, связаны с изменением сумма- рного электронного спина реагирующей системы или, как говорят, изменением спиновой мультиплетности, например переходом ее из триплетного состояния в синглетное. Энер- гия, характеризующая этот переход, зависит от взаимодействия спинов электронов и ядер. Вследствие этого вероятность химических реакций оказывается зависящей от наличия ядерного спина и величины его взаимодействия с электронным спином – так называемого сверхтонкого взаимодействия. Поскольку в общем случае изотопы одного элемента могут различаться величиной ядерного спина, скорость реакции для изотопных соединений мо- жет оказаться различной, что и предполагает наличие изотопного эффекта. В отличие от КИЭ величина МИЭ зависит от магнитного поля, температуры, моле- кулярной и химической динамики, а также спинового состояния реагентов. Магнитный изотопный эффект приводит к фракционированию магнитных и немагнитных изотопов в химических, биохимических, геохимических и космических процессах. Механизм магнитного изотопного эффекта может реализоваться в химических ради- кальных реакциях. Как известно, в молекулах электроны спарены и спины электронов скомпенсированы, т.е. суммарный электронный спин равен нулю. Такое состояние назы- вается синглетным (S). При распаде молекулы на радикалы происходит распаривание эле- ктронов и последующая рекомбинация радикалов может быть затруднена необходимос- тью компенсирования спинов. Поэтому ядерно-спиновый (магнитный) изотопный эффект и изотопное фракционирование сильно зависят от магнитной, электрон-ядерной энергии, от величины внешнего магнитного поля, от вращательной и трансляционной диффузии партнеров, от вязкости и замкнутости объема, от времени жизни радикалов. Для пары H/D могут сосуществовать и масс-зависящий и ядерно-спиновый (магнит- ный) изотопный эффекты, причем они даже соизмеримы. Однако для более тяжелых ядер, начиная с углерода, ядерно-спиновый изотопный эффект на порядок превышает масс-за- висимый изотопный эффект. В классической изотопии (масс-зависимой) все постулаты фракционирования приня- ты исходя из массы ядер. В ней химически более активны молекулы с легкими ядрами. В магнитной изотопии, как правило, более активны молекулы с магнитными ядрами. Прои- схождение этих двух изотопий иллюстрирует рисунок 1. ЗБІРНИК НАУКОВИХ ПРАЦЬ ІНСТИТУТУ ГЕОХІМІЇ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА, 2013, ВИП. 22 50 РОЖДЕНИЕ МОЛЕКУЛЫ ЭНЕРГИЯ УПРАВЛЯЮЩИЕ ФАКТОРЫ МАГНИТНЫЙ МОМЕНТ КУЛОНОВСКОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МАГНИТНОЕ КЛАССИЧЕСКИЙ, МАСС-ЗАВИСИМЫЙ ИЗОТОПНЫЙ ЭФФЕКТ МАГНИТНЫЙ, СПИН-ЗАВИСИМЫЙ КЛАССИЧЕСКАЯ ИЗОТОПИЯ МАГНИТНАЯ Рис. 1. Схема, иллюстрирующая происхождение изотопных эффектов [7] Данные о фракционировании стабильных изотопов биогенных элементов в организме человека как новый вид информации о его физиологическом состоянии Общепринято считать, что здоровье человека определяется в значительной степени экзогенными факторами, а именно условиями окружающей среды в течение всех пери- одов его онтогенетического развития. Рецепция экзогенных факторов осуществляется с помощью формирования соответствующей информации в форме изменений состава сое- динений, которые принимают участие в метаболизме. В организме существуют два четких источника химической информации – макромо- лекулы (нуклеиновые кислоты и белки) и микромолекулы (аминокислоты, липиды, саха- ра), которые хорошо изучены и формируют основу современных исследований в биохи- мии, молекулярной биологии, химической биологии и в последнее время в геномике, про- теомике и биоинформатике. Связи между ними хорошо определены и в большинстве случаев несложно иденти- фицировать тот источник, которому принадлежит определенная часть информации. Боль- шая часть биохимических проблем соотносится с макро- и микромолекулами и общий ме- таболизм оказывает существенное влияние на качественные и количественные характери- стики химической информации этих источников [11]. Общеизвестно, что характеристики состояния генома, который несет полную про- грамму развития организма, играют и будут играть все более значительную роль в диаг- ностике многих болезней. Однако непосредственно в структуре генома не сказывается влияние факторов окружающей среды на организм, в которой реализуются процессы на- следственной информации путем сложной системы сигналинга. Для современной биоло- гии возможность охарактеризовать способ, с помощью которого окружающая среда инте- рферирует с генетической информацией, приводя к серии фенотипических модификаций, остается далеко нерешенной задачей. Исследования протеома, который является множеством синтезированных в данный момент времени протеинов, могут помочь установить недавние события в окружающей среде и их влияние на здоровье человека. Можно сказать, что протеом является кратков- ременным отображением физиологического состояния и существует, вероятно, краткое время для метаболически активных протеинов. Таким образом, ни геном, ни протеом не обеспечивают долговременной записи физиологического статуса организма. Поэтому по- иски новых источников информации, которые бы отражали влияние различных условий окружающей среды на организм человека в течение всей продолжительности его жизни, всегда были своевременными и актуальными. СОБОТОВИЧ Э.В., ЛЫСЕНКО О.Б., ДЕМИХОВ Ю.Н., СКУЛЬСКИЙ Н.А. ГЕОХИМИЯ СТАБИЛЬНЫХ ИЗОТОПОВ 51 Кроме отмеченных выше двух источников химической информации, есть основания допустить существование и третьего, очень существенного по своему значению. Это – изо- топные соотношения биогенных элементов, относящихся как к микро- так и к макро- молекулам, и обладающими многими общими характеристиками. Влияние процессов ме- таболизма на эти соотношения в настоящее время остается, в сущности, неизученным, хотя еще В.И. Вернадский отмечал их большое значение в жизнедеятельности живых существ: «…во всех случаях, медицинских и ветеринарных, должен быть поставлен вопрос, как дей- ствуют соли кальция, железа, магния, цинка и т.п. на организм. Одинаково ли действие их, изготовленных из обычных элементов и из элементов, прошедших через организм?» [12]. Внутримолекулярные соотношения изотопов содержат информацию (память), зало- женную в молекулу при ее «рождении», т.е. это память о химической эволюции вещества как о совокупности огромного количества химических реакций. По этой памяти, по изо- топным аномалиям можно реконструировать пути химической эволюции, проследить происхождение веществ в природе [7, 11]. Изотопные соотношения биогенных элементов являются составляющими многих биохимических процессов в организме, и поэтому можно полагать, что они являются по- тенциальными индикаторами его функционального состояния. Так еще в 1969 г. Дегенсом [13] было показано, что различие в изотопном фракцио- нировании в различных биосистемах может быть объяснено обменными процессами. Адаптация к неблагоприятным условиям сопровождается мобилизацией внутренних ресурсов, которые могут модулировать биологическое изотопное фракционирование. Бы- ло показано, что: – такие изменения могут быть использованы в качестве интегрального показателя, характеризующего состояние биохимических процессов в организме; – внутримолекулярные распределения изотопов могут быть чувствительны к любым отклонениям биосинтеза от нормы. Тем не менее, в естественных условиях такие откло- нения не могут быть объяснены только изотопными эффектами. Явление биологического изотопного фракционирования было достаточно изучено для Н, С, О, N, Mg, Si, Se, Ca, Fe, Cu, Zn, Sc и др. Полученные результаты многочисленных исс- ледований в целом поддержали гипотезу В.И. Вернадского [12] о том, что живые организмы могут выборочно использовать конкретные изотопы. В частности, В.И. Вернадский предпо- ложил, что различные изотопы химических элементов могут по-разному влиять на биоту. Что следует из его слов: «…я пришел к убеждению, что не исключена возможность влияния явлений жизни на состав изотопических смесей, т.е. на изменение в жизненном процессе атомного веса химических элементов, благодаря тому, что организм обладает способностью выбирать между изотопами, изменять состав изотопической смеси» [8]. Это – гипотеза, но гипотеза, основанная на прочном эмпирическом обобщении, ис- ходящем из огромного количества точно установленных фактов геохимии. Таким обоб- щением является утверждение о проявлении в жизненных процессах свойств атомов, а не только их соединений. «Жизнь в геохимическом аспекте – столь глубокое явление, что ее изучение заставляет по-новому относиться к крупнейшим положениям, лежащим в основе нашего понимания природы, к атому и пространству, в частности» [12]. Тем не менее, бо- льшинство проблем в этом направлении до настоящего времени остаются нерешенными. Внутримолекулярное фракционирование органогенных элементов Среди общего количества имеющихся на сегодняшний момент сведений о биологи- ческом фракционировании изотопов биогенных элементов наиболее часто встречаются работы по изучению фракционирования изотопов органогенных элементов (C, H, N, O), что обусловлено их подавляющим количеством в составе всех живых организмов на Зем- ле. Такая распространенность связана с их способностью легко образовывать ковалентные связи посредством спаривания электронов и реагировать друг с другом, заполняя свои внешние электронные оболочки. Кроме того, среди элементов, способных образовывать ЗБІРНИК НАУКОВИХ ПРАЦЬ ІНСТИТУТУ ГЕОХІМІЇ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА, 2013, ВИП. 22 52 ковалентные связи, они являются самыми легкими. А поскольку прочность ковалентной связи обратно пропорциональна атомным массам связанных с ее помощью атомов, имен- но им отведена роль быть структурными элементами всех биогенных молекул. Каждая стереохимически уникальная позиция C, H, N и O во всех химических сое- динениях имеет изотопное соотношение, которое отражает химические и физические про- цессы анаболизма и катаболизма молекул, а также информацию об элементе. Так, при ис- следовании кодированных кодонами 21 аминокислоты было показано, что существуют 104 химически уникальные позиции C, 10 позиций N, а также 72 позиций H (с учетом внутренних −CH2− как симметричных и имеющих идентичное изотопное соотношение). В живом организме физически разные компартаменты (например, плазма и органы) могут содержать аминокислоты с различным изотопным составом. Белки, синтезированные в отдельных органах, но присутствующие в том же физическом пуле (например, плазме), также могут представлять компартаменты с различными внутримолекулярными изотоп- ными соотношениями, указывающими на их происхождение [11]. Начиная с 2000 г., в Институте геохимии окружающей среды НАН Украины совмест- но с Институтом геронтологии и Научным центром радиационной медицины АМН Украи- ны были начаты исследования по изучению и определению присущих (внутренних) изотоп- ных соотношений некоторых биогенных элементов (в частности, углерода, магния, водоро- да, железа) в тканях человека. Конечной целью наших исследований является выявление и изучение зависимости между присущими (внутренними) соотношениями стабильных изо- топов этих элементов в тканях человека и его функциональным состоянием [11, 14—16]. Фракционирование изотопов углерода в биосистемах живых организмов Впервые внутримолекулярную неоднородность углерода в биосистемах в 1961 г. об- наружили P.H Abelson и T.C Hoering [17]. Исследуя изотопный состав аминокислот Chlorella, Euglena и других они обнаружили некоторые закономерности в распределении изотопов углерода, а именно то, что у большинства аминокислот углерод карбоксильной группы обогащен 13С относительно углерода декарбоксилированного остатка (табл. 3). Таблица 3. Наблюдаемое внутримолекулярное распределение изотопов углерода в аминокислотах [17] Наблюдаемый коэффициент разделения ∆ Аминокислота Chlorella Anacystis Scenedesmus Chromatium Euglena Gracilaria Глутаминовая 1,012 1,028 1,021 1,022 1,022 1,010 Аргинин 1,020 — — — 1,023 1,011 Аспарагиновая 1,018 1,025 1,023 1,012 1,021 1,013 Лейцин 1,010 1,003 1,004 1,001 1,012 0,998 Изолейцин 1,015 1,010 1,005 — — 1,066 Алании 1,005 1,014 1,007 — 1,001 1,006 Треонин 1,018 — — — 1,014 1,008 Глицин 1,018 1,002 1,006 — 1,002 0,995 Серии 1,012 — — 1,005 1,003 1,008 Тирозин 1,026 — — — 1,015 1,017 Фенилаланин — — — — 1,019 1,014 ∆* определяется как ∆ = 1 + (δ13Cсоон – δ13CR) Что касается, гетеротрофов, то долгое время считалось, что они полностью насле- дуют изотопный состав пищи и фракционирования изотопов в их организме нет. Однако липиды и большинство белков млекопитающих образуются в их организме, а не наследу- ются из пищи. Дальнейшие исследования показали, что изотопный состав различных тканей гетеро- трофов имеет разный состав, тем самым указывая на наличие фракционирования изотопов при метаболизме. СОБОТОВИЧ Э.В., ЛЫСЕНКО О.Б., ДЕМИХОВ Ю.Н., СКУЛЬСКИЙ Н.А. ГЕОХИМИЯ СТАБИЛЬНЫХ ИЗОТОПОВ 53 Наиболее весомыми и информативными для объяснения процессов внутриклеточ- ного фракционирования изотопов углерода в организме гетеротрофов стали исследования M. De Niro и S. Epstein [18] и А.А. Ивлева с соавторами [19—22]. На базе проведенных ис- следований они сделали вывод: в каждый момент клетка находится в определенном функ- циональном состоянии, которое соответствует данному уровню ее энергетических и био- синтетических потребностей, контролируемых системой регуляторных связей. В опреде- ленном диапазоне этот уровень может меняться и изменять маршруты метаболических превращений и конкуренции за пируватный фонд, следствием чего является изменение соотношений частей пируватного фонда, которые используются для энергетики клетки и синтеза необходимых ей метаболитов. Как результат – возникают соответствующие изо- топные вариации. В 1977 г. M. De Niro и S. Epstein продемонстрировали основное влияние изотопов на превращение пирувата в уксусный альдегид в дрожжах при помощи пируватдегидроге- назы, что позже приводит к изменениям 13С/12С в жирных кислотах дрожжей [23]. Годом позже T. Lyon и M. Baxter [24] представили первые данные о разном изотоп- ном составе углерода различных тканей человеческого организма. Из результатов работы следует, что венозная кровь является наиболее обогащенной 13С, а тимус – наиболее обед- ненным (разница составляет около 7 ‰). Авторы пришли к выводу, что соотношение изо- топов углерода в тканях не является постоянной величиной. Они представили первый все- объемлющий набор данных по изотопному составу углерода различных тканей организма человека (рис. 2). Рис. 2. Изотопный состав некоторых тканей и органов человека Можно сказать, что различные ткани человека характеризуются разнородными соот- ношениями изотопов углерода: кровь является наиболее обогащенной 13С, в то время как вилочковая железа является наиболее обедненной (разница составляет около 7 ‰). Кость (карбонат) обогащена 13С примерно на 10 ‰ по сравнению с мягкими тканями. Отсюда вытекает, что соотношение изотопов в той или иной ткани можно назвать «изото- пной картой». Однако следует сказать, что эти изотопные соотношения могут проявлять изменчивость в различных временных масштабах. Эта изменчивость может быть связана с биоритмами, скоростью эндо- и экзогенных процессов в организме и состоянием окружающей среды. Разные ткани характеризуются также различною динамикой изотопных отношений из-за разной скорости обмена веществ. Анализируя каждые две недели в течение восьми месяцев образцы волос головы и ногтей на содержание в них δD, δ13С, δ15N и δ18О Fraser и др. [25] в 2006 г. обнаружили от- носительно небольшие колебания δ13С и δ15N волос (20,59 ± 0,59 ‰ и 9,90 ± 0,71 ‰, соот- ветственно) и ногтей (21,14 ± 0,56 ‰ и 10,06 ± 1,04 ‰, соответственно). Большие колеба- ЗБІРНИК НАУКОВИХ ПРАЦЬ ІНСТИТУТУ ГЕОХІМІЇ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА, 2013, ВИП. 22 54 ния в содержании δD и δ18О были найдены при исследовании волос (66,2 ± 4,1 ‰ и 14,7 ± 1,7 ‰, соответственно) и ногтей (60,7 ± 7,6 ‰ и 13,1 ± 1,5 ‰, соответственно). Еще в 2001 г. O’Connell [26] с соавторами обнаружили, что: – коллаген костей обогащается относительно кератина волос на 1,4 ‰ (δ13С) и 0,86 ‰ (δ15N); – нет существенной разницы между содержанием δ13С в кератине волос и ногтей; – кератин ногтей обогащается δ15N по отношению к кератину волос на 0,65 ‰. Поэтому было высказано предположение о том, что различия в содержании δ13С могут быть обусловлены различиями в аминокислотном составе кератина волос и коллагена костей. Фракционирование изотопов углерода в живых организмах обусловлено внутрикле- точными процессами, а именно реакцией декарбокисилирования пирувата (рис. 3). Харак- тер этого фракционирования во многом зависит от режима питания человека, так как практически все углеводы, поступающие в организм, преобразуются в глюкозу, основная часть которой, в свою очередь, путем гликолиза распадается до пировиноградной кислоты и образует так называемый пируватный фонд (рис. 4). Рис. 3. Реакция декарбоксилирования пирувата Рис. 4. Метаболическая цепочка преобразований пищи, поступающей в организм человека Именно на стадии распределения частей фонда пирувата на жизненно важные нужды организма и происходит фракционирование изотопов углерода. Часть фонда пирувата фе- Еда Глюкоза Глюкозо- фосфаты Триозо- фосфаты Пируват Ацетил-СоА Цикл лимонной кислоты Г л и к ол и з СО2 Лактат Жирные кислоты Гликоген Аминокислоты Аминокислоты Белок 3СО2 Пентозофосфатный путь Ациглицерол Рибозо- фосфат СОБОТОВИЧ Э.В., ЛЫСЕНКО О.Б., ДЕМИХОВ Ю.Н., СКУЛЬСКИЙ Н.А. ГЕОХИМИЯ СТАБИЛЬНЫХ ИЗОТОПОВ 55 рментативно декарбокисилируется, в результате чего образуется ацетил-СоА и СО2. При этом расходуется облегченная часть пируватного фонда, в которой С2 и С3 атомы не соде- ржат тяжелого изотопа. Это обусловлено тем, что энергия связи тяжелых изотопов пре- вышает энергию связи легких изотопов и следовательно реакция декарбоксилирования пирувата протекает быстрее для легких молекул прировиноградной кислоты. Высвободи- вшийся в процессе реакции углекислый газ вносит свой вклад в итоговый СО2, который выдыхается организмом. Ацетил-СоА может вступать в цикл лимонной кислоты (цикл Кребса). Другая часть пируватного фонда, обогащенная 13С (в результате исчерпывания фонда субстрата), тратится на биосинтетические потребности. В представленном механизме фракционирования изотопов углерода влияние магне- тизма ядра 13С на этот процесс затруднено, поскольку ключевая стадия фракционирования изотопов, декарбоксилирования пирувата, протекает за счет реакции конденсации кофер- мента А и пировиноградной кислоты. Необходимым условием для проявления МИЭ явля- ется наличие неспаренных электронов на граничных молекулярных орбиталях, т.е. МИЭ характерен для реакций с участием радикалов или ион-радикалов. Большое внимание изотопному отношению углерода в организме человека было уде- лено А.А. Ивлевым [27]. Им был исследован характер суточных кривых измерения изото- пного состава углерода (ИСУ) выдыхаемого воздуха у людей в норме, при диабете и ожи- рении, зависимость ИСУ волос от состояния здоровья обследуемых, зависимость ИСУ сыворотки крови от характера эндокринного заболевания, вариации ИСУ СО2 выдыхае- мого воздуха и мочевины мочи у здоровых людей, больных диабетом и лиц с ожирением. Диапазон суточных вариаций δ13С показал некоторые различия изотопных сдвигов при различных гормональных метаболических состояниях. В 2008—2009 гг. нами были проведены исследования для выявления зависимости между внутримолекулярными изотопными соотношениями углерода венозной крови и функциональным состоянием организма. Было обследовано несколько групп людей раз- ных возрастных категорий, среди которых были практически здоровые и лица, страдаю- щие определенными заболеваниями. Результаты измерения изотопного состава углерода венозной крови представлены на рисунке 5. Рис. 5. Вариации изотопного состава углерода в тканях человека в зависимости от состояния организма Изотопный сдвиг δ13С в крови у практически здоровых молодых людей находился в пределах —23,1 – —23,7 ‰, а у лиц пожилого возраста эта величина находилась в интер- ЗБІРНИК НАУКОВИХ ПРАЦЬ ІНСТИТУТУ ГЕОХІМІЇ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА, 2013, ВИП. 22 56 вале —22,9 – —23,7 ‰. У больных людей разного возраста эти значения, соответственно, составляли —21,6 – —22,9 ‰ и —21,2 – —22,9 ‰. Полученные данные свидетельствуют об отсутствии возрастных изменений уровня δ13С в крови (по крайней мере, на основании этого исследования) у практически здоровых людей и об отчетливом неспецифическом влиянии патологии на соотношение легких и тяжелых изотопов углерода в крови. По-видимому, обогащение крови больных тяжелым изотопом 13С вызвано увеличе- нием потребности клеток в энергии, что обусловлено изменением функционального сос- тояния организма; при этом доля использования фонда пирувата в клетках для синтеза АТФ резко увеличивается, вызывая видимое накопление тяжелого изотопа в оставшейся части. Можно предположить, что из-за включения в метаболические процессы определенного количества тяжелых изотопов многие клеточные белки не обменивают своих аминокислот (возможно через нарушение энергетической составляющей клеточного метаболизма) с «ме- таболическим фондом» аминокислот, используемых для биосинтеза того или иного белка. Описанный выше механизм фракционирования изотопов углерода вполне обоснован. Определяющим фактором фракционирования изотопов является разница в массах ядер 12С и 13С. Однако открытие для 13С магнитного изотопного эффекта в химических реакциях поставило вопрос: могут ли различия магнитных свойств 12С и 13С «учитываться» биоло- гическими системами в процессе своей жизнедеятельности. Выраженные различия реакционных способностей магнитных и немагнитных ядер углерода обнаруживаются при радикальной полимеризации, так как магнитный изотоп- ный эффект «умножается в цепной реакции». Так, N. Turro с соавторами [28] исследовали эмульсионную полимеризацию стирола, инициированную фотолизом двух химически то- ждественных изотопных форм дибензолкетона PhCH2COCH2Ph и Ph13CH2CO13CH2Ph. Инициаторами полимеризации являются бензильные радикалы, рожденные преимущест- венно во вторичной радикальной паре (Ph12CH2 и 13CH2Ph), появляющейся вследствие бы- строго декарбонилирования первичной триплетной пары бензильного и ацильного ра- дикалов. Как показал эксперимент, замена немагнитного ядра 12C его магнитным «близне- цом» 13C изменяет химическую активность радикалов на 30—40 %. В первом случае, где активным центром инициации полимеризации является 12C, скорость и степень полимери- зации намного выше, чем во втором, где активным центром инициации полимеризации является 13C. Это связано с тем, что во втором случае сверхтонкое взаимодействие инду- цирует быструю спиновую конверсию радикалов с активным 13C из триплетного состоя- ния в синглетное, и они предпочтительно рекомбинируют. Внутримолекулярное фракционирование изотопов водорода Водород имеет три изотопа: протий дейтерий тритий с массовыми числами 1, 2, 3. Протий и дейтерий – стабильные изотопы, тритий – радиоактивный (период полураспада 12,26 лет). В природных соединениях дейтерий и протий содержатся в отношениях 1/6400 (по числу атомов). Тритий находится в природе в ничтожно малых количествах 1,3×1018 Бк. Из таблицы 1 видно, что магнитный момент дейтерия 0,86 µß, а протия – 2,79 µß. Спин протия равен ½, а дейтерия – 1 и поэтому энергия сверхтонкого электрон-ядерного взаимодействия с протоном протия в 6,5 раз больше, чем с протоном дейтерия. Из этого вытекает, что спиновая конверсия радикальных протонсодержащих пар значительно пре- восходит скорость конверсии дейтерированых пар от 6,52 раз для короткоживущих пар, до 6½ раз для долгоживущих пар [7]. Такие различия в свойствах ядер могут стать причиной особенностей поведения тех или иных изотопов в химических и биохимических реакциях. Водород входит в состав различных природных соединений в форме Н2, (–ОН), (–СН), (–SH) и (–NH); в земных условиях основная его масса входит в состав такого жиз- ненно необходимого соединения, как вода. Относительная разница масс изотопов водо- рода максимальна, в связи с этим природные вариации его изотопного состава достигают СОБОТОВИЧ Э.В., ЛЫСЕНКО О.Б., ДЕМИХОВ Ю.Н., СКУЛЬСКИЙ Н.А. ГЕОХИМИЯ СТАБИЛЬНЫХ ИЗОТОПОВ 57 в земных образцах 700 ‰, что предопределило хорошую изученность изотопных эффек- тов водорода. Известно, что изотопы водорода поступают в человеческий организм главным обра- зом с питьевой водой и пищей. Попадая в организм, вода становится участником разно- образных биохимических процессов, в результате чего ее атомы могут становиться струк- турными единицами различных соединений, синтезируемых организмом. Наглядный при- мер того, как изотопный состав воды отражается на изотопном составе синтезируемого организмом белка, приведен в работе [29]. Авторами показана прямая зависимость меж- ду изотопными составами (H, O) волос человека (состоящих преимущественно из белка α-кератина) и употребляемой питьевой воды. В клетках вода находится в особом структурированном состоянии, промежуточном между структурой жидкой воды и льда. Слои ориентированных молекул воды окружают все гидрофильные макромолекулы в протоплазме (в том числе молекулы белка и нуклеи- новых кислот). По-видимому, более правильно говорить о соответствии каких-то свойств не непосредственно у одинаковых макромолекул, а у макромолекул, окруженных слоями структурированной воды. Такое соответствие может существенно нарушаться при нерав- номерном изотопном составе структурированной воды в клетке [30, 31]. По данным научных исследований 30-х годов прошлого века, касающихся влияния тяжелой воды (D2O) на жизнедеятельность организмов, возникло представление об их аномально высокой чувствительности к замещению в среде протия (1Н) на дейтерий (D). В результате этого был сделан вывод, что тяжелая вода тормозит многие внутриклеточные процессы, а деление клеток становится невозможным уже при содержании в среде более 50 % дейтерия. Однако в результате большей доступности D2O стало возможным прове- дение систематических количественных исследований влияния дейтерия на живой орга- низм [32, 33]. Так, J. Katz установил, что многие одноклеточные организмы (водоросли и бактерии) в определенных условиях могут размножаться при практически полном заме- щении в среде Н2O на D2O [34]. Однако при прямом переносе некоторых видов водорос- лей или бактерий, имеющих естественный изотопный состав, из обычной воды в воду с высокой концентрацией D2O (70—100 %), наблюдается своеобразный полный или частич- ный «анабіоз». В первом случае полностью прекращается рост и деление клеток. Во вто- ром случае значительная часть клеток во время «анабиотического периода» продолжает расти не делясь, и может достигать огромных размеров; некоторые из них в десятки раз превышают нормальные клетки. По истечению определенного периода времени, различ- ного для разных организмов, происходит адаптация к необычной среде, а выжившие клет- ки начинают нормально расти и делиться. Такие же анабиотические явления наблюдаются при возвращении в Н2O клеток, адаптированных к изотопно чистой D2O. Следует отметить, что такая адаптация отсутствовала у организмов более высокого уровня организации [35]. Сильное антимитотическое действие D2O было обнаружено в первых же опытах. Так, в 1938 г. H. Barbour и E. Allen [36] описали замедление роста и обратное развитие трансплантированной лимфосаркомы и карциномы грудной железы мышей, получавших в качестве питьевой воды 40 % D2O. Однако общая продолжительность жизни пораженных опухолями мышей под влиянием D2O оказалась меньшей, чем в контрольной группе. Эта же проблема рассматривается в других работах [37, 38]. Из недавних можно выделить ис- следование, в котором было показано, что активность развития рака поджелудочной желе- зы в культуре клеток AsPC-1, BxPC-3, и PANC-1 значительно уменьшается при последо- вательном применении 10—30 % D2O и гемцитабина (difluorodeoxycytidine). При этом ав- торы показали, что потребление воды, содержащей 10—30 % D2O, существенно не влияет на уровень мононуклеарных клеток в периферической крови, что свидетельствует об ограниченном неблагоприятном действии D2O на клетки костного мозга [39]. В других работах, напротив, отмечается позитивное (в дополнение к традиционным формам лече- ния) влияние именно облегченной (по дейтерию) воды при лечении онкозаболеваний. Противоопухолевый эффект и безопасность «легкой воды» для человека были подтверж- ЗБІРНИК НАУКОВИХ ПРАЦЬ ІНСТИТУТУ ГЕОХІМІЇ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА, 2013, ВИП. 22 58 дены в клинических испытаниях при лечении рака простаты [40]. Практически аналогич- ное противоопухолевое воздействие как тяжелой, так и легкой воды может свидетельство- вать о том, что в некотором диапазоне содержание дейтерия в тканях имеет большое зна- чение для нормального функционирования организма. На первый взгляд, кажется возможным объяснить «изотопный анабиоз» нарушения- ми геометрического соответствия макромолекул ДНК, РНК или белка при замене изотоп- ного водорода. Структура этих макромолекул закреплена водородными связями. Поэтому можно было бы предположить, что небольшие различия в размерах многочисленных во- дородных связей в макромолекуле могут заметно исказить трехмерные структуры и тем са- мым сделать невозможным взаимодействие протиевых макромолекул с дейтериевыми [8]. Однако серьезным доводом против объяснения аномальных эффектов D2O лишь дефор- мацией водородных связей являются результаты работы E. Borek и D. Rittenberg [41]. Эти авторы наблюдали анабиоз, схожий с дейтериевым, для бактерий E. coli при переносе их из H2 16O в 92 % H2 18O. Изменения размеров и прочности водородных связей при замене 16O на 18O значительно меньше, чем Н на D, однако степень подавления D2O и H2 18O роста и деления клеток была одного и того же порядка. Авторы пришли к выводу, что измене- ние геометрического соответствия самих макромолекул при замене воды среды не может быть полностью ответственным за наблюдаемый комплекс явлений. В 60-х годах прошлого столетия было опубликовано несколько работ, касающихся изучения особых магнитных свойств нуклеиновых кислот [42, 43]. Авторы полагали, что изменения именно этих свойств наиболее существенно происходят при изменении изото- пного состава воды, находящейся между макромолекулами, участвующими в редуплика- ции. Появление в хромосомах или в нитях ДНК участков с аномальным соотношением D/Н в результате резкого изменения изотопного состава воды может привести к измене- ниям их магнитных свойств, что обусловливает нарушения передачи информации и коор- динации движения макромолекулы, требующихся для нормального митоза [42, 43]. Примером влияния различных магнитных свойств изотопов водорода на ход реакции может быть фотолиз двух дибензилкетонов – РhСН2СОСН2Рh и РhСН2СОСD2Рh [28]. По окончании фотолиза был измерен выход РhСН2СН2Рh и РhСD2СD2Рh, которые получаются путем рекомбинации вторичных радикальных пар, образующихся после декарбонилирова- ния первичных пар. Оказалось, что скорость спиновой конверсии радикальных протийсо- держащих пар значительно превосходит скорость конверсии дейтерированных пар. В ре- зультате выход протиевого дибензила составил 33 %, а дейтерированого – только 28 % [28]. Изучением изотопного состава водорода организма человека до начала XXI века практически никто еще не занимался. Можно упомянуть только устное сообщение H. Krouse об определении δD в урине человека. Им было установлено, что моча человека утяжелена примерно на 30 ‰ относительно изотопного состава местной водопроводной воды. В 2005 г. в Институте геохимии окружающей среды НАН Украины Ю.Н. Демихов поставил серию экспериментов по изучению изотопного состава водорода тканей, жидко- стей и продуктов метаболизма у людей [44]. Вода человеческой крови, слюны, пота, ури- ны характеризуется аналогичным изотопным составом водорода в пределах точности из- мерений. Эти вещества обогащены дейтерием на ~30 ‰ по сравнению с местной питьевой водой (δD = 74 ‰). Увеличение δD в человеческой крови, слюне, поте, моче и по сравне- нию с местной питьевой водой должно быть скомпенсировано выделением надлежащего количества протия из человеческого организма. Наиболее вероятным способом может быть выведение протия из организма через секрецию сальных желез, что было подтверж- дено экспериментально на примере ушной серы (табл. 4) [44]. В последнее время стали появляться работы, в которых изотопы 13С и D рассмат- риваются как потенциальный инструмент для борьбы с разрушительным действием окси- дантов в организме человека [45, 46]. Именно с действием свободных радикалов кислоро- да, являющихся побочными продуктами некоторых биохимических реакций, связывают разрушительные процессы в организме, приводящие к его старению. СОБОТОВИЧ Э.В., ЛЫСЕНКО О.Б., ДЕМИХОВ Ю.Н., СКУЛЬСКИЙ Н.А. ГЕОХИМИЯ СТАБИЛЬНЫХ ИЗОТОПОВ 59 Свободные радикалы кислорода, будучи аг- рессивными акцепторами электронов, разрушают хрупкие цепочки ДНК и других белков преимуще- ственно по связям С−С и С−Н, отнимая у одного из атомов электроны. Замена в цепочке макромо- лекулы Н и 12С на D и 13С, по утверждению авто- ров, должна существенно увеличить энергию свя- зей (в случае замены Н на D – в 80 раз), что будет способствовать меньшей уязвимости макромоле- кул при действии свободных радикалов кислорода. Селективная замена Н и 12С на D и 13С в самых хрупких для действия оксидантов звеньях значи- тельно увеличивает прочность макромолекулы в целом [46]. Однако вопрос об изменениях энерге- тического и конформационного межмолекулярно- го взаимодействия (вследствие нарушения трехмерных структур макромолекул), а также электромагнитных свойств макромолекулы при замене Н и 12С на D и 13С авторы не затра- гивают. Внутримолекулярное фракционирование изотопов азота и кислорода Интересные данные по фракционированию изотопов азота были получены C. Metges и K. Petzke [47]. Они определили δ15N тринадцати свободных аминокислот в плазме крови человека (рис. 6). Рис. 6. Изотопный состав некоторых аминокислот выделенных из α-кератина Фенилаланин и треонин были наиболее истощены 15N. Также были обнаружены не- большие вариации δ15N (от 10 до 15 ‰) в аланине, лейцине, пролине и орнитине. В мета- болическом отношении фенилаланин и тирозин отличаются по δ15N на ~ 15 ‰. Позже K. Petzke с соавторами [48] измерили δ15N и δ13C для четырнадцати аминоки- слот человеческого волоса (рис.6). Разница между нижним и верхним значениями отдель- ных аминокислот по δ13C была ~30 ‰ (лейцин и глицин), а по δ15N – ~25 ‰ (треонин и пролин). Из данных, приведенных на рисунке 6, следует, что наиболее минимальные зна- чения δ13C имеют так называемые незаменимые аминокислоты (гистидин-валин). Как из- вестно, эти аминокислоты не синтезируются в организме эукариот. Таблица 4. Изотопный состав водо- рода жидкостей и тканей человека № п/п Образец δD, ‰ 1 Водопроводная вода —74 2 Влага выдоха человека —83 3 Слюна человека (вода) —49 4 Кровь человека (вода) —48 5 Пот человека (вода) —45 6 Урина человека —44,5 7 Волосы человека —78 8 Ногти человека —82 9 Мясо свиньи —79 10 Ушная сера человека —161 ЗБІРНИК НАУКОВИХ ПРАЦЬ ІНСТИТУТУ ГЕОХІМІЇ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА, 2013, ВИП. 22 60 Их изотопный состав (по углероду) остается неизменным, поскольку углеродная це- почка не изменяется в процессе биохимических превращений. Изотопные изменения в та- ких аминокислотах могут претерпевать атомы водорода и азота. В случае водорода это связано с тем, что энергия связи С–Н низкая, поэтому возможен изотопный обмен с «окружающей средой». В случае азота – с тем, что некоторая часть незаменимых амино- кислот, в зависимости от биосинтетических потребностей организма, может переамини- роваться в результате чего получаются другие аминокислоты. Для заменяемых и частично заменимых аминокислот наблюдается совсем иная зави- симость. Такие аминокислоты, как аланин и аспарагиновая кислота существенно обогащены 13С по отношению к аминокислотам, которые синтезируются из метаболитов цикла Кребса, и имеют очень близкие значения δ13C. Это связано, по нашему мнению, с тем, что именно эти две аминокислоты синтезируются непосредственно из пируватного фонда (рис. 7). Рис. 7. Пути синтеза некоторых из заменимых аминокислот в организме человека Такая аминокислота как тирозин непосредственно в организме не синтезируется. Она образуются в организме при ферментативном катализе фенилаланина или поступает в ор- ганизм с пищей. Как показано на рисунке 7, аминокислоты серин и пролин не синтези- руются непосредственно из пировиноградной кислоты. Наиболее обогащенная 13С амино- кислота глицин, может синтезироваться в организме двумя путями: либо с помощью фер- ментативного катализа с серин, или непосредственным синтезом из углекислого газа и аммиака. Поскольку серин является одной из наиболее обедненных по 13С аминокислотой, то вероятно, что больший вклад в синтез глицина вносит реакция его образования из угле- кислого газа и аммиака. Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что фракционирование изотопов углерода в организме человека (и не только) является неотъемлемой составляющей мета- болических процессов, т.н. «изотопный метаболизм». Изотопный метаболизм – межмолекулярное фракционирования изотопов на отдель- ных стадиях биохимических реакций (расщепление, синтез, и взаимопревращение слож- ных соединений), вызванное различиями в фундаментальных свойствах атомных ядер изотопов – массовым числом и магнитным моментом. Это понятие было введено автора- ми в 2000 г. для объяснения процессов фракционирования изотопов при изменении функ- ционального состояния организма. По отклонениям в изотопных соотношениях можно СОБОТОВИЧ Э.В., ЛЫСЕНКО О.Б., ДЕМИХОВ Ю.Н., СКУЛЬСКИЙ Н.А. ГЕОХИМИЯ СТАБИЛЬНЫХ ИЗОТОПОВ 61 судить о состоянии метаболических процессов, что является эффективным инструмента- рием диагностики функционального состояния организма. B. Fuller с соавторами [49] показали, что кроме диеты на значения δ15N влияет уро- вень азотного баланса организма. В ходе исследований у восьми беременных женщин, на- ходившихся в состоянии стресса, вызванного тошнотой и рвотой по утрам, были взяты образцы волос и проверены на δ13C и δ15N. Содержание δ13C в период утреннего недомо- гания или беременности не изменилось по сравнению с периодом до беременности. В то же время, значения δ15N увеличились во время периода потери массы тела, связанной с утренним недомоганием. По мере увеличения массы тела, выздоровления после перене- сенного стресса и приближения срока наступления родов отмечена тенденция к уменьше- нию содержания δ15N в волосах. Эти данные свидетельствуют о том, что ткани человека находятся под влиянием отклонения в гомеостазе азота: катаболическое состояние приво- дит к увеличению содержания δ15N, тогда как анаболическое – к его снижению. Что касается биологического фракционирования изотопов кислорода, то в большинстве имеющихся на сегодняшний момент сведений, говорится о влиянии на δ18O тканей человека прямого и/или косвенного изотопного соотношения кислорода потребляемой воды [29]. Таким образом, в результате тщательного обзора вышедшей на сегодня научной ли- тературы по этой проблеме и собственных исследований создается банк данных изотоп- ных соотношений С, H, N и др. легких элементов в организме человека в зависимости от его здоровья и возраста. Мы полагаем, что изменение соотношений свойственных (внут- ренних) стабильных изотопов в организме человека в зависимости от патологических из- менений, вызванных нарушениями метаболизма, могут стать потенциальной основой для создания и разработки критериев ранней диагностики. Авторы также считают, что для раз- работки точных методов диагностики необходимо анализировать изотопный состав репрезе- нтативного набора комплекса жизненно необходимых элементов, приведенных в таблице 1. К настоящему времени имеется довольно обширное количество работ о внутримоле- кулярном фракционировании жизненно необходимых микроэлементов, (среди них и наши разработки по внутримолекулярному фракционированию Fe и Mg в организме человека). В них показано, что организм селективно избирает определенные изотопы микроэлемен- тов для биосинтетических нужд; причем критерием отбора является не масса, а наличие магнитного момента у ядра атома [11]. Вариации изотопов некоторых биогенных элементов в биосистемах живих организмов Поодиночные данные о фракционировании изотопов некоторых биогенных элемен- тов стали появляться еще в первой половине XX века. Однако эти исследования и получа- емые данные скорее выявляли фракционирование изотопов в живых организмах как фе- номен, без объяснения и понимания возможных причин этого фракционирования. Первые работы, в которых была предложена стройная теория фракционирования изотопов угле- рода для прокариот и эукариот, появились намного позже (конец 70-х – начало 80-х гг. XX века). До недавнего времени механизмы фракционирование изотопов были достоверно описаны только для изотопов углерода. А.Л. Бучаченко с соавторами [7] впервые дали описание возможного механизма фра- кционирования изотопов Mg в организме млекопитающих. Ими было показано, что в про- цессе ферментативной реакции образования аденозинтрифосфата из креатинфосфата и аденозиндифосфата, скорость реакции фосфорилирования увеличивается вдвое в присутс- твии иона 25Mg2+. Для изотопных форм 24Mg и 26Mg нет никаких различий в скоростях ре- акции. Такое поведение 25Mg было объяснено его магнитными свойствами. Подобные эф- фекты были получены J.R. Black [50] при исследовании изотопного состава магния в хло- рофилле-а при фотосинтезе. Проведенные нами экспериментальные работы по исследованию изотопного состава магния в человеческом организме в 2009 г. показали, что у больных с явно выраженной пато- ЗБІРНИК НАУКОВИХ ПРАЦЬ ІНСТИТУТУ ГЕОХІМІЇ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА, 2013, ВИП. 22 62 логией происходит обогащение крови 25Mg. Диапазон вариаций соотношений 24Mg/25Mg для обследуемых с заболеваниями кровеносной и кроветворной системы составлял 7,36—7,50, в то время как у здоровых обследуемых этот интервал находился в диапазоне 7,56—7,76. Walczyk и фон Blanckenburg в своих работах в 2002—2005 годах [51, 52] показали, что изотопный состав кишечника человека преимущественно содержит легкий изотоп же- леза. Они обнаружили, что человеческая кровь и мышечные ткани имеют схожий изотоп- ный состав по железу (средний δ56 Fe являются 2,74 ‰ и 2,58 ‰, соответственно); волосы обогащены 54Fe(δ56Fe = 3,8 ‰), а печень обогащается 56Fe (в среднем составляет 1,37 ‰ δ56Fe). Среднее содержание δ57Fe крови человека оценивается в 3,8 ‰. T. Ohnо с соавто- рами [53] определил содержание δ56Fe и δ57Fe в эритроцитах человека, как около 3 ‰ и 4,5 ‰ соответственно. Тенденция к обогащению крови человека 54Fe и истощение в 56Fe и 57Fe была поддержана и другими наблюдениями. Марешаль с соавторами в 1999 г. [54] впервые оценили фракционирование меди в крови человека; содержание δ65Cu = 0,30 ‰. Существует также доказательство в пользу фракционирования изотопов цинка в организме человека. Те же авторы сообщили, что со- держание δ66Zn в цельной человеческой крови, равно 0,41 ‰. Стенберг и др. [55] провели измерения содержания δ66Zn для человеческого волоса и цельной крови (0,60 ‰ и 0,56 ‰ соответственно). Позже (2005 г.) T. Ohnо с соавторами оценивают содержание δ66Zn и δ68Zn для человеческого волоса, как 0,16 ‰ и 0,31 ‰, соответственно, в то время как со- держание δ66Zn и δ68Zn эритроцитов крови человека составляет 0,43 ‰ и 0,83 ‰, соответ- ственно. Сезонных колебаний этих значений обнаружено не было. Существует относительно мало доказательств наличия гендерных различий в про- цессах фракционирования стабильных изотопов. Данные Walczyk и von Blanckenburg [56] показывают, что содержание δ56Fe и δ57Fe в крови мужчин ниже на ~0,3 ‰, чем у женщин. Наиболее полные данные, касающиеся вариаций изотопов биогенных элементов в биосистемах в живых организмах, отражены в вышедшей в 2010 году монографии «Man and Geosphere» под редакцией доктора технических наук И.В. Флоринского [57]. По сравнению с исследованиями изотопных вариаций в растениях и животных, про- цессы изотопного фракционирования в организме человека еще малопонятны. Однако уже сейчас можно утверждать, что естественные внутренние изотопные соотношения некото- рых биогенных элементов могут нести дополнительную информацию о состоянии мета- болических процессов в организме человека (как в норме, так и при наличии нарушений). Особенности поведения изотопов разной четности в биологических системах Большинство химических элементов, как правило, представляют собой смесь изото- пов, подобие химических свойств которых обуславливает строение электронной оболоч- ки. Изотопы – это разновидности атомов одного и того же химического элемента, ядра ко- торых содержат одинаковое количество протонов и различное количество нейтронов. Следовательно, возможны следующие вариации соотношений протонов и нейтронов в яд- ре: нечетно-нечетное (77N и др.), нечетно-четное (8 7N и др.), четно-нечетным (7 6С, 9 8О и др.) и четно-четное (6 6С, 88О, и др.). Различия в фундаментальных свойствах ядер изотопов может формировать особен- ности поведения изотопов разной четности в химических и, особенно, в биохимических реакциях. При изучении поведения стабильных и радиоактивных изотопов углерода и водорода, нами были найдены несоответствия в их поведении. Обнаружено отклонение от масс-зави- симого линейного изотопного эффекта, суть которого заключается в пропорциональном из- менении поведения всех изотопов одного и того же химического элемента закономерно из- менению масс изотопов. Такие особенности в поведении радиоактивных изотопов весьма интересны ввиду актуальности проблем, связанных с ежегодно увеличивающимся количе- ством тритиевых и радиоуглеродных выбросов в окружающую среду, главным образом за счет антропогенных факторов (АЭС, заводы по переработки ядерного топлива и т.д.). СОБОТОВИЧ Э.В., ЛЫСЕНКО О.Б., ДЕМИХОВ Ю.Н., СКУЛЬСКИЙ Н.А. ГЕОХИМИЯ СТАБИЛЬНЫХ ИЗОТОПОВ 63 Несмотря на довольно большое количество работ, касающихся радиобиологического действия трития и радиоуглерода на живые организмы, остаются во многом неясными при- чины (механизмы) их накопления в молекулярных структурах. Различие в поведении может быть вызвано различием физических фундаментальных свойств четных и нечетных ядер изотопов (четные – масса ядра, нечетные – масса и спин). Вследствие этого, вероятность химических реакций оказывается зависимой от наличия ядерного спина и величины его взаимодействия с электронным спином – так называемого сверхтонкого взаимодействия, что может сказаться на скорости реакции для изотопных молекул, на энергетическом состоянии и на ядерном магнетизме системы. Второй возмо- жной причиной различия в поведении стабильных и радиоактивных изотопов может быть различие в концентрациях упомянутых изотопов, т.е. воздействие сверхнизких концент- раций химических агентов на биосистемы. В Институте геохимии окружающей среды НАН Украины длительное время прово- дятся исследования изотопного состава триад водорода и углерода в биосистемах (расти- тельность, млекопитающие, в том числе человек). При систематизации полученных резуль- татов выявились противоречивые особенности поведения стабильных и радиоактивных ком- понентов этих триад. Первым из настороживших нас фактов был тот, что в ряде работ бы- ло зафиксировано накопление в трофических цепях как трития, так и 14С [58]. Эти факты никак не согласовывались с поведением стабильных изотопов в трофических цепочках. Дей- ствительно никем не было обнаружено накопления дейтерия или 13С в пищевых цепочках. Литературных данных о различном поведении изотопов Н и С в их триадах (Н–D–Т и 12С–13С–14С) в биосистемах, и, тем более научного объяснения этого различия, нами не бы- ло найдено. Большинство исследований ограничиваются изучением либо стабильных, либо радиоактивных составляющих без сопоставления особенностей их поведения. Прежде всего, наши исследования касаются изучения поведения естественных кон- центраций изотопов в биологических системах. В тоже время в практике медицинских и био- логических исследований широко применяется метод меченых атомов, в котором используют как стабильные, так и радиоактивные изотопы. Данный метод позволяет проследить меха- низмы последовательных биохимических процессов в организме путем наблюдения за судь- бой меченого изотопа в продуктах метаболизма, биологических жидкостях и тканях. Однако введение меченых атомов без четкого понимания особенностей их поведения в биоло- гических системах может привести к неправильной интерпретации получаемых результатов. Ранее было показано, что изотопный сдвиг δD в тканях, биологических жидкостях и продуктах метаболизма человека близок к равновесию с внешней средой и отсутствует кон- центрирование D в трофических цепочках [44]. Существует баланс распределения изотопов водорода в организме, утяжеление воды биологических жидкостей компенсируется облег- чением липидов. Исследования поведения трития (Т) обнаруживают противоположную тенденцию к его накоплению в трофических цепях, более того отмечается наибольшее на- копление Т в липидной фракции растений. Для выявления различий в поведении триады изотопов Н–D–Т нами были проведены исследования по измерению их содержания в водопроводной воде, урине и влаге выдыхае- мого воздуха человека (табл. 5). Из табл. 5 видно, что активность потребляемой воды и влаги вдыхаемого воздуха суще- ственно выше, нежели активность продуктов метаболизма человека, что свидетельствует о различном поведении D и Т в организме человека (погрешность измерения составляет: δD – ±4 ‰; δ13С – ±0,5 ‰; активности (А): Т – 5 %, 14С – 0,6 %). По-видимому, тритий, в отличии от дейтерия, концентрируется в молекулярных структурах организма, что и приводит к его накоплению в трофических цепях. Для триады водорода установлены различия в поведении в биосистеме как дейтерия, так и трития. Противоположное поведение компонентов плеяды изотопов водорода в био- логических системах, может быть связано, по нашему мнению, как с различием дипольных ЗБІРНИК НАУКОВИХ ПРАЦЬ ІНСТИТУТУ ГЕОХІМІЇ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА, 2013, ВИП. 22 64 моментов молекул Н2О, HDO и НТО, так и с различными магнитными свойствами ядер изо- топов водорода. В случае углерода было обнаружено ожидаемое уменьшение значений δ13С в ли- пидных фракциях биосистем. Что касается ра- диоуглерода (δ14С), то значение его фракцио- нирования в биосистемах должно было бы достигать больших величин (по сравнению с δ13С), следуя масс-зависимому изотопному эффекту, чем получено на практике. Однако литературные данные свидетельствуют о на- личии концентрирования 14С, как и в случае с Т, в трофических цепочках растений, живот- ных и человека по отношению к его содержанию в приземном воздухе. В растениях (зеле- ная трава пшеница) содержание 14С превышает, более чем в два раза, содержание его в при- земном воздухе, при отсутствии какого-либо концентрирования 13С в трофических цепочках. Однако есть литературные данные, которые свидетельствуют о том, что происходит концентрирование 14С в трофических цепочках растений, животного и человека по отноше- нию к его содержанию в приземном воздухе. Отмечены данные, в которых содержание 14С в растениях (зеленая трава, пшеница) превышают содержание 14С в приземном воздухе в два раза. Наши данные по изотопному составу δ13С показывают отсутствие, какого либо концентрирования 13С в трофических цепочках. Как видно из данных таблицы 6, происходит снижение концентрации 13С в изучаемых объектах, по сравнению с атмосферным воздухом (—7 ‰). Факт накопления 14С в пищевых цепочках, скорее всего указывает на разное поведение 13С и 14С. Установленные различия в поведении стабильных и радиоактивных изотопов, пред- положительно связаны либо с четностью ядер, либо со сверхнизкой концентрацией радио- активных изотопов, что обуславливают необхо- димость более строгого подхода к моделирова- нию процессов фрак- ционирования изотопов различной четности од- ного и того же химиче- ского элемента. Дан- ные, полученные для изотопов одной четности, могут оказаться нерепрезентативными для изотопов другой че- тности. Наши исследования, прежде всего, касаются изучения вариаций естественных кон- центраций внутримолекулярных изотопов в биологических жидкостях, тканях и про- дуктах. Изотопные изменения могут служить потенциальным источником информации относительно происходящих в организме человека метаболических процессов как в нор- мальном, так и в патологическом состояниях. В практике медицинских и биологических исследований широко применяется метод изотопных индикаторов (меченых атомов), в котором используются как стабильные, так и радиоактивные изотопы. Данный метод по- зволяет проследить механизмы последовательных биохимических превращений в органи- зме путем наблюдения за поведением меченого атома в продуктах метаболизма, биологи- ческих жидкостях и тканях. Однако введение меченых атомов того или иного химическо- го элемента, несовпадающего по четности с аналогичными атомами в организме, без чет- Таблица 5. Содержание изотопов водорода в изучаемых объектах Проба δD, ‰ Активность Т, Бк×дм—3 Водопроводная вода —74 14,5 Влага воздуха —79 12,7 Влага выдоха —121 8,5 Урина —58 10,8 Таблица 6. Содержание изотопов углерода в изучаемых объектах Проба δ13С,‰ А 14C, Бк×г—1 Мясо —22,9 0,239 Шкура —21,5 0,239 Шерсть —22,5 0,238 Сало —26,0 0,241 Белок яйца (рацион смешанный) —19,6 0,236 Желток (рацион смешанный) —22,4 0,241 Скорлупа яйца (рацион смешанный) —3,9 0,246 Белок яйца (рацион: С4 растения, кукуруза) —14,1 0,242 Желток (рацион: С4 растения, кукуруза) —17,2 0,241 Скорлупа (рацион: С4 растения, кукуруза) +0,5 0,247 СОБОТОВИЧ Э.В., ЛЫСЕНКО О.Б., ДЕМИХОВ Ю.Н., СКУЛЬСКИЙ Н.А. ГЕОХИМИЯ СТАБИЛЬНЫХ ИЗОТОПОВ 65 кого понимания особенностей их поведения в тех или иных биосистемах может привести к неправильной интерпретации получаемых результатов и соответственно к ошибочной диагностике. Уже 40 лет как известно о существовании спина ядра и его магнитного момента, и 30 лет о ядерно-спиновых эффектах в химических реакциях (для радикальных, или ион-ради- кальных). Такие эффекты изучали преимущественно при помощи внешнего источника ма- гнитного поля высокой напряженности. Магнитное поле стимулирует спиновую конвер- сию из синглетного состояния в триплетное, энергетическое состояние, в котором запре- щен обратный перенос электрона. В результате оно влияет на скорость химических пре- образований и на их исход. Подобного же эффекта можно достичь и без внешнего магни- тного поля, но с магнитными ядрами атомов, которые в этом случае сами являются источ- никами магнитного поля. В ходе реакции происходит сортировка на магнитные и немаг- нитные ядра, в результате чего осуществляется фракционирование изотопов между исхо- дными реагентами и продуктами реакции. Существование магнитного изотопного эффек- та уже было доказано для изотопов таких элементов как H, C, O, Mg, Si, S, Ge, Sn, Hg. Ма- гнитный изотопный эффект для всех вышеприведенных элементов был показан в лабора- торных условиях. Достоверного подтверждения его влияния на наблюдаемые вариации изотопов в косных природных объектах нет. Несмотря на проведение многих тысяч анализов изотопных эффектов, наиболее изу- ченных углерода и кислорода, в различных природных объектах, существуют трудности разделения кинетического и магнитного эффектов. Они заключается в том, что в обмен- ном резервуаре – биосфере, кинетическое отставание 13С компенсируется его способнос- тью вступать в химические реакции за счет магнитных свойств. Более того, поведение 13С подвержено влиянию магнитного поля Земли. Да и сама Земля представляет собой некий соленоид, который должен сортировать изотопы. Да и сами магнитные полюса меняют свое местоположение, вплоть до «переполюсовки». Не исключена возможность того, что наблюдаемый широкий диапазон δ13С в биогенных карбонатах можно попытаться объяс- нить путем включения в рассмотрение, помимо кинетического, также и магнитного меха- низма образования этих объектов. Может быть удастся приблизиться к решению этого во- проса, если более внимательно изучить такие триады изотопов, как H–D–T, 12C–13C–14C, 16О–17О–18О, 24Mg–25Mg–26Mg. Выводы Для успешного использования изотопов в хозяйственной деятельности человека все- гда важно иметь правильное представление как об их природных свойствах, так и о разли- чии в свойствах соединений различного изотопного состава. Это тем более существенно при исследовании сложных биологических систем. Все живые организмы от бактерий до человека и их биохимические системы харак- теризуются как минимум двумя стабильными изотопными параметрами: – Определенным изотопным составом, который можно назвать «изотопной картой» организма, биосистемы и т.д. Причем этот параметр, как и элементный состав организма, четко привязан к окружающей среде и является взаимосвязанным и взаимовлияющим. – Наличие четких взаимоотношений между стабильными и естественными радиоак- тивными изотопами тех биогенных элементов, которые участвуют в жизнедеятельности живых организмов. Стабильные и естественные радиоактивные изотопы играют основополагающую роль как в физических и химических свойствах самого элемента, так и во всех природных процессах в целом. В настоящее время понятие об изотопах как атомах того или иного химического эле- мента, ядра которых различаются массовыми числами, дополнилось еще и различиями в их квантовых характеристиках. Соответственно классические кинетические изотопные эффекты, связанные с массой ядер, дополнились эффектами, которые основаны на разли- ЗБІРНИК НАУКОВИХ ПРАЦЬ ІНСТИТУТУ ГЕОХІМІЇ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА, 2013, ВИП. 22 66 чии их магнитных моментов. Именно с этими двумя принципиально различающимися свойствами атомов одних и тех же химических элементов связаны все процессы изотоп- ного фракционирования, в том числе внутримолекулярного фракционирования изотопов в живых организмах. Различия в фундаментальных свойствах ядер изотопов может влиять как на скорость химических реакций, так и на энергетическое состояние и ядерный магне- тизм реагирующих систем. Эти положения являются дальнейшим развитием идеи В.И. Вернадского о том, что существует разделение изотопов, связанное с явлениями, в которых химическое сродство не погашает проявления физических сил. Экспериментальные исследования, проводимые в Институте геохимии окружающей среды НАН Украины с 2007 г. по настоящее время, способствовали развитию в институте нового направления исследований – ядерной химии, основанной как на изучении фунда- ментальных свойств ядер изотопов разной четности, так и на особенностях их поведения в живых и неживых системах природы. Это направление становится актуальным для реше- ния проблем ядерно-топливного комплекса в связи с ежегодным увеличением тритиевых и радиоуглеродных выбросов, главным образом за счет антропогенных факторов. Для ме- дико-биологических проблем подобные исследования могут дать новые знания о меха- низмах метаболических преобразований, которые протекают в живых организмах. В обла- сти радиологии внутримолекулярные природные изотопные соотношения органогенных и некоторых биогенных элементов могут служить источниками информации о физиологи- ческом состоянии организма, что может быть использовано в диагностических целях. Современный уровень развития биологических наук и наук о Земле, о живом вещес- тве сформировал единый мощный комплекс наук о различных проявлениях жизни и ее многообразии. Трансформация идей В.И. Вернадского, который в начале ХХ века, зало- жил основы их взаимозависимости, создают платформу для новых идей, понятий и новых направлений наук в настоящем и будущем. 1. Вернадский В.И. Несколько слов о ноосфере // Успехи современной биологии. – 1944. – № 18, вып. 2. – С. 113—120. 2. Вернадский В.И. Очерки геохимии. Очерк первый: Из прошлого геохимии // // Вибрані наукові праці академіка В.І. Вернадського. – Т. 7: Праці з геохімії та радіогеології. – Кн. 1 / За ред. Е.В. Соботовича, В.В. Доліна, Г.М. Бондаренка, Р.Я. Белєвцева. – Київ, 2012. – С. 237—267. 3. Бгатов А.В. Биогенная классификация химических элементов // Философия науки. – 1999. – № 2. – Электронный ресурс: www.philosophy.nsc.ru/journals/ philscience/6_99/08_bgatov.htm 4. Ленинджер А.Л. Биохимия. – М.: Мир, 1976. – 957 с.; Мецлер Д. Биохимия. Т. 1. – М.: Мир, 1980. – 407 с. 5. Эмсли Дж. Элементы. – М.: Мир, 1993. – 256 с. 6. Stone N.J. Table of nuclear magnetic dipole and electric quadrupole moments // Atomic Data and Nuclear Data Tables. – 2005. – V. 90. – P. 75—176. 7. Бучаченко А.Л. Новая изотопия в химии и биохимии. – М.: Наука, 2007. – 189 с. 8. Рогинский С.З., Шноль С.Э. Изотопы в биохимии. – М.: Изд-во АН СССР, 1963. – 379 с. 9. Скульский Н.А., Лысенко О.Б., Демихов Ю.Н., Соботович Э.В. Различия в поведении стабильных и радиоактивных изотопов водорода и углерода в биосистемах // Тез. докл. XIX симпоз. по геохимии изотопов им. акад. Виноградова, 16—18 ноября 2010 г. – М: Акварель, 2010. – С. 359—360. 10. Schidlowski M., Hayes J.M., Kaplan I.R. Isotopic inferences of ancient biochemistries: carbon, sulfur, hydrogen and nitrogen // Earth's earliest biosphere: its origin and evolution. – Princeton, New Jersey: Prince- ton University Press, 1983. – P. 149—186. 11. Brenna J.T. Natural intramolecular isotope measurements in physiology: elements of the case for an effort to- ward high-precision position-specific isotope analysis // Rapid Communicat. in Mass Spectrometry. – 2001. – 15. – P. 1252—1262. 12. Вернадский В.И. О влиянии живых организмов на изотопические смеси химических элементов // До- клады АНСССР. – 1931. – №6. – С. 141—147. 13. Degens E.T., Behreng M., Gotthardt В., Reppmann B. Metabolic fractionation of carbon isotopes in marine plankton. – II. Data on samples collected of the coast of Peru and Ecuador. – Deep-Sea Res., 1968. – 15. – P. 11—20. СОБОТОВИЧ Э.В., ЛЫСЕНКО О.Б., ДЕМИХОВ Ю.Н., СКУЛЬСКИЙ Н.А. ГЕОХИМИЯ СТАБИЛЬНЫХ ИЗОТОПОВ 67 14. Соботович Э.В., Лысенко O.Б. Изотопный сдвиг элементов в биологических процессах // Доп. НАН України. – 2001. – № 4. – С. 114—119. 15. Соботович Э.В., Лысенко O.Б. Изотопный сдвиг элементов в тканях растений как возможный индика- тор биологической активности организма и фитопатологий // Збірник наук. праць ДНЦ РНС НАН та МНС України. – 2000. – Вип. 1. – С. 164—179. 16. Соботович Э.В., Лысенко O.Б., Шатило В.Б. Изотопный сдвиг углерода в крови человека как возмож- ный индикатор его функциональной активности // Радиация и Чернобыль: ближайшие и отдаленные последствия / Под ред. Е.Ф. Конопли. – Гомель: Ин-т радиологии, 2007. – С. 130—135. 17. Abelson P.H, Hoering T.C. Carbon isotope fractionation in formation of amino acids by photosynthetic or- ganisms. – Proc. Nat.Acad. Sci. USA, 1961. – 47, №5. – P. 623—632. 18. De Niro M.J., Epstein S. Influence of diet on the distribution of carbon isotopes in animals // Geochim. et Cosmochim. Acta. – 1978. – 42. – P. 495—506. 19. Ивлев А.А. Связь изотопного состава углерода волос человека с его функциональным состоянием // Биофизика. – 1992. – 37, вып. 6. – С. 1086—1089. 20. Ивлев А.А., Гончаров Н.П. Изотопный состав углерода плазмы крови у пациентов с заболеваниями эн- докринной системы // Пробл. эндокринол. – 1993. – Вып. 39. – С. 36—40. 21. Ивлев А.А., Князев Ю.А., Логачев М.Ф. Короткопериодические колебания изотопного состава углерода СО2 выдыхаемого воздуха в различных функциональных состояниях человека // Биофизика. – 1996. – 41, вып. 2. – С. 508—516. 22. Ивлев А.А., Князев Ю.А., Логачев М.Ф. Среднесуточные значения изотопного состава углерода СО2 вы- дыхаемого воздуха и мочевины мочи у человека в норме и при некоторых эндокринных патологиях // Биофизика, 1996. – 41, вып. 2. – С. 502—507. 23. De Niro M.J., Epstein S. Mechanism of carbon isotope fractionation associated with lipid synthesis // Science. – 1977. – 197. – P. 261—263. 24. Lyon T.D.B., Baxter M.S. Stable carbon isotopes in human tissues // Nature. – 1978. – 273. – P. 750—751. 25. Fraser I., Meier-Augenstein W. and Kalin R.M. The role of stable isotopes in human identification: a longitu- dinal study into the variability of isotopic signals in human hair and nails. – Rapid Communications in Mass Spectrometry. – 2010. – 20. – P. 1109—1116. 26. O’Connell, T.C., Hedges R.E.M., Healey M.A. and Simpson A.H.R.W. Isotopic comparison of hair, nail and bone: modern analyses. – Journal of Archaeological Science. – 2001. – 28. – P. 1247—1255. 27. Ivlev A.A. Carbon isotope effects (13C/12C) in biological systems // Separat. Sci. Technol. – 2001. – 36. – P. 1819—1914. 28. Turro N.J., Chow M.-F., Chung C.-J., Tung C.-H. Magnetic field and magnetic isotope effects on photoin- duced emulsion polymerization // J. Am. Chem. Soc. – 1983. – 105. – P. 1572—1577. 29. Ehleringer J.R., Bowen G.J., Chesson L.A. et al. Hydrogen and oxygen isotope ratios in human hair are re- lated to geography // Proc. Natl Acad. Sci. USA. – 2008. – 105. – P. 2788—2793. 30. Волькенштейн М.В. Структура и физические свойства молекул. – М.: Изд-во АН СССР, 1955. – 639 c. 31. Привалов П.Л. К проблеме о роли воды в биологических системах // Биофизика. – 1958. – 3. – С. 738— 743. 32. Lewis G.N. The biology of heavy water // Science. – 1934. – 79. – P. 151—153. 33. Urey H.C. The separation and properties of the isotopes of hydrogen // Science. – 1933. – 78. – P. 556—571. 34. Katz J.J. The biology of heavy water. What happens to experimental organisms that have been raised on wa- ter in which the hydrogen is not the common isotope of mass one but the heavy isotope of mass two? // Sci. Amer. – 1960. – 203. – P. 106—116. 35. Katz J.J., Crespi H.L. Deuterated organisms: cultivation and uses // Science. – 1966. – 151. – P. 1187—1194. 36. Barbour H.G., Allen E. Tumor growth in mice one-fifth saturated with deuterium oxide // Am. J. Cancer. – 1938. – 32. – P. 440—446. 37. Finkel A.J., Czajke D.M. The effect of deuterium oxide on ascites tumor growth in mice // Deuterium isotope effects in chemistry and biology / Ed. F. N. Furness. – New York: New York Acad. Sci., 1960. – P. 755— 762. 38. Hughes A.M., Tolbert B.M., Lonberg-Holm K., Calvin M. The effect of deuterium oxide on survival of mice with ascites tumor // Bioch. Bioph. Acta. – 1958. – 28. – P. 58—61. 39. Hartmann J., Bader Y., Horvath Z. et al. Effects of heavy water (D2O) on human pancreatic tumor cells // Anticancer Res. – 2005. – 25. – P. 3407—3411. 40. Krempels K., Somlyai I., Somlyai G. A retrospective evaluation of the effects of deuterium depleted water consumption on 4 patients with brain metastases from lung cancer // Integrat. Cancer Therap. – 2008. – 7. – P. 172—181. 41. Borek E., Rittenberg D. Anomalous growth of microorganisms produced by changes in isotopes in their envi- ronment // Proc. Natl Acad. Sci. USA. – 1960. – 46. – P. 777—782. 42. Douzou P., Franco J.C., Polonsky J., Sadron C. Sur les propriétés électriques du sel de sodium de l’acide ЗБІРНИК НАУКОВИХ ПРАЦЬ ІНСТИТУТУ ГЕОХІМІЇ НАВКОЛИШНЬОГО СЕРЕДОВИЩА, 2013, ВИП. 22 68 désoxyribonucléique // C. R. Hebd Seances Acad. Sci. – 1960. – 251. – P. 976—978. 43. Polonsky J., Douzou P., Sadron C. Mise en évidence de propriétés ferroélectriques dans 1’acide desoxyribo- nucleique (DNA) // C. R. Hebd Seances Acad. Sci. – 1960. – 250. – P. 3414—3416. 44. Демихов Ю.Н. Распределение изотопов водорода в организме человека // Доп. НАН України. – 2005. – №11. – С. 165—169. 45. Demidov V.V. Heavy isotopes to avert ageing? // Trends in Biotechnol. – 2007. – 25, № 9. – P. 371—375. 46. Shchepinov M.S. Reactive oxygen species, isotope effect, essential nutrients, and enhanced longevity // Reju- venat. Res. – 2007. – 10. – P. 47—60. 47. Metges C.C., Petzke K.J. Measurement of 15N/14N isotopic composition in individual plasma free amino acids of human adults at natural abundance by gas chromatography–combustion isotope ratio mass spectrometry // Analyt. Biochem. – 1997. – 247. – P. 158—164. 48. Petzke K.J., Boeing H., Klaus S., Metges C.C. Carbon and nitrogen stable isotopic composition of hair protein and amino acids can be used as biomarkers for animal-derived dietary protein intake in humans // J. Nutrit. – 2005. – 135. – P. 1515—1520. 49. Fuller B.T., Fuller J.L., Sage N.E. et al. Nitrogen balance and 15N: why you’re not what you eat during nutri- tional stress? // Rapid Communicat. in Mass Spectrometry. – 2005. – 19. – P. 2497—2506. 50. Black J.R., Epstein E., Rains W.D. et al. Magnesium-isotope fractionation during plant growth // Environ- mental Science and Technology. – 2008. – 42. – P. 7831—7836. 51. Walczyk T. and von Blanckenburg F. Natural iron isotope variations in human blood // Science. – 2002. – 295. – P. 2065—2066. 52. Walczyk T. and von Blanckenburg F. Deciphering the iron isotope message of the human body // International Journal of Mass Spectrometry. – 2005. – 242. – P. 117—134. 53. Ohno T., Shinohara A., Kohge I. et al. Isotopic analysis of Fe in human red blood cells by multiple collector- ICP-mass spectrometry // Analytical Sciences. – 2004. – 20. – P. 617—621. 54. Maréchal C.N., Télouk P. and Albarède F. Precise analysis of copper and zinc isotopic compositions by plasma-source mass spectrometry // Chemical Geology. – 1999. – 156. – P. 251—273. 55. Stenberg A., Malinovsky D., Öhlander B. et al. Measurement of iron and zinc isotopes in human whole blood: preliminary application to the study of HFE genotypes // J. Trace Elements in Med. and Biol. – 2005. – 19. – P. 55—60. 56. Walczyk T. and von Blanckenburg F. Natural iron isotope variations in human blood // Science. – 2002. – 295. – P. 2065—2066. 57. Sobotovich E.V., Florinsky I.V., Lysenko O.B., Grodzinsky D.M. Role of isotopes in the biosphere // Florinsky I.V. (Ed.), Man and the Geosphere. – New York: Nova Science Publishers, 2010. – Р. 33—68. 58. Демин С.Н. Проблема углерода-14 в районе ПО «Маяк» // Вопросы радиационной безопасности. – 2000. – №1. – С. 61—66. Соботович Е.В., Лисенко О.Б., Деміхов Ю.М., Скульський М.О. ГЕОХІМІЯ СТАБІЛЬНИХ ІЗОТОПІВ ДЕЯКИХ БІОГЕННИХ ЕЛЕМЕНТІВ У БІОСФЕРІ Вивчено особливості ізотопного фракціонування H, C, Mg, Fe, Zn в живих організмах, у то- му числі й людини. Встановлено: фазовий ізотопний ефект у системі «повітря, що видихається– кров»; варіації ізотопів основних біогенних хімічних елементів у межах однієї біологічної систе- ми; особливості поведінки парних і непарних стабільних і радіоактивних ізотопів хімічних елеме- нтів. Показано, що ізотопи є перспективним джерелом інформації фізіологічного стану організ- му, що може бути використано в діагностичних цілях. Sobotovich E.V., Lysenko O.B., Demihov U.N., Skulskyi N.A. GEOCHEMISTRY OF STA- BLE ISOTOPES OF SOME BIOGENIC ELEMENTS IS IN BIOSPHERE This study deals with peculiarities of isotopic fractionation of H, C, Mg, Fe, Zn in living organisms, including human. Investigated here are: phase isotope effect in the «exhaled air–blood» system, isotope variations of basic biogenic chemical elements within a biological system, mode of behavior of even and odd stable and radioactive isotopes of chemical elements. It is shown that the isotopes are promising source of information on physiological state of an organism, which can be used for diagnostic purposes.

Геохимия стабильных изотопов некоторых биогенных элементов в биосфере

Репозитарії

Схожі ресурси