Деревья рассказали о техногенных загрязнениях прошлого

: 05.12.2017

Ученые Института ядерной физики им. Г. И. Будкера (ИЯФ СО РАН) и Новосибирского государственного университета (НГУ) провели в Центре коллективного пользования СО РАН «Геохронология кайнозоя» радиоуглеродный анализ образца сосны на единственном в России ускорительном масс-спектрометре, разработанным и созданным специалистами ИЯФ СО РАН. Дерево, выросшее в новосибирском Академгородке, послужило природным индикатором содержания радиоуглерода в биосфере. Пик концентрации этого изотопа пришелся на возрастные кольца, которые соответствовали 60-ым годам XX века, когда в мире проводились наземные испытания ядерного оружия.

Одним из самых долгоживущих живых организмов, которые соседствуют с человеком, являются деревья, в России их возраст может достигать 800 лет. За время своей жизни деревья становятся свидетелями техногенных и природных событий, происходящих в мире, так как накапливают в себе определенные вещества, в том числе, радиоуглерод.

«В верхних слоях атмосферы под действием космических лучей образуется радиоуглерод – изотоп углерода ¹⁴C, – комментирует старший научный сотрудник лаборатории радиоуглеродных методов анализа (ЛРМА) НГУ и Института катализа СО РАН, кандидат химических наук Екатерина Пархомчук. – Живые организмы непрерывно участвуют в углеродном обмене с атмосферой, поэтому соотношение стабильного и радиоактивного изотопа углерода в них практически одинаково. Но этот обмен прекращается в момент гибели организма, и далее количество 14C уменьшается из-за радиоактивного распада. Период полураспада радиоуглерода хорошо известен, поэтому определив содержание радиоуглерода в образце, можно выяснить его возраст».

При этом содержание радиоуглерода в атмосфере может меняться. Например, ядерный взрыв сопровождается мощным потоком нейтронов и является дополнительным источником образования этого изотопа. С другой стороны, сжигание ископаемых топлив приводит к выбросу в атмосферу углерода с низким содержанием радиоактивного изотопа. «Метод радиоуглеродного анализа, – объясняет старший научный сотрудник ИЯФ СО РАН, кандидат физико-математических наук Сергей Растигеев, – позволяет отслеживать природные и техногенные процессы от наших дней до примерно 50 тысяч лет назад по содержанию радиоуглерода в арктических льдах, почве, кольцах деревьев и моллюсков. Например, по кольцам деревьев можно судить об уровне выхлопных газов, последствиях горения угля и нефти в любой год последних столетий в любом месте, где растут деревья – у дороги, у железнодорожных путей, у вашего подъезда».

Эксперимент. Для анализа ученые взяли керн сосны, выросшей в новосибирском Академгородке, возраст которой составлял 113 лет. Они разделили керн на годичные кольца, выделили из них целлюлозу, получили углерод в графитоподобном состоянии и провели радиоуглеродный анализ полученных образцов на ускорительном масс-спектрометре. «При датировании колец дерева важно выделить тот компонент, который, сформировавшись, не обменивается с окружающей средой углеродом. Таким компонентом является целлюлоза, которую для анализа необходимо очистить от всех возможных примесей. К ним относятся, прежде всего, вещество самого дерева, сахара, лигнин и смолы, и внешние загрязнители, например, растворимые вещества из почвы», – поясняет научный сотрудник ЛРМА НГУ и ИК СО РАН Петр Калинкин.

Метод ускорительной масс-спектрометрии заключается в прямом подсчете количества атомов радиоуглерода в исследуемом образце, поэтому он чувствительнее любых других методов в тысячи раз. «При первичной селекции выделяется пучок отрицательных ионов с близкими к радиоуглероду массами, после чего пучок ускоряется напряжением миллион вольт. Далее его пропускают через мишень, в которой ионы перезаряжаются в положительные и вовлекаются в следующий этап ускорения. При этом молекулы разбиваются на части, что позволяет избавиться от них на последующих этапах селекции. Выходящие из ускорителя ионы 14C подсчитываются поштучно», – объясняет заведующий лаборатории ИЯФ СО РАН, заведующий ЛРМА, академик РАН Василий Пархомчук.

С середины 40-х годов в мире активно проводились испытания ядерного оружия, в результате чего к началу 60-х годов концентрация радиоуглерода в атмосфере практически удвоилась (Рис.1). В августе 1963 года три ядерные державы и вслед за ними еще 129 стран подписали Московский договор о запрете ядерных испытаний в атмосфере, в космосе и под водой. После этого количество радиоуглерода постепенно уменьшалось, и к нашим дням стало близко к исходному уровню, что также видно на годовых кольцах изученного дерева. «Мониторинг экологических последствий ядерных испытаний с помощью радиоуглеродного метода в мире распространен, – объясняет Василий Пархомчук, – но ближайшие к нам ускорительные масс-спектрометры находятся в Европе и в Америке. Мы получили результаты близкие к тем, что наблюдают коллеги, хотя измеряли образцы, взятые практически с другого конца света. Кривые наших графиков похожи, так как воздух перемешивается вокруг Земли равномерно, поэтому наземные ядерные испытания в Америке оказали заметное влияние на экологию России и наоборот».

Область применения УМС. В Европе и США широко распространена услуга платного анализа образцов, полученных от частных лиц, и ее стоимость составляет от 300 до 700 евро за образец. В то время как на новосибирском ускорительном масс-спектрометре преимущественно анализируют материалы в рамках междисциплинарных интеграционных исследований и программы 5-ТОП-100. Здесь проводится УМС-анализ примерно тысячи образцов в год. Метод широко распространен в геологии, археологии, биологии, медицине, химии, экологии, климатологии, океанологии, фармакологии и других областях.

«Мы определяем возраст различных природных и рукотворных объектов, составляем временные шкалы природных отложений, проводим биомедицинские исследования на мышах. В западных странах медицинские применения метода УМС составляют примерно 50%. Он позволяет уменьшить время и стоимость создания новых лекарственных средств примерно на 20%, эффективно проводить диагностику различных заболеваний, однако в России подобные работы, к сожалению, запрещены. Тем не менее, год от года метод УМС становится все более и более известен в России, и область применения нашей установки неуклонно расширяется», – пояснил Сергей Растигеев.

Среди экзотических применений УМС-анализа – исследования распространения аэрозолей, определение возраста останков в криминалистике, датировка предметов искусства и религиозного поклонения, проверка на подлинность дорогостоящих вин и коньяков и другие.