Някога стотици хиляди патици от гнездяха на отдалечените скалисти плажове на канадската Арктика. Но някъде в края на 19-ти век, ейдерите започват да изчезват. Припомнянето на устни традиции на инуитите намалява много преди повечето научни преброявания на морски птици да стигнат толкова на север през 70-те години, казва палеолимнологът Жул Блейс от университета в Отава, Канада. За да разбере точно кога и защо популациите от минали патици са катастрофирали, Blais използва нововъзникващ инструмент: стабилен изотопен анализ на патица.

вътрешна

Историята на ярешките патици на остров Бафин е разказана в стабилни изотопи на патици, съхранявани в години на утайки. Изследователите от различни области сега използват анализ на фекалните изотопи, за да отговорят на редица изследователски въпроси. Кредит за изображение: Грант Гилкрист (Околна среда и климатични промени Канада, Отава, Канада).

Самият анализ на стабилен изотоп не е нищо ново. Утвърдена техника в няколко области, тя използва изотопи за проследяване на физически и биологични процеси. Например, тъй като изотопите - атоми на елемент, които се различават по броя на неутроните - имат малко различно тегло, те съществуват в различни видове храни в отличителни съотношения и следователно се преместват в телесните тъкани в отличителни съотношения. Тези съотношения са широко използвани за работа назад от костите или косата, за да се направи извод за диетата на животните или древните хора. Но фекалната материя по принцип не е била материал за този вид изотопни изследвания - доскоро.

Анализът на фекалните стабилни изотопи се улавя в екологията, палеоекологията и палеоклиматологията отчасти, защото пробите се събират лесно и предлагат бърза снимка на диетата на животното. Някои изследователи прилагат стабилен изотопен анализ, за ​​да изучават съвременните и древни диети, докато други го използват, за да реконструират минала екология, климат и околна среда, казва палеоекологът Рейчъл Рийд от Политехническия институт на Вирджиния и Държавния университет в Блаксбърг. В случая с патешка паяк Blais анализира съотношението на стабилен изотопен азот 15 към азот 14 в обогатени с гуано утайки от дъното на три езера Baffin Island (1). Промените в съотношенията на азотните изотопи в почвата с течение на времето предполагат, че популациите на патици са намалели преди 50-те години.

„Това е инструмент, който се използва в наистина различни полета“, казва Рийд. Изследователите все още прецизират и калибрират техниката, за да отговорят на нови въпроси, но изграждането на ентусиазъм предизвика първото събиране на общността на есенната среща на Американския геофизичен съюз (AGU) миналия декември в Сан Франциско, Калифорния.

Съотношенията на въглерод и азот в изпражненията на лемура могат да покажат как диетата на лемура се променя заедно със загубата на местообитания в Мадагаскар. Кредит за изображение: Duke Lemur Center/Боб Карп.

Плодородно поле

В продължение на десетилетия области, включително геохимия, археология, палеонтология и екология, използват стабилен изотопен анализ на почвата, растителния материал, костите, зъбите, косата и вкаменелостите. В геонауките „не можете да правите нищо, ако не използвате изотопи“, обяснява геологът Богдан П. Онак от Университета на Южна Флорида в Тампа. Ледът, почвените отлагания и торфените блата са сред естествените архиви, които отразяват минали промени в климата и околната среда, казва той.

Но на места, където липсват такива архиви, шепа изследователи по геология реконструират минали климатични условия с помощта на прилепно гуано от 80-те години на миналия век (2). Съотношението на въглеродния изотоп 13 към въглеродния изотоп 12 в прилепите гуано отразява фотосинтетичния път на растенията в околната среда, тъй като насекомите ядат растенията, а прилепите ядат насекомите. Умерените растения са склонни да имат по-ниски съотношения на въглерод 13 към въглерод 12, отколкото адаптираните към сухо растение. Така че, проследявайки съотношенията на въглеродните изотопи в слоевете гуано, отложени в продължение на стотици до хиляди години, изследователите също проследяват изместванията на растителността, тъй като пейзажът става по-мокър или по-сух (3).

Съществувал стабилен изотопен анализ на изпражненията, но той не бил широко използван дори в области, в които изотопният анализ на други тъкани е популярен. В археологията например стабилният анализ на изотопите, главно на костите, е утвърден инструмент, за да се направи заключение какво са яли хората или животните, обяснява археологическият химик Ейми Стайринг от университета в Оксфорд, Англия.

Чрез изолиране на колагена от парче кост и след това с помощта на масспектрометър за изгаряне на колагена във въглероден диоксид и азотен газ, изследователят може да използва инструмента за измерване на съотношенията на изотопите на въглерод и азот. По-високите съотношения на изотопите например означават, че има повече тежки изотопи на въглерод 13 или азот 15, които са склонни да се натрупват в костите на хищници или на хора, които са яли хищници като сьомга, вместо да ядат тревопасни като овце, казва тя.

Въпреки че стабилният изотопен анализ е широко разпространен в археологията, той не се прилага широко за вкаменени фекални проби, наречени копролити, отбелязва Styring. Тя е запозната само с няколко проучвания, използващи стабилни изотопи от фекална материя, за да направи археологически заключения и всички те го правят косвено. Например проучване от 2018 г. проведе анализ на стабилен изотоп на почви на древни пасища в Кения (4). Проучването установи, че почвите са обогатени с азот 15, който е по-богат в тор от животински тор, а не само от разлагащи се растителни вещества, което предполага, че хората вероятно са държали животни на тази паша между 1500 и 3700 години.

Фекалиите имат някои големи предимства пред останалите материали, казва Райън Хаупт, докторант, изучаващ палеоекология в Университета на Уайоминг в Ларами. Каката е по-лесна за събиране, отколкото костите или косата и не подчертава срамежливите диви животни в процеса. Храносмилането също се извършва през отделни периоди от време, вероятно от порядъка на дни до седмици, така че всяко движение на червата е моментна снимка във времето. За разлика от това, тялото реконструира костите в продължение на години, така че изотопите от костите дават по-малко изискана представа за диетата за по-дълъг период.

Необходими са бъдещи проучвания, за да се изясни колко точно отнема образуването на фекалии от вид на вид, отбелязва Рийд. Но това е материал, който се поддава на последователни, повтарящи се изследвания за вземане на проби, казва тя, например за проследяване на текущите диетични тенденции. Храносмилането обаче може потенциално да промени химията на храната, включително изотопните стойности, докато преминава през червата. Така че, за да ограничат изотопното съотношение на фекалната проба само до приноса на диетата, изследователите прилагат компенсирана стойност, която коригира всички изотопни промени по време на храносмилането, казва Рийд. Но без да знаем точните промени, причинени от храносмилането, диетичните оценки запазват известна несигурност, казва Рийд.

Ленивци, които някога са се разхождали по Земята, са оставили тези копролити разпръснати по пода на пещерата Рампарт в Аризона, изобразена тук през 1936 г. Днес изследванията на фекалните изотопи върху съвременните ленивци могат да помогнат за реконструкцията на древни диети на ленивци. Кредит за изображение: Национален парк.

Пренебрегван ресурс

Въпреки неизвестното, проучванията предлагат някои интересни прозрения. За проучване на фекалните изотопи през 2017 г. Рийд се разходи по централното крайбрежие на Калифорния, за да събере койот скат (5). Тя знаеше, че модерните койоти разширяват обхвата си в много крайбрежни райони, и се чудеше дали морските храни може да са нов ресурс, позволяващ разширяването. Рийд вдигна свеж скап по пътеките „като кучешка кака“, казва тя, „обърна найлоновата торбичка на ръката ми“ и бързо замрази пробите, за да предотврати разпадането им, което може да промени изотопните стойности. Сравняването на изотопите в тези проби с тези на 3000-годишни койотни кости в близките археологически обекти потвърди, че някои съвременни койоти ядат морски дарове, докато древните не.

Подобно на изследванията на Рийд, голяма част от работата, използваща фекални изотопи, има за цел да се справи с начина, по който диетата на животните се променя заедно с екосистемите, променени от фактори, включително еволюция, климатични промени и човешко развитие. Haupt например използва стабилни въглеродни изотопи в съвременните изпражнения на ленивци и в растенията, които ядат, за да изчисли стойност на компенсиране, която помага да се реконструира древната диета на ленивци. Изчезналите земни ленивци с големината на големи мечки оставиха скапа от вкаменени изпражнения в пещерите в югозападната част на САЩ, които Haupt сега използва, за да възстанови диетата си (6). Въпреки че вече е съществувала стойност на компенсиране за големи тревопасни бозайници, работата на Haupt е сред първите калибрирания, специфични за ленивците.

Постдокторантът еколог Лидия Грийн изследва силно застрашените лемури на Мадагаскар, които са изправени пред бърза загуба на местообитания в дивата природа. Работейки със сестра си Сара, геохимик от Университета в Бирмингам в Обединеното кралство, Грийн планира да проследява съотношенията на изотопите в дивия лемуров изпражнения с надеждата да разбере как диетата на лемурите се променя с пейзажа. Сравняването на стабилни изотопни съотношения на въглерод и азот може да разкрие например преминаване от диети с тежки растения към диети с тежки насекоми. В момента тя проверява методите си върху фекални проби от затворени лемури, хранещи се с приготвени диети в Duke Lemur Center в Дърам, Северна Каролина, за да потвърди, че фекалните данни точно предсказват какво ядат.

Когато Блейс от университета в Отава се заема да проследява историческите промени в популацията в арктическите патици, използвайки ядра от езерни утайки, той вече е знаел, че съотношението азот 15 към азот 14 е повишено в какашка патица в сравнение с други източници на азот. Следователно, седиментните слоеве с високо съотношение на азот 15 към азот 14 (наред с други доказателства) показват години, когато огромни стада се качат навсякъде, променяйки химията на утайката. Когато популациите на патици намаляват, намаляват и съотношенията на азотните изотопи. В проучване, публикувано миналата година, Blais използва това променящо се съотношение в езерните утайки на остров Бафин, за да потвърди прекъснат спад на яйцето през 19-ти и 20-ти век, което съответства на нарастване на продажбите на оръжие в Западна Гренландия между 1860 и 1955 г. Това предполага, че и двамата инуити и гренландецът увеличи усилията си за лов за месо и надолу, причинявайки рязък спад в броя на морските патици, заключава той (1).

Въпреки че в различни проекти сега се използва анализ на фекалните изотопи, Haupt го нарича „все още недостатъчно използван източник на данни“. Следващата стъпка, казва той, е допълнително количествено определяне на това как се променя съотношението на изотопите чрез храносмилането. След като екологията поведе, археологията вероятно ще последва, предполага Стайринг. Често „еколозите започват да използват тези методи и след това като археолози осъзнаваме„ О, можем да приложим това към миналото “, казва тя.

Рийд казва, че се надява декемврийската сесия на AGU, първото официално свикване на общността, да вдъхнови повече междудисциплинарен дух и сътрудничество. Изготвя се преглед на състоянието на знанията за фекалните изотопи в различните области. „Това, което виждам да се заражда сега“, казва тя, ще добави „стабилни изотопи в кака в общия набор от инструменти за стабилна изотопна екология“