ایزوتوپ‌های پایدار به کشف مسیرهای مهاجرت، سطوح تغذیه‌ای و منشأ جغرافیایی حیوانات مهاجر کمک کرده‌اند. آنها را می توان در خشکی و همچنین در اقیانوس استفاده کرد و نحوه مطالعه محققان در مورد حرکت حیوانات را متحول کرده است.

ایزوتوپ های پایدار چیست؟

اکثر عناصر به دو یا چند شکل وجود دارند که به عنوان ایزوتوپ شناخته می شوند. ایزوتوپ ها دارای تعداد پروتون های یکسانی هستند اما در تعداد نوترون هایشان با هم تفاوت دارند و در نتیجه جرم های متفاوتی ایجاد می کنند. این تنوع در فراوانی نسبی ایزوتوپ‌های پایدار ناشی از تفاوت‌های کوچک جرمی است که باعث می‌شود ایزوتوپ‌ها در واکنش‌های شیمیایی و فرآیندهای فیزیکی متفاوت عمل کنند. ایزوتوپ سبک‌تر معمولاً پیوندهای ضعیف‌تری نسبت به سنگین‌تر ایجاد می‌کند و تمایل دارد سریع‌تر واکنش نشان دهد.

ایزوتوپ های پایدار به عنوان انحراف ایزوتوپی از استانداردهای بین المللی اندازه گیری می شوند و به صورت مقادیر دلتا (δ) به عنوان قسمت در هزار بیان می شوند. این مقادیر به صورت زیر محاسبه می شوند:

δ X = [(Rsample/Rstandard) - 1] x 1000

که در آن X عنصر است (مانند 13C یا 15N)، و R نسبت ایزوتوپ مربوطه (13C/12C یا 15N/14N) است. ضریب نسبت های موجود در نمونه نسبت به استاندارد مقدار δ است. مقادیر عددی مرتبط با نسبت ایزوتوپ (مانند δ12C) جرم اتمی ایزوتوپ ها هستند و با تفاوت در تعداد نوترون های موجود در هسته اتم محاسبه می شوند. به عنوان مثال، δ12C شامل 6 پروتون، 6 الکترون، و 6 نوترون است، در حالی که ایزوتوپ سنگین تر δ13C حاوی 6 پروتون، 6 الکترون و 7 نوترون است. بنابراین، افزایش در مقادیر δ بیانگر افزایش در مقدار جزء ایزوتوپ سنگین‌تر است. در حالی که کاهش در مقادیر نشان دهنده کاهش محتوای ایزوتوپ سنگین است.

'تو چیزی هستی که می خوری'

تجزیه و تحلیل ایزوتوپ پایدار بر اساس این اصل است که "شما همان چیزی هستید که می خورید." نسبت ایزوتوپ های پایدار در بین شبکه های غذایی متفاوت است و از طریق رژیم غذایی در بافت حیوان گنجانده می شود. بنابراین گاهی اوقات می توان محل اختفای حیوانی را که بین شبکه های غذایی در حال حرکت است پی برد. با این حال، انتخاب بافت مناسب برای تجزیه و تحلیل ایزوتوپی مهم است، زیرا بافت ها در میزان فعال بودن متابولیک متفاوت هستند. بافت های مبتنی بر کراتین مانند مو، پر، ناخن، پنجه یا منقار پس از سنتز از نظر متابولیکی بی اثر هستند. آنها معمولاً برای مطالعه حرکات فصلی استفاده می شوند زیرا یک رکورد ایزوتوپی که مکان سنتز بافت را منعکس می کند بدون تغییر باقی می ماند. برعکس، بافت‌های فعال متابولیکی اطلاعات غذایی و منبع را برای مدت نسبتاً کوتاه‌تری فراهم می‌کنند. به عنوان مثال، پلاسمای خون و عناصر گردش خون در چند روز یا حتی چند ساعت انجام می شود، اما این فرآیند در ماهیچه و خون کامل تا چند هفته و در کلاژن استخوان تا چندین ماه یا حتی سال ها طول می کشد. بنابراین، مطالعاتی که حرکات طولانی‌مدت را بررسی می‌کنند، از بافت‌های بی اثر متابولیکی استفاده می‌کنند، در حالی که مطالعات روی حرکات اخیر (به عنوان مثال، تمایز بین افراد تازه وارد و ساکن) از بافت‌های فعال متابولیکی با نرخ چرخش سریع استفاده می‌کنند.

ایزوتوپ های پایدار مورد استفاده در سیستم های زمینی

کربن (13C/12C)

 اگر توزیع جغرافیایی گیاهان C3، C4 و CAM و ترجیحات رژیم غذایی گونه‌های مورد مطالعه مشخص باشد، می‌توان از ایزوتوپ‌های کربن برای بازسازی مسیرهای مهاجرت استفاده کرد. تغییرات ایزوتوپی کربن مربوط به تغییرات رژیم غذایی در گونه های مهاجر برای اولین بار در خفاش ها نشان داده شد. از آن زمان در گونه های مهاجر دیگر، از جمله غازهای برفی کمتر، که در آنها برای استنباط منشا زمستان گذران استفاده می شد، استفاده شده است. اخیراً ایزوتوپ های پایدار دیگری مانند نیتروژن و استرانسیوم برای افزایش وضوح فضایی اضافه شده اند. ایزوتوپ های کربن نیز برای پی بردن به تناسب فردی پرندگان مهاجری که به محل پرورش می رسند، استفاده شده است. یک راه جالب برای تحقیقات آینده، تمایز ایزوتوپی نفس بازدم (CO2) است، که نیازی به قربانی کردن حیوان مورد مطالعه برای به دست آوردن نمونه بافت ندارد.

نیتروژن (15N/14N)

یکی از مهم ترین کاربردهای ایزوتوپ های پایدار نیتروژن، توانایی آنها در تعیین سطح تغذیه ای یک گونه است. نیتروژن با افزایش (2-4٪) در غنی‌سازی ایزوتوپ‌های سنگین با هر سطح تغذیه‌ای مواجه می‌شود و بنابراین می‌تواند به عنوان ابزاری در تعیین تغییرات جیره عمل کند.

هیدروژن (2H/1H)

دوتریوم (ایزوتوپ سنگین تر هیدروژن ) تجزیه و تحلیل ایزوتوپ پایدار را در مطالعه مهاجرت حیوانات متحول کرده است. برخلاف سایر ایزوتوپ‌های پایدار که نیاز به تجزیه و تحلیل بر اساس گونه به گونه دارند، امضای دوتریوم می‌تواند برای ایجاد یک نقشه ایزوتوپی قاره‌ای استفاده شود که برای همه گونه‌های مهاجر قابل استفاده است. نسبت دوتریوم به شدت با شرایط آب و هوایی متفاوت است، که منجر به تغییرات فضایی بسیار قابل پیش بینی در سراسر قاره ها می شود. ساختن نقشه‌های قاره‌ای که سطوح دوتریوم را پیش‌بینی می‌کنند، با توجه به حجم زیادی از داده‌های موجود در مورد الگوهای آب و هوای قاره، نسبتاً ساده است. این نقشه‌ها که جزئیات تغییرات دوتریوم را نشان می‌دهند به سرعت توسط زیست‌شناسان برای تعیین منشاء مهاجرت گونه‌ها مورد استفاده قرار گرفت. نشان داده شد که نسبت دوتریوم در پرها و پنجه‌ها شاخص‌های مؤثری برای عرض جغرافیایی پرورش در پرندگان است.