Откуда столько лития?

Сотрудники кафедры лазерной химии химического факультета МГУ совместно с учеными из Института океанологии РАН и Университета города Сегеда в Венгрии сообщили о разработке комбинированной методики для всестороннего анализа биологических объектов. Предложенное сочетание двух лазерно-спектральных методов анализа с последующей математической обработкой данных обеспечивает глубокое понимание взаимосвязи между элементным и молекулярным составом тканей животных. Исследование аномального накопления лития некоторыми видами зоопланктона открывает путь к пониманию биохимических процессов, происходящих в этих животных.

Выйти из полноэкранного режима

Развернуть на весь экран

Зоопланктон — важнейшее звено пищевых цепей в морских водоемах. В основном он состоит из мелких ракообразных, которыми питаются медузы, рыбы, киты. Для океанологов он представляет особый интерес ввиду способности к накоплению в своих тканях химических элементов из окружающей среды. При этом содержание некоторых элементов может в десятки и сотни раз превышать их содержание в воде.

Зимой в арктических морях зоопланктон погружается на определенную глубину и таким образом уходит в спячку. Во время выхода из зимней спячки рачки поднимаются на поверхность, что сопровождается накоплением лития, влияющего, вероятно, на плавучесть организма (литий — очень легкий элемент). После всплытия содержание лития быстро падает.

Первым методом, результаты которого представлены в работе, стала лазерно-искровая эмиссионная спектрометрия (ЛИЭС). В ее основе лежит воздействие мощным лазерным импульсом на поверхность образца и изучение свечения возникающей при этом плазмы. Таким образом определяли элементный состав, прежде всего наличие лития. В качестве второго метода, позволяющего исследовать молекулярный состав (например, содержание жиров, аминокислот), был выбран еще один лазерно-спектральный метод — спектроскопия комбинационного рассеяния (СКР).

Существенная часть работы была уделена объединению разнородных данных. Желательно, чтобы данные двух методов имели примерно равную значимость для интерпретации результатов. Чтобы добиться этого, полученные спектры анализировали с помощью специализированных многоблоковых алгоритмов, в частности, консенсусного метода главных компонент (англ. CPCA) и анализа общих компонент и удельных весов (англ. ComDim).

Авторы считают, что использование еще одного аналитического метода, масс-спектрометрии с индуктивно связанной плазмой и системой лазерной абляции, позволит на несколько порядков увеличить чувствительность определения. Тогда появится возможность достоверно определять уран и исследовать механизмы его накопления, чему будут посвящены будущие исследования.

Николай Сушков, первый автор исследования, аспирант химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова, соавтор работы Николай Лобус, старший научный сотрудник Института физиологии растений им. К. А. Тимирязева и руководитель исследования Тимур Лабутин, сотрудник химического факультета МГУ им. М. В. Ломоносова:

— Почему ученые решили исследовать накопление лития у зоопланктона?

— Как это часто бывает в науке, многие открытия происходят случайно. Так как Арктика, с одной стороны, обладает очень хрупкой экосистемой, а с другой — огромным количеством ресурсов, значительные усилия направлены на экологический мониторинг. В рамках этих работ изучалось влияние антропогенной нагрузки на основание пищевой цепи арктических морей — зоопланктон, а именно на накопление в нем тяжелых элементов. И при изучении сезонной вариабельности было обнаружено, что есть определенные виды, которые накапливают сверхвысокие концентрации лития.

— Зачем его знать океанологам?

— Поскольку, во-первых, литий обладает выраженной физиологической активностью, во-вторых, становится одним из самых дефицитных металлов, недостаток которого в значительной мере сдерживает распространение электромобилей, и, в-третьих, его накопление имеет явно выраженную сезонность, сразу возникла потребность в детальном изучении причин накопления лития представителями веслоногих ракообразных. Если говорить детальнее, изучение механизмов концентрирования лития живыми организмами в перспективе может открыть возможность разработки биотехнологии для его извлечения и добычи из огромных запасов вод Мирового океана. Помимо того что литий может сильно влиять на психику человека, его уже интенсивно изучали в 1980-х годах после аварии на ЧАЭС, когда велся активный поиск метаболических аналогов различных элементов (литий — аналог натрия), радиоактивные изотопы которых присутствуют в выбросах. Поэтому само по себе изучение биохимических механизмов трансформации лития представляет большой интерес.

— Как эти измерения помогут в изучении жизни океана?

— Если же говорить собственно о поведении зоопланктона, было обнаружено накопление лития в весенний период, когда у организмов зоопланктона заканчивается зимняя диапауза. Уникальность арктического зоопланктона в том, что некоторые его виды, составляющие основную кормовую базу промысловых рыб, во время диапаузы опускаются на большую глубину (сотни метров и даже более). Механизмы перехода зоопланктона в диапаузу и пробуждения в период полярной весны также до конца не ясны, поэтому проводятся активные исследования в данной области. В частности, выявленная аномалия содержания лития в весенний период может быть связана с изменением плотности тканей и обеспечением подъема рачков с больших глубин на поверхность.

— Насколько точен новый метод измерений? Зачем иметь возможность исследовать накопления лития не только в лаборатории, но и в полевых условиях?

— Выбор метода измерения зависит от конкретной задачи, поскольку требуемая точность измерений определяется решаемыми задачами. Помимо точности измерений не менее важно удобство работы с конкретным типом образцов, трудоемкость и стоимость операций, а также скорость получения результата. В нашем случае речь идет о том, чтобы анализировать зоопланктон прямо на борту научно-исследовательского судна и быстро определять накопление лития в конкретной пробе. Таким образом можно будет почти в реальном времени принимать решения о корректировке курса судна и изменении параметров лова (например, глубины отбора образцов). Учитывая, что содержание лития меняется в сотни раз, для решения этой задачи не требуется высокоточных методов анализа. Достаточно проведения так называемого полуколичественного анализа, допускающего значительную погрешность до 30–50 процентов, чтобы различать образцы с большим, средним и малым содержанием лития. И хотя основная задача работы состояла в выявлении закономерностей изменения вещественного и элементного состава рачков для определения механизмов накопления лития, разработанный параллельно с этим метод на основе лазерно-искровой эмиссионной спектроскопии позволяет проводить полуколичественное определение лития и полностью удовлетворяет требованиям проведения работ на судне.

Подготовлено при помощи химического факультета МГУ, использованы данные статьи.