Стабильные изотопы азота и углерода широко используются для реконструкции рациона и трофического положения организмов, поскольку при переходе по пищевой цепи ткани обычно обогащаются тяжелым изотопом 15N. Однако у представителей семейства кошачьих этот закономерный «изотопный сдвиг» оказывается аномально низким.
В недавней работе, опубликованной в журнале Frontiers in Ecology and Evolution, на примере домашних кошек (Felis catus) исследуется, почему строгие хищники по изотопным данным могут выглядеть как организмы более низкого трофического уровня. Сравнивая изотопный состав шерсти, вибрисс, а также рациона кошек с аналогичными данными для людей, авторы рассматривают возможные объяснения этого парадокса — от особенностей питания до специфики обмена веществ.
Атомы одного и того же химического элемента могут немного отличаться по массе. Это происходит потому, что в их ядре может быть разное число нейтронов. Такие варианты одного элемента называются изотопами. Например, у азота есть два стабильных изотопа: более легкий 14N и более тяжелый 15N. У углерода — 12C и более тяжелый 13C.
Тяжёлый изотоп азота (15N) в природе довольно редок: на него приходится примерно 0,36% всех атомов азота, тогда как основная масса — это 14N. В разных веществах соотношение изотопов немного различается. Эти небольшие различия можно использовать, например, чтобы реконструировать рацион животных и людей, проследить их миграции и даже оценить особенности питания в прошлом (см. задачу «Изотопная подпись»).
Когда животное ест пищу, содержащиеся в ней атомы углерода и азота включаются в его ткани — мышцы, кожу, волосы, перья или шерсть. При этом происходит изотопное фракционирование — изменение соотношения легких и тяжелых изотопов немного меняется в ходе химических реакций или физиологических процессов (например, при переваривании пищи, синтезе белков или выведении продуктов обмена). При переходе азота из пищи в ткани обычно происходит заметное обогащение тяжелым изотопом 15N. Это, по-видимому, связано с тем, что в процессе обмена веществ организм предпочитает избавляться от более легкого изотопа (14N) — например, выводя его с продуктами обмена вроде мочевины. В итоге по мере перехода вещества по пищевой цепи — от растений к травоядным и затем к хищникам — в тканях организмов обычно становится больше тяжелого изотопа азота (15N). Поэтому содержание 15N служит своего рода индикатором трофического уровня: чем выше положение организма в пищевой цепи, тем больше доля тяжелого изотопа.
Волосы особенно удобны для таких исследований. Они растут постепенно и сохраняют «изотопный отпечаток» пищи, которую организм потреблял в момент их формирования.
Интересно, что несколько исследований показали: представители семейства кошачьих отклоняются от общей закономерности «Ты — это то, что ты ешь, плюс примерно 3‰ по азоту». Например, в шерсти тигров и снежных барсов обнаружены необычно низкие значения δ15N (Sh. Montanari, G. Amato, 2015. Discrimination factors of carbon and nitrogen stable isotopes from diet to hair and scat in captive tigers (Panthera tigris) and snow leopards (Uncia uncia)). А изотопные подписи шерсти кошачьих хищников не всегда соответствуют их реальному положению в пищевой цепи (E. Parng et al., 2014. Variation in the stable carbon and nitrogen isotope discrimination factors from diet to fur in four felid species held on different diets). Эти наблюдения указывают на то, что в случае кошачьих стандартное «правило +3‰» не работает. Можно предположить, что у них действуют специфические физиологические или биохимические механизмы, влияющие на изотопное фракционирование азота. Проще говоря, их организм обрабатывает белок иначе, чем организм большинства других животных, — и именно поэтому изотопный след их питания оказывается неожиданным.
В недавнем исследовании, опубликованном в журнале Frontiers in Ecology and Evolution, австрийские ученые в качестве модельной системы для изучения процессов изотопного фракционирования у кошачьих использовали домашних кошек (Felis catus). Они являются обязательными хищниками и близкими родственниками диких кошачьих, но при этом их питание можно точно контролировать.
Само исследование проводилось на домашних кошках, в основном из Вены, а также из других регионов Австрии, с участием одного животного из северо-западной Англии. Всего в выборку вошло 35 кошек. Все они содержались в домашних условиях, не имели доступа к охоте и питались исключительно готовыми кормами, которые им давали владельцы.
У всех животных брали образцы остевого волоса с области спины — это так называемая «защитная» шерсть. У части кошек дополнительно собирали вибриссы. Параллельно исследователи получили у хозяев образцы тех кормов, которыми кормили животных, а также докупили корма в супермаркетах — как сухие гранулированные, так и влажные консервированные.
Эти данные сравнили с результатами параллельного исследования, где анализировали волосы людей и продукты питания из супермаркетов. В этом исследовании приняли участие сотни добровольцев (всего 653 человека) с разными типами питания: всеядные, вегетарианцы и веганы. У них брали образцы волос с головы. Кроме того, ученые собрали более тысячи образцов продуктов питания, представляющих типичный рацион этих групп, — от злаков, овощей и фруктов до мяса и молочных продуктов.
Образцы пищи сначала высушивали методом лиофилизации (то есть удаляли воду при низкой температуре), а затем измельчали до однородного состояния. Волосы — как человеческие, так и кошачьи — тщательно промывали сверхчистой водой, чтобы удалить загрязнения, высушивали и разрезали на маленькие фрагменты. После этого крошечные навески (доли миллиграмма!) помещали в специальные капсулы и анализировали на масс-спектрометре. Этот прибор позволяет с высокой точностью измерять соотношение изотопов углерода и азота. Точность метода настолько высока, что ученые могут уверенно фиксировать различия на уровне десятых долей промилле.
Затем исследователи рассчитали «средний изотопный портрет» рациона. Для кошек это было просто: брали среднее значение по всем исследованным кормам. С людьми всё сложнее — их рацион разнообразен. Поэтому отдельно оценивали вклад растительной и животной пищи, а затем рассчитывали комбинированное значение с учетом доли животного белка в рационе.
После этого рассчитывали так называемый трофический сдвиг — насколько меняется содержание δ15N при переходе от пищи к тканям.
Как и ожидалось, у людей с разными типами питания изотопные значения различались: у всеядных δ15N было самым высоким, у вегетарианцев — ниже, а у веганов — самым низким. Это полностью соответствует идее о «подъеме» тяжелого азота вверх по пищевой цепи.
Но самое интересное обнаружилось при сравнении кошек и людей. Несмотря на то, что кошки — строгие хищники, их шерсть оказалась беднее тяжелым азотом, чем волосы всеядных людей. Более того, по значениям δ15N кошачья шерсть оказалась даже ниже, чем волосы людей-веганов (рис. 2). Это выглядит парадоксально: хищника, стоящего на высоком трофическом уровне, по изотопам можно принять за организм, питающийся растениями.
Изотопы углерода (δ13C) в работе тоже измеряли, поскольку они позволяют судить о происхождении пищи. Оказалось, что у домашних кошек значения δ13C выше, чем у диких: это связано с тем, что в кормах используются продукты животноводства, а сельскохозяйственных животных часто кормят растениями C4-типа (например, кукурузой). Этот «углеродный сигнал» затем передается по цепи и отражается в шерсти кошек. Однако сами по себе эти различия ожидаемы и не дают новой информации о трофическом уровне, поэтому основной акцент авторы сделали на анализе азота.
Авторы предложили несколько возможных объяснений аномально низких показателей δ15N у домашних представителей кошачьих. В первую очередь, причина может банально крыться не в самих кошках, а в их пище. Основа их «пищевой цепи» — коммерческие корма — может изначально иметь более низкие значения δ15N. Проще говоря, если корм уже «беднее» тяжелым азотом, то и шерсть животных не будет демонстрировать высокие значения δ15N.
Однако анализ показал, что различиях между кормами и человеческой пищей не столь велики. Например, курица имела схожие изотопные значения и в кормах, и в человеческой пище; говядина у людей была немного «тяжелее», и только рыба — заметно «тяжелее». Но в целом средние значения δ15N в рационах кошек и людей оказались довольно близкими. Однако при формировании шерсти у кошек трофический сдвиг (разница между изотопными подписями шерсти и рациона) оказывается значительно меньше: у людей Δ15N составляет около 4,7‰, тогда как у кошек — всего около 1,6‰. Разница более чем в 3‰ соответствует примерно одному целому трофическому уровню. Иными словами, кошки по изотопам «теряют» один уровень пищевой цепи.
Значит, у кошек при переходе от пищи к тканям происходит меньшее изотопное фракционирование, чем у людей. То есть их организм в меньшей степени «перерабатывает» азот, и изотопный состав пищи почти напрямую отражается в шерсти. Авторы выдвинули две гипотезы для объяснения механизма того, как это может происходить.
Согласно первой гипотезе, важную роль может играть количество белка. Во время сезонного роста шерсти потребность в белке возрастает, и если его не хватает, организм начинает использовать аминокислоты более экономно. В результате уменьшается их распад и снижается выделение продуктов обмена (например, мочевины), которые обычно обеднены тяжёлым азотом. Это, в свою очередь, может ослаблять обогащение тканей 15N.
Согласно гипотезе количества белка, рацион с избытком азота (то есть богатый белком) должен приводить к сильному изотопному фракционированию, тогда как при нехватке белка обогащение тканей тяжелым азотом (15N) будет слабым. Это связано с тем, что при избытке белка организм активнее выводит лишний азот — преимущественно в «легкой» форме (14N), из-за чего ткани относительно обогащаются 15N. Иными словами, величина трофического сдвига зависит от баланса между поступлением белка и потребностями организма: при дефиците он меньше, при избытке — больше.
Домашние кошки линяют дважды в год — зимой и летом, причем смена шерсти происходит довольно быстро. Можно было бы ожидать, что в этот период, если белка не хватает, изотопный состав шерсти изменится. В отличие от шерсти, вибриссы (усы) растут непрерывно в течение жизни и формируются в более стабильных условиях, когда дефицита белка, как правило, нет. Поэтому логично было предположить, что вибриссы будут показывать более высокие значения δ15N, чем сезонная шерсть.
Однако этого не наблюдается. Значения δ15N у шерсти и вибрисс оказались практически одинаковыми. Более того, расчеты показывают, что на рост шерсти уходит совсем небольшая доля белка. Даже в период линьки это около 5 г белка на килограмм массы тела в месяц, тогда как суточная потребность взрослой кошки составляет примерно 5 г на килограмм — то есть около 150 г в месяц. Таким образом, на шерсть приходится лишь около 3% от общего потребления белка. Это означает, что дефицит белка во время роста шерсти маловероятен и не может существенно влиять на изотопный состав.
Гораздо лучше данные объясняет вторая гипотеза — о качестве белка. Суть в том, что не все белки одинаковы. Для организма важно не только количество белка, но и состав аминокислот. У травоядных животных, питающихся растениями, аминокислотный состав пищи сильно отличается от состава их собственного тела. Поэтому им приходится «перестраивать» аминокислоты: активно их перерабатывать и синтезировать заново. Эти процессы сопровождаются заметным изотопным фракционированием — и в итоге ткани обогащаются тяжелым изотопом азота. А вот у хищников, особенно таких специализированных, как кошки, ситуация иная. Их пища — мясо — по аминокислотному составу очень близка к их собственным тканям. Это означает, что аминокислоты могут практически напрямую встраиваться в белки организма, включая кератин шерсти. В таком случае организму не нужно активно «перестраивать» их, и изотопное фракционирование оказывается минимальным.
У кошек этот эффект, судя по всему, выражен особенно сильно. Например, они не могут синтезировать некоторые аминокислоты (такие как аргинин) и полностью зависят от их поступления с пищей. Это еще больше усиливает прямое «перенаправление» аминокислот из пищи в ткани без значительных потерь и преобразований. В итоге шерсть кошек почти не «обогащается» тяжелым азотом по сравнению с их рационом. Именно поэтому по изотопам они выглядят так, будто находятся ниже в пищевой цепи, чем на самом деле.
Этот результат важен не только для понимания физиологии кошек. Он показывает более общий принцип: изотопный анализ — мощный, но не универсальный инструмент, и его интерпретация требует учета биологии конкретного вида. Иначе строгого хищника, тихо мурлыкающего на подоконнике, по изотопным данным можно принять за травоядного. Но, как мы теперь знаем, это происходит не потому, что этот хищник любит полакомиться травкой, а потому, что его организм играет по своим правилам.