Lätta stabila isotopfraktioner som verktyg för biologisk forskning

Lätta stabila isotopfraktioner som verktyg för
biologisk forskning
Pro gradu-avhandling
Joachim von Schantz
Under handledning av Dage Sundholm
Helsingfors universitet
Kemiska institutionen
Laboratoriet för svenskspråkig undervisning
Mars 2008
1
Tiedekunta/Osasto - Fakultet/Sektion – Faculty
Laitos Institution – Department
Kemiska institutionen
Matematiska-naturvetenskapliga
fakulteten
Tekijä-Författare – Author
Joachim Carl Fredrik von Schantz
Työn nimi- Arbetets titel – Title
Lätta stabila isotopfraktioner som verktyg för biologisk forskning
Oppiaine - Läroämne – Subject
Kemi
Työn laji - Arbetets art
– Level
Aika - Datum – Month and
year
Sivumäärä - Sidoantal – Number of
pages
Pro gradu
Mars 2008
75
Tiivistelmä- Referat – Abstract
Det finns en mätbar entitet i all levande materia, nämligen förhållandet mellan ett
atomslags lätta och tunga isotop. Denna entitet divideras med en definierad
referens och ett värde erhålls som brukar anges i promille (‰). Värdet är ett mått
på isotopfraktionering. Genom att studera ekologi, taxonomi, kretslopp,
isotopeffekter, dokumenterad data och metabola effekter kan man skissera över
vad isotopfraktionen betyder. Migrationsbeteende, trofinätverk, dieter, miljö- och
klimatdata kan rekonstrueras i tid och rum. Vid rekonstruktioner av gången tid
har de museala samlingarna en nyckelposition. I litteraturöversikten tas teori,
praktik och forskning upp för att påvisa metodens faror och användningsområden.
Avainsanat – Nyckelord – Keywords
isotopfraktion, naturhistorisk samling, kretslopp, lätta stabila isotoper, migration,
trofi, diet, biologi, fysikalisk kemi, temporal, spatial
Säilytyspaikka – Förvaringställe – Where deposited
Laboratoriet för svenskspråkig undervisning
Muita tietoja – Övriga uppgifter – Additional information
2
Förord
Till skillnad från min far Filip von Schantz som hade tre referenser i sin pro graduavhandling har jag över 200. Kan man inte utveckla nytt själv, har man inget annat
val än att kritisera andras alster. Jag vill tacka min far för att han inte bara har stött
mig i arbetet utan även gått bredvid mig som min gelike. Jag tackar min mor AnnaMaria von Schantz som hotar med arvslöshet ifall inte magisterspappren börjar synas
efter 18 år vid Helsingfors Universitet. Ett stort tack till min handledare Dage
Sundholm som orkat läsa disposition efter disposition och kommenterat rakt på sak
när arbetet inte längre är kemi eller något annat vetenskapligt godtagbart. Eloni
Sonninen och Högne Jungner, Ni har handlett arbetet ur en pragmatisk och fysikalisk
synvinkel. Utan Er skulle mången grundpelare vara sned. Tusen tack! Allmänna
avdelningen på Naturhistoriska centralmuseet har gett ett stort stöd och då främst
min förman Jörgen Palmgren. Tack! Till sist men inte minst tackar jag min familj
som stött mig genom att ge rum och ro att skriva. Tack Riina, Fanny och Axel.
Joachim von Schantz
09.03.2008
3
Innehållsförteckning
1 Akronymer och förkortningar ............................................................................... 5
2 Sammanfattning ................................................................................................... 9
3 Inledning .............................................................................................................. 9
4 Teori .................................................................................................................. 10
4.1
All biologisk materia består av atomer........................................................... 11
4.2
Isotopeffekter ................................................................................................ 12
4.3
Isotopfraktioner ............................................................................................. 14
4.3.1
Jämviktsfraktionering ............................................................................. 14
4.3.2
Fraktionering genom diffusion ............................................................... 15
4.3.3
Kinetisk fraktionering ............................................................................ 16
5 Masspektrometri för stabila isotoper ................................................................... 17
5.1
Masspektrometerns funktionsprincip ............................................................. 17
5.2
Beräkning av förhållandet mellan olika isotoper i masspektrometern ............. 19
5.3
Presentation av resultat .................................................................................. 20
6 Referenser för stabila isotoper ............................................................................ 21
6.1
Referenser för kol, kväve och svavel ............................................................. 22
6.2
Referenser för syre och väte .......................................................................... 22
7 Kretslopp ........................................................................................................... 22
7.1
Energins kretslopp ......................................................................................... 23
7.2
Kolets kretslopp ............................................................................................ 24
7.3
Syrets kretslopp ............................................................................................. 25
7.4
Kvävets kretslopp .......................................................................................... 26
7.5
Vätets kretslopp............................................................................................. 28
7.6
Svavlets kretslopp ......................................................................................... 28
8 Lätta stabila isotoper som indikatorer ................................................................. 30
8.1
Isotoper i vatten............................................................................................. 30
8.2
Isotoper som koordinater ............................................................................... 32
8.3
Isotoper i producenter .................................................................................... 33
8.4
Isotoper i konsumenter .................................................................................. 35
8.5
Isotoper som tidsaxel ..................................................................................... 36
9 Biologisk forskning med isotoper som indikatorer .............................................. 37
9.1
Analytiska fel vid isotopfraktionsanalyser gällande biologisk forskning ........ 37
4
9.2
Isotoper som indikatorer för miljöförändringar .............................................. 38
9.3
Isotoper som indikatorer för diet och trofisk nivå........................................... 40
9.3.1
Fåglar ..................................................................................................... 40
9.3.2
Däggdjur ................................................................................................ 47
9.3.3
Leddjur .................................................................................................. 49
9.4
Isotoper som indikatorer för migrationsbeteende ........................................... 51
10 Diskussion.......................................................................................................... 53
11 Synpunkter om metodens allmänna betydelse och tillämpbarhet ......................... 55
12 Tankar som undersökningen väckt...................................................................... 56
Bilaga 1 Isotoptabell komponerad från wikipedia .................................................... 58
Bilaga 2 Mätresultat av valda prover ...................................................................... 59
13 Referenser och internet adresser ......................................................................... 60
5
1 Akronymer och förkortningar
µ
reducerad massa
13
C
kolisotop med 13 neutroner i kärnan
14
C
instabil kolisotop, med 14 neutroner
i kärnan,
15
N
kväveisotop med 15 neutroner i
kärnan
a
acceleration
a, b
A1, B2, A2, B1
amu
Molära konstanter
Atomslag A av isotop 1, B av isotop
2, A isotop 2 och B av isotop 1.
Isotop 1 är lätt medan 2 är tung
atomära enheter
B
magnetiskt fält
BP
Before Present, ”före nutid”, 14Cdateringsenhet i år
C
p
grundämnet kol
partialtryck av en gas
C3
Fotosyntetiskt reaktionsförlopp
innefattar en intermediär med 3
kolatomer
C4
Fotosyntetiskt reaktionsförlopp
innefattar en intermediär med 4
kolatomer
C6H12O6
glukos
CAM
Crassulacean acid metabolism ,
Fotosyntetiskt reaktionsförlopp för
en del växter i arida miljöer t.ex.
kaktus
CDT
Cañon Diablo Troilite, material från
en meteor, referens för svavel
cn
probabilitetsfaktor
6
CV
coefficient of variation, variations
coefficient
D
diffusionskonstant
dC/dx
koncentrationsgradient
DMS
dimetylsulfid
DNA
e
deoxyribonucleic acid
deoxiribonukleinsyra,
elektron
E elektriskt fält
SI-enhet, newton per coulomb eller
volt per meter
E kinetisk
Ei
F
kinetisk energi
energi för tillstånd i
Lorentz kraft
FFick
gasflöde genom en yta, Fick’s lag
gi
GIS
degenerationen för tillstånd i
Graphical Information System, CAD
applikation för kartor
h-index
Hirsch-index, ett mått på en
forskningsenhets impakt på
forskningsområdet
HO2
hydroperoxylradikal, pKa 4.8
i
I
kvantiserat tillstånd för ett species
elektrisk ström
IAEA
IAEA-NBS19
International Atomic Energy Agency,
Internationella atomenergi
kommissionen.
karbonat, som referens för kol
IAEA-S-1
silversulfid, som referens för svavel
IR
IRMS
Infraröd
Isotope Ratio Mass Spectromters,
Isotop fractions spektrometer
ISOHIS
Isotope Hydrology Information
System, informations system för
vatten och isotoper
IUPAC
k
International Union of Pure and
Applied Chemistry
Boltzmanns konstant
7
K
k
jämviktskonstant
hastighetskonstant
m
M
massa
molmassa
N
n
antalet neutroner i kärnan
antal atomer
NASA
National Aeronautics and Space
Administration, luft- och
rymdfartsverket i USA
NELLI
Nationell internetportal för
vetenskapliga tidskrifter
NMR
Nuclear Magnetic Resonance
OCR
Optical character recognition,
dataprogram som läser in text från
bilder
PDB
PeeDee Belemnite, fossil som
referens för kol
pKa
Syrakonstanten
Q
q+
partitionsfunktion
positivt laddad partikel
r
radie
R
Ratio, förhållande mellan isotoper
i ett prov eller referens material
SCOPE
Scientific committee of problems
with the environment, grundat av
International Council for Science
(ICSU) 1969
SIA
Stabile Isotope Analysis,
Masspektrometri för stabila
isotoper
SIBAE
Stable Isotopes in BiosphericAtmospheric Exchange
SLAP
Standard Light Antarctic
Precipitation, referens för syre
och väte
8
SLAP2
Standard Light Antarctic
Precipitation version 2, ersätter
SLAP
SMOW
Standard Mean Ocean Water,
referens för syre och väte
sp.
sp. efter en taxon betyder att hela
underliggande hierarkin avses
t.ex. Larus sp. = alla trutar
T
Tg
temperaturen i Kelvin
teragram, SI-enhet, 1012 gram
USGS
v
U.S. Geological Survey, Förenta
staternas geologiska
forskningscentral
hastighet
V
elektrisk spänning
v1/v2
uttryck för massförhållande
mellan två olika isotoper
VPDB
Vienna PeeDee Belemnite, som
referens för kol
VSMOW
Vienna Standard Mean Ocean
Water, referens för syre och väte
VSMOW2
Vienna Standard Mean Ocean
Water version 2, referens för syre
och väte
Z
α
antal protoner i atomkärnan
fraktionsfaktor
δ13C
isotopfraktionen för kol mätt i
antal atomer 13C/12C
δ15N
isotopfraktionen för kväve mätt i
antal atomer 15N/14N
δ18O
isotopfraktionen för syre mätt i
antal atomer 18O/16O
δD
isotopfraktionen för väte mätt i
antal atomer 2H/1H
9
2 Sammanfattning
Det finns en mätbar entitet i all levande materia, nämligen förhållandet mellan ett
atomslags lätta och tunga isotop. Denna entitet divideras med en definierad referens
och ett värde erhålls som brukar anges i promille (‰). Värdet är ett mått på
isotopfraktionering. För att fritt citera Adams1 ”svaret är 42, men vad är den yttersta
frågan om livet, universum och allting”. Genom att studera ekologi, taxonomi,
kretslopp, isotopeffekter, dokumenterad data och metabola effekter kan man skissera
över vad isotopfraktionen betyder. Migrationsbeteende, trofinätverk, dieter, miljöoch klimatdata kan rekonstrueras i tid och rum. Vid rekonstruktioner av gången tid
har de museala samlingarna en nyckelposition. I litteraturöversikten tas teori, praktik
och forskning upp för att påvisa metodens faror och användningsområden.
3 Inledning
All biologisk materia består av atomer. Atomer är grundämnen, byggstenar av vilka
all materia är uppbyggd. Atomerna är tabellerade i ett periodiskt system. Isotoper är
atomer tillhörande samma atomslag men med varierande masstal. Termerna isos och
topos kommer från grekiskan och betyder ”samma plats” med hänvisning till det
periodiska systemet. Isotoperna är tabellerade i bilaga 1.
Sedan deuterium på 1930-talet upptäcktes av Urey et al. 19322 har det gjorts
omfattande forskning inom ämnet. Miljön, klimatet, historien kort sagt: planeten vi
bor på är föremål för isotopforskning. Lätta stabila isotopfraktionsanalyser som
verktyg för biologisk forskning är endast en liten sektor av hela forskningsområdet,
även om denna lilla sektor är alldeles för stor för en litteraturöversikt.
I världen finns stora samlingar av biologiskt material, för det mesta i naturhistoriska
museer. Det äldre materialet, äldre än 50 år, kan ha och har dåligt dokumenterad
information om uppsamlingsplatsen. Vid monetering och ringmärkning fås
information om var individen är nu, inte var den har varit. DNA-forskningen ger
information om släktskap individer emellan medan individens möjliga förflyttningar
inte kan kartläggas. Information om individers diet och därigenom den biotop i
vilken individen har levt finns kanske sparad i de museala samlingarna. Utdöda arters
utbredningsinformation kan genereras från ben, skinn, skal, fossiler och andra
vävnader. Näringsvävar3 och näringsämnen samt miljögifter innehåller isotoper.
10
Isotopfraktionerna kan kanske spåras till sin källa, samtidigt fås en bild av
isotopernas färdväg genom ekosystemet.
Lätta stabila isotopfraktioner har tillämpningar i biologisk forskning. En
snabbsökning på NELLI 4 med orden ”isotope biology” ur ”Bio- och
miljövetenskaper” gav ca. 100 000 resultat oktober 2007. Detta ger en fingervisning
om omfattningen av isotopers deskriptivitet. I sökningen togs inte ställning till
artiklarnas relevans eller duplikat. Denna avhandling påvisar hur stabil isotopanalys
(SIA) kan användas och används för att få kompletterande information i biologisk
forskning. Det finns 117 olika atomslag, varav ungefär 30 är viktiga för livet på
jorden. 91 atomslag har stabila isotoper. Fram till U (uran, 92) har atomslagen stabila
isotoper i det periodiska systemet 5, förutom Tc (technetium, 43). Denna
litteraturöversikt fokuserar på de stabila isotoperna av väte (H), kol (C) kväve (N),
syre (O), och svavel (S). Om kemi och beräkningar känns främmande och den
biologiska forskningen intresserar, ögna bara igenom kapitel 2, 3 och 4. I stycket 2.1
”All biologisk materia består av atomer”, förklaras de mest grundläggande
begreppen. Biologisk forskning skall här tolkas ganska brett, inom biologisk
forskning faller djur och växter oberoende av tidsperiod. Mera ingående refereras
forskning rörande däggdjur, fåglar, leddjur i stycket 7.3 och växter i stycket 6.3,
eftersom dessa organismer finns rikligt i Naturhistoriska Centralmuseets samlingar.
Fiskar är en stor grupp som inte tas upp i litteraturöversikten även om SIA används
inom området. Målsättningen med detta pro gradu-arbete har uppfyllts om en kurator
för någon samling på något museum läser arbetet och tänker ”det kanske finns något
i denna metod”.
4 Teori
Grundämnen definieras enligt antal protoner (Z) i kärnan. Isotopnumret definieras
enligt antal neutroner (N) i kärnan. Atomvikten i ett atomslag är i stort sett
proportionellt mot N+Z. I biologisk forskning är man för det mesta intresserad av
isotoper som förekommer allmänt i biosfärenI. Varje atomslag har minst en allmän
och en eller flera sällsynta isotoper, se bild 1.
I
Jordens tunna skikt som inkluderar alla ekosystem.
11
Bild 1. Schematisk bild av tre olika isotoper för väte. Först det mest vanliga utan
neutron, väte. Följande i ordningen är deuterium med en neutron och sist det mest
ovanliga tritium med två neutroner i kärnan. Se kapitlet 5.5.
e-
e-
+
Proton
Proton+
Neutron
Neutron
Tritium (H 3,T)
Väte (H1 )
Proton+
Neutron
e
Deuterium (H2 ,D)
4.1
All biologisk materia består av atomer
Atomslaget definieras enligt antal protoner i kärnan och anges av atomnumret.
Atomslagen är tabellerade bl.a. i wikipedia6. Kemiska egenskaperna är bundna till
atomslaget. Bilaga 1 är en isotopkarta sammansatt från wikipedia. Isotopnumret är
antalet nukleoner i isotopens atomkärna. Nukleoner är gemensam benämning för
protoner och neutroner. Joner är laddade partiklar, som tagit emot eller gett ifrån sig
en eller flera elektroner. Isotopomerer, sammansatt av orden ”isotop” och ”isomer”,
är kemiskt motsvarande molekyler med samma antal isotoper men isotoperna har
olika strukturella platser7.
Man skiljer vanligen på stabila och instabila (radioaktiva) isotoper. Det har upptäckts
ungefär 300 stabila och över 1200 instabila isotoper 8. I regel är det antalet protoner
och neutroner i kärnan som avgör stabiliteten i atomkärnan9. Stabiliteten är ett
relativt begrepp som beror på möjligheten att mäta sönderfall genom tiden. De flesta
grundämnen har kända isotoper, t.ex. cesium 137. Cesium 137 är radioaktivt och
kom som nerfall över Europa, efter reaktorolyckan 1986 i Tjernobyl, Vitryssland.
Strålning är en fara för levande celler och kan ge upphov till mutationer, cellskador
och död. Man skiljer på två olika grundsönderfall, alfa och beta sönderfall. När en
kärna sönderfaller och avger två protoner och två neutroner (heliumkärna) kallas det
alfasönderfall. Alfastrålningen går ej igenom huden men är farlig om ämnet som
avger strålning kommer in i organismen. Alfapartiklarna kan påverka DNAmolekylens sammansättning och därigenom orsaka mutationer 10. Om antalet
nukleoner i kärnan hålls konstant men förhållandena mellan protonerna och
neutronerna förändras kallas det för beta sönderfall. Stabila isotoper avger ingen
12
strålning eftersom de inte faller sönder inom en mätbar tid II. Grundämnena C (kol), S
(svavel), N (kväve), O (syre) och H (väte) har flera stabila isotoper som förekommer
i naturen, se tabell1.
Tabell 1.
Lätta naturliga isotoper i biosfären. Tabellen visar den
procentuella andelen isotoper av samma atomslag11.
Grundämne
Isotop
%-förhållandet
Kol
12
C
98,90
13
C
1,10
14
N
98,63
15
N
0,37
16
O
99,762
17
O
0,038
18
O
0,200
Kväve
Syre
Väte
Svavel
4.2
1
H
99,985
2
H
0,015
16
S
95,02
17
S
0,75
18
S
4,21
20
S
0,02
Isotopeffekter
Då samma atomslag uppvisar olikheter vid fysikaliska och kemiska processer kallas
det för isotopeffekter. Olikheter i fysikalisktkemiska egenskaper för isotoper har
sitt ursprung i kvantmekaniken12. Många fysikaliska egenskaper för ett atomslag är
bundna till kärnan, medan de kemiska egenskaperna har sitt säte i elektronorbitaler. Det betyder att de kemiska egenskaperna är så gott som lika för olika
isotoper av samma atomslag. Utbyte av en isotop mot en annan är en av de minsta
störningar man kan åsamka ett kemiskt system. Tillförs en neutron till kärnan kan
det leda till sänkt reaktionshastighet samt till förändringar i Raman- och i det
infraröda (IR) -spektra. Förändringar i IR och Raman spektra beror på att
Uranets sönderfall till bly (238U, 206Pb) är det långsammaste kända sönderfallet med en halveringstid
på 4,5 x 1012 år.
II
13
molekylens vibrationsrörelser och deras energirörelser påverkas av att kärnorna är
olika tunga. Vibrationsrörelsen är den viktigaste rörelsen som ger upphov till
isotopeffekter, rotations- och translationsrörelser har mycket låg eller ingen
möjlighet att framkalla isotopeffekter. Nollpunktsenergi i en molekyl är beroende
av atomslagens effektiva massor, vilket leder till att molekylbindningar som
involverar en lättare isotop är svagare, samt att lättare isotoper reagerar med större
affinitet, än tyngre isotoper. Nollpunktsenergiförskjutningar bör främst tas i
betraktande då man undersöker kovalenta bindningar till deuterium och väte, för
övriga atomslag är den liten.
En molekyl med en tyngre isotop har samma kinetiska energi som en med en lättare
isotop. Enligt den klassiska fysiken är den kinetiska energin för en idealgas:
3
1
𝐸𝑘𝑖𝑛𝑒𝑡𝑖𝑠𝑘 = 2 𝑘𝑇 = 2 𝑚𝑣 2
(2.1)
k= Boltzmanns konstant, T = temperaturen i Kelvin, m = molekylär massa och v =
molekylens medelhastighet. Energinivån bestäms av T eftersom massan m och
hastigheten v har en konstant produkt. Då massan ökar minskar hastigheten för att
energin skall vara oförändrad. Det leder i sin tur till att tyngre molekyler har lägre
diffusionshastighet, samt att kollisionsfrekvensen med andra molekyler är lägre.
Tyngre isotoper i molekyler har starkare bindningar dvs. energinivåerna i
potentialenergikurvan är lägre, se bild 2. Vibrationsrörelser och deras
spektroskopiska egenskaper finns att läsa mera om i Modern Spectroskopy13.
14
Bild 2. Bindningsenergin för en molekyl med två atomer. Ena atomen är i origo,
medan den andra atomen visas med olika färger på olika avstånd från origo. Den
lodräta axeln visar energinivån medan den vågräta visar avståndet mellan atomerna.
När temperaturen ökar minskar skillnaden mellan energinivåerna för att gå mot ett
kontinum, vilket bidrar till en svagare isotopeffekt eftersom energinivåerna inte kan
entydigt skiljas åt.
Potentialenergikurvan för en molekyl med två atomer
Potentialenergi
sigma orbital
0
Avstånd mellan partiklarna
4.3
Isotopfraktioner
En isotopfraktion kan urskiljas om den kemiska reaktionen har en isotopeffekt 14 samt
reaktionens produkt inte är kvantitativ. Förhållandet mellan två isotoper av samma
atomslag mätt i två olika ämnen med olika isotopförhållanden kallas för
isotopfraktion. Isotopfraktionen beskrivs med δ av den tyngre isotopen t.ex.δ 15N. De
främsta orsakerna till isotopfraktioner är isotopsubstitution och kinetiska processer,
vilka uppkommer pga. skillnader i reaktionshastighet för molekyler med olika
isotoper av samma atomslag.15
4.3.1 Jämviktsfraktionering
Isotopsubstitution, som begrepp, är applicerbart när normala förändringar i kemiska
system inte förekommer. Isotopsubstitution förekommer när isotopfraktionerna
förändras mellan olika kemiska species, olika faser eller mellan olika molekyler. 8
Isotopsubstitutionsreaktioner är jämviktsreaktioner och kan skrivas enligt:
𝑎𝐴1 + 𝑏𝐵2 ↔ 𝑎𝐴2 + 𝑏𝐵1
(2.2)
15
Underindexet 1 och 2 indikerar att molekylen A eller B innehåller en lätt eller tung
isotop. Molmassan beskrivs av a och b.
Jämviktskonstanten K kan härledas enligt:
𝐾=
𝐴
( 2 )𝑎
𝐴1
(2.3)
𝐵
( 2 )𝑏
𝐵1
Genom den statistiska mekaniken kan den isotopiska jämviktkonstanten beskrivas
med partitionsfunktionen Q för de olika specierna:
𝑄𝐴
𝐾=
𝑄𝐴
𝑄𝐵
𝑄𝐵
𝑄=
2
1
2
(2.4)
1
𝐸𝑖
(− )
𝑖 (𝑔𝑖 𝑒 𝑘𝑇 )
(2.5)
I ekvation 2.5 summerar man över alla tillåtna energinivåer Ei för molekylerna och gi
beskriver degenerationsnivån för nivå i samt T är temperaturen. Partitionsfunktionen
för en molekyl kan delas upp i olika energifaktorer dvs. translation, vibration och
rotation, ekvation 2.6.
𝑄2
𝑄1
=
𝑄2
𝑄1 𝑣𝑖𝑏𝑟𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛
×
𝑄2
𝑄1 𝑟𝑜𝑡𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛
×
𝑄2
𝑄1 𝑡𝑟𝑎𝑛𝑠𝑙𝑎𝑡𝑖𝑜𝑛
(2.6)
Förhållandet för translation och rotation är för det mesta mycket nära 1, för
noggrannare beräkningar bör rotationstermen tagas i betraktande. Det är alltså främst
vibrationsrörelsen som är källan till isotopeffekten.
4.3.2 Fraktionering genom diffusion
Utgående från Fick’s lag för gasflöde genom en yta:
𝑑𝐶
𝐹𝐹𝑖𝑐𝑘 = −𝐷 𝑑𝑥
(2.7)
där dC/dx är gradienten för koncentrationen som diffunderar. D är
diffusionskoefficienten. D är proportionell mot T temperaturen och den inversa
kvadratroten av molekylmassan. Proportionaliteten beror på att alla molekyler i en
1
gasblandning har samma temperatur och därigenom samma kinetiska energi ( 2 𝑚𝑣 2 ).
Den reducerade massan µ bör tas i betraktande om en gas rör sig genom en annan.
16
𝑚𝐴𝑚𝐵
𝜇=𝑚
(2.8)
𝐴 +𝑚 𝐵
Fraktionsfaktorn α kan sedan erhållas enligt:
𝐴2
𝐴 1 𝑃𝑟𝑜𝑣 𝑋
𝐴2
𝐴 1 𝑃𝑟𝑜𝑣 𝑌
𝛼=
(2.9)
vilket leder till:
𝑀 𝐴 2 +𝑀 𝐵 1 𝑀 𝐴 1 × 𝑀 𝐵 1
𝑀 𝐴 2 × 𝑀 𝐵 1 𝑀 𝐴 1 +𝑀 𝐵 1
𝐷
𝛼 = 𝐷2 =
1
(2.10)
de molekylära massorna har ersatts med molvikten M.
Om isotoperna är godtyckligt ordnade i ämnena X och Y har jämviktskonstanten K
och α följande förhållande:
𝛼 = 𝐾 1/𝑛
(2.11)
Termen n representerar antal utbytta atomer. För enkelhetens skull hanteras oftast
substitutionen av endast en atom vilket leder till K = α.
4.3.3 Kinetisk fraktionering
Kinetisk fraktionering uppstår vid kemiska reaktioner där det ena speciet är selektivt
beträffande atommassan. 16 Kinetisk fraktionering kan förekomma vid irreversibla
reaktioner. Isotopfraktionsanalyser gjorda på kemiska reaktioner visar att lätta
isotoper favoriseras. Man kan beskriva en kemisk reaktion där det finns en möjlighet
att ha två olika isotoper inblandade på följande sätt:
𝐴1
𝑘1
𝐵1 och 𝐴2
𝑘2
𝐵2
(2.12)
Förhållandet mellan hastighetskonstanterna k i de båda fallen kan omformas till ett
förhållande mellan två partitionsfunktioner. Partitionsfunktionen Q för de två
reaktanterna och för det aktiverade komplexet A* har följande uttryck:
𝑘1
𝑘2
=
𝑄 ∗ (𝐴2 )
𝑄 ∗ (𝐴
1
𝑄 ∗ (𝐴∗ ) 𝑣1
2
/
) 𝑄 ∗ (𝐴∗ )
1
𝑣2
(2.13)
𝑣
Förhållandet 𝑣1 anger massförhållandet mellan de två isotoperna. Förhållandet mellan
2
hastighetskonstanterna ger i princip jämviktskonstanten men inte med en hög
17
noggrannhet pga. att det är svårt att ”isolera” det aktiverade komplexet. I
reaktionskinetiken sker kontinuerligt framsteg17 som direkt har implikationer för
tolkningen av resultat rörande SIA i biologisk forskning. När atomer som inte direkt
är involverade i isotopsubstitutionen påverkas kallas det för sekundära kinetiska
isotopeffekter. Isotopsubstitutionen ger upphov till förändringar i molekylens
vibrationer och kan ge upphov till förändringar i aktiveringsenergin för olika
kemiska reaktioner 18.
5 Masspektrometri för stabila isotoper
Det gemensamma för alla masspektrometrar är vissa tekniska grundkomponenter
samt att jonladdning och atommassa är parametrar som separerar partiklarna från
varandra. Grundkomponenterna är jonkällan, analysatorn och jonuppsamlaren.
IUPAC’s Gold och Orange böcker 19, 20 redogör för kemins och analytiska kemins
terminologi.
5.1
Masspektrometerns funktionsprincip
Eftersom atomslagets isotoper har samma kemiska betingelser men olika vikt, skiljs
isotoperna från varandra med hjälp av vikten. 21 En metod är att använda en
masspektrometer. Masspektrometern kan skilja på atomer eller egentligen joner med
olika massa, se bild 3. Masspektrometern kan också beräkna förhållandet mellan
joner22.
18
Bild 3. I masspektrometern accelereras jonerna med högspänning. Det elektriska
fältet är vinkelrätt mot magnetfältet. När partikeln träffar joninsamlaren avger
partikeln sin positiva laddning och denna urladdning mäts.
Hö
gs
pä
Po
si
t
iva
er
n
jo
nn
in
Joniserings kammare
Tyngre joner
Magnetfält
15-50 cm
g
Lättare joner
J
i
on
ns
l
am
a re
Jonernas bana blir cirkulär pga. Lorentz kraften 𝐹 som är lika med den
centripetalkraft som krävs för att hålla partikeln i en cirkulär bana, se bild 4.
𝐹 = 𝐵 × 𝑞𝑣
𝐹=
𝑚 𝑣2
𝑟
= 𝐵𝑞𝑣
(3.1)
Bild 4. En laddad partikel med den positiva laddningen q+ och massan m rör sig på
en plan yta med hastigheten v i ett magnetiskt fält B. Magnetfältet B är vinkelrätt i
förhållandet till planet. Lorentz kraften F är vinkelrät mot B och v och tvingar
partikeln att följa en cirkulär bana.
m
r
F
q+
v
B
𝐹 = 𝑞 𝐸 + 𝑣 × 𝐵 , (Lorentz lag)
(3.2)
𝐹 = 𝑚𝑎, (𝑁𝑒𝑤𝑡𝑜𝑛𝑠 𝑎𝑛𝑑𝑟𝑎 𝑙𝑎𝑔)
(3.3)
19
Genom att kombinera Lorentz´ och Newtons lagar kan man härleda en grundsats
för masspektrometrin
𝑚
𝑞
𝑎 = 𝐸𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑖𝑠𝑘𝑡
+𝑣×𝐵
𝑓ä𝑙𝑡
(3.4)
Termen a beskriver accelerationen för en partikel med massan m och jonladdningen
q. Partikeln rör sig genom det elektriska fältet E. Vektorprodukten av jonhastighet
och det magnetiska fältet beskrivs som v x B. Genom att definiera den elektriska
spänningen V får man ett uttryck för den kinetiska energin:
1
2
𝑚𝑣 2 = 𝑞𝑉 = 𝐸𝐾𝑖𝑛𝑒𝑡𝑖𝑠𝑘
(3.5)
𝑒𝑛𝑒𝑟𝑔𝑖
Ur dessa härleds följande utryck:
1
𝑟=𝐵
2𝑚𝑉
(3.6)
𝑞
För envärt positiva och negativa joner är q = 1,6 x 10 -19 C (Coulomb) samt B och V
är justerbara storheter. Under en mätning hålls B och V konstant. Således är radien
proportionell mot kvadratroten ur jonmassan.
När man approximerar
𝑑𝑟
𝑑𝑚
~
∆𝑟
∆𝑚
får man ett uttryck för masspektrometerns
resolution.
𝑚
∆𝑚
=
2𝑉/𝑞
𝐵
𝑟
(3.7)
∆𝑟
När isotopmasspektroskopi görs med IRMS (Isotope Ratio Mass Spectromters) är
magnitudens resolution ungefär 100 dvs. låg.
5.2
Beräkning av förhållandet mellan olika isotoper i masspektrometern
I joninsamlaren avger isotoperna den elektriska laddningen i form av den elektriska
strömmen I. Utgående från I kan partialtrycket p i den tillförda gasen beräknas.
Partialtrycket ingår i konstanten c och underindexet på I och c kommer från speciens
atomvikt i Dalton. Som exempel visas väte och koldioxid. I uttrycket används
följande beteckningar runt elementsymbolen:
antal protoner i kärnan
laddning
atomer i molekylen om mera än 1
Atomslag antal
20
𝐼2 = 𝑐2
1
𝐻2+
𝐼3 = 𝑐3
2
𝐻 1𝐻 + + 1𝐻 +3 ,*
𝐼44 = 𝑐44
12
𝐶 16 𝑂2+
𝐼45 = 𝑐45
13
𝐶 16 𝑂2+ + 12 𝐶 16 𝑂 17 𝑂+
𝐼46 = 𝑐46
12
𝐶 17 𝑂2+ + 12 𝐶 18 𝑂 16 𝑂+ + 13 𝐶 17 𝑂 16 𝑂+
(3.8)
Konstanterna cn innehåller partialtrycket, sannolikhetsfaktorn för joniseringens,
transmissionens och uppsamlingens effektivitet gällande en molekyl med massan n.
Eftersom dessa faktorer inte är enhetliga, normaliseras resultaten med internationellt
fastställda normer som referens. När mätningsresultat i exemplet med väte och
koldioxid normaliseras fås:
𝐼3
𝐼2
𝐼3
𝐼2
𝑝𝑟𝑜𝑣
𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑠
=
𝑐3
𝑐2
𝑐3
𝑐2
2𝐻 1𝐻 + + 1𝐻 +
3
𝑝𝑟𝑜𝑣
1𝐻 +
2
2𝐻 1𝐻 + + 1𝐻 +
3
𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑠
1𝐻 +
2
(3.9)
*I exemplet framkom det att 1𝐻+3 stör beräkningarna. I den joniserade gasen
kombineras vätgas med en vätejon och bildar
1
𝐻+3 som också har massan 3 Da.
Störningen elimineras genom att extrapolera tills joniseringskammarens gastryck
närmar sig noll, varvid 1𝐻+3 bildningen kan försummas.
5.3
Presentation av resultat
Vid rapportering av analysresultaten finns det av IUPAC 23 och IAEA24 godkända
normer hur resultaten skall presenteras 25. Många isotopforskare är känsliga för
felaktig användning av isotopterminologin. Harmon Craig’s 26, 27 limerick ger en
fingervisning om hur viktiga termerna är för en som är insatt i ämnet. Limericken
kan extrapoleras till alla forskningsområden med resultatet att användningen av rätt
21
terminologi underlättar kommunikationen discipliner emellan.
There was was a young man from Cornell
Who pronounced every “delta” as “del”
But the spirit of Urey
Returned in a fury
And transferred that fellow to hell
Harmon Craig
Stabila isotopers fraktioner för ”lätta” atomslag såsom väte, kol, kväve, syre och
svavel anges i promille (‰).
Ett typiskt resultat är 4,79 δ15N(‰). Fraktionen är analyserad ur en fjäril tillhörande
arten Kommajordfly (Agrotis ipsilon, Hufnagel, 1766)28, insamlad i Borgå, 1981, se
bilaga 2.
I väte- och koldioxidexemplet fås då följande uttryck:
𝛿(‰). = �
2𝐻
� 1 �𝑝𝑟𝑜𝑣
𝐻
2𝐻
� 1 �𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑠
𝐻
− 1� × 1000 = �
0
𝐼
� 3 � 𝑝𝑟𝑜𝑣
𝐼2
𝐼3 0
� � 𝑟𝑒𝑓𝑒𝑟𝑒𝑛𝑠
𝐼2
− 1� × 1000
(3.10)
Övre indexet 0 markerar att det har korrigerats för 1𝐻+3 bildning.
δ förhåller sig till fraktionsfaktorn α (ekvation 2.9) enligt 29:
𝛿𝐴 − 𝛿𝐵 ≅ ∆𝐴−𝐵 ≅ 103 𝑙𝑛 𝛼𝐴−𝐵
(3.11)
6 Referenser för stabila isotoper
Olika standarder/referenser används vid rapportering av isotopiska
sammansättningar. Sammansättningen av de olika referenserna anges i ‰.
Referensen beställs30 av IAEA eller av en av IAEA godkänd partner. Det finns olika
referensmaterial, dessa är definierade i en artikel 31 publicerad av IAEA.
Referenserna från IAEA finns att tillgå i små mängder samt är ransonerade. Därför
finns det otaliga interna referenser inom laboratorier och forskningsgrupper. De
interna referenserna kalibreras mot IAEA’s referenser. Materialet som används som
22
referens kan ta slut och då måste det göras nya referenser. De nya referenserna
kalibreras till de föregående referenserna, detta gäller för både IAEA och för de
enskilda laboratorierna. Det viktigaste med referenserna är att de ger samma resultat
oberoende när mätningarna görs samt att de är i närhet av värdet för provfraktionen.
6.1
Referenser för kol, kväve och svavel
Kvävets standard har definierats till isotopförhållandet i luft. CO 2 i luften kan ej
användas på motsvarande sätt för att bestämma kolisotopernas sammansättning,
eftersom förbränningen av biomassa påverkar kraftigt variationerna i mängden 13CO2
i förhållandet till 12CO2
32
, koldioxidens andel av atmosfären har dessutom inte varit
stabil under de senaste 540 miljoner åren33. Isotopförhållandet för kol
standardiserades enligt PeeDee Belemnite (PDB), fossil (Belemnitella americana
Morton, 1830) i geologiska avlagringar, South Carolina, USA. Svavel
standardiserades enligt, Cañon Diablo Troilite (CDT), material från en meteorit. PDB
och CDT referenserna har tagit slut och nya referenser har tagits i bruk av IAEA.
Istället för PDB används karbonaten IAEA-NBS1934 och silversulfiden IAEA-S-135
ersätter CDT.
6.2
Referenser för syre och väte
Stabila syre- och väteisotopiska förhållanden har rapporterats enligt SMOW36
(Standard Mean Ocean Water) VSMOW37 (Vienna Standard Mean Ocean Water),
och SLAP (Standard Light Antarctic Precipitation) referenserna. VSMOW2 och
SLAP238 är de referenser som IAEA rekommenderar att skall användas idag.
7 Kretslopp
När processer beskrivs i biosfären innefattande kretslopp av luft och vatten och de
partiklar som är vitala för biosfärens existens, måste det inses att kretsloppens
tidscykler är olika. Livet i de övre skikten av världens oceaner har snabba cykler.
Ljus, koldioxid, kväve och fosfater är essentiella för att phytoplankton skall kunna
växa. Dessa faller kanske offer för zooplankton som i sin tur kanske äts av fisk. De
flesta plankton dör naturligt inom några dagar eller veckor. Bakterier bryter ner de
döda vävnaderna och kretsloppet är efter veckor eller månader tillbaka till början.
Koldioxidutbytet mellan atmosfären och haven har en tidsrymd på fem till tio år. I
medeltal hålls en syremolekyl i atmosfären 10 000 år innan den tar del i en biologisk
process. Kvävemolekylen löser sig i vatten ungefär en gång per två miljoner år. 39 De
23
olika kretsloppen kan gå in i varandra men har också olika vägar. Att följa isotoperna
i nätverk av olika kretslopp är som att spåra en bok i Londons tunnelbanesystem.
Olika resenärer tar upp boken och läser den och lämnar den ifrån sig III. Fotosyntesen
är den mest gemensamma nämnaren i kretsloppen. Fotosyntesen är jämförbar med
Kings Cross i Londons tunnelbanesystem. Vid behandlingen av kretslopp har
material från SCOPE www.icsu-scope.org använts och referenserna tagits direkt från
kapitlens referenslistor t.ex. SCOPE 21 -The Major Biogeochemical Cycles and
Their Interactions C, N, P, and S Cycles: Major Reservoirs and Fluxes 40. Samma
kapitel kan ha många författare och t.o.m. för olika stycken kan det vara flera
författare.
7.1
Energins kretslopp
Livet på jorden är beroende av solens elektromagnetiska strålning som är livets
primära energikälla. Effekten som träffar marken är ungefär 1 kilowatt per
kvadratmeter under goda förhållanden.41. Solstrålningen möjliggör bl.a. fotosyntesen
(se bild 11 och 12) som är en redoxreaktion:
6 CO2 + 6 H2O+hν
C6H12O6 + 6 O2
hν betecknar den tillförda energin, h = Planks konstant och ν=frekvensen.
I biologin används beteckningarna producenter (autotrofer) och konsumenter
(heterotrofer), beträffande energiflödet i en närningsväv. Läran om trofi och
termodynamiken har olika referensramar, producenter skapar föda i läran om trofi
medan termodynamiskt tänkt konverterar producenten energi. Producenter är växter
som konverterar strålningsenergin till glukos, medan konsumenter äter glukosen och
kanske blir föda för andra konsumenter. Konsumenterna frigör energi genom
cellandning:
C6H12O6 + 6 O2
III
6 CO2 + 6 H2O + energi
För att kunna följa med böcker, inte bara i Londons tunnelbanesystem, utan över
hela världen finns det en webbsida www.bookcrossing.com där böcker kan registreras.
Tyvärr finns det ingen www.isotopcrossing.com vid skrivande stund 26.10.2007
24
För att beskriva kedjan av konsumenter används begreppen primär-, sekundär-, osv
tills topp-konsument. Primär konsumenterna delas ytterligare upp i betare, som äter
levande växter och detritusätare, nedbrytarna som äter döda djur och växter samt
avföring. Sekundärkonsumenterna äter primärkonsumenter osv. tills
toppkonsumenten inte äts av någon utan dör av naturliga orsaker och äts sedan upp
av nerbrytarna. Varje led i kedjan är en trofisk nivå där endast 10 % av energin går
vidare till nästa nivå. Som exempel kan nämnas att vargar som lever på Isle Royal
under sin i medeltal 5 åriga livstid äter mellan 100 och 150 älgar
42
. Älg är runt 90 %
av vargarnas föda43.
7.2
Kolets kretslopp
Det finns 0,001% (7,15 x 105 TgIV) kol i atmosfären, 0,059% (3,85 x 107 Tg) i haven,
litosfärenV innehåller 99,94% (6,5 x 1010Tg), bio- och pedosfärenVI innehåller
~0,004% (2-2,6 x 106 Tg). Kol finns bundet bl.a. i CO2 (koldioxid), HCO3(vätekarbonat) och CaCO3(kalk). Koldioxid finns i båda vatten och luft och det sker
ett ständigt utbyte av CO2. Växter använder koldioxid, vattenväxter kan även
använda vätekarbonat till fotosyntesen. Koldioxid återgår till kretsloppet genom
konsumenternas utandning, Se bild 5.
IV
Tg, Teragram ,1012g
Skorpan och översta delen av manteln hör till litosfären. Utgående från jordens mitt, är litosfären
den yttersta, tunna, fasta delen. Litosfären är en fysikalisk definition inte en kemisk. Litosfärens
medeltjocklek: kontinenter 35 km, oceaner 4,7km. CRC Handbook of Chemistry and Physics, 1th
Student edition Editor-in-Chief: Robert C. Weast CRC Press, 1991
VI
Yttersta skiktet av jordskorpan, den yta där atmosfären, litosfären, hydrosfären och biosfären går
samman.
V
25
Bild 5. Bilden beskriver kolets kretslopp. Den totala mängden kol är angivet i svart
och det årliga utbytet i lila. Bilden är tagen från hemsidan av NASA’s earth
observatory44.
Koldioxid och vatten bildar den svaga syran kolsyra (pKa 6,37). Kolsyran och
karbonater bildar ett buffertsystem i jämvikt 45. Producenterna bildar glukos av
vatten, koldioxid och solenergi. Konsumenterna äter producenterna och släpper ut
koldioxiden genom cellandningen. Som en återförenande länk i kretsloppet bryter
nedbrytarna ner döda växter och djur och frigör kolet som koldioxid. Vid syrefattiga
omständigheter frigör nedbrytarna inte koldioxid utan istället bildas det, under
miljontals år, fossila bränslen, som de senaste hundra åren har pumpats upp och
förbränts varigenom kolet återgår till kretsloppet, i form av koldioxid.
7.3
Syrets kretslopp
I jordskorpan finns 99,5% (1,3 x 1012 Tg) av syret på jorden. Syret är bundet som
silikater och oxider i olika mineraler. I biosfären finns 0,01%, (1,148 x 10 7 Tg) av
jordens syre och i atmosfären 0,36% (5,136 x109 Tg)10. Fotosyntesen bidrar mest till
det fria syret i biosfären46. Växter på land och phytoplankton i havet och då speciellt
26
cyanobakterien Prochlorococcus 47, 48 utför fotosyntesen. Det finns ytterligare en
syrekälla i atmosfären, nämligen fotolys. Ultraviolett strålning fotolyserar vatten och
nitrit i atmosfären. De fria väte- och kväveatomerna kan försvinna ut i rymden och
syrgas blir kvar i atmosfären49. Sannolikheten att en partikel försvinner ut i rymden
beror på två faktorer, nämligen gravitationen som påverkar partikeln och planetens
och därigenom partikelns avstånd från solen. Jordens avstånd från solen är så gott
som konstant 149±3 GmVII. Desto lättare partikel och ju mindre planet leder till ett
större flöde ut i rymden. Solens strålning tillför kinetisk energi till partikeln och
därigenom kan den övervinna planetens gravitation.
2H2O + hν → 4H + O2
2N2O + hν → 4N + O2
Syret i atmosfären konsumeras genom andning och sönderfall. Organismer
tillhörande djur- och bakterieriket konsumerar syre och återger koldioxid. Mineraler i
litosfären oxideras av syre. Stenar och berg, som innehåller mineraler, och blir utsatta
för syre vittrar sönder med tiden. Ett sorgligt exempel är Finlandiahuset i
Helsingfors50. Ett annat exempel med stora ekonomiska intressen är oxideringen av
järn till rost:
4Fe + 3O2 → 2Fe2O3
Syre byts även ut mellan biosfären och litosfären. Organismer i havet syntetiserar
kalciumkarbonat då de bildar sina skal (se kapitlet 4.1). När organismerna dör blir
skalet kvar med syret bundet. Med tiden begravs en del skal och blir en del av
litosfärens kalkstensavlagringar som t.ex. Dovers vita klippor. Organismer kan också
starta vittringsprocesser och frigöra syre 51. Organismer kan extrahera
näringsmineraler från berg och stenar genom oxidation. Extraheringen kallas
biomineralisation som kan utnyttjas kommersiellt med syfte att frigöra metaller från
malm52.
7.4
Kvävets kretslopp
Kväve förekommer i naturen som oxider, nitrater, gas och ammonium. Organiska
föreningar som proteiner och DNA innehåller också kväve 53. Atmosfären består av
VII
Gm, gigameter (109 m) som jämförelse 1 ljusår är ca.9,5 Pm, petameter (1015m)
27
ca. 78 % kvävgas. 99,99% (3,9 x 109 Tg)54 av kvävet i atmosfären är kvävgas. I
oceanerna förekommer 95,2 % (2,2 x 107 Tg) som upplöst kvävgas. Litosfärens
stenar och berg innehåller 99,8% (1,1 x 1011 Tg) av litosfärens kväve 55. Biosfären
innehåller 4,8 x 105Tg kväve, 97 % av kvävet är i pedosfären som organiska
föreningar56.
Bild 6. Bilden beskriver kvävets kretslopp. Bilden är tagen från NASA’s hemsida 57
Producenterna binder kväve, se bild 6.. Konsumenterna får i sig kväve när de äter
producenterna. Nedbrytarna frigör kvävet genom två olika processer,
ammonifikation och nitrifikation. När ammonium och ammoniumföreningar frigörs
genom sönderfall av organiskt material, ofta med hjälp av bakterier, kallas det för
ammonifikation. När en ammoniumförening oxideras till nitrater eller nitriter, ofta
med hjälp av nitrobakterier, kallas det för nitrifikation. Producenterna har lättare att
uppta kväve i nitratform, vilket är orsaken till att växter trivs på nitratrika områden.
Kvävemängden är det hastighetsbestämmande steget för producenters tillväxt.
Konstgödsel är ofta kväverik. Luftens kvävgas omvandlas till kväveoxider vid
åskväder och i förbränningsmotorer. Kvävesalterna i marken kan övergå till kvävgas
genom denitrifikation. Nedbrytarna, främst bakterierna, kan genomföra
denitrifikation men endast under syrefattiga förhållanden. Denitrifikationen
balanserar försurningen i jorden58:
2NO3- + 10e- + 12H+ → N2 + 6H2O
28
7.5
Vätets kretslopp
H2 förekommer i naturen med en relativ koncentration på 0.5 ‰. Atmosfären
innehåller ca 175 Tg H2. Ungefär hälften av det atmosfäriska vätet är producerat
genom fotokemisk oxidation av metan och andra kolväten, se bild 7. Den andra
hälften kommer från biologiska processer och förbränning, inklusive förbrännig av
biomassa vid jordens yta59. En fjärdedel av den uppskattade väteproduktionen på 7090 Tg/år är relaterad till mänsklig aktivitet 60, VIII. H2 reagerar fotokemiskt i
atmosfären med hydroxylradikaler i jordskorpan, däremot är det mikroorganismer
som konsumerar vätgas61.
Bild 7. Bilden beskriver vätets kretslopp. Bilden är ritad enligt illustrationen i
Science artikeln An Enviromental Experiment with H2? 62
25%
H2
90%
CO
OH
H2O
CO2
75%
10%
H
(NOx )
HO2
O3
7.6
Svavlets kretslopp
Atmosfären innehåller 4,8 Tg63, oceanerna 1,3 x 109 Tg64, litosfären 24,3 109 Tg65
och pedosfären 2,7 x 105 Tg66, 67 svavel i någon form68. 0,048% av litosfären består
av svavel. Svavlets kretslopp är beroende av metaboliskt och fylogenetiskt IX olika
organismer, som till största delen finns i havet. Även om svavel sällan är direkt
reaktionsbestämmande i ett ekosystem, är det kritiskt för dess funktion 69. Svavel
förekommer i många mineraler och kan frigöras kemiskt eller mekaniskt. Det årliga
VIII
En övergång till en vätebaserad energiproduktion har diskuterats. Mycket har publicerats kring
möjliga jämviktsreaktioner i lito- och biosfären. Nelli (Bio- och miljövetenskaper) sökningen gav ca
5300 artiklar med kriterierna ”Hydrogen economy” 26.11.2007. Man bör hålla i minnet att vätet
endast är ett transportmedium.
IX
En hypotes gällande släktskap mellan arter, ofta beskrivet med ett fylogenetiskt träd, baserat på
karaktärsanalys. En form av beräkningsbiologi.
29
svavelutsläppet är beskrivet i tabell 2. Producenterna tar upp svavlet. Bild 8 visar en
dela av svavlets kretslopp och tillsammans med tabell 2 kan en storleksordning av
svavelsystemet uppskattas. Svavel är en viktig beståndsdel i aminosyror70. Svavel
och andra partiklar i atmosfären har ibland komplicerade reaktioner som
kvantmekaniskt beräknas och modelleras för att man skall kunna få en bättre bild av
vad egentligen påverkar atmosfärens sammansättning 71.
Bild 8. Bilden beskriver svavlets kretslopp. Bilden är ursprungligen tagen från
NASA’s hemsida72
30
Tabell 2.
En uppskattning av det årliga svavelutsläppet73.
Tg/år
SO2
Vulkaner
9,20
H2 S
Förbränning av biomassa
2,90
0,35
0,30
92,00
Summa
104,10
CS2
0,31
0,01
0,11
Hav
Antropogena utsläpp
DMSX
Summa
9,20
0,52
Biosfär
COS
3,01
19,20
0,07
0,52
0,83
1,19
19,51
0,20
19,70
0,30
92,37
0,51
125,47
8 Lätta stabila isotoper som indikatorer
Eftersom isotoper inom samma atomslag har samma kemiska egenskaper och man
kan analysera olika fraktioner av isotoper i olika skeden i kretsloppen, kan man dra
slutsatser om hur dessa fraktioner har uppstått.
8.1
Isotoper i vatten
Nobelpristagaren Albert Szent-Györgyi74, 75, har beskrivit hur viktigt vattnet är och
att allt liv beror på hur man kan upprätthålla förhållandet till vattnet. 76
"Life was born in water and is carrying on in water. Water is
life's mater and matrix; mother and medium. There is no life
without water. Life could leave the ocean when it learned to
grow a skin, a bag in which to take water with it. We are still
living in water, having water now inside. The ionic
composition of our blood still reflects the composition of the
primordial ocean. "
Albert Szent-Györgyi
X
DMS står för dimetylsulfid
31
I naturligt vatten, se bild 9, finns det två stabila väteisotoper ( 1H, 2H) samt tre
stycken stabila syreisotoper (16O, 17O ,18O)77. Isotopen 17O förekommer sparsamt i
naturen. De övriga finns i så höga halter att de kan mätas med masspektrometri.
Bild 9. Bilden beskriver vattnets kretslopp, Bilden är tagen från USGS’s svenska
hemsida78.
I de flesta hydrologiska processer gäller det att, relativt sett, tyngre isotoper finns
mera i fast eller flytande form och lätta förekommer mera som gas 79. Eftersom fasen
är av betydelse vad gäller isotopfördelningen, så är fraktionen i fuktig luft en
funktion av tiden med vilken den fuktiga luften drar in över land och avger vatten
som nederbörd enligt ett förutbestämbart mönster. Vattenmolekyler med 2H och 18O
isotoperna kondenseras först pga. av sin tyngd. Då man kombinerar detta fenomen
med meteorologiska data får man en uppfattning om isotopfördelningen i regnvatten.
Det produceras geografiska kartor80 med isotopfördelningsgradienter. Informationen
finns bl.a. att hämta från IAEA’s hydrologiska projekt 81. Det finns bl.a. fem
mätserier från Finland mellan 1961-1965 (Jalasjärvi, Laukaa, Nellim, Pelkosenniemi
och Sodankylä)82. Analyserna är gjorda i Stockholm. I Finland är det
Dateringslaboratoriet 83 vid Helsingfors Universitet som är medlem i IAEA’s
ISOHIS84 program. Dateringslabbet har i mera än tjugo års tid samlat på
nederbördsinformation från Finland85. Geografisk distribution av nederbörden över
32
Nord Amerika har publicerats med IAEA’s data som grund 86. Resolutionen är en
sjättedels grad longitud och latitud. Isotopförhållandena i vatten förändras genom
kemiska och metabola processer som t.ex. fotosyntes. Därigenom kan vatten som
gått genom fotosyntes (se kapitlet 6.3) och det som kommer direkt ur kran särskiljas,
vilket kan ha ekonomiska och moraliska intressen som t.ex. vid kontroll om vin har
spätts ut med vatten87.
8.2
Isotoper som koordinater
Genom globala mätningar av lokala isotopfraktioner kan ett koordinatsystem
utarbetas, men tyvärr är systemet inte entydigt. En intressant applikation som
fungerar med Google Earth88 som plattform är the Online Isotopes in Precipitation
Calculator89, se bild 10. Applikationen ger en fingervisning om hur väte- och
syreisotopfraktioner förändras som en funktion av den globala positionen.
Bild 10. Google Earth med the Online Isotopes in Precipitation Calculator
installerad
33
Människor och människornas teknologiska utvecklig har blivit en faktor att ta i
betraktande beträffande bl.a. vattnets kretslopp. Vattenledningsvatten kan
transporteras långa vägar och därigenom påverka isotopsammansättningen i
grundvattnet, men isotopanalyser är också ett verktyg för att kunna följa med
förändringar i användningen av vattenresurser 90. En intressant kuriositet är att
dricksvatten på flaska inte påverkar lokala isotopförhållanden. Det har påvisats att
flaskvatten är ofta lokalt producerat91, även om produktens namn antyder annat.
8.3
Isotoper i producenter
De flesta växter passar in i tre kemiskt klassificerade grupper C3, C4 och CAM. C4växterna har lång tillväxtperiod och kräver tillgång till mycket solljus. C4 har fått sitt
namn av att fotosyntesen producerar en molekyl med 4 kolatomer av luftens
koldioxid, se bild 11. C4-växterna förekommer mest i subtropiska 92 områden.
Bild 11. En schematisk beskrivning av C4 fotosyntesen. Bilden är ritad av Mike
Jones93
C3-växterna syntetiserar luftens koldioxid till en molekyl innehållande tre kolatomer,
se bild 12. C3-växterna är allmännare än C4-växterna. C3-växterna tar in 13C
långsammare än C4-växterna vilket leder till att C3-växternas isotopfraktioner av
34
biomassa är från 22% till 35% mindre än referensen VPDB, medan C4-växter
absorberar 13C snabbare än 12C vilket resulterar i att isotopfraktionen för biomassan
för C4 är mellan 9 till 16% mindre än referensen VPDB (se kapitlet 4.1).
Bild 12. En schematisk beskrivning av C3 fotosyntesen. Bilden är ritad av Mike
Jones93
Den tredje gruppen kallas för CAM (Crassulacean acid metabolism) 94. CAM-växter
kan använda både C4- och C3-mekanismen. Det finns även växter som inte faller
innanför denna tredelade klassificering men de är av ringa betydelse som
producenter95. Tabell 3 visar olika grupper med anknytning till fotosyntes och deras
skillnader i δ13C.
35
Tabell 3.
Tabellen visar hur olika grupper med anknytning till fotosyntes producerar olika
δ13C. För utforskande av förhållandet producent-konsument är det av vikt att notera
att C4- och C3-växterna producerar isotopfraktioner som skiljer sig från varandra96.
Bakterier med fotosyntes
C4
δ13C [‰,
PDB]
Cyanobakterier naturliga
CAM
Eukaryota alger
Cyanobakterier odlade
C3
-50
8.4
-40
-30
-20
-10
0
10
Isotoper i konsumenter
Isotopfraktioner i organismers vävnader kan analyseras, men problemet ligger i att
kartlägga trender i förändringar. Miljön i vilken organismen lever eller levde lämnar
signaler i organismen och de kan undersökas genom isotopfraktionsanalyser.
Svårigheten är att tolka resultaten97. Isotoperna lagras i vävnaderna genom intag av
näring och vätska98, men det bör poängteras att metabola processer förändrar
fraktionera. En stor fördel är att isotoperna är stabila och faller således inte sönder
inom rimliga tider. Stabiliteten ger möjlighet att datera vävnader, eftersom det finns
tabellerat referensmaterial. Se kapitlet 6.5. Det har visat sig att stora rovdjur i
museisamlingar ger den bästa bilden av förändringar i miljön gällande tids- och
rymdrelaterad information, eftersom rovdjur med hög trofinivå fungerar som
integratorer av förändringar99. Laserteknologin gjort masspektrometriska mätningar
möjliga för små prov100. Genom isotopfraktionsanalyser kan man bl.a. påvisa att kött
verkligen kommer från djur som uppfötts ekologiskt 101. Variationer i isotopfraktioner
kan för ekologiskt framställt kött även härledas till tiden på året 102. Ett annat
intressant resultat, där δ13C har använts, var när man påvisade att
vampyrfladdermusen Desmodus rotundus103 i Costa Rica livnärde sig främst på
boskap istället för på vilda däggdjur 104
36
8.5
Isotoper som tidsaxel
Genom att studera is i glaciärerna 105 och i sediment106 kan man gå tillbaka minst 400
000 år i tiden. Mycket i denna typ av forskning är tolkning av isotopfraktioner som
jämförs med andra isotopfraktioner som är kopplade till tidsserier. En undersökning
av 50 tandprover från Tarija i södra Bolivia 107 visade att tänderna härstammar från
0,7-1,1 miljoner år tillbaka i tiden108. Kolisotopvärden analyserades för två olika
betande fossila däggdjur, Equus109 som tillhörde hästsläktet och Cuvieronius110 som
var en mastodont. Proverna är tagna från 8 stratigrafiska nivåer och deras δ13C
värden skiljde sig markant. Variationerna hänför sig till variationer i C3- och C4växtbeståndet under olika kalla och varma perioder. Åldern på proverna har bestämts
genom magnetostratigrafiXI och korrelerar med marina syreisotopdata. Likaså ger
även instabiliteten dateringsinformation,. 14C (Kol 14) metoden används ofta inom
historieforskningen.
När man diskuterar bestämning av ålder på objekt och nämner isotoper i
sammanhanget kommer ofta 14C- metoden upp. 14C är en instabil isotop och i
följande stycke kommer det att redogöras mera om denna metod111. De stabila
kolisotoperna reagerar kemiskt lika som de instabila, dvs. 14C är nedräkningsurverket
som startar då organismen dör. Med en halveringstid på 5730 år kommer man
tillbaka åtminstone 60 000 år i historien med denna metod112. 14C uppstår vid
kosmisk (neutroner) strålning i stratosfären och övre troposfären:
(𝑛𝑒𝑢𝑡𝑟𝑜𝑛)𝑛 +
14
14
7𝑁
14
6𝐶
+ (𝑝𝑟𝑜𝑡𝑜𝑛)𝑝
C faller ner jämt över jorden och levande teresta organismer absorberar isotopen ur
ytatmosfären. Ungefär en kolatom av 1012 kolatomer är 14C på jordens yta.
Organismer som lever i vatten har en mindre fraktion 14C och vid beräkningar
används korrigeringsalgoritmer. Då en organism dör slutar den att andas och
därigenom upphör 14C intaget. 14C genomgår β-sönderfall enligt:
14
6𝐶
14
7𝑁
+ (𝑒𝑙𝑒𝑘𝑡𝑟𝑜𝑛)𝑒 − + (𝑎𝑛𝑡𝑖𝑛𝑒𝑢𝑡𝑟𝑖𝑛𝑜XII)𝑣𝑒
Resultat rapporteras enligt år före nutid, plus/minus osäkerhetsfaktorn t.ex.
3700±120 14C BP (14C-daterat i år, Before Present). Ett träd kan leva hundratals år,
XI
XII
Datering genom fixering till jordens polärinverser 10.000–10 miljoner år.
Partikel utan laddning, uppstår vid betasönderfall när en neutron övergår till en proton
37
även tusentals år och varje ring i stammen absorberar kol endast då det växer och en
ny ring växer fram varje år113. Detta används som referens. Genom denna referens
har det hittats fel som är av storleksordningen 100-tals år. Det visar sig att
atmosfärens 14C koncentration inte varit konstant genom tiden 114.
Halveringstidsberäkningar bör kalibreras mot data för trädringarna. För mera
ingående diskussion i ämnet rekommenderas en artikel i Nature 115. Artikeln bör läsas
ur metodologins synvinkel utan att ta ställning till religion eller om provet är taget på
rätt ställe. En mera ingående beskrivning i av 14C – metoden kan erhållas från
www.radiocarbon.org.
9 Biologisk forskning med isotoper som indikatorer
I detta kapitel tas det upp exempel på biologisk forskning där isotopfraktioner har
använts som verktyg. Biologisk forskning skall tolkas brett, dvs. forskning som
behandlar djur och växter oberoende av tidsperiod. Stabila isotopfraktioner och
fingeravtryck av fettsyror i vävnader sammanför information över tid och rum, dagar
till år. Problemet med att ta prov av innehåll i magsäcken, dvs. mat av olika sorter,
som smälter med olika reaktionskinetiska betingelser, behöver inte tas i betraktande i
denna indirekta metod. Stabila isotopfraktionsmätningar ger direkt insikt i trofinivån
hos analyserade arter med temporala aspekter. Genom att kombinera stabil
isotopfraktionsanalys med andra metoder kan tolkningen av resultaten få större vikt
eftersom en tolkning baserad på bara en metod kan ge upphov till felaktiga
förklaringar 116. Vid tolkningen av resultaten bör alltid en analys göras för att
bestämma förändringen i isotopfraktionen från intag till vävnad.
9.1
Analytiska fel vid isotopfraktionsanalyser gällande biologisk forskning
När man uppger analytiska fel i grundforskning specificeras både noggrannhet
(precision) och exakthet (accuracy). Noggrannheten rapporteras som ett medeltal ±
en standard avvikelse för referensens. Exaktheten uppges för mätta referenser,
upprepade analyser av samma prov i samma analysserie och upprepade analyser av
samma prov i olika analysserier. Exaktheten rapporteras som provens medeltal ± en
standard avvikelse. Med jämna mellanrum analyseras blindprover för att få en
uppfattning om förändringar i utrustningen. Kalibreringsstandarder och
kalibreringsrutiner kontrolleras för laboratoriet. Om det finns under 10 prov eller om
proven inte är homogena, analyseras proverna två gånger. Ifall proven har en större
38
relativ avvikelse än 0,5 %, bör proven kontrolleras med en tredje analys.
Referenserna bör väljas så de täcker området för proven. Referenserna kan vara
interna, IAEA’s eller projektspecifika. Ett referensprov, per analysserie, som
beskriver seriens förhållande till andra motsvarande serier. Referensprovet skall vara
representativt gällande isotopfraktion och atomslagsfraktion. När analysserien
analyseras skall duplikat av samma prov placeras skilt från varandra. Provens vikter
får ej variera inom serien för mycket, annars utgör amplituderna en felkälla. Då
proven har olika vikt skall de analyseras i olika serier. Analysserierna skall också
innehålla referensernas analyser. Det gäller att definiera referenser för biologiskt
material och testa referenserna inom olika laboratorier med så kallade ”ringtests”,
speciellt för ämnen som inte analyseras ofta (H, S, O). Användningen av CV
(coefficient of variation) rekommenderas inte pga. inbyggda svagheter. CV är ett
relativt mått på varianser, uttryckt som standardavvikelsen dividerat med medeltalet.
Eftersom CV kan vara både positivt, negativt och oändligt ger den inte en entydig
bild av avvikelsen.117
9.2
Isotoper som indikatorer för miljöförändringar
PaleoklimatologiskaXIII rekonstruktioner har gjorts under en längre tid 118. δ13C mätt
från benkollagen för förhistoriska växtätare indikerar att det skett en förskjutning
från den senare Pleistocena tiden till nutid vad gäller distribution av C3- och C4-gräs
i sydvästra Afrika. Distributionsförändringen indikerar förändringar i vinter- och
sommarnederbörd. Det förhistoriska klimatet var våtare och varmare, vilket ledde
till att bergsskogarnasXIV utbredning gick mot lägre altituder. Denna fuktighet kan ha
ökat mikroklimateffektenXV av trädkronorna, påverkat kvävets kretslopp samt
vattenekonomin för nämnda arter och därav sänkt värdena för δ13C och δ15N i
förhistoriska prover119. Museala samlingar har studerats och resultaten påvisar att
isotopfraktioner förändras beroende på preparationsmetoden 120, 121. Vid studier av
sediment och vertebrat fossiler kan förändringar i fuktighet och habitat skönjas t.ex.
paleoenviromentologiska mönster har satts upp med hjälp av δ18O och δ13C från
prover i Lantin, Kina122. Mönstren stämmer överens med annan
paleoenviromentologisk och sedimentologisk data från samma område. 123
XIII
En forskningsinriktning som studerar klimatet under hela jordens historia
Ett skogsområde med en höjd over havet mera än 650 meter.
XV
definierat litet område (<2 m) , där klimatet är markant olika omgivningen.
XIV
39
Fältstudier har påvisat att förändringar i δ15N-värden korrelerar bättre med
näringsvävstrukturer än δ13C 124. Utsläpp från avfallsverk där avfallet har
tertiärbehandlatsXVI kan markant öka δ15N i näringsvävarna. Däremot avfall som
släpps ut efter primärbehandling XVII kan sänka δ15N i näringsväven125. Tidpunkten
för globala klimatförändringar verkar vara oberoende av variationer i
däggdjursdiversiteten126. Förhållandet mellan förändringar i däggdjursdiversiteten
och klimatförändringar påverkar med största sannolikhet varandra men inte i ett
lineärt förhållande. Släktet Aplodontidae 127 har genom tiden börjande från
EocenenXVIII varierat i artriklighet för att idag ha endast en levande art Aplodontia
rufa128, ekorrbäver129 se bild 13.
Bild 13. Ekorrbäver (Aplodontia rufa, Rafinesque, 1817) 130
Stäpperna bredde ut sig på senare hälften av OligocenenXIX samt den senare delen av
MiocenenXX. Stäppernas utbredning ökade också C4-växternas betydelse. Dessa
resultat kan tolkas bredare för att få insikt i storskaligare mönster gällande
däggdjursdiversitet. FAUNAMAP-projektet131 stöder också denna uppfattning att
arter reagerar på individnivå och flyttar till andra geografiska områden, om det är
möjligt. Parametriseringen av tiden har bundits till δ 18O från Stilla havets
sediment132. Klimatets påverkan på familjen Aplodontidaes variationer har
uppskattas enligt syreisotopfraktionens inversa förhållande till antal arter, eftersom
syre korrelerar negativt med den globala temperaturen126. Trädens årsringar används
för att analysera den årliga tillväxten. Vanligen används endast ringarnas bredd.
Medan bredden är ett resultat av många fysiologiska processer kan
XVI
Sista steget före avfallsvattnet släpps ut i vattendrag tex desinfektion
Första behandlingen för avfallsvatten t.ex. extrahering av sand, oljor, fett, avföring och annat
flytande material
XVIII
Geologisk epok 56-34 miljoner år sedan.
XIX
Geologisk epok 23-33.9 miljoner år sedan
XX
Geologisk epok 5,3-22,9 miljoner år sedan
XVII
40
kolisotopfraktioner härledas direkt från fotosyntesen och stomata XXI. Kopplingen
mellan kolisotopfraktionerna i trädringar och förändringar i klimatet är entydig 133.
NMRXXII-teknologi har använts för att få mer exakt information speciellt gällande
deuterium vid analysering av trädens årsringar 134.
9.3
Isotoper som indikatorer för diet och trofisk nivå
Dokumentering av dieten för rörliga predatorer med traditionella metoder, som
fältstudier, analys av avföring och tabellering av verifierade byten, kan vara opålitlig
utan långa exkursioner135. Stabila isotopfraktionsanalyser kan ge kompletterande
information. Det finns fastställda relationer mellan storlek och metabolism 136 som
har bekräftats genom analyser av stabila isotoper. Stabila isotoper kan påvisa många
samband rörande dieten och metabolismen bl.a. information om att protein är den
främsta reaktanten vid syntetisering av nya vävnader medan kolhydrater bidrar för
det mesta som energikälla 137. För att analysera problemet hur δ 2H (δD) absorberas av
organismer användes Japansk vaktel (Coturnix japonica, Temminck & Schlegel,
1849)138. Det intressanta är hur mycket av isotopfraktionen härstammar från dieten
och hur mycket från dricksvattnet. Det visade sig att dricksvattnet påverkade både
aktiva (blod, lever, muskler och fett) och inaktiva vävnader (fjädrar och klor).
Ungefär 20 % aktiva och 26-32% i inaktiva vävnader härstammade från
dricksvattnet. Vid användning av δD - värdet bör viss noggrannhet iakttas gällande
tolkning av resultat. Organismens eller fossilens ekologi måste vara känd 139. Ett
varningens finger måste höjas när det gäller förhållandet mellan diet och
konsumentens isotopfraktioner. Matematiken och modellerna för de statistiska
beräkningarna är av stor betydelse för resultatens validitet 140.
9.3.1 Fåglar
Analys av stabila isotopfraktioner är mycket använda vid ekologisk forskning
rörande sjöfåglars diet141. Metoden baserar sig på att kväve- och kolisotoper omsätts
från producenter/konsumenter till konsumenter med högre trofisk nivå enligt kända
mekanismer 142. Omsättningen av isotoper i vävnader har fastställts genom att
använda Japansk vaktel (Coturnix japonica, Temminck & Schlegel, 1849) samt
Amerikansk kråka (Corvus brachyrhynchos, Brehm, 1822) 143, 144. Genom att byta
XXI
XXII
En liten por, vanligen under löven. Hanterar gasflödet i växten
Nuclear Magnetic Resonance
41
dieten från C3 (vete) till C4 (majs) och mäta isotopfraktionen som funktion av tiden
erhölls värdena i tabell 4.
Tabell 4. Halveringstiden för isotoputbyte i vävnader
hos vaktlar145.
δ13C PDB (‰)
Halveringstid(dagar)
Blod
11,4
Muskel
12,4
Lever
2,6
Benkollagen
173,3
I ett marint ekologiskt system stiger förhållandet mellan kväveisotoperna ( 15N/14N)
med 3-5 tusendelar (‰) per trofisk nivå. Man kan härleda trofinivån utan att ha
specifik information om dieten. Eftersom den metaboliska hastigheten varierar för
olika vävnader 146, beskriver isotopfraktionerna en trofinivå vid en tidpunkt.
Blodplasman är en snabb ”vävnad” med en storleksordning som kan mätas i dagar,
fjädrar mäts i månader och ben i år. Storlabb (Catharacta skua, Brünnich, 1764) 147
har använts för att analysera hastigheten med vilken isotoperna, 15N och 13C,
assimileras i blod och fjädrar. Resultaten påvisar att assimileringshastigheten är
samma i både blod och växande fjädrar148. Pingviner (Kungspingvin, Aptenodytes
patagonicus 149, Åsnepingvin, Pygoscelis papua150 och Klipphopparpingvin,
Eudyptes chrysocome151) har varit föremål för forskning för att fastställa förhållandet
mellan dietens och predatorns isotopfraktioner och förändringar i närbesläktade
arter152. Assimileringshastigheten varierar dock beroende på vilket atomslag det är
fråga om. Kol och kväve assimileras på olika sätt och därigenom med olika hastighet.
Vid provtagning av en vävnad fås en summa av olika isotopfraktioner. Provet kan
innehålla proteiner, lipider och kolhydrater. Lipider och kolhydrater innehåller
väldigt lite kväve om någonting alls. Vid en provtagning representerar provet inte ett
integrerat resultat av dieten utan provet ger en bild av de atomslag som krävs för att
syntetisera ifrågavarande vävnad 153. Denna process kallas för ”isotopic routing” 154.
Vid syntetisering av vävnader där det reaktionsbestämmande steget är en reaktion
med sällsynta reaktanter dvs. näringsämnen kan assimileringshastigheten variera. De
sällsynta reaktanterna kan mobiliseras från andra vävnader eller lager vilket inte
42
beskriver dieten för ögonblicket. Omsättningen av kolisotoper är kopplade till den
metabola hastigheten155. Metabolismen varierar ytterligare kraftigt mellan djur i
frihet och i fångenskap vilket bidrar till en klar skillnad i resultaten 156. Tabell 5 visar
vilka arter finns i Finland.
Tabell 5.
Antalet observationer av arterna använda i Hobsons157 artikel från 1993 i den
virtuella fälthandboken Hatikka158, 159 5.12.2007. Värdena i Hatikkaspalten beskriver
totala antalet observationer medan spalten med Fågelatlas 2006-2010 och Hatikka
observationer i Finland beskriver antal observationer som med största sannolikhet
är gjorda i Finland.
Observationer 5.12.2007
Hatikka
Fågelatlas 2006-2010 och
Hatikka observationer i
Finland
1. Rissa tridactyla,
41
1+6
16
0+0
44
2+21
11
0+0
459
312+51
6
0+4
1219
792+144
Tretåig mås
2.Fulmarus glacialis,
Stormfågel
3.Larus hyperboreus,
Vittrut
4.Uria lomvia,
Spetsbergsgrissla
5.Cepphus grylle,
Tobisgrissla
6.Alle alle,
Alkekung
7.Somateria mollissima,
Ejder
43
Bild 14-20 , Bilder på arterna i tabell 5 och tabell 6 Tretåig mås, Stormfågel, Vittrut,
Spetsbergsgrissla, Tobisgrissla, Alkekung och Ejder
.160
1.
164
5.
161
2.
165
6.
162
3.
4.
163
166
7.
Tabell 6.
Arterna är numrerade enligt tabell 5. Hobson har beskrivit kvävefraktioner i
vävnader från sjöfåglar i Barrow Strait-Lancaster Sound Canada167 mellan 1988 och
1990. Tabellen beskriver grovt resultaten. Felgränserna är utritade enligt det största
felet i serien. Art nr 7 Ejder har inga levervärden. För art nr 1 Tretåig mås är endast
handjurens värden uppgivna. I artikeln var båda värdena tillgängliga.
20
19
18
17
16
15
14
13
δ15N(‰)
7
6
5
4
3
2
1
0
12
Muskel
Ben
Lever
44
1992 kunde det redan påvisas skillnader mellan arter, se bild 14-20, och vävnader
med hjälp av stabila isotoper enligt tabell 6. Inaktiva vävnader som inte förnyas eller
förnyas enligt ett förutbestämt kretslopp innehåller information om situationen när
vävnaden bildades t.ex. insekters kitinskal, fiskars och reptilers fjäll, fåglars fjädrar.
Genom att analysera prover av fjädrar som har vuxit under icke häckningstider kan
man få en uppfattning om hur dieten är komponerad under höst, vinter och vår. För
att analysen skall ge något bör artens ruggningskronologi vara välkänd. Smalnäbbad
valfågel (Pachyptila belcheri Mathews, 1912) och Antarktisk valfågel (Pachyptila
desolata Gmelin, 1789) var forskningsobjekt 168. Det visade sig att kväve och
kolfraktionerna var identiska för fågelungarnas fjädrar vilket antydde att trofiska
nivån var samma för båda arterna under häckningstiden. Fraktioner var olika för
adulta fåglar vilket indikerar att ruggningsområdena för arterna var olika. Forskning,
som genom isotopfraktionsanalyser strävar att fastställa övervintringsområden på
norra halvklotet, kan öka insikten i vinterekologin för flytt- och kustfåglar. Kemiska
analyser är ett effektivt sätt att studera ekologin för små arter som inte kan bära med
sig satellitutrustning. Som exempel kan nämnas Klykstjärtad stormsvala 169
Oceanodroma leucorhoa170, vars vikt är 40-50 g, se bild 21.
Bild 21. Klykstjärtad stormsvala (Oceanodroma leucorhoa) 171
För den Klykstjärtade stormsvalan som häckar vid ön Baccalieu172 i nordvästra
Atlanten kan man se en stegvis ökning av trofinivån, se tabell 7. Variationer i δ15Nvärden i fjädrarna påvisar skillnader i dieten, parametrarna är ålder (unge – adult)
och tidpunkten på året. Kolisotopfraktionen varierade för fjädrar tagna från vuxna
fåglar. En möjlig orsak kan vara att δ13C varierar som en funktion av latituden173.
Klykstjärtade stormsvalor flyttar mellan olika ruggnings och häckningsplatser och
har därav olika diet 174.
45
Tabell 7. Klykstjärtad stormsvala (Oceanodroma leucorhoa). Provtagningen har
gjorts på vuxna fåglars fjädrar. Proven är tagna under två år i fyra skeden. 1. I början
av ruggningen, 2. och 3. i medlet av ruggningen och 4. i slutet av ruggningen 175.
Felgränserna, som inte är markerade, ligger mellan ± 0,4 och ±1,2.
δ15 N (‰)
13,6
13,4
13,2
13
12,8
12,6
12,4
12,2
2000
2001
1
2
1
2
-17,3
-17,4
-17,5
-17,6
-17,7
-17,8
-17,9
-18
-18,1
-18,2
-18,3
δ13C(‰)
3
4
3
4
2000
2001
Analyser av kväveisotoper för marinorganismer (producenter och konsumenter) från
Newfoundland och Georges Banks har använts för att producera en modell som
beskriver kollagenets δ15N värden för sjöfåglar som hämtar sin näring från olika
trofinivåer. Modellen testades på alkfåglar 176 (Alcidae177) levande i nordvästra
Atlanten och arktiska regionen. Det togs prover på benkollagen. Genom att jämföra
proven med den utrotade garfågelns (Pinguinus impennis) värden, kunde man påvisa
att garfågelns trofinivå var ett kontinuum mellan trofinivå 3 och 5. Garfågeln, se bild
22, var den sista flygoförmögna fågeln på norra halvklotet, arten utrotades under
1800-talet178.
46
Bild 22. Garfågel, (Pinguinus impennis) av J.G.Keulemans (Public domain)
Även om kolisotopfraktionerna beskriver trofinivåerna sämre än
kväveisotopfraktionerna, så ger de en fingervisning om hur långt från kustlinjen eller
i vilket oceanografiskt område fåglarna livnär sig. För fåglar som livnär sig endast i
marinmiljö är δ13C större närmare kusten samt vid högre latituder för att minska mot
ekvatorn179. När arter flyttar från övervintringsområden till häckningsområden har de
lagda äggen ofta spår av de isotopfraktioner som var gällande vid
övervintringsstället. Lyckligtvis byter många fågelarter isotopområde
”isoscapes”XXIII vid migration vilket gör analysresultaten lättare att tolka . Fåglar som
flyttar från marina kustmiljöer till inlands- eller sötvattensmiljöer uppvisar
förändringar i flera isotopfraktioner (C, N, H, O och S) 180. Magsäcksinnehåll av
kejsarpingvinens (Aptenodytes forsteri) 181 ,se bild 23,ungar har studerats. Analysen
av innehållet har givit värdefullt ekologiskt material som utsträcker sig långt över
ungarnas magsäcksinnehåll. Tillsammans har taxonomisk XXIV, morfometriskXXV och
stabila isotopfraktioner gett ny information om bläckfiskars (Cephalopoda, Cuvier,
1797) ekologi. I arbetet har cephalopoders skal analyserats. Information om
migrationer och ontogenetiskaXXVI variationer har erhållits, samt information hur en
enskild pingvinkoloni påverkar bläckfisksbeståndet i regionen 182.
XXIII
'Spatial modeling of Earth system stable isotope ratios. Globalt koordinatsystem för
isotopfraktioner.
XXIV
Vetenskapen om hur arter hittas, beskrivs, klassificeras och namnges
XXV
I biologiskt avseende, vetenskapen om hur formen är kopplad till funktionen
XXVI
Beskriver utvecklingen från en befruktad äggcell till fullvuxen individ
47
Bild 23. Kejsarpingvinens (Aptenodytes forsteri) livscykel 183.
9.3.2 Däggdjur
Det har visat sig att för däggdjur är kolisotopfraktionen i benkollagen en entydig och
lineär funktion av dieten. Funktionen beskriver med hög precision dieten och
habitatet för nästan alla analyserade arter i forskningen utförd i Kenya 1983 118. Inom
skogar kan man skilja på teresta och arboreala XXVII växtätare, man kan även se
skillnader beroende på vilken höjd djuren lever. Arter som trivs bättre i öppna habitat
kan skiljas från de som föredrar mera inskränkta miljöer. Skogs- och
ickeskogsdäggdjur kan särskiljas. En av mekanismerna är koldioxidens kretslopp i
trädkronorna där CO2 har blivit utarmad på 13C. Detta leder till att isotopfraktionen
för kol i löv kan särskiljas beroende på höjden inom skogen 184. Bland växtätare på
öppna savannhabitat reflekteras C3- och C4-förhållandet i dieten. Klara skillnader
kan skönjas ifall växtätaren äter gräs eller buskar eller båda185. Eftersom
benkollagenets isotopfraktioner beror på dieten kan det vara möjligt att skilja på
babianer, på artnivå, eftersom babianer livnär sig på bönväxter som har ett lågt δ 15Nvärde. Marken i skogen har för det mesta lägre δ 15N än marken på slätter. Växtätare
och köttätare kan särskiljas enligt δ15N186. Det finns stora variationer inom och
mellan herbivora arter vad det gäller δ 15N-värdena. Arter som kan leva i arida miljöer
XXVII
lever i trädkronorna
48
uppvisar en ännu större variation. Förklaringen kan ligga i att syntesen av urea
favoriserar en viss isotop. Genom stabila isotopanalyser har man kunnat bevisa att
djur som fastar de facto livnär sig på sig själva, och detta höjer deras mätbara
trofinivå187. Benkollagen är ofta sparat i förhistoriska ben188. Information om diet och
habitat kan erhållas genom analys av stabila isotoper. Miljön kan parametriseras
utgående från stabila isotopanalyser. Vid analys av benkollagen för att kunna dra
slutsatser gällande habitat, diet, vattentillgång och klimatet, som har påverkat
förhistoriska däggdjurs omgivning, bör antalet individer som prover tas från vara
stort. Antalet prover bör vara tillräckligt stort så att inte enskilda variationer påverkar
resultaten, eftersom orsakerna till variationer kan vara komplexa. Dietens och
vävnadernas stabila kol- och kväveisotopfraktioner mättes i olika vävnader hos räv
(Vulpes vulpes)189, se bild 24. Rävarna var uppfödda på kommersiellt foder.
Fraktionerna är tabellerade nedan.
Tabell 8. Isotopfraktioner för räv (Vulpes vulpes).
δ15 N (‰)
δ13C(‰)
päls
3,3-3,5
2,6
muskel
3,3-3,5
1,1
lever
3,3-3,5
0,4-0,6
blod
4,2
0,4-0,6
Bild 24. Räv (Vulpes vulpes) 190
Kolisotopfraktionsvärdena var högre än de tidigare uppmätta värdena för växtätande
däggdjur, men hade likartade värden som marina däggdjur. Proverna togs från päls,
lever och muskler. Kväveisotopfraktionerna uppvisade små variationer utom för
blod. Det lägsta värdet hade cellfraktionerna för blod med 2,6 δ15 N(‰).
Kväveisotopfraktionerna gav tydliga signaler om organismens ålder, vilket kol inte
gjorde. Unga rävar, under 1 år, hade höga värden av δ15 N vilket adulta rävar inte
49
hade. Orsaken är oklar, men kan hänföra sig till mer intensiv proteinsyntes eller
katabolismXXVIII i ett växande djur191.
9.3.3 Leddjur
Dokumenteringen av trofiska linkar i en näringsväv har traditionellt varit stora
projekt med snäva nischer för att observera predatorernas diet. Stabila
isotopfraktionsanalyser kan snabbt och enkelt ge information om konsumenternas
födoval. Fraktioner av N och C har ansetts vara till nytta för att fastställa en trofisk
position och födoalternativ. Tyvärr har isotopfraktionsanalyser gett höga variationer
vid analys av leddjur 192 (arthropoder) se tabell 9. Forskning har utförts kring
näringsväven i en päronträdgård, där man försökt kontrollera skadeinsekten193
(Cacopsylla pyricola, Förster, 1848.), se bild 25, som hör till släktet
päronbladloppor.
Bild 25. Cacopsylla pyricola. Fotograferad av Tom Kowalsick - Suffolk County194
Näringsväven omfattar omnivora XXIX predatorer som livnär sig på arthropoder. Det
finns många källor till variationer i isotopfraktionerna i näringsväven, orsakerna
finns tabellerade nedan.
Tabell 9. Källor till variationer i isotopfraktioner
tid
utvecklingsskede
artrelaterade skillnader hos herbivorer
höga artspecifika variationer inom predatorerna
Helhetssynen försvinner med alla dessa osäkerheter. Stabila isotopfraktionsanalyser
måste kalibreras för konsumenterna i näringsväven på artnivå195. Effektiviteten av
predatorer med brett födospektrum kan bli lidande om det finns alternativa byten
XXVIII
XXIX
Nerbrytande funktion i metabolismen
Allätande djur
50
istället för de skadeinsekter som var avsedda som föda i agrikulturella system.
Problemet har analyserats med hjälp av stabila isotopfraktionerna δ13C och δ15N i
teresta predatorer och två olika byten, skadeinsekter och detriusätare. Spindlar
hörande till spindelgrupperna Linyphiidae och Lycosidae hade δ 13C värden som
motsvarade gruppen Collembolas, vilket tyder på att spindelgrupperna hör till den
detritala näringsväven. Större predatorer hade värden som var överensstämmande
med skadeinsekter, vilket var i linje med dokumenterad information om deras
effektivitet. Analysen resulterade i antaganden att största delen av de predatorer som
användes för skadeinsektkontroll håller sig till den tilltänkta skadeinsekten även om
det finns rikligt med annan föda196. Genom analys av stabila isotopfraktioner har det
visat sig att Mordellistena aethiops197 larver kan äta skadeinsekter på växterna
Silpihum Laciniatum och Silphum Terebinthinaceum. Växterna är i och för sig svåra
att särskilja198. Larverna är aktiva predatorer, men har också hittats på växternas
stjälk utan skadeinsektangrepp vilket tyder på att de är fakultativa XXX och omnivora.
Höga värden gällande isotopfraktionerna i larverna tyder på att insekter är en
betydande del av deras diet. Isotopfraktionsanalysen påvisar, konstigt nog med tanke
på hur tätt larverna lever, inga spår av kannibalism eller att larverna skulle äta av
värdväxten. Dessa resultat är inte överensstämmande med teorin om förhållandet
mellan trofisk nivå och kväveisotopfraktion. Teorin som är utarbetad främst för
vertebrataXXXI predatorer fungerar inte för Hymenoptera parasitoider XXXII, vilket är
en besvikelse eftersom de viktigaste naturliga fienderna för insekter kommer från den
gruppen199. I Japan undersöktes trofiska linkar i en lövskog med ett vattendrag.
Genom att analysera kolisotopfraktioner kunde man uppskatta förhållandet mellan
akvatiska insekter och spindlar som bygger nät. Spindlar, akvatiska och teresta byten
samt primärresurser i skogs- och vattendragsnäringsväven samlades in i en
lövskogsbiotop från maj till juli 2001. Analyser av δ13C visade att Tetragnathidae
spindlar, på stranden, främst livnärde sig på akvatiska insekter och att den månatliga
variationen främst berodde på variationer av det akvatiska insektbeståndet i skogen.
På motsvarande sätt uppvisade Linyphiidae spindlar i skogens strandremsa δ13Cvärden som motsvarar akvatiska insekter. Under juni och juli månad visade
spindlarna δ13 C-värden som motsvarade teresta insekter, både på stranden och 150 m
XXX
Kan överleva i olika miljöer.
Ryggradsdjur
XXXII
Parasit som konsumerar och till slut dödar värden.
XXXI
51
längre in i skogen. Araneidae spindlar visade inga tecken under hela provtagningen
på att akvatiska insekter skulle vara en del av födan. Undersökningen bekräftar
tidigare resultat. Stabila isotopanalyser visade att akvatiska byten skilde sig från
teresta byten i δ13C men inte i δ15N. Vid linjetaxering kom det fram att spindlar som
bygger nät har större variation i δ13C-värdena medan Tetragnathidae spindlarna hade
låga värden på δ13C. I maj under linjetaxering vid stranden visade det sig att
Tetragnathidea och Linyphiidea spindlarna hade lägre δ13C-värden än spindlar i
gruppen Araneidea200.
9.4
Isotoper som indikatorer för migrationsbeteende
Migrationer har varit objekt för forskning sedan slutet på 1980-talet. Organismers
globala rörelse är en grundläggande fråga inom biologisk forskning. Endast i NordAmerika flyttar 350 olika fågelarter årligen i nord-sydlig (latitud) riktning. Flyttande
individer kan följas med satellit och ringmärkning. Dessa metoder har sina
restriktioner rörande storleken på individen och mängden data totalt eller per individ.
En blåval kan bära på mycket mera utrustning än en fågel som väger 50 g. Båda
flyttar tusentals kilometer årligen. Stabila isotopanalyser har tillfört forskningen ett
nytt redskap för att knyta en individ till funktioner i tid och rum201.
Kolisotopfraktionerna δ13C ger information om C4-/C3-växter. C3-växter
förekommer i majoritet vid högre latituder, och C4-växter vid lägre latituder202,
vilket ger en gradient i nord-sydlig riktning. Kväveisotopfraktioner från marina
miljöer har högre δ15N än teresta växter203. Deuteriums andel i isotopfraktionen
sjunker med ökad latitud. Kol och kväve är beroende av diet och väte är beroende av
nederbörd. Genom att använda alla tre isotopfraktioner kan noggrannare spatial
information erhållas. Det finns tydliga skillnader mellan individer som flyttar och
övervintrar204. Vid provtagning av vävnad, avföring eller diet, är det viktigt att veta
vilken tid provet representerar. När har vävnaden genererats, i förhållandet till
individens ålder, var har individen varit då vävnaden har genererats? Hur har
vävnaden genererats? Hur har klimatet och miljön varit vid genereringen av
vävnaden. När har organismen ätit och vad har organismen ätit 205? Genom att
kombinera ringmärkningsdata med δ2H- (δD)-värden för Amerikans sparvhök206,
(Accipiter Striatus207)se bild 26, har individer kunnat särskiljas med avseende på
häckningslatitud. Undersökningen kombinerar information om övervintringsplats
med migrations datum. Analysen visade att individer från högre latituder flyttade
52
senare än de från låga. Det visade sig att individer från högre latituder var markant
större och honorna hade mer fett. Sparvhökar från lägre latituder övervintrade längre
söderut208.
Bild 26. Amerikansk sparvhök ( Accipiter striatus) 209
Arbetet med att förbättra kartorna som beskriver isotopfraktionsfördelningen pågår
ständigt. Genom att ta i betraktande altituden och längden på tillväxtperioden för δD
och genom månatliga korrigeringar för nederbörd fås ytterligare bättre
interpolationsvärden som sedan kan utnyttjas i GIS XXXIII-applikationer210. Varje år
migrerar 100 miljoner Monarkfjärilar Danaus plexippus211,se bild 27, från östra
Nordamerika till 10 - 13 skilda kolonier i Oyamel-skogen mitt i Mexiko 212. Fjärilarna
är från flera generationer. År 1975 upptäcktes vinterkolonierna genom mycket arbete
med att samla in, märka och släppa fjärilarna igen. De återfunna märkta fjärilarna är
få till antalet samt kommer från två lättillgängliga kolonier, därför gå det inte att säga
mycket om ursprungskoloniernas och övervintringskoloniernas förhållanden. Genom
SIA kunde mycket mera detaljerad information erhållas.
XXXIII
Graphical Information System, CAD applikation för kartor
53
Bild 27. Vuxen Monarkfjäril,(Danaus plexippus), som suger nektar från en vägtistel,
Cirsium vulgare. Med på bilden finns även en flugbagge Chauliognathus sp.
Fotograferat vid Morton Arboretum, Lisle, Illinois. Bild och originaltext av Bruce
Marlin213
Med δ2H och δ13C tagna ur övervintrande monarkfjärilar kunde
kläckningsområdenas koordinater approximeras. 597 övervintrande fjärilar från 13
olika kolonier jämfördes med fjärilar från kläckningsområdena under en
migrationssäsong. Proverna påvisade att övervintringskolonierna omfattade individer
från mellanvästern i USA. Det kunde också påvisas att övervintringskolonin valdes
slumpmässigt. Intressant var att två kläckningsområden påvisade markant mera
nordliga koordinater än de övriga.
10 Diskussion
Målsättningen med detta pro gradu-arbete har uppfyllts om en kurator för någon
samling på något museum läser arbetet och tänker ”det kanske finns något i denna
metod”. Målsättningen är inte att pyrolysera XXXIV alla samlingar som finns i världen,
utan mera att göra reklam för ett verktyg. Analyser av stabila isotopfraktioner i
museala samlingar kan ge mera insikt i bl.a. hur fisket har påverkat miljön samt
oceanografiska förändringar 214. Med detta som grund kan man lätt inse att det finns
mycket information i museala samlingar som ännu inte har analyserats. Det finns
oanvända data i samlingarna. Frågan är hur dessa oanvända data kan bli information?
Stabila isotopfraktionsanalyser är en möjlighet. Vikten av spatiala och temporala
XXXIV
Provet utsätts för värme i en process utan syre varvid det sönderdelas i fraktioner. Används i
joniseringskammaren.
54
tidserier har blivit viktigare och viktigare i bio- och miljövetenskaperna. Med SIA
kan man jämföra nutida och tidigare insamlade prover i bl.a. museala samlingar 215.
SIA, rätt applicerad, kunde kanske ge kompletterande material i bl.a. forskning med
följande rubriker:
Den inflyttade mårdhundens verkningar på flora och fauna 216, 217.
Flamingon, dålig navigerare eller utbrytarkung 218?
Prover av pilsvatten i Danska sundet som fingeravtryck för oljespill i
Östersjön.
Kommer biodieselns kokosolja från orangutangernas hemskogar219?
Tullen frågar: är det rödlistade djuret från en park eller levde det i det
fria?220, 221
Vid Naturhistoriska Centralmuseet i Helsingfors har det gjorts försök för att kunna se
möjligheterna med metoden. Ur samlingarna valde Jaakko Kullberg ut olika prover
av två olika fjärilsarter, honor och hanar. De utvalda proven av Agrotis ipsilon
Kommajordfly och Agrotis clavis Barkfärgat jordfly, med några av resultaten finns
tabellerade i bilaga 2. Valet av proven gjordes så att samlingen skulle ha en stor
spridning spatialt och temporalt. Kommajordfly är en vandringsart som kan resa
långa vägar medan Barkfärgade jordflyt är stationär. Enligt Hanna Koivula är det
vanligen så att honornas uppgift är ”att vara på plats och lukta” och hanarna skall
söka upp dem, därav vandringsbeteendet. Eloni Sonninen ansvarade för
prepareringen och analysen av materialet. Resultatet visar att tydliga trender finns i
materialet, men materialet är för tunt. Det är för litet statistiskt sett och för
heterogent, för att några definitiva slutsatser skulle kunna dras. Våren 2007
uppgjordes det en forskningsplan222. Forskningsgruppen påbörjade en insamling av
potatislöv och koloradoskalbaggar Leptinotarsa decemlineata i Ukraina. I Finland
finns det insamlat material som kan undersökas och jämföras med det ukrainska
materialet. Bl.a. har en forskningsgrupp vid Jyväskylä universitet 223 forskat kring
skalbaggarna. Ukraina ligger från Finland sett nästan rakt söderut och då är H- och
O-isotoperna av intresse för spatialinformation. N-isotoperna beskriver entydigt
insamlingsområdenas olika profiler gällande användningen av konstgödsel. I Ukraina
odlas det mycket potatis och det finns rikligt med koloradoskalbaggar så ett
tillräckligt stort n-värde kan erhållas för analys. C3-växten potatis undersöks för att
få en bild av fraktionen i producenten i förhållande till det som kan analyseras i
55
koloradoskalbaggarna. Tanken är att undersöka om populationen är stationär vid
potatisåkern eller om individerna flyttar omkring mellan åkrarna. I materialet med 5
till10 åkrar är det längsta avståndet mellan åkrarna 100 km. Två insamlingar per år, i
tre års tid, har planerats. En insamling sker på våren då skalbaggarna lägger ägg och
den andra då de nya skalbaggarna har kläckts. 14.1.2008 kom första försändelsen
med skalbaggar och potatislöv till Helsingfors. Naturhistoriska Centralmuseet
finansierade resorna för de ukrainska forskarna som hade samlat materialet för att
försäkra sig om att proven skulle komma säkert fram. I primära analyser av
potatisbladen har mängden konstgödsel tydligt kunnat skönjas.
Det finns planer på att Naturhistoriska Centralmuseet analyserar den flamingo
(Phoenicopterus ruber) som hittades död i Ekenäs hösten 2007224. Med lever-,
muskel- och benprov kan kanske något sägas om C3/C4-dieten. Resultaten kan
jämföras med prover av andra flamingon som finns i samlingarna eller med värden
från flamingon i Florida, södra Frankrike eller direkta djurparks individer.
11 Synpunkter om metodens allmänna betydelse och tillämpbarhet
I april 1998 hölls den första internationella kongressen rörande ämnet. 1st
International Conference on Applications of Stable Isotope Techniques to Ecological
Studies225. Kongressen förenar biologer, fysiologer, geokemister och miljöforskare i
allmänhet. Kongressen återkommer vartannat år. Aktuell forskning inom området
presenteras på kongressen, isotopanalyser är den gemensamma nämnaren.
Forskningsinriktningarna har varit bl.a.226:
Marina, teresta och sötvattens ekologiska system
Primärproduktion
Mikrobekologi
Nederbördsanalyser för spatial information
Trofinivåer
Migrationer
Paleoekologi
Kretslopp för bl.a. hydrologi, näring, miljögift och kol.
Begrepp som är viktiga för ett biologiskt SIA-forskningsprojekt är validitet,
reliabilitet och kompetens. När lätta stabila isotopfraktionsanalyser används som
56
verktyg för biologisk forskning finns det stora faror. Flera vetenskapliga discipliner
måste anlitas för att få tillförlitliga resultat. Projektet borde ha möjlighet att utnyttja
statistiker, fysikokemister, geografer, geokemister, taxonomer, ekologer osv. för att
få det vetenskapliga djup som krävs av god forskning. Före varje forskningsprojekt
borde det göras en djupanalys över vad SIA kan tillföra projektet, eftersom SIA alltid
ger något resultat. SIA är i grunden en stabil, väldokumenterad, teoretiskt hållbar och
billig metod. Den ökade populariteten av stabila isotopfraktionsanalyser (SIA) som
ett verktyg för biologisk forskning samt enkelheten i den automatiserade processen
har lett till ett kunskapstomrum. När SIA används som verktyg i biologisk forskning
är det av yttersta vikt att den fysikaliska och kemiska helhetsbilden är ständigt
närvarande då slutsatser dras117. Av 330 publicerade ekologiska forskningsrapporter
där SIA använts, rapporterade 63 st. inga som helst analytiska fel från
isotopfraktionsmasspektrometrin. De övriga 267 hade med i sina rapporter analytiska
felberäkningar men det fanns ingen linje för hur detta gjordes och terminologin
varierade. Analytiska fel kopplades ofta till oberoende laboratoriereferenser.
Finlands Akademi som medlem i Europeiska forskningsrådet stöder forskning inom
området bl.a. det vetenskapliga programmet Stable Isotopes in BiosphericAtmospheric Exchange (SIBAE).
12 Tankar som undersökningen väckt
Mellan raderna i en del forskningspublikationer, utan att specificera, kunde det
skönjas att forskningsprogrammen inte alltid är så väl planerade utan finansieringen
som möjliggjort vistelse i naturen verkade ha en större tyngd. I framtiden måste
granskningen vara noggrannare för att kunna publicera manuskript. Avseende på
taxonomin i artiklarna så var det inte klart vilket taxonomiskt koncept artnamnet
representerade227 dvs. från vilken publikation det vetenskapliga namnet kom. SIA är
en noggrann analysmetod som fungerar på individnivå, det borde vara på sin plats att
kunna möjligast entydigt identifiera arten, som individen hör till. Denna aktuella
undersökning försöker identifiera koncepten för arterna som behandlas. Koncepten
kan vara felaktiga eller saknas totalt pga. ursprungsartiklarnas sparsamma
information på denna punkt. Inom SIA för biologisk forskning har grunden murats av
bl.a. Keith Hobson228 och Leonard I. Wassenaar 229. Ett större stöd till SIA skulle
kunna ha markanta positiva effekter på Naturhistoriska centralmuseets
publikationsprofil, se tabell 10. Naturhistoriska centralmuseet har den infrastruktur
57
som behövs, masspektrometer, stora samlingar, kunnigt folk och ett tryck att höja
publikationsprofilen. Som mått på publikationer används här h-indexet230. Ett hindex på 20 betyder att 20 artiklar har citerats 20 gånger eller mer 231. Indexet tar i
betraktande mycket citerade artiklar samt artiklar som inte citerats ännu. H-indexet
har även jämförts med andra index och det är påvisat att h-indexet är en robust
mätare232.
Tabell 10. Värdena är tagna från ISI Web of Knowledge233 20.1.2008.
Naturhistoriska centralmuseets ringa ålder bör beaktas. Naturhistoriska
centralmuseet grundades 1989
Forskare/forsknings enhet
h-index
Keith Hobson
42
Leonard I Wassenaar
20
Ilkka Hanski (ekolog)
52
Pekka Pyykkö (kvantkemist)
47
Naturhistoriska centralmuseet i Helsingfors
17
Naturhistoriska riksmuseet i Stockholm
55
Ett praktiskt problem under genomgången av artiklar visade sig vara att gamla
skannade artiklar gav fel resultat vid sökningar på ord. Det visade sig att ibland när
artiklar skannas så tolkar OCRXXXV programmet δXX som filS, fiXS, 61S, 6~5, ~S, fi,
fit,6~, ~xxN, 61~N eller 6XX 118, 234, 235, vilket kan leda till feltolkningar.
XXXV
Optical character recognition, program som läser in text från bilder.
58
Bilaga 1 Isotoptabell komponerad från wikipedia236
59
Bilaga 2 Mätresultat av valda prover
Proverna är valda ur Naturhistoriska centralmuseets fjärilssamling av
Jaakko Kullberg. Proverna var inte kemiskt preparerade före analys.
Ansvaret för analysen (2007) hade Eloni Sonninen vid
Dateringslaboratoriet.
Art
Kön
Ursprungs-
insamlingsdatu
δ15N o/oo
δ13C
δ18O o/oo
land
m
vs N2(air)
o/oo vs
vs
VPDB
VSMOW
18
Agrotis ipsilon
male
Finland
15.10.1981
4,79
-25,95
19,22
17
Agrotis ipsilon
male
USA
11.7.1965
3,83
-26,73
18,26
16
Agrotis ipsilon
female
Russia
1900
8,03
-27,29
16,53
15
Agrotis ipsilon
female
Sudan
9.10.1962
6,02
-26,46
17,40
14
Agrotis clavis
male
Finland
10.7.1964
7,44
-26,07
18,87
13
Agrotis clavis
male
Finland
22.7.1976
10,72
-25,59
14,00
12
Agrotis ipsilon
male
Finland
15.6.1964
4,49
-26,06
23,42
11
Agrotis ipsilon
female
Finland
22.8.1979
3,81
-26,20
15,19
10
Agrotis ipsilon
female
USA
17.3.1989
9,38
-17,77
20,35
9
Agrotis ipsilon
female
Turkey
22.3.1988
10,62
-28,96
20,87
8
Agrotis ipsilon
male
Russia
22.7.1990
10,99
-27,19
17,79
7
Agrotis ipsilon
female
Israel
15.4.1986
4,24
-27,11
23,97
6
Agrotis ipsilon
female
Finland
2.9.1964
3,67
-25,52
22,20
5
Agrotis ipsilon
male
Gran
8.4.1994
11,24
-24,51
21,22
Canaria
4
Agrotis ipsilon
female
Craecia
28.9.1977
11,20
-16,05
19,88
3
Agrotis ipsilon
male
Czech rep.
3.9.1994
7,53
-26,94
19,18
2
Agrotis ipsilon
male
Tadzhikista
9.6.1991
4,13
-27,53
20,67
30.8.1978
5,67
-26,64
18,68
n
1
Agrotis ipsilon
male
SaudiArabia E
60
13 Referenser och internet adresser
1
Adams, D. 1979 The Hitchhiker’s Guide to the Galaxy. Pan Books
2
Urey, H.C., Brickwedde, F.G., Murphy, G.M. 1932 An isotope of hydrogen of mass
2 and its concentration Phys Rev 39:864
3
http://www.helsinki.fi/science/metapop/school/Webbsidan/fen_naringskedjor.htm
12.10.2007
4
5
http:// www.nelliportaali.fi 17.10.2007
http://www.webelements.com/ 15.10.2008
6
Periodiska systemet. (2008, mars 6). Wikipedia, . Hämtad 12.20, mars 9, 2008 från
http://sv.wikipedia.org/w/index.php?title=Periodiska_systemet&oldid=6121124.
7
IUPAC Compendium of Chemical Terminology 2nd Edition 1997
http://www.iupac.org/goldbook/I03352.pdf 10.02.2008
8
Hoefs, J. 1987 Stable Isotope Geochemistry, Third, completely revised and
enlarged edition, Springer-Verlag. [ISBN 0-387-17341-2]
9
Palo R.T. 1995,Atomer som budbärare, Fakta skog 3
http://www2.slu.se/forskning/fakta/faktaskog/pdf95/4S95-03.pdf
10
Little, J. 2003, Genomic instability and bystander effects: a historical perspective ,
Oncogene, [Online], vol. 22 Medical Division, Macmillan Press, no. 45, pp. 6978.
11
Weast, R.C.,1991 CRC Handbook of Chemistry and Physics, 1th Student edition.
CRC Press
12
Atkins P.W. 1990 Physical Chemistry, Fourth Edition, Oxford University Press
[ISBN 0-19-855284-X]
13
Hollas,J.M., 1987, Modern Spectroscopy, second edition.
14
Wolfsberg,J. 1969 Isotope effects, Annu. Rev. Phys. Chem..20:449-478
15
IAEA, Environmental Isotopes in the Hydrological Cycle : Principles and
Applications http://wwwnaweb.iaea.org/napc/ih/IHS_resources3_publication_en.html 10.02.2008
16
Young, E.D., Galy, A. & Nagahara, H. 2002, Kinetic and equilibrium massdependent isotope fractionation laws in nature and their geochemical and
cosmochemical significance , Geochimica et Cosmochimica Acta, vol. 66, no. 6, pp.
1095-1104.
61
17
Eskola, A. 2006, "Kinetics of the CH3 HCl/DCl -> CH4/CH3D Cl and CD3
HCl/DCl -> CD3H/CD4 Cl reactions: An experimental H atom tunneling
investigation", Chemical Physics, [Online], vol. 331, no. 1, pp. 26.
18
Hennig, C. 2006, Secondary kinetic isotope effect in nucleophilic substitution: A
quantum-mechanical approach , The journal of physical chemistry. A, [Online], vol.
110, no. 9, pp. 3071
19
Inczedy, J. Lengyel, T. Ure, A.M 1998 Compendium of Analytical Nomenclature
The Orange Book - 3rd Edition Blackwell Science, [ISBN 0-632-05127-2]
20
McNaught, A. D., Wilkinson A., 1997 Compendium of Chemical Terminology The
Gold Book, Second Edition Blackwell Science, [ISBN 0865426848]
21
http://whyfiles.org/083isotope/2.html 04.10.2007
22
http://www.iaea.org/programmes/ripc/ih/volumes/vol_one/cht_i_11.pdf 20.1.2008
23
http://www.iupac.org/index_to.html 09.10.2007
24
http://www.iaea.org/ 09.10.2007
25
Coplen, T. B., 1994 Reporting of stable hydrogen, carbon, and oxygen isotopic
abundances, Pure Appl. Chem., 66, 273-276,.
26
http://books.nap.edu/html/biomems/hcraig.pdf 09.10.2007
27
http://wwwrcamnl.wr.usgs.gov/isoig/res/funda.html 09.10.2007
28
http://nrm.museum/en/svenska_fjarilar/a/agrotis_ipsilon.html 08.03.2008
29
Kendall, C. and Caldwell, E. A. (1998). Fundamentals of Isotope Geochemistry ,
In: C. Kendall and J.J. McDonnell (Eds.), Isotope Tracers in Catchment Hydrology.
Elsevier Science, Amsterdam, pp. 51-86.
http://wwwrcamnl.wr.usgs.gov/isoig/isopubs/itchch2.html 10.02.2008
30
http://www.iaea.org/programmes/aqcs/rm_details.htm 12.10.2007
31
Allison, C. E., Francey, R. J. and Meijer, H. A. J. 1995 in Reference and
Intercomparison Materials for Stable Isotopes of Light Elements, IAEA-TECDOC825, pp. 155-162.
32
Friedli, H., Lötscher, H., Oeschger, H., Siegenthaler, U.,Stauffer B 1986 Ice core
record of the 13C/12C ratio of atmospheric carbon dioxide in the past two centuries.
Nature 324: 237–238
33
Crowley, T. J., Berner, R. A., 2001 CO2 and climate change. Science 292,
870−872
62
34
http://www-naweb.iaea.org/nahu/nmrm/nmrm2003/material/iaean19.htm
12.10.2007
35
http://www-naweb.iaea.org/nahu/nmrm/nmrm2003/material/iaeas1.htm 12.102007
36
Craig, 1961, Isotope variations in meteoric waters , Science, [Online], vol. 133,
no. 1702, pp. 3.
37
https://srmors.nist.gov/view_cert.cfm?srm=8535 09.10.2007
38
http://www-naweb.iaea.org/NAALIHL/docs/InfoSheet-VSMOW2-SLAP2.pdf
09.10.2007
39
Bolin, B., 1976 Transfer processesand time scales in biogeochemical cycles….
Nitrogen, Phosphorus and Sulphur – Global Cycles. SCOPE Report 7. Ecol. Bull.
(Stockholm) 22:17-22
40
http://www.icsu-scope.org/downloadpubs/scope21/chapter02.html 16.12.2007
41
Palumbo, R., Meier A., Wieckert C., Steinfeld A. 2004 Packaging Sunlight ASME
Power & Energy, Vol. 1, Nr. 1, pp. 19-23,
42
Vucetich, J. A., Peterson, R. O., 2004 Long-term population and predation
dynamics of wolves on Isle Royale. Biology and conservation of wild canids (edsD.
Macdonald & C. Sillero-Zubiri), pp. 281–292. Oxford, UK: Oxford University Press.
43
Thurber, J. M., Peterson, R. O., 1993 Effects of population density and pack size
on the foraging ecology of gray wolves. J. Mamm. 74, 789–889.
(doi:10.2307/1382426)
44
http://eobglossary.gsfc.nasa.gov//Library/CarbonCycle/carbon_cycle4.html
20.1.2008 http://www.jsc.nasa.gov/policies.html#Guidelines 20.1.2008
45
Irving, L., 1925 The carbonic acid-carbonate equilibrium and other weak acids in
sea water J. Biol. Chem. 63: 767-778. [PDF]
46
Gibor, A., 1970. The oxygen cycle. Scientific American, 223(3), 111
47
Nadis, S., 2003 The Cells That Rule the Seas, Scientific American, Nov.
48
Chisholm, S.W. 2007, Code and context: Prochlorococcus as a model for crossscale biology. , Trends in Microbiology, [Online], vol. 15, no. 9, pp. 398.
49
Walker, J. C. G., 1980 The oxygen cycle in the natural environment and the
biogeochemical cycles, Springer-Verlag, Berlin, Federal Republic of Germany
(DEU)
63
50
Schouenborg, B., Grelk, B., Brundin, J.A., Alnaes, L. 2000 Buktningsprovning av
marmor för fasadbeklädnad, SP Rapport 2000:28 Byggnadsteknik.
51
Lasaga, A.C., Ohmoto, H. 2002, The oxygen geochemical cycle: dynamics and
stability , Geochimica et Cosmochimica Acta, vol. 66, no. 3, pp. 361-381.
52
Sampaio, C.H., Petter, C.O., Kautzmann, R.M. & Klein, S.L. 1997, Technological
characterization of riacho dos machados gold ore for cyanide leaching and study of
the utilization of oxidising agents , Minerals Engineering, vol. 10, no. 5, pp. 547550.
53
Vitousek, P., Aber, J., Howarth, R., Likens, G., Matson, P., Schindler, D.,
Schlesinger, W. & Tilman, D. 1997, Human alteration of the global nitrogen cycle:
Sources and consequences , Ecological Applications, vol. 7, no. 3, pp. 737-750.
54
Robinson, E., and Robbins, R. C. 1970 Gaseous sulphur pollutants from urban
and natural sources , J. Air Pollution Control Ass., 20, 233-235
55
Stevenson, F. J. 1965 Origin and distribution of nitrogen in soil, in Bartholomew,
W. V., and Clark. F. E. (eds) Soil Nitrogen, Agronomy, 10, 1-42, Madison, Wisc.,
American Society for Agronomy Inc., Publishers
56
Söderlund, R., and Svensson, B. H. 1976 The global nitrogen cycle, in Svensson,
B. H., and Söderlund, R. (eds) Nitrogen, Phosphorus and Sulphur Global Cycles,
SCOPE Report No. 7, Ecol. Bull. (Stockholm), 22, 23-73.
57
http://soil.gsfc.nasa.gov/NFTG/nitrocyc.htm 6.11.2007
58
Zumft, W.G. 1997 Cell biology and molecular basis of denitrification.: Microbiol.
Mol. Biol. Rev. Bd. 61, Nr. 4, S. 533-616. PMID 9409151
59
Conrad, 1996, Soil microorganisms as controllers of atmospheric trace g ases (H2,
CO, CH4, ... , Microbiological reviews, [Online], vol. 60, no. 4, pp. 609.
60
Brenninkmeijer, C. 2006, The overwhelming role of soils in the global
atmospheric hydrogen cycle , Atmospheric chemistry and physics, [Online], vol. 6, ,
pp. 1611.
61
Ehhalt, D. 2002, A three-dimensional model of molecular hydrogen in the
troposphere , Journal of geophysical research - atmospheres, [Online], vol. 107, no.
D17.
62
Prather, M.J. 2003, Atmospheric science. An environmental experiment with H2?
, Science, [Online], vol. 302, no. 5645, pp. 581.
63
Ryaboshapko, A. G. 1983 The atmospheric sulphur cycle, in Ivanov, M. V., and
Freney, J. R. (eds) The Global Biogeochemical Sulphur Cycle, Chichester, Wiley.
64
64
Volkov, I. I., Rozanov, A. G. 1983 The sulphur cycle in oceans. Part 1. Reservoirs
and Fluxes of Sulphur, in Ivanov, M. V., and Freney, J. R. (eds) The Global
Biogeochemical Sulphur Cycle. Chichester, Wiley
65
Migdisov, A. A., Grinenko, V. A., and Ronov, A. B. 1982 Cycles of sulphur in the
lithosphere, in Ivanov, M. V., and Freney, J. R. (eds) The Global Biogeochemical
Cycle of Sulphur, Chichester, Wiley
66
Krauskopf, K. B. 1967 Introduction to Geochemistry, New York, McGraw Hill
67
Freney, J. R., and Williams, C. H. 1983 The sulphur cycle in soil, in Ivanov, M.
V., and Freney, J. R. (eds), The Global Biogeochemical Sulphur Cycle, Chichester,
Wiley
68
SCOPE 21 The Major Biogeochemical Cycles and Their Interactions 1983, 554
pp, Wiley, U.K.
69
Sievert, S.M., Kiene R.P.,Schulz-Vog, H.N. 2007. The Sulfur Cycle
Oceanography, Volume 20, Number 2
70
Penkett, S. 1995, A 3D model study of the global sulphur cycle: Contributions of
anthropogenic and biogenic sources , Atmospheric environment, [Online], vol. 30, .
71
Kurten, T. 2007, A density functional study on water-sulfuric acid-ammonia
clusters and implications for atmospheric cluster formation , Journal of geophysical
research, [Online], vol. 112, no. D4.
72
http://snrs.unl.edu/amet498/drake/atmodiag.gif 20.1.2008
73
Pham, M. 1995, A three-dimensional study of the tropospheric sulfur cycle ,
Journal of geophysical research, [Online], vol. 100, no. D12, pp. 26061.
74
Nobel Lectures, Physiology or Medicine 1922-1941, Elsevier Publishing
Company, Amsterdam, 1965
75
Szent-Györgyi, A. 1964, Teaching and the Expanding Knowledge: The
simplification that comes with expanding knowledge enables teaching to encompass
this knowledge. , Science, [Online], vol. 146, no. 3649, pp. 1278.
76
Szent-Györgyi, A. 1971, Biology and pathology of water , Perspectives in Biology
and Medicine, [Online], vol. 14, no. 2, pp. 239..
77
http://wateriso.eas.purdue.edu/waterisotopes/pages/information/background.html
09.10.2007
78
http://ga.water.usgs.gov/edu/watercycleswedish.html 20.1.2008
65
79
Mook,W. G.,2000 Environmental isotopes in the hydrological cycle principles and
applications volume 2 Atmospheric Water Unesco/Iaea Series
80
http://ecophys.biology.utah.edu/Research/Isoscapes/index.html 09.10.2007
81
http://isohis.iaea.org/search.asp 09.10.2007
82
http://maps.google.fi/maps/ms?f=q&hl=fi&geocode=&ie=UTF8&om=1&msa=0&
msid=102498774260429136950.00043c0a0eef982a5cea4&ll=64.848937,33.837891
&spn=13.287797,40.166016&z=5 09.10.2007
83
http://www.fmnh.helsinki.fi/svenska/dateringslab/index.htm 09.10.2007
84
http://isohis.iaea.org/ISOHIS.asp 09.10.2007
85
Personlig korrespondens med Eloni Sonninen och Högne Jungner vid
Dateringslaboratoriet
86
West, J., Bowen, G., Cerling, T. & Ehleringer, J. 2006, Stable isotopes as one of
nature's ecological recorders , Trends in ecology & evolution, vol. 21, no. 7, pp. 408414.
87
Reniero, F. 1999, Stable oxygen isotope content of water of EU data-bank wines
from Italy, France and Germany , Zeitschrift für Lebensmittel-Untersuchung und Forschung. A, Food research and technology, [Online], vol. 208, no. 5-6, pp. 400.
88
Johnson, S. 2007, 3D-mapping optimization of embodied energy of transportation
, Resources, conservation, and recycling, [Online], vol. 51, no. 2, pp. 435.
89
Bowen, G. Miller, C.C. 2007 the Online Isotopes in Precipitation Calculator, 3/
www.waterisotopes.org
90
Bowen, G. , J.R. Ehleringer, L.A. Chesson, E. Stange, T.E. Cerling. 2007. Stable
isotope ratios of tap water in the contiguous United States. Water Resources
Research. 43:W03419.
91
Bowen, G. 2005, Stable hydrogen and oxygen isotope ratios of bottled waters of
the world , Rapid communications in mass spectrometry, [Online], vol. 19, no. 23,
pp. 3442 Sons.
92
Griffiths, J.F. 1976, Applied Climatology, 2Rev Ed edition Oxford University
Press
93
http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=User:Adenosine&oldid=139526878
20.1.2008
94
Ransom S. L.; Thomas M 1960. Crassulacean acid metabolism . Annual Rev Plant
Physiol 11: 81-110. doi:10.1146/annurev.pp.11.060160.0005
66
95
Deniro, M. 1987, Stable isotopy and archaeology , American Scientist, [Online],
vol. 75, no. 2, pp. 182.
96
Schidlowski, M., Hayes, J.M., Kaplan, I.R., 1983. Isotopic inferences of ancient
biochemistries: carbon, sulfur, hydrogen and nitrogen. In: Schopf, J.W. (Ed.),
Earth’s Earliest Biosphere: Its Origin and Evolution. Princeton University Press,
Princeton, NJ,pp. 149–186.
97
McCutchan, J.J. 2003, Variation in trophic shift for stable isotope ratios of carbon,
nitrogen, and sulfur , Oikos, [Online], vol. 102, no. 2, pp. 378..
98
Lubetkin, S. 2004, Multi-source mixing models to quantify food web sources and
pathways , The Journal of applied ecology, [Online], vol. 41, no. 5, pp. 996.
99
Bump, J.K. 2007, Stable isotopes, ecological integration and environmental
change: wolves record atmospheric carbon isotope trend better than tree rings. ,
Proceedings of the Royal Society B: Biological Sciences, [Online], vol. 274, no.
1624, pp. 2471 Sons
100
Passey, B. 2006, In situ stable isotope analysis (delta C-13, delta O-18) of very
small teeth using laser ablation GC/IRMS , Chemical geology, [Online], vol. 235, no.
3-4, pp. 238.
101
Boner, M. 2004, Stable isotope variation as a tool to trace the authenticity of
beef. , Analytical and bioanalytical chemistry, [Online], vol. 378, no. 2, pp. 301.
102
Bahar, B. 2008, Seasonal variation in the C, N and S stable isotope composition
of retail organic and conventional Irish beef , Food chemistry, [Online], vol. 106, no.
3, pp. 1299.
103
http://www.luomus.fi/taxon/taxonview.php?taxon=13642 20.1.2008
104
Voigt, CC., Klem. D.H. 2006 Host preferences of the common vampire bat
(Desmodus rotundus; Chiroptera) assessed by stable isotopes. J Mammal 87:1–6
105
Cappa, C. D., M. B. Hendricks, D. J. DePaolo, and R. C. Cohen 2003, Isotopic
fractionation of water during evaporation, J. Geophys. Res., 108(D16), 4525,
doi:10.1029/2003JD003597.
106
Ericson, 1964, The Pleistocene Epoch in Deep-Sea Sediments: A complete time
scale dates the... , Science, [Online], vol. 146, , pp. 723.
107
http://maps.google.fi/maps?f=q&hl=en&q=Tarija,+Tarija+Bolivia&ie=UTF8&cd
=2&geocode=0,-21.531811,-64.731163&ll=-21.568056,64.69162&spn=0.433588,0.65506&t=h&z=11&iwloc=addr&om=1
67
108
MacFadden, B.J. 2000, Middle Pleistocene Climate Change Recorded in Fossil
Mammal Teeth from Tarija, Bolivia, and Upper Limit of the Ensenadan LandMammal Age , Quaternary Research, vol. 54, no. 1, pp. 121-131.
109
http://www.luomus.fi/taxon/taxonview.php?taxon=15322 22.01.2008
110
http://paleodb.org/cgi-bin/bridge.pl?action=checkTaxonInfo&taxon_no=43244
22.01.2008
111
Taylor R.E., Long A., Kra R.S. [editors] 1992, Radiocarbon After Four Decades
(Springer).
112
Libby, W. Nobel Lectures, Chemistry 1942-1962, Elsevier Publishing Company,
Amsterdam, 1964
113
Bowman S. 1990, Radiocarbon Dating (London: British Museum Press).
114
Reimer, P. 2004, IntCal04 terrestrial radiocarbon age calibration, 0-26 cal kyr BP
, Radiocarbon, [Online], vol. 46, no. 3, pp. 1029.
115
Damon, P. 1989, Radiocarbon dating of the shroud of Turin , Nature, [Online],
vol. 337, no. 6208, pp. 611.
116
Bearhop, S. 2001, Annual variation in Great Skua diets: The importance of
commercial fisheries and predation on seabirds revealed by combining dietary
analyses , The Condor, [Online], vol. 103, no. 4, pp. 802.
117
Jardine, T., Cunjak, R. 2005, Analytical error in stable isotope ecology ,
Oecologia, vol. 144, no. 4, pp. 528-533.
118
Vogel, J.C. 1983, Isotopic evidence for the past climates and vegetation of
Southern Africa. Bothalia 14:391–394
119
Ambrose, S. 1986, The isotopic ecology of East African mammals. , Oecologia,
[Online], vol. 69, no. 3, pp. 395.
120
Kelly, B. 2006, The effects of preservation on fish tissue stable isotope signatures
, Journal of fish biology, [Online], vol. 69, no. 6, pp. 1595.
121
Sarakinos, H. 2002, A synthesis of tissue-preservation effects on carbon and
nitrogen stable isotope signatures , Canadian Journal of Zoology, [Online], vol. 80,
no. 2, pp. 381.
122
http://maps.google.fi/maps?f=q&hl=en&geocode=&q=China%3B+Lantian&sll=7
0.612614,140.625&sspn=171.88804,360&ie=UTF8&ll=25.204941,118.042603&spn
=3.597937,5.350342&t=h&z=8&om=0 04.02.2008
68
123
Kaakinen, A., Sonninen, E. & Lunkka, J.P. 2006, Stable isotope record in
paleosol carbonates from the Chinese Loess Plateau: Implications for late Neogene
paleoclimate and paleovegetation , Palaeogeography, Palaeoclimatology,
Palaeoecology, vol. 237, no. 2-4, pp. 359-369.
124
Hansson, S. 1997, The stable nitrogen isotope ratio as a marker of food-web
interactions and fish migration , Ecology, [Online], vol. 78, no. 7, pp. 2249.
125
Gaston, 2004, Spatial variation in δ13C and δ15N of liver, muscle and bone in a
rocky reef planktivorous fish: the relative contribution of sewage , Journal of
experimental marine biology and ecology, [Online], vol. 304, no. 1, pp. 17.
126
Hopkins, S. 2007, Causes of lineage decline in the Aplodontidae: Testing for the
influence of physical and biological change , Palaeogeography, palaeoclimatology,
palaeoecology, [Online], vol. 246, no. 2-4, pp. 331.
127
http://www.itis.gov/servlet/SingleRpt/SingleRpt?search_topic=TSN&search_value
=180132 20.1.2008
128
http://www.luomus.fi/taxon/taxonview.php?taxon=15905 25.01.2008
129
http://www.hatikka.fi/namelist.php Aplodontia rufa 25.01.2008
130
Mountain Beaver. (2007, December 14). In Wikipedia, The Free
Encyclopedia. Retrieved 15:25, March 9, 2008, from
http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Mountain_Beaver&oldid=177828079
131
Graham, R. 1996, Spatial response of mammals to Late Quaternary
environmental fluctuations , Science, [Online], vol. 272, no. 5268, pp. 1601.
132
Zachos, J., Pagani, M., Sloan, L., Thomas, E., Billups, K., 2001.Trends, rhythms,
and aberrations in global climate 65 Ma to present. Science 292 (5517), 686–693.
133
Berninger, F., Sonninen, E., Aalto, T., Lloyd. J. 2000, Modeling 13C
discrimination in Tree Rings, Global Biogeochem. Cycles, 14(1), 213–224.
134
Betson, T.R. 2006, Quantification of deuterium isotopomers of tree-ring cellulose
using nuclear magnetic resonance. , Analytical chemistry, [Online], vol. 78, no. 24,
pp. 8406.
135
Bothma, J. 2004, Motherhood Increases Hunting Success In Southern Kalahari
Leopards , Journal of Mammalogy, [Online], vol. 85, no. 4, pp. 756.
136
Kleiber M. 1947 Body size and metabolic rate. Physiol Rev 27:511–541
69
137
MacAvoy S.E., Macko S.A., Arneson L.S. 2005 Growth versus metabolic tissue
replacement in mouse tissues determined by stable carbon and nitrogen isotope
analysis. Can J Zool 83:631–641
138
Suomen Lintutieteellinen Yhdistys 1999: Maailman lintulajien suomenkieliset
nimet. -- 272 s. Suomen Lintutieteellinen Yhdistys, Helsinki.
http://www.luomus.fi/taxon/taxonview.php?taxon=20335 20.1.2008
139
Hobson K. A., L. Atwell, and L. I. Wassenaar. 1999. Influences of drinking water
and diet on the stable-hydrogen isotope ratios of animal tissues. Proceedings of the
National Academy of Sciences. 96:8003–8006.
140
Ben-David, M. 2001, Mixing models in analyses of diet using multiple stable
isotopes: a response , Oecologia, [Online], vol. 127, no. 2, pp. 180.
141
Barrett, 2007, Diet studies of seabirds: a review and recommendations , ICES
journal of marine science, [Online], vol. 64, no. 9, pp. 1675.
142
Hobson, K.A. 1999, Influence of drinking water and diet on the stable-hydrogen
isotope ratios of animal tissues. , Proceedings of the National Academy of Sciences of
the United States of America, [Online], vol. 96, no. 14, pp. 8003.
143
Suomen Lintutieteellinen Yhdistys 1999: Maailman lintulajien suomenkieliset
nimet. -- 272 s. Suomen Lintutieteellinen Yhdistys, Helsinki
http://www.luomus.fi/taxon/taxonview.php?taxon=30433
144
http://www.itis.gov/servlet/SingleRpt/SingleRpt?search_topic=TSN&search_value
=179731
145
Hobson, K. 1992, Assessing avian diets using stable isotopes I: Turnover of
super(13)C in tissues. , The Condor, [Online], vol. 94, no. 1, pp. 181.
146
Tieszen, L.L., Boutton, T.W., Tesdahl, K.G. & Slade, N.H.1983, Fractionation
and turnover of stable carbon isotopes in animal tissues: implications for 3C analysis
of diet. Oecologia, 57, 32-37.
147
Suomen Lintutieteellinen Yhdistys 1999: Maailman lintulajien suomenkieliset
nimet. -- 272 s. Suomen Lintutieteellinen Yhdistys, Helsinki
http://www.luomus.fi/taxon/taxonview.php?taxon=21000
148
Bearhop, S. 2002, Factors that influence assimilation rates and fractionation of
nitrogen and carbon stable isotopes in avian blood and feathers , Physiological and
biochemical zoology, [Online], vol. 75, no. 5, pp. 451.
149
http://www.luomus.fi/taxon/taxonview.php?taxon=19086 07.03.2008
150
http://www.luomus.fi/taxon/taxonview.php?taxon=19089 07.03.2008
70
151
http://www.luomus.fi/taxon/taxonview.php?taxon=19096 07.03.2008
152
Cherel, Y. 2005, Isotopic discrimination between food and blood and feathers of
captive penguins: implications for dietary studies in the wild. , Physiological and
biochemical zoology, [Online], vol. 78, no. 1, pp. 106..
153
Gannes L.Z., D.M. O’Brien, and C.M. del Rio. 1997. Stable isotopes in animal
ecology: assumptions, caveats, and a call for more laboratory experiments. Ecology
78:1271–1276
154
Schwarcz H.P. 1991. Some theoretical aspects of isotope paleodiet studies. J
Archaeol Sci 18:261–275.
155
Hobson K.A., R.G. Clark. 1992a. Assessing avian diets using stable isotopes. I.
Turnover of d13C in tissues. Condor 94:181–188.
156
Nagy K.A. 1987. Field metabolic rate and food requirement scaling in mammals
and birds. Ecol Monogr 57:111–128.
157
Hobson, K. 1993, Trophic relationships among high arctic seabirds - insights
from tissue-dependent stable-isotope models , Marine ecology progress series,
[Online], vol. 95, no. 1-2, pp. 7.
158
Hatikka [05.12.2007] – Luonnontieteellinen keskusmuseo, Helsingin yliopisto.
http://www.hatikka.fi
159
Lahti, T. 2006: Hatikka, Kastikka ja kasviatlas. - Lutukka 22(1):26-29.
160
Tretåig mås. (2008, mars 1). Wikipedia, . Hämtad 16.08, mars 9, 2008 från
http://sv.wikipedia.org/w/index.php?title=Tret%C3%A5ig_m%C3%A5s&oldid=608
1943
161
http://www.photolib.noaa.gov/htmls/anim0433.htm Image ID: anim0433,
NOAA's Ark (Animals) Collection, Photographer: Commander John Bortniak,
NOAA Corps (ret.)
162
Vittrut. (2008, mars 1). Wikipedia, . Hämtad 16.11, mars 9, 2008 från
http://sv.wikipedia.org/w/index.php?title=Vittrut&oldid=6081454
163
Pohjankiisla. (2008, helmikuun 23). Wikipedia, . Hämtad 16.12, mars 9, 2008 från
http://fi.wikipedia.org/w/index.php?title=Pohjankiisla&oldid=4352696.:
164
Tobisgrissla. (2008, februari 25). Wikipedia, . Hämtad 16.12, mars 9, 2008 från
http://sv.wikipedia.org/w/index.php?title=Tobisgrissla&oldid=6051756
165
Alkekonge. (2008, februar 2). Wikipedia, . Hämtad 16.12, mars 9, 2008 från
http://no.wikipedia.org/w/index.php?title=Alkekonge&oldid=3291169.
71
166
Ejder. (2008, januari 30). Wikipedia, . Hämtad 15.37, mars 9, 2008 från
http://sv.wikipedia.org/w/index.php?title=Ejder&oldid=5854032
167
http://maps.google.fi/maps?f=d&hl=fi&geocode=&saddr=barrow+strait+canada&
daddr=Lancaster+sound&sll=62.593341,27.575684&sspn=7.426372,22.236328&ie=
UTF8&ll=74.366675,-87.736816&spn=4.35164,22.236328&t=p&z=6&om=1
168
Cherel, Y. 2002, Food and feeding ecology of the sympatric thin-billed
Pachyptila belcheri and Antarctic P. desolata prions at Iles Kerguelen, Southern
Indian Ocean , Marine ecology progress series, [Online], vol. 228, , pp. 263.
169
http://www.hatikka.fi/namelist.php Oceanodroma leucorhoa
170
http://www.itis.gov, Oceanodroma leucorhoa (Vieillot, 1818) Taxonomic Serial
No.: 174628
171
http://species.wikimedia.org/w/index.php?title=Oceanodroma_leucorhoa&oldid=3
84518 07.03.2008
172
http://maps.google.fi/maps?f=d&hl=fi&geocode=&saddr=Baccalieu&daddr=&sll
=62.593341,27.575684&sspn=7.426372,22.236328&ie=UTF8&ll=48.12657,52.798748&spn=0.083988,0.173721&t=h&z=13&om=1
173
Rau, G.H. 1989, Latitudinal variations in plankton delta 13C: implications for
CO2 and productivity in past oceans. , Nature, [Online], vol. 341, no. 6242, pp. 516
174
Huntington CE, Butler RG, Mauck RA 1996 Leach’s stormpetrel. In: Poole A,
Gill F (eds) The birds of North America, No 233. The Academy of Natural Sciences,
Philadelphia, PA, and the American Ornithologists’ Union, Washington, DC
175
Hedd, A. 2006, Diet and trophic position of Leach's storm-petrel Oceanodroma
leucorhoa during breeding and moult, inferred from stable isotope analysis of
feathers , Marine ecology progress series, [Online], vol. 322, , pp. 291.
176
http://www.luomus.fi/taxon/taxonview.php?taxon=21122 08.02.2008
177
Suomen Lintutieteellinen Yhdistys 1999: Maailman lintulajien suomenkieliset
nimet. -- 272 s. Suomen Lintutieteellinen Yhdistys, Helsinki.
178
Bengtson, S. 1984, Breeding ecology and extinction of the great auk (Pinguinus
impennis ): Anecdotal evidence and conjectures. , Auk, The, [Online], vol. 101, no. 1,
pp. 1.
179
Goericke R, Fry B. 1994 Variations of marine plankton δ 13C with latitude,
temperature, and dissolved CO2 in the world ocean. Global Biogeochem Cycles
8:85–90
72
180
Hobson, K.A. 2007, Using stable isotopes to quantitatively track endogenous and
exogenous nutrient allocations to eggs of birds that travel to breed , Ardea 94(3)
2006(2007): 359-369., vol. 94, no. 3, pp. 359-369.
181
http://www.luomus.fi/taxon/taxonview.php?taxon=19087 07.03.2008
182
Zimmer, I. 2007, The trophic link between squid and the emperor penguin
Aptenodytes forsteri at Pointe Geologie, Antarctica , Marine biology, [Online], vol.
152, no. 5, pp. 1187.
183
Emperor Penguin. (2008, March 9). In Wikipedia, The Free Encyclopedia.
Retrieved 16:16, March 9, 2008, from
http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Emperor_Penguin&oldid=196978518
184
Vogel, J.C. 1978b Recycling of carbon in a forest environment. Oecologia
Plantarum 13: 89-94
185
Vogel, J.C. 1978 a Isotopic assessment of the dietary habits of ungulates.S Afr J
Sci 74:298-301
186
Schoeninger, M.J., DeNiro, M.J. 1984 Nitrogen and carbon isotopic composition
of bone collagen from marine and terrestrial animals. Geochim Cosmochim Acta
48:625–639
187
Cherel, 2005, Nutrition, physiology, and stable isotopes: new information from
fasting and molting penguins , Ecology, [Online], vol. 86, no. 11, pp. 2881.
188
Armstrong WG, Halstead LB, Reed FB, Wood L. 1983 Fossil protein in
vertebrate calcified tissues. Phil Trans R Soc Lond B301:301–343
189
http://www.hatikka.fi/namelist.php Vulpes vulpes 12.12.2007
190
http://www.nps.gov/archive/acad/photos/redfox.htm
191
Roth, J.D., Hobson, K.A., 2000 Stable carbon and nitrogen isotopic fractionation
between diet and tissue of captive red fox: implications for dietary reconstruction.
Can J Zool 78:848–852
192
Larsvik, M. 1999, Svenska namn på marina evertebrattaxa , Tjärnö
marinbiologiska laboraturium, version 99-12-05
193
194
http://www.agf.gov.bc.ca/cropprot/tfipm/pearpsylla.htm 09.03.2008
Psylla pyricola Tom Kowalsick - Suffolk County Cornell Cooperative Extension
- Cornell University - USA
73
195
Daugherty, M.P. 2007, Multiple sources of isotopic variation in a terrestrial
arthropod community: challenges for disentangling food webs. , Environmental
Entomology, [Online], vol. 36, no. 4, pp. 776.
196
Wise, D. 2006, Using stable isotopes to reveal shifts in prey consumption by
generalist predators , Ecological applications, [Online], vol. 16, no. 3, pp. 865.
197
http://www.itis.gov, Mordellistena aethiops Smith, 1882 Taxonomic Serial No.:
723016
198
Fisher, R.T. 1959 “Natural hybridization between Silphum Laciniatum and
Silphum Terebinthinaceum ,Brittonia 11: 250-254
199
Tooker, J. 2004, Trophic Position of the Endophytic Beetle, Mordellistena
Aethiops Smith (Coleoptera: Mordellidae) , Environmental Entomology, [Online],
vol. 33, no. 2, pp. 291.
200
Kato, C. 2004, Prey use by web-building spiders: stable isotope analyses of
trophic flow at a forest-stream ecotone , Ecological research, [Online], vol. 19, no. 6,
pp. 633.
201
Peterson, B.J. & Fry, B. 1987, Stable isotopes in ecosystem studies. , Annual
review of ecology and systematics. Vol. 18, , pp. 293-320.
202
Tieszen, L.L., Boutton, T.W., 1989, Stable carbon isotopes in terrestrial
ecosystem research, in Stable Isotopes in Ecological Research (Rundel, P.W.,
Ehlringer, J.R. andNagy, K.A., eds), pp. 167–195, Springer-Verlag
203
Korner, C., Farquhar, G.D.,Wong, S.C., 1991, Carbon isotope discrimination
follows latitudinal and altitudinal trends, Oecologia 88, 30–40
204
Caccamise, D. 2000, Distinguishing migratory and resident Canada geese using
stable isotope analysis , The Journal of wildlife management, [Online], vol. 64, no. 4,
pp. 1084.
205
Hobson, K.A., Wassenaar, L.I. 1997, Linking breeding and wintering grounds of
Neotropical migrant songbirds using stable hydrogen isotopic analysis of feathers,
Oecologia 109, 142–148
206
http://www.fmnh.helsinki.fi/julkaisut/muut/lintunimet/lintunimetruotsinkieliset.txt 20.1.2008
207
Camfield, A. 2004. Accipiter striatus [Online], Animal Diversity Web. Accessed
December 18, 2007 at
http://animaldiversity.ummz.umich.edu/site/accounts/information/Accipiter_striatus.
html.
74
208
Smith, 2003, Assessing migration patterns of sharp-shinned hawks Accipiter
striatus using stable-isotope and band encounter analysis , Journal of avian biology,
[Online], vol. 34, no. 4, pp. 387.
209
Sharp-shinned Hawk. (2008, February 26). In Wikipedia, The Free Encyclopedia.
Retrieved 16:04, March 9, 2008, from
http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Sharp-shinned_Hawk&oldid=194247044
210
Meehan T. D., J. T. Giermakowski, P. M. Cryan., 2004. GIS-based model of
stable hydrogen isotope ratios in North American growing season precipitation for
use in animal movement studies. Isotopes in Environmental Health Studies. 40:291–
300
211
http://www.hatikka.fi/namelist.php Danaus plexippus 19.01.2008
212
Wassenaar, L. 1998, Natal origins of migratory monarch butterflies at wintering
colonies in Mexico: New isotopic evidence , Proceedings of the National Academy of
Sciences of the United States of America, [Online], vol. 95, no. 26, pp. 15436.
213
Photo: Bruce Marlin http://www.cirrusimage.com 20.1.2008
214
Naylor, J. 2007, Validated estimation of growth and age in the New Zealand
abalone Haliotis iris using stable oxygen isotopes freshwater research , Marine,
[Online], vol. 58, no. 4, pp. 354.
215
Rocque, D. 2005, Use of Bird Collections in Contaminant and Stable-isotope
Studies , Auk, The, [Online], vol. 122, no. 3, pp. 990
216
Hobson, K. 1999, Norway rats as predators of burrow-nesting seabirds: Insights
from stable isotope analyses , The Journal of wildlife management, [Online], vol. 63,
no. 1, pp. 14.
217
Kauhala, K. 2007. Paljonko Suomessa on pienpetoja? – Riista- ja kalatalous.
Selvityksiä. 1, 18 s.
218
Jännes, H. 1992, Muutoksia Suomen lintujen lajiluetteloon, Lintumies [Online]
vol. 5-6
219
Stone, R. 2007, Ecology. Can palm oil plantations come clean? , Science (New
York, N.Y.), vol. 317, no. 5844, pp. 1491
220
Amin, R. 2003, Intelligent data analysis for conservation: experiments with rhino
horn fingerprint identification , Knowledge-based systems, [Online], vol. 16, no. 5-6,
pp. 329.
221
Koch, P. 1995, Isotopic tracking of change in diet and habitat use in African
elephants , Science, [Online], vol. 267, no. 5202, pp. 1340.
75
222
Koivula, M., Kullberg J., von Schantz J., Sonninen E., 2007 Tutkimussuunnitelma
Koloradonkuoriaisen yksilöiden alkuperän vaihtelu levinneisyysalueen eri osissa –
paikallisen ja suurmaantieteellisen vaihtelun merkitys.
223
Lyytinen, A., Lindström, L., Mappes, J., Julkunen–Tiitto, R., Fasulati, S. &
Tiilikkala, K. 2007. Variability in host plant chemistry: behavioural and life-history
parameters of the Colorado potato beetle (Leptinotarsa decemlineata).
Chemoecology, 17 , 51-56.
224
http://www.iltasanomat.fi/Uutiset/stadi/uutinen.asp?id=1454747 20.1.2008
225
http://www.isoecol.org/previous.html 05.10.2007
226
David R. Thompson Sarah J. Bury Keith A. Hobson Leonard I. Wassenaar Joseph
P. Shannon Stable isotopes in ecological studies, Oecologia (2005) 144: 517–519
227
Berendsohn, W.G. 1995, The Concept of “Potential Taxa” in Databases , Taxon,
vol. 44, no. 2, pp. 207-212.
228
http://www.sfmnetwork.ca/html/researcher_84_e.html 20.1.2008
229
http://www.nwri.ca/staff/leonardwassenaar-e.html 20.1.2008
230
Hirsch, J. 2005, An index to quantify an individual's scientific research output ,
Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America,
[Online], vol. 102, no. 46, pp. 16569.
231
http://apps.isiknowledge.com/WoS//help/h_citationrpt.htm#h_index 20.1.2008
232
Pyykkö, P. 2006 Power-law distribution of individual Hirsch indices, the
comparison of merits in different fields, and the relation to a Pareto distribution,
Posted on 29 August 2006 on the preprint server arXiv:physics/0608282 v1.
233
http://isiknowledge.com 20.1.2008
234
Schulze, 1994, Nitrogen nutrition and isotope differences among life forms at the
northern treeline of Alaska , Oecologia, [Online], vol. 100, no. 4, pp. 406.
235
Kidd, K. 1995, Correlation between stable nitrogen isotope ratios and
concentrations of organochlorines in biota from a freshwater food web , The Science
of the total environment, [Online], , pp. 381.
236
Table of nuclides (combined). (2007, November 30). In Wikipedia, The Free
Encyclopedia. Retrieved 16:01, March 9, 2008, from
http://en.wikipedia.org/w/index.php?title=Table_of_nuclides_%28combined%29&ol
did=174930193