同位体分析

同位体分析は、同位体の特徴、特定の安定同位体の豊富さ、有機および無機化合物内の化学元素の同定です。同位体分析を使用して、食物網を通るエネルギーの流れを理解し、過去の環境および気候条件を再構築し、過去の人間および動物の食事を調査し、食物認証、およびその他のさまざまな物理的、地質学的、古生物学的および化学的プロセス。安定同位体比は、質量分析を使用して測定されます。質量分析は、質量電荷比に基づいて元素の異なる同位体を分離します。

影響を受ける組織

同位体酸素は、主に摂取を通じて体内に取り込まれ、その時点で、考古学的な目的のために、骨や歯の形成に使用されます。酸素は、骨および歯のエナメル質のヒドロキシル炭酸アパタイトに取り込まれます。

骨は、個人の生涯を通じて継続的に改造されます。ヒドロキシアパタイトの同位体酸素の代謝回転率は完全にはわかっていませんが、コラーゲンのそれと類似していると想定されています。約10年。その結果、個人が10年以上その地域に留まると、骨ヒドロキシアパタイトの同位体酸素比は、その地域に存在する酸素比を反映することになります。

歯は継続的な改造の対象ではないため、その同位体の酸素比は形成時から一定のままです。したがって、歯の同位体酸素比は、個人が生まれ育った地域の比を表します。乳歯が存在する場合、子供が離乳した年齢を判断することもできます。母乳の生産は、汗、尿、および期限切れの水蒸気による16Oの優先的損失により、18Oのレベルがより高い母親の体内水分を利用します。

歯は経時的な化学的および物理的変化に対してより耐性がありますが、どちらも沈着後の続成作用を受けます。そのため、同位体分析では、存在量の少ないヒドロキシル基や存在しそうな続成炭酸塩基ではなく、より耐性の高いリン酸基を利用します。

用途

同位体分析は、自然科学に広く適用されています。これらには、生物科学、地球科学、環境科学における多数のアプリケーションが含まれます。

考古学

古代の食事の再構築

骨、有機残留物、髪の毛、貝殻などの考古学的材料は、同位体分析の基質として機能します。炭素、窒素、亜鉛の同位体比は、過去の人々の食事を調査するために使用されます。これらの同位体システムは、人口運動や貿易などの文化的相互作用に関する質問に答えるために、ストロンチウムや酸素などの他のシステムとともに使用できます。

考古学で炭素同位体を分析して、食物連鎖の根元にある炭素の源を特定します。 12C / 13C同位体比を調べると、動物と人間が主にC3またはC4植物を食べたかどうかを判断できます。潜在的なC3食料源には小麦、米、塊茎、果物、ナッツ、多くの野菜が含まれ、C4食料源にはキビやサトウキビが含まれます。炭素同位体比は、海洋、淡水、陸生の食料源を区別するためにも使用できます。

炭素同位体比は、骨コラーゲンまたは骨ミネラル（ヒドロキシアパタイト）で測定でき、これらの骨の各部分を分析して、食事のさまざまな成分を明らかにすることができます。骨コラーゲンの炭素は主に食物タンパク質から供給されますが、骨ミネラルに含まれる炭素は、炭水化物、脂質、タンパク質を含むすべての消費された食物炭素から供給されます。

古生物の正確な画像を取得するには、元の同位体信号に影響を与える続成作用のプロセスを理解することが重要です。また、研究者が個人内、個人間、および経時的な同位体の変動を知ることも重要です。

考古学資料の調達

同位体分析は、考古学において特性評価の手段として特に有用です。アーティファクトの特性評価には、金属鉱体などの可能な原料の同位体組成を決定し、これらのデータを分析されたアーティファクトの同位体組成と比較することが含まれます。同位体特性評価を使用して、金属、ガラス、鉛ベースの顔料などの幅広い考古学材料が調達されています。特に青銅器時代の地中海では、鉛同位体分析は、金属の供給源を決定するための有用なツールであり、貿易パターンの重要な指標でした。しかし、鉛同位体データの解釈はしばしば議論の余地があり、多くの道具的および方法論的課題に直面しています。さまざまなソースからの金属の混合や再利用、限られた信頼性の高いデータ、サンプルの汚染などの問題は、解釈の難しい問題になります。

エコロジー

すべての生物学的に活性な要素は、いくつかの異なる同位体の形で存在し、そのうちの2つ以上は安定しています。たとえば、ほとんどの炭素は12Cとして存在し、約1％は13Cです。 2つの同位体の比率は、生物学的および地球物理学的プロセスによって変化する可能性があり、これらの違いは生態学者によってさまざまな方法で利用できます。同位体生態学で使用される主な要素は、炭素、窒素、酸素、水素、硫黄ですが、シリコン、鉄、ストロンチウムも含まれます。

水生生態系における安定同位体分析

安定同位体は、科学者がソースリンクを理解し、海洋食物網の情報を処理するのに役立つため、水生生態系を理解するための一般的な方法になりました。これらの分析は、地上システムでもある程度使用できます。特定の同位体は、食物網と栄養レベルの位置付けの基盤を形成する別個の主要生産者を意味します。安定同位体組成は、パーミル（‰）のデルタ値（δ）、つまり標準との1000分の1の差で表されます。サンプルに含まれる同位体の割合を表します。値は次のように表されます。

δX =×103

ここで、Xは対象の同位体（例、13C）を表し、Rは対象の同位体とその自然形態（例、13C / 12C）の比率を表します。デルタ値が高い（または負の値が小さい）は、標準と比較して、サンプルの対象同位体の増加を示し、値が低い（または負の値が大きい）は減少を示します。炭素、窒素、硫黄の標準物質は、それぞれピーディーベラナイト石灰岩、大気中の窒素ガス、カニオンディアブロmet石です。分析は通常、質量分析計を使用して行われ、気体元素間のわずかな違いを検出します。サンプルの分析には、30〜100ドルかかります。安定同位体は、固定された同位体濃縮または枯渇対食餌を担う動物組織を調べることにより、動物の食餌および食物網を分析する科学者を支援します。筋肉またはタンパク質画分は、食事中の同化された栄養素を表すため、同位体の検査に使用される最も一般的な動物組織になりました。胃内容物の観察とは対照的に安定同位体分析を使用する主な利点は、動物の胃の状態（空かどうか）に関係なく、組織内の同位体トレーサーが栄養位置と食物源を理解することです。。水生生態系食物網分析で使用される3つの主要な同位体は、13C、15N、および34Sです。 3つすべてが栄養ダイナミクスに関する情報を示していますが、海洋栄養相互作用をよりよく理解し、より強力な結果を得るために、前述の3つの同位体の少なくとも2つで分析を実行するのが一般的です。

炭素-13

炭素同位体は、生態系のエネルギーの流れに関与する主要な生産源を決定するのに役立ちます。栄養レベルを介した13Cの移動は、わずかな増加（濃縮1‰）を除き、比較的同じままです。動物間のδ13Cの大きな違いは、食物源が異なること、または食物網が異なる一次生産者（すなわち、植物プランクトンの種類、湿地草）に基づいていることを示しています。短期、長期、または恒久的な食事の変化を判断します。これらのシフトは、植物プランクトンの豊富さを反映して、季節的な変化と相関することさえあります。科学者は、地理的地域全体の植物プランクトンの個体群に広範囲のδ13C値が存在する可能性があることを発見しました。なぜそうなるのかは定かではありませんが、この発生にはいくつかの仮説があります。これらには、溶存無機炭素プール（DIC）内の同位体が含まれ、温度や場所によって異なる場合があり、植物プランクトンの成長速度が同位体の取り込みに影響する場合があります。 δ13Cは、食餌の変化を調べることにより、保護された沿岸地域から沖合の場所への稚魚の移動を決定する際に使用されています。 Fry（1983）による研究では、南テキサスの牧草地の稚エビの同位体組成が研究されました。フライは、研究の始めに、エビがδ15Nとδ34Sについてδ13C= -11から-14‰と6-8‰の同位体値を持つことを発見しました。エビが成熟して沖合に移動すると、同位体値は沖合生物に似たものに変化しました（δ13C= -15‰およびδ15N= 11.5‰およびδ34S= 16‰）。

硫黄34

栄養レベル間に34Sの濃縮はありませんが、安定同位体は、底生生産者と遠洋生産者、および沼地と植物プランクトン生産者を区別するのに役立ちます。 13Cと同様に、食物網の主要な主要生産者として異なる植物プランクトンを区別するのにも役立ちます。海水硫酸塩と硫化物の違い（c。21‰対-10‰）は、科学者の差別化を支援します。硫黄は、底生生物系や湿地植物などの好気性が低い地域では、遠洋性で好気性のシステムよりも豊富になる傾向があります。したがって、底生系では、δ34Sの値は小さくなります。

窒素-15

窒素同位体は、生物の栄養レベルの位置を示します（組織サンプルが採取された時間を反映）。 δ15Nの保持力は14Nの保持率よりも高いため、δ15Nには大きな濃縮成分があります。これは、生物の無駄を分析することで確認できます。牛の尿は、食事と比較して15Nの減少があることを示しています。生物がお互いを食べると、15N同位体が捕食者に移動します。したがって、栄養ピラミッドの上位にいる生物は、食物網にいる前の獲物や他の生物に比べて、より高いレベルの15N（およびより高いδ15N値）を蓄積しています。海洋生態系に関する多くの研究は、生態系の異なる栄養レベルの種の間で、平均して15N対食餌の3.2‰の濃縮があることを示しています。バルト海で、ハンソン等。（1997）さまざまな生物（粒子状有機物（植物プランクトン）、動物プランクトン、アミ類、スプラット、ワカサギ、ニシンなど）を分析すると、消費者と見かけの獲物の間に明らかな2.4‰の分別があることがわかりました。

生物の栄養的位置付けに加えて、δ15N値は土地由来の栄養源と自然の栄養源を区別する際に一般的に使用されるようになりました。水が浄化槽から帯水層に移動すると、窒素が豊富な水が沿岸地域に送られます。廃水硝酸塩は、沿岸域の自然土壌に見られる硝酸塩よりも15Nの濃度が高い。バクテリアの場合、15Nではなく14Nを摂取する方が、より軽い要素であり、代謝が容易であるため、より便利です。したがって、アンモニアの脱窒や揮発などの生物地球化学プロセスを実行する際の細菌の選好により、15Nよりも速い速度で14Nが水から除去され、15Nが帯水層に入ります。 15Nは、自然の15N値の2-8‰とは対照的に、おおよそ10-20‰です。浄化槽や他の人間由来の下水から放出される無機窒素は、通常NH4 + {\ displaystyle {{\ ce {NH4 +}}}}の形をしています。窒素が地下水を介して河口に入ると、15Nがより多く流入するため、供給される無機窒素プールにも15Nがより多くなり、Nを吸収する生産者によってさらに吸収されると考えられます。 15Nがはるかに多いため、取りやすくなりますが、通常よりも同化される量が多くなります。 δ15Nのこれらのレベルは、その地域に住み、非移動性の生き物（大型植物、アサリ、一部の魚など）で調べることができます。高レベルの窒素投入量を特定するこの方法は、河口および沿岸生態系への栄養素投入量を監視しようとする方法で、ますます一般的になっています。栄養素の過剰は富栄養化と低酸素イベントを引き起こし、その地域から生物を完全に排除する可能性があるため、環境管理者は河口への人為的栄養素入力の測定にますます懸念しています。

酸素-18

コロラドデルタの貝の18Oと16Oの比率の分析を使用して、上流のダムの建設前にコロラド川デルタの河口の歴史的範囲を評価しました。

水素-2

重水素としても知られる2Hと1Hの比率は、植物組織と動物組織の両方で研究されています。植物組織の水素同位体は、局所的な水の値と相関していますが、光合成、蒸散、およびセルロースの形成における他のプロセス中の分画に基づいて変化します。テキサス州の小さな地域で成長している植物の組織の同位体比に関する研究では、CAM植物の組織がC4植物に比べて重水素が豊富であることがわかりました。動物組織の水素同位体比は、飲料水を含む食事を反映しており、鳥の移動と水生食物網の研究に使用されています。

科学捜査

フォレンジックサイエンスの最近の発展は、髪の毛の同位体分析です。髪の毛の成長率は、1か月あたり9〜11mmまたは1年あたり15 cmです。人間の髪の成長は、主に食事、特に飲料水の摂取に依存します。飲料水の安定同位体比は、場所と、水が浸透する地質の関数です。 87Sr、88Sr、酸素同位体の変動は世界中で異なっています。同位体比のこれらの違いは、髪が成長するにつれて生物学的に「固定」され、髪の毛の分析によって最近の地理的履歴を特定することが可能になりました。たとえば、テロリストの容疑者が最近特定の場所に行ったかどうかを髪の分析から識別することができます。この髪の分析は、非侵襲的な方法であり、DNAやその他の従来の手段で答えが得られない場合に非常に人気が高まっています。

法医学調査員は、同位体分析を使用して、爆発物の2つ以上のサンプルが共通の起源であるかどうかを判断できます。ほとんどの高爆薬には炭素、水素、窒素、酸素原子が含まれているため、同位体の相対的な存在量を比較すると、共通の起源の存在を明らかにできます。研究者はまた、12C / 13C比の分析により、特定の爆発物の原産国を特定できることを示しています。

安定した同位体分析は、薬物輸送ルートの識別にも使用されています。東南アジアのポピーから栽培されたモルヒネと、南西アジアで栽培されたケシでは、同位体の存在量が異なります。同じことは、ボリビアとコロンビアのコカインにも当てはまります。

トレーサビリティ

安定同位体分析は、食物と木材の地理的起源の追跡にも使用されています。

地質学

水文学

同位体水文学では、安定した水の同位体（2Hおよび18O）を使用して、生態系を流れる水のソース、年齢、および流路を推定します。水の安定同位体組成を変化させる主な効果は、蒸発と凝縮です。水同位体の変動性は、河川や河川への水の供給源、蒸発速度、地下水re養、およびその他の水文学的プロセスを研究するために使用されます。

古気候学

氷と深海のコアの18Oと16Oの比率は温度に依存し、気候変動を再構築するための代理手段として使用できます。氷河期などの地球の歴史のより寒い時期（氷河期）に、16Oはより冷たい海洋から優先的に蒸発し、わずかに重く、より緩慢な18Oを残します。したがって、周囲の水に溶けている酸素と炭素やカルシウムを結合させて殻を作る有孔虫などの生物は、温度に依存する18Oと16Oの比率を取り入れています。これらの生物は死ぬと海底に落ち着き、第四紀の大部分を通じて地球規模の気候変動の長く貴重な記録を保存します。同様に、より重い18O同位体の蒸発により多くのエネルギーが利用できるため、温暖な気候期（間氷期）の間に、16Oと比較してより重い18Oで陸地の氷コアが濃縮されます。したがって、氷のコアに保存されている酸素同位体の記録は、海洋堆積物に含まれる記録の「鏡」です。

酸素同位体は、第四紀中の気候変動に対するミランコビッチサイクルの影響の記録を保存し、地球の気候の約100,000年の周期性を明らかにしています。