О ЧЕМ РАССКАЖУТ ИЗОТОПЫ

Метод ускорительной масс-cпектрометрии позволяет узнавать возраст археологических находок, устанавливать степень радиоуглеродного загрязнения местности, проводить испытания лекарственных препаратов и даже раскрывать уголовные преступления, а с помощью анализа стабильных изотопов можно проверять качество продуктов питания. Всем этим занимаются в Центре коллективного пользования «Геохронология кайнозоя» Института археологии и этнографии СО РАН.

Однажды в Пензе мужчина копал огород и нашел человеческие кости. Обратился в полицию, по факту обнаружения возбудили уголовное дело. Патологоанатом определил, что костным останкам больше пяти лет. Когда и кем был убит этот человек? Следователь стал искать, что еще можно узнать из анализа останков, и нашел информацию о ЦКП «Геохронология кайнозоя». Привез кости в Новосибирск. Исследователи проверили их с помощью метода ускорительной масс-спектрометрии.

«Если человек жил и был убит в течение нескольких последних десятилетий, мы могли бы установить его примерный возраст по повышенному содержанию радиоуглерода в кости», — рассказывает руководитель ЦКП «Геохронология кайнозоя» кандидат химических наук Екатерина Васильевна Пархомчук. Анализ показал, что костным останкам из Пензы около трех тысяч лет.

 

Радиоуглерод содержится в биосфере и поступает к нам из-за солнечной активности. Солнечное излучение взаимодействует с материей в атмосфере, в результате чего возникают тепловые нейтроны. От их реакции с азотом появляется ¹⁴C, он тут же окисляется кислородом из атмосферы и переходит в углекислый газ — CO₂. Это обогащает все живое радиоуглеродом. Есть два способа выхода радиоуглерода: захоранивание его в океане и почвах в виде осадков после смерти организмов и радиоактивный распад.

Поскольку метод УМС развивается с 1970-х годов, с его помощью уже исследованы самые разнообразные организмы. Он более точный, чем обычная радиометрия, и требует значительно меньшей массы образца.

«Считается, что за последние 50 тысяч лет уровень радиоуглерода был приблизительно одинаковым, и он точно известен. Есть мировая калибровочная кривая за этот срок. Это стартовая точка. Измеряя содержание ¹⁴C в конкретном отмершем организме и сравнивая полученный показатель с нулевой точкой, мы определяем, сколько лет образец уже не обменивался этим изотопом с окружающей средой», — говорит Екатерина Пархомчук.

Было два существенных всплеска содержания радиоуглерода в биосфере, отличного от стандартно единичного уровня, который наблюдался последние 50 тысяч лет. Считается, что первый произошел в 774 году нашей эры. Причина его неизвестна, возможно, это случилось из-за высокой солнечной активности. Следы этого всплеска зафиксированы в биологических объектах тех времен. Второй приходится на середину ХХ века — тогда суммарно было проведено около двух тысяч ядерных испытаний. Из-за них содержание радиоуглерода в биосфере повысилось в два раза. Этот эффект получил название «бомбовый пик». Его следы до сих пор можно обнаружить в некоторых веществах организмов людей, животных и растений, появившихся после 1945 года.

Информация о бомбовом пике также помогает ученым раскрывать загадки прошлого. «К нам обратились, когда сносили психоневрологический диспансер, существовавший в Новосибирске с 1955 года. До него в том же здании располагалась тюрьма НКВД. Там нашли костные фрагменты 15 человек — женщин, мужчин, детей. Нам нужно было определить, принадлежат ли эти кости пациентам диспансера либо узникам тюрьмы. Оказалось, что все они не мечены бомбовым пиком, так что наиболее вероятен второй вариант, либо эти люди были захоронены там еще раньше», — отмечает Екатерина Пархомчук.

 

Постепенно радиоуглеродный фон снижался и сейчас уже почти приблизился к значениям, которые сохранялись до бомбового пика в течение 50 тысяч лет (хотя еще и не достиг их). Но не везде он одинаков. В некоторых местах можно увидеть следы эксплуатации АЭС и наработки изотопной продукции. Проследить за изменениями в радиационной обстановке того или иного пространства можно с помощью УМС-анализа годичных колец произрастающих там деревьев. Такая работа была сделана на Урале, в районе Белоярской АЭС.

«Летом 2020 года мы совместно с коллегой из Института экологии растений и животных УрО РАН провели отбор проб в районе Белоярской АЭС и расположенного неподалеку от нее Института реакторных материалов, где с 1990-х годов ведется наработка изотопа углерода-14. Нам было интересно посмотреть, оказала ли влияние эксплуатация этих двух объектов на концентрацию ¹⁴C в годичных кольцах сосен в районе размещения этих предприятий, — рассказывает младший научный сотрудник Института промышленной экологии УрО РАН Евгений Игоревич Назаров. — За пределами станции мы нашли так называемый критический участок, на котором ожидалось наибольшее радиационное воздействие с учетом всех путей поступления от выбросов предприятий».

На Белоярской АЭС в различное время эксплуатировались четыре реактора. Особенно ученых интересовали последствия отработки технологии РБМК на уран-графитовых реакторах АМБ-100 и 200, на данный момент уже выведенных из эксплуатации. Также было важно посмотреть, оказывает ли влияние на окружающую среду исследовательский водо-водяной реактор, работающий в Институте радиоактивных материалов.

В ЦКП «Геохронология кайнозоя» сделали масс-спектрометрический анализ собранного материала. Полученные данные сравнили с данными проведенного ранее сотрудниками ЦКП анализа древесных колец сосны, произраставшей рядом с Новосибирским государственным университетом. Это сосна 1911 года рождения, и она в точности повторяет общемировую ситуацию по радио-углеродной нагрузке.

Оказалось, что эксплуатация графито-водных реакторов, а также обращение с изотопом ¹⁴C внесли вклад в содержание углерода-14 в годичных кольцах сосен, произрастающих на критическом участке. Однако вклад этот незначителен.

«Даже при самом неблагоприятном варианте, при котором люди проживали бы на этом критическом участке и питались только выращенными там же продуктами, годовая доза облучения составила бы меньше 10 микрозиверт. При этом годовая доза от естественного радиационного фона составляет единицы миллизиверт. Такие значения говорят о том, что текущая эксплуатация объектов использования атомной энергии в городе Заречном никакого вредного воздействия на население не оказывает», — говорит Евгений Назаров.

«Если посмотреть на график, то можно увидеть, что в последние десятилетия наклон, связанный с уменьшением фоновой радиационной нагрузки, пошел резче, чем раньше. Это связано с интенсивным сжиганием нефти и углей. Мы называем такие объекты мертвыми, то есть не содержащими радиоуглерод», — отмечает Екатерина Пархомчук.

 

Однажды в ЦКП «Геохронология кайнозоя» обратилась новосибирская компания, производящая фруктово-зерновые батончики и другие здоровые продукты питания. В создании батончиков используются маленькие фрагменты сушеных яблок. Технологам компании показалось, что один из китайских поставщиков стал добавлять в это сырье сахарный сироп.

«Нужно было подтвердить или опровергнуть подозрения. Для этого нам привезли образцы китайских и молдавских сушеных яблок, а также мы закупили семь сортов яблок свежих, выделили из них жмых и сок, высушили и подвергли изотопному анализу», — рассказывает Екатерина Пархомчук.

Оказалось, что у всех семи сортов яблок, взятых для сравнения, изотопный сдвиг по изотопу углерода-13 жмыха и сока примерно одинаков — он отличался от одного сорта к другому, но был схож в пределах одного плода. Молдавские яблоки показали подобный результат, а у китайских сушеных яблок растворимая часть явно отличалась по происхождению от жмыховой — их изотопные показатели на несколько промилле расходились между собой. Таким образом, подозрения оказались не напрасными.

Недавно та же компания попросила ученых ЦКП «Геохронология кайнозоя» сделать еще более уточненный анализ — у растворимой части сушеных яблок выделить отдельно сахара и отдельно кислоты, чтобы узнать, что именно подделывается.

 

Сегодня ускорительная масс-cпектрометрия активно используется в фармацевтической отрасли, она позволяет проводить микродозирование — новый способ исследования фармакокинетики препарата.

«Эта методика работает таким образом: человеку вводится одна сотая часть терапевтической дозы и благодаря радиоактивной метке отслеживается фармакокинетика препарата — куда он попадает, как и когда выводится из организма. На сегодняшний день во многих развитых странах микродозирование является официально признанной методикой, которую можно использовать вместо испытания препарата на животных», — рассказывает Екатерина Пархомчук.

В России этот метод пока мало используется. Чтобы показать его возможности, ученым ЦКП «Геохронология кайнозоя» приходится инициировать собственные исследования. Одна такая работа была выполнена вместе с сотрудниками нескольких новосибирских институтов: ФИЦ «Институт катализа им. Г. К. Борескова СО РАН», Института химической кинетики и горения им. В.В. Воеводского СО РАН, НИИ экспериментальной и клинической медицины ФИЦ фундаментальной и трансляционной медицины и Новосибирского государственного университета.

Из меченного радиоуглеродом метанола ученые путем множества последовательных химических реакций получили меченый стирол, а затем водные растворы меченых полистирольных частиц, так называемые латексы. Эти частицы очень маленькие, их размер — порядка 100 нанометров (примерно такую же величину имеют вирусы). Исследователи сделали из их раствора аэрозоль, а затем давали мышам дышать воздухом, в котором распылили эти частицы.

В первом эксперименте концентрация частичек полимера в воздухе была очень низкой — такой же, как обычная концентрация пыли в бытовом помещении. Пять дней подряд мыши в течение получаса в день дышали этим аэрозолем, а потом жили своей обычной жизнью в клетках. Затем в течение двух недель ученые смотрели, в какие органы попадают эти частицы из легких и как надолго там задерживаются. По окончании эксперимента частицы все еще наблюдались в мозге, почках и печени.

Во втором опыте мыши дышали полистирольным аэрозолем столько же, но их наблюдали уже полгода. И даже полгода спустя меченые частицы все еще попадались у животных в легких.

Полученные результаты показывают перспективы использования меченых частиц для фармакологии, а кроме того, дают представление о фармакокинетике других частиц схожего размера. Так, возможно, вирусные частицы, независимо от того, прицепились ли они к клеткам, просто по каналам пассивного транспорта способны проникать в различные органы нашего тела.

«Мы можем внести метку практически в любое вещество, содержащее углерод. Так, нам удалось “пришить” радиоуглеродный фрагмент на белковые участки оболочки вируса, благодаря чему мы запатентовали способ количественного определения вируса при сверхмалых концентрациях, которые не фиксируются сейчас биологическими методами», — рассказывает Екатерина Пархомчук.

 

Уникальная научная установка «Ускорительный масс-спектрометр УМС ИЯФ СО РАН» была запущена в ЦКП «Геохронология кайнозоя» в 2011 году, и до 2019 года это был единственный УМС в России. Разработали, собрали и обеспечивают его функционирование сотрудники Института ядерной физики им. Г.И. Будкера СО РАН по проекту академика Василия Васильевича Пархомчука.

В 2019 году Новосибирский государственный университет купил швейцарский ускорительный масс-спектрометр MICADAS, имеющий в пять раз меньшее напряжение по сравнению с новосибирским «коллегой», но отличающийся удобными конструктивными решениями. Оба прибора объединены в единый центр коллективного пользования «Ускорительная масс-спектрометрия НГУ — ННЦ», включающий НГУ и организации Новосибирского научного центра (ИАЭТ СО РАН, ИЯФ СО РАН и ИК СО РАН).

К созданному в Новосибирске ускорителю некоторые исследователи относились с недоверием и отправляли свои образцы на УМС-анализ за рубеж, поэтому в 2021–2022 годах ЦКП «УМС НГУ — ННЦ», зарегистрированный за рубежом как лаборатория AMS Golden Valley, принял участие в международном кросс-тестировании. Оно должно было показать, насколько корректны получаемые в центре результаты.

Такой тест, инициатором которого выступила Международная ассоциация по ядерной энергии, проводится раз в несколько лет. В этом году его организацию взял на себя Институт математики и статистики университета Глазго. Всем лабораториям, изъявившим желание принять участие в тестировании, был разослан набор из 17 образцов разных типов (ячменная шелуха, древесные кольца, гуминовая кислота, выделенная очищенная целлюлоза, китовая кость). Около полугода отводилось на пробоподготовку и анализ, а затем сверялись все полученные результаты. Кросс-тест показал, что сделанные новосибирскими учеными ускоритель и графитизатор выдают вполне точные результаты, которые сходятся с результатами, получаемыми на импортных приборах.

Сейчас основные клиенты ЦКП — государственные и коммерческие археологические организации России.