Izotopy pod drobnohledem

Vesmír 104, 580, 2025/10

Autoři v textu praví, že „rostlina je značně obohacená izotopem uhlíku ¹³C“. To je tvrzení nepravdivé. Opak je pravda, jak to ostatně správně znázorňuje graf (i když na vodorovné ose nejsou uvedeny jednotky, ani příčina záporné škály). Při fixaci CO₂ totiž rostliny dávají přednost majoritnímu izotopu ¹²C, a tak jsou organické látky produkované rostlinou ochuzené o ¹³C asi o 25–30 promile. My heterotrofové, živící se (přímo či nepřímo) rostlinami, jsme o tento izotop ochuzeni podobně. Vzdušný CO₂ vykazuje posun –7 promile, protože už je obohacen o produkty dýchání. Dodejme, že v přírodě není znám žádný anorganický proces podobného obohacování, takže nafta, zemní plyn i uhlí jsou prokazatelně organického původu.

Metanogenní archea rovněž fixují CO₂ a diskriminují mezi oběma izotopy ještě mnohem účinněji než chloroplasty a bakterie, takže produkují organické látky takto ochuzené až o 40 promile. Pokud by se tedy nějaká houba živila pouze metanogeny (velice nepravděpodobná situace), mohly by mít hyfy nižší obsah ¹³C než ostatní heterotrofové – ti závislí na rostlinách. Mykorhizní houby sice berou své organické látky od symbiotických rostlin, avšak čistě teoreticky by detritus v půdě mohl obsahovat i zbytky archeontů, čímž by docházelo k většímu ochuzení u hyf než u rostlin. Takto „mezi rostlinou a houbou“ by se pak mohl poměr obou izotopů do různé míry vyskytovat u nezelených rostlin „zásobovaných rostlinou i houbou (okrotice nebo ‚bílý‘ buk) – čemuž napovídá graf.

Odpověď autora: Rostliny přijímají vzdušný uhlík, který je spíše lehký, díky čemuž obsahují obecně méně těžkých izotopů než živočichové nebo houby. Tady platí aforizmus „jsme to, co jíme“ a čím výše jsme na potravní pyramidě, tím více těžkých izotopů v sobě kumulujeme. Rostliny C3 (s Calvinovým cyklem) mají enzym rubisco s nižší afinitou k těžkému uhlíku, proto jej mají ještě méně oproti C4 rostlinám (s Hatchovým-Slackovým cyklem) a CAM rostlinám.

Také živočichové konzumující C3 rostliny mají méně ¹³C oproti živočichům konzumujícím C4 nebo CAM rostliny. Masožravci mají méně ¹³C, pokud žerou vegetariány preferující C3, a ne ty, kteří dávají přednost travám C4. Heterotrofní rostliny, jako jsou paraziti či mykoheterotrofové, ale i heterotrofní orgány autotrofních rostlin jsou rovněž obohaceny o těžký uhlík. Hromadí se v nich. Tohoto principu jsme využili v našem pokusu s bílým bukem. De facto lze zjednodušit, že tak, kde probíhá fotosyntéza – třeba list –, je méně těžkých izotopů než tam, kde je uhlík přijímán heterotrofně – kořeny, mnohem víc býložravci, a ještě více masožravci.

Mořské organismy jsou obohaceny těžkým uhlíkem více, zatímco metanogenní bakterie ale zejména bakterie redukující sulfát jsou výrazně ochuzeny. Analýza obsahu stabilních izotopů nám může odpovědět na množství otázek. Paleontologové dostanou na základě analýz kostí odpověď, jestli ovečka (nebo člověk) před 10 000 lety žrala víc trávy (C4 rostliny) nebo byliny (obvykle C3 rostliny). Kriminalisté mohou využít izotopové poměry ke zjištění, jestli mrtvola nalezená v jezírku na daném místě utonula anebo ji pachatel převezl odjinud. Klimatologové zjistili, že spalování fosilních paliv (které pocházejí z ¹³C ochuzených rostlin) snižuje podíl těžkých izotopů. Toto jsou ale jenom některé příklady využití analýz přirozeného obohacení stabilních izotopů.

Těžké izotopy můžeme i koupit (uměle vyrobit), značit jimi třeba CO₂ a pozorovat, jak se pohybuje v rámci organismu nebo většího systému. Označíme kupř. rostlinu–donora a sledujeme, jestli se fixovaný uhlík s těžkým izotopem přesune do cílové rostliny nebo houby či živočicha. Ale můžeme sledovat i pohyb značeného těžkého izotopu ¹⁵N a jeho pohyb z kořisti (hmyzu) do masožravých rostlin, které jsou jím pak obohaceny.

V našem experimentu jsme využili jen přírodní množství stabilních izotopů ¹³C a ¹⁵N, tedy žádné značení, nebo jakýkoliv přídavek. Zapomněli jsme však vložit do grafu jednotky, jimiž jsou promile (promile oproti standardu). Mínusové hodnoty tedy značí rozdíl oproti standardu, kterým je v našem případě V-PDB. Z geochemického hlediska jde o vhodný referenční materiál, protože jeho izotopové složení je blízké složení mořského vápence, který představuje nejrozšířenější zásobárnu CaCO₃ na Zemi.

Pokud jde o dusík, promile izotopů se vztahuje k poměru vzdušného N₂. Primární standardy od mezinárodní agentury pro atomovou energii jsou ale extrémně drahé a používáme proto interní standardy, které se měří několikrát v každém běhu spektrofotometru. U nás je to alanin, který má jak uhlík, tak dusík.

V interpretaci výsledků jsou důležité relativní rozdíly mezi vzorky. Ty jsou vždy jiné a nelze říci, o kolik promile se liší autotrofní C3 rostlina oproti C4 nebo živočichovi. Každý druh na lokalitě je jiný.