На волоске

Мы — это то, что мы едим. И шире — что пьем, чем дышим, где находимся. Природа незаметно записывает за нами каждый ход своими способами — при помощи изотопов. Даже самая продуманная шпионская легенда и стойко выдержанные допросы никого не убедят: один волос способен рассказать о человеке (даже уже умершем!) столько, что хватит на небольшую повесть.

Александр ЛЕОНТЬЕВ

Анна ЩЕРБАКОВА

Когда полиция округа Гвент в Южном Уэльсе в очередной раз не смогла идентифицировать найденное тело, расследование грозило зайти в тупик. Все, что можно было сказать о погибшем, — это то, что он выходец из Азии и у него длинные волосы. Именно эти волосы и стали для следствия нитью Ариадны. На помощь полиции пришли ученые из лаборатории профессора геохимии Вольфрама Мейер-Огенштейна в шотландском Институте имени Джеймса Хаттона. Подвергнув образец волос жертвы масс-спектрометрическому анализу, исследователи выяснили, что неизвестный провел в Уэльсе не более двух месяцев, на берега Туманного Альбиона прибыл из Германии, где прожил полгода, перед этим проведя три месяца на Украине. А за год до смерти еще оставался на своей родине — во Вьетнаме.

В конечном итоге благодаря информации ученых и рутинной полицейской работе удалось не только задержать двух человек, непосредственно причастных к убийству, но и ликвидировать канал нелегальной миграции жителей Юго-Восточной Азии в Великобританию.

ИЗОТОПНОЕ МЕНЮ

Для того чтобы выяснить столь подробно географию последних месяцев жизни погибшего, исследователям потребовалась одна-единственная прядь волос с его головы. 14-сантиметровую прядь разделили на мельчайшие — всего по 5 миллиметров — отрезки и исследовали каждый на предмет содержания в нем двух изотопов водорода — протия (¹H) и дейтерия (²H). Именно эти атомы и позволили ученым отследить перемещения вьетнамца. Дело в том, что по крайней мере 30% всех атомов водорода, идущих на строительство кератина волос, организм получает из питьевой воды — а содержание протия и дейтерия в ней варьируется от региона к региону. Настолько сильно, что по нему можно с большой долей вероятности установить не только страну, но и конкретную местность. Исследуя соотношение двух изотопов в каждом из образцов, сотрудники лаборатории смогли восстановить долгий маршрут вьетнамского иммигранта, а зная, что волосы за месяц вырастают примерно на 1 сантиметр, определили длительность его пребывания в том или ином месте.

Дальнейший путь к разгадке был уже делом техники. С помощью Интерпола и немецких коллег валлийские полицейские выяснили, что убитый попал в Великобританию, воспользовавшись услугами одной из вьетнамских банд, специализирующихся на переправке нелегальных мигрантов в страны Западной Европы. Очутившись в конце концов в Уэльсе, бедолага не смог вернуть долг и был казнен контрабандистами.

Установить подробности биографии человека можно не только по «водородным следам», но и по стабильным изотопам других химических элементов — кислорода (¹⁶O/¹⁷O/¹⁸O), углерода (¹²C/¹³C), азота (¹⁴N/¹⁵N), серы (³²S/³⁴S) или стронция (⁸⁶Sr/⁸⁷Sr). Специалисты в этой области утверждают, что с точки зрения изотопного состава мы — это то, что мы едим и пьем. Другими словами, существует четкая взаимосвязь между относительным содержанием стабильных изотопов в тканях людей и животных и особенностями их питания, которые, в свою очередь, определяются местом проживания. Изотопный состав любого живого организма — это своего рода отпечаток, который накладывает на нас окружающая среда. Образцы, совершенно идентичные по химической композиции, будут разительно отличаться друг от друга по изотопному составу, если происходят из разных мест.

С точки зрения масс-спектрометрического анализа каждый вид изотопов обладает своей «специализацией». Так, по атомам кислорода и углерода в бедренной кости человека можно «прочитать» его меню за последние четверть века. Конечно, то, что однажды десять лет назад тот вкушал лобстеров на берегу океана, вряд ли останется в «изотопной памяти». А вот восстановить основной рацион, узнать, чему человек отдавал предпочтение — мясу, овощам или злакам — и где все это выросло, вполне возможно. Ученые используют то обстоятельство, что для синтеза карбоната кальция и гидроксиапатита — строительного материала для костей — организм использует кислород и углерод, поступающие с едой и питьем. Соотношения изотопов ¹⁶O/¹⁸O и ¹²C/¹³C в воде и продуктах питания меняются от страны к стране и зависят, кроме того, от типа пищи (белковая или растительная). Зная, какое соотношение изотопов соответствует определенному региону, установить диету и место проживания человека теоретически нетрудно.

Как же получается, что у людей, живущих в разных уголках земного шара, в организме оседают атомы с разной массой? От чего это зависит? У каждого элемента — свои механизмы. Например, тон в распределении изотопов кислорода ¹⁶O/¹⁸O по карте Европы задают воздушные массы, формирующиеся над Атлантикой. Достигая берегов Ирландии, облака в первую очередь изливают вместе с потоками дождя «тяжелые» атомы с 18 нейтронами в ядре. А чем дальше дождевой фронт движется к юго-западу, тем больше в осадках начинает преобладать «легкий» кислород. До берегов Испании тучи из Северной Атлантики доносят практически лишь кислород-16. Впрочем, здесь погоду делают и средиземноморские воздушные фронты.

История изотопов стронция, «записанная» в костях и на зубной эмали людей и животных, гораздо более запутанна. Стронций — не что иное, как память о древних скалах, которые образовали почвы во многих регионах Старого Света. Из почвы стабильные изотопы стронция, с 84, 86, 87 или 88 нейтронами (на долю последнего типа приходится 82,5% всех нерадиоактивных изотопов этого металла), попадают в растения — злаки, овощи, кормовые культуры, траву на пастбищах. Хлеб, салаты, мясо — источники изотопов стронция, которые в конце концов оседают на наших зубах. Поэтому зубная эмаль — открытая книга для специалистов масс-спектрометрического анализа.

УЗНАТЬ КОРОЛЕВУ

Анализ зубной эмали на предмет изотопов может помочь не только распутать уголовное дело, но и приоткрыть завесу над тайнами истории. Несколько лет назад в кафедральном соборе немецкого города Магдебурга, в саркофаге, который много лет считался пустым, были обнаружены женские останки, датированные X столетием. Надпись на саркофаге гласила, что в нем с 1510 года покоится королева Эдит Английская — жена императора Оттона I и единокровная сестра первого законного английского короля Этельстана. Впрочем, поручиться, что перед учеными оказалась именно Эдит, было невозможно. В Средние века останки часто перезахоранивались, терялись и вновь находились — поэтому в начале XVI столетия в саркофаг могли положить прах какой-то другой женщины.

Проведенный в Университете Майнца анализ скелета не слишком помог в опознании. Было ясно, что останки принадлежат женщине, скончавшейся в возрасте 30–40 лет (согласно источникам, Эдит умерла в 36), а форма бедренных костей указывала, что она частенько ездила верхом — а значит, могла похвастаться высоким социальным статусом. Впрочем, все это не давало никаких гарантий. Три с половиной десятка лет — обычная продолжительность жизни в раннем Средневековье, а что касается благородного происхождения, то простолюдинку вряд ли стали бы хоронить в соборе.

Чтобы внести ясность, немецкие ученые обратились к англичанам — в Бристольский университет, в лабораторию Алистера Пайка, признанного специалиста в области изотопного анализа. Объектом исследования доктора Пайка стали не только королевские кости. При помощи лазера он взял две тысячи проб зубной эмали вдоль оси роста одного из зубов усопшей — и, изучив содержащиеся в них изотопы кислорода и стронция, восстановил довольно подробную картину отрочества и юности его обладательницы. Выяснилось, что в возрасте до девяти лет знатная леди много раз меняла место жительства, после чего осела где-то неподалеку от Лондона. Детство же она провела в Южной Англии, среди меловых холмов Уэссекса, о чем свидетельствовал анализ костей. Эти сведения точно совпали с данными письменных источников, повествующих об Эдит: будущая королева действительно была родом с юга Британии, в раннем возрасте она много путешествовала, сопровождая своего отца, а в 919 году вместе с матерью поселилась в монастыре в окрестностях современной столицы. Исторический пасьянс сошелся.

ХИМИЧЕСКАЯ КАРТА МИРА

Метод изотопного анализа далеко не нов. До того как встать на вооружение правоохранительных органов, еще несколько десятков лет назад он пришел на помощь геологам, биологам и искусствоведам. Изотопная геохимия позволяет не только устанавливать возраст минералов, но и реконструировать физико-химические условия их образования. Изучение изотопного состава ледяных кернов, взятых из снежных шапок Антарктиды и Гренландии, помогает воссоздать картину климатических изменений за несколько сотен тысяч лет. А музейные эксперты при помощи изотопометрии решают вопрос о подлинности произведений искусства. В изотопном картографировании (в англоязычной литературе — isoscape) нуждаются многие отрасли науки. Первые шаги в таком картографировании были сделаны в конце 1990-х годов, когда Международное агентство по атомной энергетике обнародовало данные об изотопном составе атмосферных осадков, собранные за три десятка лет наблюдений на более чем 800 метеостанциях по всему миру. Спустя несколько лет профессор Габриэль Бовен и его коллеги из американского Университета Пердью положили эти данные в основу глобального проекта IsoMap, в рамках которого были составлены карты изотопных вариаций водорода ²H и кислорода ¹⁸O в пресной воде. Карты Бовена стали стандартом для его последователей во всем мире.

Изотопное картографирование — вещь наглядная и прикладная. Возможно, уже в ближайшем будущем оно поспособствует борьбе с опутавшими весь мир сетями наркотрафика. Профессор Джим Элерингер из Университета Юты показал, что, используя знания об изотопном составе воды в различных регионах мира, можно определить «родину» наркотиков растительного происхождения — ведь и для марихуаны, и для опийного мака, как и для любого другого растения, основным источником атомов водорода и кислорода является дождевая вода.

К сожалению, изотопный «атлас» не дает стопроцентной надежности в деле определения географического происхождения того или иного объекта. Перед интерпретаторами встает немало трудностей. Верно прочесть изотопную летопись невозможно без понимания биохимической «механики» встраивания стабильных изотопов в структуру исследуемых объектов. Например, вычленяя кислород-18 из кератина волос, следует помнить, что он попадает в волосы не только из питьевой воды, но и из вдыхаемого воздуха — причем в одной и той же местности содержание этого изотопа в воде и воздухе может значительно расходиться.

Свои мазки в изотопную картину мира вносят не только обстоятельства естественной истории, но и, например, экономика. Скажем, тот алгоритм, который использовал Мейер-Огенштейн в Европе, оказался бы совершенно бесполезным на Ближнем Востоке. Природа в этом регионе щедра разве что на нефть, а на прочие природные ресурсы, включая питьевую воду, поскупилась. Разгадывание кислородно-водородной головоломки здесь осложняется засильем импортных продуктов питания, привозной воды и широким применением опреснительных установок. Впрочем, потоки импорта тоже могут быть нанесены на изотопные карты.

Масс-спектрометрический анализ, как и все в нашем мире, сегодня движется по пути глобализации — но это только во благо. Объединение усилий ученых разных стран и создание глобальных баз данных и изотопных карт сулят громадные перспективы. Речь не только о сугубо практическом применении, вроде выявления фактов фальсификации лекарств и пищевых продуктов или определения происхождения наркотиков и взрывчатых веществ. Изотопы помогут решать и стратегические задачи. Детальный контроль состояния биологических систем, экологический мониторинг, наблюдения за глобальным изменением климата — вот лишь некоторые из областей, где стоит ожидать значительного прогресса уже в самом ближайшем будущем.