PhD kurzus, 2003Készítette: Siklósy Zoltán

Vitális hatások nyomai kontinentális területeken

Vitális hatások nyomai kontinentális területen

Biológiai folyamatok: stabilizotópok között jelentős megoszlás észlelhető a különböző komponensek között. C, N, S esetében az egyik legfontosabb frakcionációt okozó folyamat a biogén aktivitásnak köszönhető. Már a kiindulási folyamat, a szervetlen anyagok átalakítása /autotrófok/ jelentős frakcionációt okoz.

Okok> kémiai kötések ezáltal reakciók miatt, eltérő fizikai tulajdonságok, izotóphatások

Izotópeffektusok közül: KINETIKUS (mozgási) enzimatikus reakciók sebessége: gyorsabb, amelyik a könnyű izotópot tartalmaz. Igy a végső reakciótermékben is eltérő aranyban épülnek be

Diffúziós frakcionáció: nehéz izotópok = lassabb diffúziós sebesség

Növények izotóp-érték befolyásoló hatása

Stabilizotópok szerepe jelentős a növények által irányított folyamatok nyomon követésében (növényélettan, ökológia): frakcionáció történik mind a fotoszintézis, mind a transpiráció / respiráció során.

1. fotoszintézis /elsődlegesen kinetikus frakcionáció/

a.) CO2 belépese az atmoszférából a leveleken (sztómákon)

diffúziós seb.különbség miatt a levélen belül 13CO2 elszegényedés (4.4‰ frakcionáció)

b.) CO2 átalakítása szénhidrátokká

Két jelentős útja van a fotoszintézisnek: C3 és C4. (+1)

C3 fotoszintézis

(Átalakulási folyamat közbülső fázisa 3 szénatomot tartalmaz, Calvin-Benson)

CO2 egy un. Rubisco enzimhez kötődik, amely előszeretettel köti a könnyebb szénizotópot tartalmazó CO2-t (maximálisan 30‰ ! diszkrimináció !), ha van elegendő CO2, ami a –nyitott- sztómákon beáramolhat. Ebben az esetben a légköri szénizotóp értéke tovább csökken d13C: -8 - 30 = -38‰ , átlag ugyanakkor: -21 tól -35‰) Algák, autotróf baktériumok, erdőtársulatok, termények szinte kizárólagosan, búza, rizs, etc. USA-ban, EU-ban 80%os arány.

ribulose bisphosphate carboxylase oxygenase (RUBISCO)

C4 fotoszintézis

(Átalakulási folyamat közbülső fázisa 4 szénatomot tartalmaz, Hatch-Slack)

A folyamat során a Rubisco enzim CO2-hez es O2-hez is kötődik egyúttal (fotorespirácio). A CO2 fixálása a sejteken belül (így egyben annak átalakítása) egy extra lépést igényel (PEP), azaz plusz energiát. Emiatt visszaszorultak (C3 kialakult??), de ugyanakkor nem tűntek el, korlátozott területeken előnyben vannak (száraz, forró területek, ill. kukorica, cukornád, cirok, köles)

Alacsony CO2 szint mellett, és magasabb hőmérséklet mellett optimális. Tipikus d13C értékük: -12 to -15‰ között mozog, mivel a biokém folyamat kevésbé diszkriminatív, mint a kizárólag Rubisco enzimet használó C3 fotoszintézis.

C3-C4 növények közötti különbség számottevő

+1, Harmadik típusú fotoszintézis: CAM, sajátos metabolizmus, C4-et használnak általában, de képesek C3-ra átállni. Extra száraz környezethez adaptálódtak, pl. kaktuszfélék, vagy ananász.

2. transpiráció / evaporáció

Belépő víz lehetséges eltávozási útvonalai

Növényi transpiráció:

víztranszport, diffúzió – légnedvesség-függő

- légzőnyílás nyitottsága

Nincs frakcionáció a növényen belüli szállításkor. A belépő víz a szövetépítésnél tükrözi a kiindulási (felvett) víz izotópösszetételét – de az evaporációnál történt „bedúsulással” befolyásoltan. Pl. 18O dúsulása a levélen belüli vízben, de csak ott, pl. a törzsben összetétel = talajban lévő víz

Fotoszintézis (napközben)

Légkör dúsul 13CO2-ben

Növényi légzés (éjszaka)

Növ.szövettel kb. azonos izotópértékű CO2 kibocsájtás

3. Respiráció

v. növényi légzés, mely által a metabolikus folyamatokat (vegyületek építése, bontása) működtetni lehet.

Eddigi tanulmányok azt mutatják, hogy nincs (számottevő) frakcionáció a respiráció során, tehát a kilélegzett CO2 = a növényi szövet szénizotóp értékével.

C3 esetében tehát különösen szegény 13C-ben a kibocsájtott CO2.

Organizmusok, melyek a talajban élnek (baktériumok, gombák, állatok), szintén lélegeznek és ezáltal bocsájtanak ki CO2-t. Levéllebontás : összetevői szelektíven korhadnak. Talajban jellemzően 5-15 cm mélységben a legjelentősebb a H2O és a kilélegzett CO2 közötti egyensúly beállása.

Fa évgyűrűk vizsgálata

Cellulózon mért korrigált értékek és hőmérséklet összehasonlítása

Szénizotóp-értékek mérése alkalmas lehet paleoökológiai-paleoklimatológiai vizsgálatokra:

A különböző fűféléket zöme a C4 növények csoportjába tartozik. Bizonyos területeken pl. kizárólag C4 fűfélék nőnek: az ezeket legelő állatok fogzománcába emiatt jellemző értékű szénizotóp épül be. A vegyes táplálkozású állatok elterjedése, illetve a táplálkozásban, vagy a növényvilágban beállt változások jól nyomon követhetők. Ezek segítségével közvetlenül a klímaváltozásokra is következtetni lehet (sőt: a hiányzó infó is jelezheti, hogy azok az állatok, amelyek fogai nem mutatnak változást, tehát nem váltottak étrendet, kihalhattak, vagy elvándorolhattak…)

Avagy egyetlen faj eltérő területeken is megközelítően ugyanazt a táplálékot fogyasztja: elvileg azonos C3 növényből azonos értékű szénizotóp épülne be a fogaikba, de a paleoszélességnek megfelelően, azaz a paleoklímának (leginkább : T, csapadék, közvetve biológiai produktivitás) szerint ez az érték mégis más és más lehet.

Állatok szövetében mindössze 1‰-el kisebb a d13C értéke, mint a tápláléké, amit megeszik (You Are What You Eat). Ez egy 3 lépcsős táplálékláncban mindössze 3 ‰-et jelent.

A cseppkövek karbonátján mért d13C értéke alkalmas a múltbéli környezeti viszonyok jellemzésére. A szénizotóp értékek tükrözik a felszín felől beszivárgó víz összetételét, melyben a talaj CO2 tartalma oldódott, így egyúttal következtethetünk a felszínt egykor borító növényzetre, C3 / C4 arányra.

A növényzet két nagy csoportja különböztethető meg szénizotópértékeik alapján, az un. C4 és C3 növények. Ezek eloszlása klímafüggő, így a mért d13C értéke tükrözi a múltbéli környezeti körülményeket (értékeket együtt vizsgálni a d18O-val).

Barlangi karbonátok (szpeleotémák, cseppkövek, etc.) képződnek a barlangba belépő, a talajrétegből oldott CO2–ben gazdag víz kigázosodása után.

Jellemzően nem a karbonáton az egy pontban mért d13C értéke alkalmas paleoklimatológiai – paleoökológiai következetésekre, hanem a változások nyomon követése, az értékek időbeni változása az informatív.

(a szénizotóp értékek nem kizárólag a talaj CO2-összetételétől függenek, a beoldódó karbonát jelentős puffer)

Pl. vizsgált Dél-Afrikai terület, ahol ma a növényzet jellemzően C4 növényekből áll:

C3 / C4 arány változása kimutatható a hőmérséklet-változásnak megfelelően

Norvég példa

Téli fagy: keringő, csepegő víz megszűnik, d13C értéke a nyári hónapokban a talajban kialakuló körülményeket tükrözi (szűkebb növekedési időtartam, „beindul az élet”, jelentősen megnő a CO2 parciális nyomása a talajban, ezáltal a leszivárgó víz korróziós képessége)

Alacsony CO2 termelés a hűvösebb időszakban, vagy ha a heves/gyakori csapadék lecsökkenti-”felhigítja” a biogén eredetű CO2 parciális nyomását a talajban (hosszan tartó szárazság esetén is) : nehéz C-izotóp dúsul.

Melegebb éghajlat, nedves talaj, van beszivárgás: könnyű C-izotóp dúsul

„Ökölszabályok”

Fiatal kor: fa évgyűrű vizsgálatok + ember által készített feljegyzések, krónikák is segítnek…

Pakisztáni talaj-karbonátok

Ökoszisztéma megváltozása nyomon követhető: C3-tól C4 felé hirtelen váltás, kb. 7 millió évvel ezelőtt. Oxigénizotóp elemzések alapján monszunrendszer kialakulása kicsit korábban történt meg