Серия «Интересные образцы»

Нарвалы - очень интересные морские млекопитающие ("морские единороги"), про которых известно не очень много. В частности, потому что они любят проводить много времени на большой (до километра!) глубине.

Спирально закрученный бивень нарвала - это не рог, а зуб. Зубы вообще у них интересные: они растут непрерывно, и новые слои на зубах постепенно нарастают сверху, как годовые кольца у деревьев.

Если сделать тонкий спил зуба (либо бивня), то можно посмотреть распределение в нем химических элементов.

Вот, например, распределение кальция - казалось бы, ничего особенного, все очень равномерно. Хорошо минерализованный зуб, никакого кариеса :)

А вот стронций - тут гораздо интереснее:

Цвета тут просто показывают относительную концентрацию, темно-синий - ноль, желтый - максимальная (это так называемая цветовая шкала "Viridis", тема для отдельного поста).

Во-первых, при чем тут стронций? Ведь основной минерал зубов у нарвала такой же, как у человека - гидроксиапатит кальция Са10(РО4)6(ОН)2. Тут кальций, фосфор, кислород и водород - где же там стронций-то?

Ну дело в том, что в природе ничего чистого не бывает, в том числе в кристаллах. Если при формировании (росте кристалла) попадается атом или ион более-менее подходящий по размеру и химическим свойствам - он влезает на подходящее место. Так OH-группа частично заменяется на фтор (что для зубов, особенно эмали, полезно), а на место кальция влезает стронций. Что вообще-то нифига НЕ полезно. Стронций - это сосед кальция снизу по периодической таблице. У него очень похожие химические свойства на кальций, поэтому почти все биологические процессы, если им попадается стронций, используют его вместо кальция. И в зубы его встраивают, и в кости. Особенно это неприятно, если кто-то попал в область заражения радиоактивным изотопом стронция-90: если он попадет в организм, то организм его сразу встраивает в кость, и его оттуда уже никак не вытащить - будешь до конца жизни ходить и облучать сам себя изнутри, что как бы не очень полезно. Но в данном случае мы говорим об очень маленьких концентрациях в любом случае.

Во-вторых, а откуда берутся колебания концентрации стронция? Почему его то больше, то меньше? Дело в том, что нарвалы, как и большинство арктических животных, имеет сезонную миграцию. Летом на север, зимой на юг. При этом у них меняется и диета: в одно время года они едят больше головоногих моллюсков, в другое время года больше криля и рыбы, в которых разное содержание стронция. Вот так и получаются годовые кольца в зубах.

В-третьих: а как эти картинки получают? Мы используем метод рентгеновской флюоресценции.

Когда фотон рентгеновского излучения с достаточно большой энергией ударяет в атом, то он может "выбить" электрон с самого низкого электронного уровня. При этом образуется дыра (электронная вакансия) на самом "выгодном" для любого электрона энергетическом уровне. Разумеется, туда немедленно устремляется ближайщий электрон - кто первый успел, тот и занял. И если электрон перелезает с 2s орбитали на 1s, то у него образуется "лишняя" энергия, от которой надо избавится - и она излучается в виде фотона. А энергия этого фотона у каждого химического элемента строго своя. Она даже немного разная в зависимости от того, откуда именно прилетел на вакантное место на 1s-орбиталь электрон - с 2s орбитали или с 2p, например. Так что если просто бахнуть рентгеновским лучом в образец и специальным детектором посмотреть, как много и какой энергии рентгеновских фотонов из него вылетает, то у нас получается спектр, на котором есть отдельные пики: вот пик кальция, вот пик железа, вот пик стронция, а вот - цинка. И чем больше стронция, тем больше будет его пик. А дальше мы фокусируем наш рентгеновский пучок до примерно 20 микрон, и получаем концентрации химических элементов в этой точке. После чего сдвигаем образец на 20 микрон в сторону, и повторяем - получаем второй пиксель картинки, которую вы видите выше. Картинки выше имеют оригинальный размер 697х462 пикселя, то есть это 322014 отдельных измеренных спектров рентгеновского излучения. Дальше каждый из них анализируется - и вуаля. В принципе этот метод крайне чувствительный, и позволяет измерять даже очень низкие концентрации элементов - вопрос только в том, сколько времени ты готов потратить на измерение одного спектра, чтобы увидеть мааахонький пик.

Анализируя эти карты распределения химических элементов (ну еще и особенностей микрокристаллической структуры, о чем я тут вообще не писал), ученые пытаются что-то узнать и о механизме формирования зубов у нарвалов, и о миграциях этой конкретной особи, и даже о климатических изменениях в Арктике.