مياه تحمل علامتين

📅 آخر تحديث: ١ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ١ أغسطس ٢٠٢٦
الموسوعة الحرة

الماء المزدوج التسمية هو الماء الذي تم فيه استبدال كل من الهيدروجين والأكسجين جزئيًا أو كليًا (أي تم تسميته ) بنظير غير شائع لهذه العناصر لأغراض التتبع.

عمليًا، ولأسباب عملية وأمنية، تستخدم معظم التطبيقات الحديثة لطريقة "الماء المزدوج التسمية" (DLW) ماءً مُوسَمًا بنظائر ثقيلة غير مشعة من كل عنصر ( الديوتيريوم ، 2H ؛ والأكسجين-18 ، 18O ). نظريًا، يمكن استخدام النظائر الثقيلة المشعة للعناصر في هذه العملية؛ وقد كان هذا هو الحال في العديد من التطبيقات المبكرة لهذه الطريقة.

على وجه الخصوص، يمكن استخدام طريقة الماء المزدوج التسمية (DLW) لقياس متوسط ​​معدل الأيض اليومي للكائن الحي على مدار فترة زمنية (يُطلق عليه غالبًا معدل الأيض الميداني ، أو FMR، في الحيوانات غير البشرية). يتم ذلك عن طريق إعطاء جرعة من الماء المزدوج التسمية، ثم قياس معدلات إزالة نظيري الهيدروجين -2 والأكسجين -18 من جسم الكائن الحي بمرور الوقت (من خلال أخذ عينات منتظمة من تركيزات النظائر الثقيلة في سوائل الجسم ، عن طريق أخذ عينات من اللعاب أو البول أو الدم). يلزم أخذ عينتين على الأقل: عينة أولية (بعد وصول النظائر إلى حالة التوازن في الجسم)، وعينة ثانية بعد فترة زمنية. يعتمد الفاصل الزمني بين هاتين العينتين على حجم الحيوان. في الحيوانات الصغيرة، قد تكون الفترة قصيرة تصل إلى 24 ساعة؛ وفي الحيوانات الأكبر حجمًا (مثل البشر البالغين)، قد تصل إلى 14 يومًا.

ابتكر ناثان ليفسون وزملاؤه [ 1 ] [ 2 ] في جامعة مينيسوتا هذه الطريقة في خمسينيات القرن العشرين. إلا أن استخدامها اقتصر على الحيوانات الصغيرة حتى ثمانينيات القرن العشرين بسبب ارتفاع تكلفة الأكسجين-18. وقد ساهم التقدم في مجال قياس الطيف الكتلي خلال سبعينيات القرن العشرين وأوائل ثمانينياته في تقليل كمية النظير المطلوب، مما جعل من الممكن تطبيق الطريقة على الحيوانات الأكبر حجمًا، بما في ذلك البشر. [ 3 ] وكان أول تطبيق لها على البشر عام 1982، [ 4 ] على يد ديل شويلر ، أي بعد أكثر من 25 عامًا من اكتشافها. ويُقدم كتابٌ لعالم الأحياء البريطاني جون سبيكمان ملخصًا وافيًا لهذه التقنية . [ 5 ]

آلية الاختبار

تقيس هذه التقنية إنتاج ثاني أكسيد الكربون لدى الشخص خلال الفترة الفاصلة بين أول وآخر عينة من ماء الجسم. وتعتمد هذه الطريقة على تفاصيل استقلاب الكربون في أجسامنا. فعندما يُحلل التنفس الخلوي جزيئات الكربون لإطلاق الطاقة، يُطلق ثاني أكسيد الكربون كمنتج ثانوي. وتوجد ذرات الأكسجين في ثاني أكسيد الكربون في حالة توازن مع نظائر الأكسجين في ماء الجسم. [ 6 ] لذلك، إذا تم وسم الأكسجين في الماء بنظير الأكسجين -18 ، فإن ثاني أكسيد الكربون الناتج عن التنفس سيحتوي على أكسجين موسوم. إضافةً إلى ذلك، أثناء انتقال ثاني أكسيد الكربون من موقع التنفس عبر سيتوبلازم الخلية، ثم عبر السوائل الخلالية، إلى مجرى الدم، ثم إلى الرئتين، يتحول جزء منه بشكل عكسي إلى بيكربونات. لذا، بعد تناول الماء الموسوم بنظير الأكسجين -18 ، يتوازن هذا النظير مع بيكربونات الجسم ومخزون ثاني أكسيد الكربون المذاب (بفعل إنزيم الأنهيدراز الكربوني ). مع خروج ثاني أكسيد الكربون مع الزفير، يفقد الجسم نظير الأكسجين -18 (18O ). وقد اكتشف ليفسون ذلك عام 1949. [ 7 ] ومع ذلك، يُفقد نظير الأكسجين -18 أيضًا من خلال فقدان سوائل الجسم (مثل البول وتبخر السوائل). أما الديوتيريوم (العلامة الثانية في الماء المزدوج التسمية) فلا يُفقد إلا عند فقدان سوائل الجسم. لذا، يمكن استخدام فقدان الديوتيريوم في سوائل الجسم بمرور الوقت للتعويض رياضيًا عن فقدان نظير الأكسجين -18 عبر فقدان الماء. وهذا لا يترك سوى صافي فقدان نظير الأكسجين -18 في ثاني أكسيد الكربون. يُعد قياس كمية ثاني أكسيد الكربون المفقودة تقديرًا ممتازًا لإجمالي إنتاج ثاني أكسيد الكربون. وبمجرد معرفة ذلك، يمكن تقدير معدل الأيض الكلي من خلال افتراضات مبسطة تتعلق بنسبة الأكسجين المستخدم في عملية الأيض (وبالتالي الحرارة المتولدة) إلى ثاني أكسيد الكربون المُزال (انظر معامل التنفس ). يمكن قياس هذا المعدل بطرق أخرى، ودائمًا ما تكون قيمته بين 0.7 و 1.0، وبالنسبة لنظام غذائي مختلط يكون عادةً حوالي 0.8.

بعبارات بسيطة:

  • يمكن حساب معدل الأيض من خلال نسبة الأكسجين الداخل إلى ثاني أكسيد الكربون الخارج.
  • الماء المسمى DLW (الماء "الموسوم") هو هيدروجين قابل للتتبع (الديوتيريوم)، وأكسجين قابل للتتبع ( 18 O).
  • يغادر الأكسجين 18 الجسم بطريقتين: (1) ثاني أكسيد الكربون الزفيري ، و (2) فقدان الماء في (معظمه) البول والعرق والتنفس.
  • لكن الديوتيريوم لا يغادر إلا بالطريقة الثانية (فقدان الماء).

من خلال فقدان الديوتيريوم، نعرف كمية الماء الموسوم التي غادرت الجسم على شكل ماء. وبما أن تركيز الأكسجين -18 في ماء الجسم يُقاس بعد إعطاء جرعة الوسم، فإننا نعرف أيضًا كمية الأكسجين الموسوم التي غادرت الجسم على شكل ماء. (بصورة أبسط، يمكن اعتبار نسبة الديوتيريوم إلى الأكسجين -18 في ماء الجسم ثابتة، لذا فإن معدل فقدان الديوتيريوم الكلي من الجسم مضروبًا في هذه النسبة، يعطي مباشرةً معدل فقدان الأكسجين -18 في الماء). قياس تخفيف الأكسجين -18 مع مرور الوقت يعطي إجمالي فقدان هذا النظير عبر جميع المسارات (عن طريق الماء والتنفس). وبما أن نسبة الأكسجين -18 إلى إجمالي أكسجين الماء في الجسم تُقاس، يمكننا تحويل فقدان الأكسجين -18 في التنفس إلى إجمالي الأكسجين المفقود من مخزون ماء الجسم عبر تحويله إلى ثاني أكسيد الكربون. كمية الأكسجين التي غادرت الجسم على شكل ثاني أكسيد الكربون هي نفسها كمية ثاني أكسيد الكربون الناتجة عن عملية الأيض، لأن الجسم لا ينتج ثاني أكسيد الكربون إلا عبر هذا المسار. يخبرنا فقدان ثاني أكسيد الكربون بالطاقة المنتجة، إذا كنا نعرف أو نستطيع تقدير معامل التنفس (نسبة ثاني أكسيد الكربون المنتج إلى الأكسجين المستخدم).

الإدارة العملية للنظائر

يمكن إعطاء الماء المُخصب بالنظائر المشعة عن طريق الحقن أو الفم (وهي الطريقة المعتادة لدى البشر). ولأن النظائر ستُخفف في ماء الجسم، فلا حاجة لإعطائها بنقاوة نظائرية عالية، ولا حاجة لاستخدام ماء تكون جميع ذراته أو حتى معظمها ذرات ثقيلة، أو حتى البدء بماء مُوسَم بنظيرين. كما أنه ليس من الضروري إعطاء ذرة واحدة من الأكسجين -18 لكل ذرتين من الديوتيريوم. عمليًا، يُحدد هذا الأمر اقتصاديًا من خلال شراء الماء المُخصب بالأكسجين -18 ، وحساسية أجهزة قياس الطيف الكتلي المتاحة.

عمليًا، تُحضّر جرعات الماء المزدوج التسمية لأغراض التحليل الأيضي ببساطة عن طريق مزج جرعة من أكسيد الديوتيريوم ( الماء الثقيل ) (90 إلى 99%) مع جرعة ثانية من الماء المُخصّب بنظير الأكسجين -18 ( H₂¹⁸O )، وهو ماء مُخصّب بشكل منفصل بنظير الأكسجين -18 (وإن لم يكن عادةً بمستوى عالٍ، نظرًا لتكلفة هذه العملية وعدم جدواها لهذا الاستخدام)، ولكنه يحتوي في الأصل على الهيدروجين العادي. تحتوي عينة الماء المخلوط على كلا النوعين من الذرات الثقيلة، بنسبة أعلى بكثير من الماء العادي، وتُصبح بذلك "مزدوجة التسمية". يضمن التبادل الحر للهيدروجين بين جزيئات الماء (عن طريق التأين العادي) في الماء السائل، توازن مخزون الأكسجين والهيدروجين في أي عينة من الماء (بما في ذلك مخزون الماء في الجسم) بشكل منفصل في وقت قصير مع أي جرعة من النظائر الثقيلة المضافة.

التطبيقات

تُعدّ طريقة الماء المزدوج التسمية مفيدةً بشكلٍ خاص لقياس متوسط ​​معدل الأيض ( معدل الأيض الميداني ) على مدى فترات زمنية طويلة نسبيًا (بضعة أيام أو أسابيع)، وذلك في الكائنات التي يصعب أو يستحيل فيها إجراء أنواع أخرى من القياسات الحرارية المباشرة أو غير المباشرة لمعدل الأيض. على سبيل المثال، يمكن لهذه التقنية قياس أيض الحيوانات في بيئتها الطبيعية، وتتمثل المشكلات التقنية أساسًا في كيفية إعطاء جرعة النظير المشع، وجمع عدة عينات من سوائل الجسم في أوقات لاحقة للتحقق من الاختلاف في إزالة النظير المشع.

تتضمن معظم الدراسات على الحيوانات اصطياد الحيوانات الخاضعة للدراسة وحقنها، ثم الاحتفاظ بها لفترة متفاوتة قبل جمع عينة الدم الأولى. وتعتمد هذه الفترة على حجم الحيوان، وتتراوح بين 30 دقيقة للحيوانات الصغيرة جدًا و6 ساعات للحيوانات الأكبر حجمًا. في كل من الحيوانات والبشر، يصبح الاختبار أكثر دقة إذا تم قياس معامل التنفس مرة واحدة للكائن الحي الذي يتناول النظام الغذائي القياسي وقت القياس، لأن هذه القيمة تتغير بشكل طفيف نسبيًا (وببطء) مقارنةً بتغيرات معدل الأيض الأكبر بكثير المرتبطة بتنظيم درجة حرارة الجسم والنشاط.

نظرًا لأن نظائر الهيدروجين والأكسجين الثقيلة المستخدمة في قياس الماء الثقيل المُعَلَّم (DLW) غير مشعة، وغير سامة أيضًا بالجرعات المستخدمة (انظر الماء الثقيل )، فقد استُخدم قياس معدل الأيض المتوسط ​​بتقنية DLW على نطاق واسع في المتطوعين من البشر، وحتى في الرضع [ 8 ] والنساء الحوامل [ 9 ] . وقد طُبقت هذه التقنية على أكثر من 200 نوع من الحيوانات البرية (معظمها من الطيور والثدييات وبعض الزواحف). وتمت مراجعة تطبيقات هذه الطريقة على الحيوانات [ 10 ] [ 11 ] . وفي ورقة بحثية نُشرت عام 2021، لُخِّصت نتائج أكثر من 6400 قياس باستخدام هذه التقنية على البشر الذين تتراوح أعمارهم بين 8 أيام و96 عامًا [ 12 ] .

يمكن استخدام الماء الثقيل ( 2H₂¹⁸O ) أيضًا للجليد الدافئ بشكل غير عادي والماء ذي الكثافة غير العادية، نظرًا لأن درجة انصهاره أعلى وكثافته أعلى من الماء الخفيف أو ما يُقصد عادةً بـ "الماء الثقيل" ( 2H₂¹⁶O ) . ينصهر الماء الثقيل ( 2H₂¹⁸O ) عند درجة حرارة تتراوح بين 4.00 و 4.04 درجة مئوية (39.2 و39.27 درجة فهرنهايت) ، ويصل السائل إلى أقصى كثافة له، والتي تتراوح بين 1.21684 و1.21699 غ/سم³ ، عند درجة حرارة تتراوح بين 11.43 و11.49 درجة مئوية (52.57 و52.68 درجة فهرنهايت). [ 13 ]

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ ليفسون، ن.، جوردون، جي بي وماكلينتوك، ر. (1955) قياس إجمالي إنتاج ثاني أكسيد الكربون بواسطة D218O. مجلة علم وظائف الأعضاء التطبيقي، 7، 704-710.
  2. ↑ ليفسون، ن. وماكلينتوك ر. (1966) نظرية استخدام معدلات دوران ماء الجسم لقياس توازن الطاقة والمواد. مجلة علم الأحياء النظري، 12، 46-74.
  3. ↑ سبيكمان جيه آر (أكتوبر 1998). "تاريخ ونظرية تقنية الماء المزدوج التسمية" . المجلة الأمريكية للتغذية السريرية . 68 (4): 932S– 938S. doi : 10.1093/ajcn/68.4.932S . PMID 9771875 . 
  4. ↑ Schoeller, DA and van Santen, E. (1982) قياس استهلاك الطاقة لدى البشر باستخدام الماء المزدوج التسمية. J. Appl. Physiol., 53, 955–959.
  5. ↑ سبيكمان، جيه آر، الماء المزدوج التسمية: النظرية والتطبيق. دار نشر سبرينغر ساينتيفيك. رقم ISBN 0-412-63780-4رقم الكتاب المعياري الدولي (ISBN) 978-0412637803(416 صفحة)
  6. ↑ ويسترترب، كلاس ر. (2017). "تقييم استهلاك الطاقة باستخدام الماء المزدوج التسمية: المبدأ والتطبيق والوعد" . المجلة الأوروبية لعلم وظائف الأعضاء التطبيقي . 117 (7): 1277-1285 . doi : 10.1007/s00421-017-3641- x . ISSN 1439-6319 . PMC 5486561. PMID 28508113 .   
  7. ↑ ليفسون، ن.، جوردون، ج.ب.، فيشر، م.ب.، ونير، أ.و. (1949) مصير الأكسجين الجزيئي المستهلك ومصدر أكسجين ثاني أكسيد الكربون التنفسي، دُرِسَ بمساعدة الأكسجين الثقيل. مجلة الكيمياء البيولوجية أ، 180، 803-811.
  8. ↑ جونز بي جيه، وينثروب إيه إل، شويلر دي إيه، وآخرون (مارس 1987). "التحقق من صحة استخدام الماء المزدوج التسمية لتقييم استهلاك الطاقة لدى الرضع" . مجلة أبحاث طب الأطفال . 21 (3): 242-246 . doi : 10.1203/00006450-198703000-00007 . PMID 3104873 .  
  9. ↑ هايني أ، شوتز ي، دياز إ، برنتيس أ.م، وايتهيد ر.ج، جيكير إ (يوليو 1991). "قياس استهلاك الطاقة في الحياة اليومية باستخدام تقنيتين مستقلتين لدى النساء الغامبيات الحوامل وغير الحوامل". المجلة الأمريكية لعلم وظائف الأعضاء 261 ( 1 الجزء 1): E9–17. doi : 10.1152/ajpendo.1991.261.1.E9 . PMID 1858878 . 
  10. ↑ سبيكمان، جيه آر (2000) تكلفة المعيشة: معدلات الأيض الميدانية للثدييات الصغيرة. التقدم في البحوث البيئية 30: 177-297
  11. ↑ ناجي، ك.أ. (2005) معدلات الأيض الميدانية وحجم الجسم. مجلة علم الأحياء التجريبي 208، 1621-1625.
  12. ↑ بونتزر هـ، يامادا ي، ساغاياما هـ، وآخرون . (أغسطس 2021). "استهلاك الطاقة اليومي خلال مراحل حياة الإنسان" . مجلة ساينس . 373 (6556): 808-812 . Bibcode : 2021Sci...373..808P . doi : 10.1126/science.abe5017 . PMC 8370708. PMID 34385400 .   
  13. ↑ ستيكل، ف.؛ سزابيرو، س. (4 يوليو 1962). "الخواص الفيزيائية للماء المؤكسج الثقيل. الجزء 1 - الكثافة والتمدد الحراري". معاملات جمعية فاراداي . 59 : 331-343 . doi : 10.1039/TF9635900331 .