В 1913 году британский физик Фредерик Содди показал, что атомы одного элемента могут быть не абсолютно похожи. Да, все они имеют одинаковое количество протонов ядра, и такое же количество электронов на орбите, и одинаковые химические свойства (см. главу 17). Однако число нейтронов в ядрах разных атомов одного и того же вещества может различаться, а значит — и их атомный вес. Такие атомы называют «изотопами» одного и того же элемента.

Так, например, одни атомы углерода имеют ядро, содержащее шесть протонов и шесть нейтронов. Атомный вес такого атома — 12. Ядро других содержит шесть протонов и семь нейтронов и имеет атомный вес 13. На бумаге обозначение этих изотопов будет выглядеть как C¹² и С¹³. Каждый из них будет иметь те же шесть электронов — два во внутренней оболочке и четыре во внешней; каждый будет участвовать в одних и тех же реакциях в организме. Организм не различает изотопов.

Затем в 1919 году британский физик Фрэнсис Уильям Астон изобрел масс-спектрограф — устройство, искажающее траекторию полета ионов в магнитном поле. Чем тяжелее ион, тем меньше искажается его траектория. Таким образом, стало возможно отделить C¹² от С¹³ в случае, когда они присутствуют в одном и том же наборе. Поскольку траектория их полета искажается в разной степени, то и конечная точка попадания на фотопластину у этих двух изотопов оказывается разной, и по окончании сортировки можно подсчитать сравнительную частоту их наличия по степени потемнения пластины. Так было установлено, что в природном угле соотношение C¹² к С¹³ составляет 989 к 11.

Теперь предположим, что пища для лабораторных животных изготавливается только с использованием С¹³, без единого атома C¹². Для организма разницы нет. Поэтому он подвергнет вещество, содержащее С¹³, той же обработке, какой подверг бы и вещество, содержащее C¹². Это вещество будет превращено организмом в другое, тоже с аномально высоким содержанием С¹³; в итоге понятно, что любое вещество с аномально высоким содержанием С¹³ всегда окажется происходящим от исходного питательного продукта, помеченного изотопом. Наличие аномального количества изотопа определяется экспериментатором путем сжигания вещества, получения углекислого газа и прогона этого газа через масс-спектрограф. По результатам спектрографии ученые уже могут строить предположения о метаболических механизмах, действующих в тканях живых существ.

Легко сказать, да трудно сделать. Для этого сначала надо набрать изотопов (которые встречаются в природе, как уже говорилось, очень редко), создать питательные вещества с их участием, потом выделить из организма другие вещества в чистом виде и в конце концов провести очень непростую процедуру масс-спектрографий. Из-за всех этих трудностей масс-спектрография так и не получила широкого распространения до 1932 года, когда американский химик Гарольд Юри открыл дейтерий, или тяжелый водород.

Ядро обычного водорода состоит только из протона, так что его атомный вес — 1, а ядро дейтерия — из протона и нейтрона, поэтому его атомный вес — 2. Эти изотопы обозначаются, соответственно, как Н¹ и Н². И если между C¹² и С¹³ разница масс составляет 8 процентов, то между Н¹ и Н² — 100 процентов.

Из такой колоссальной разницы масс между водородом и дейтерием можно извлечь определенные преимущества. Более тяжелые изотопы участвуют в тех же реакциях, что и более легкие, но с меньшей скоростью. Для всех остальных элементов, кроме водорода, разницей в скорости вполне можно пренебречь; однако в случае с водородом уже заметно, что реакции с участием дейтерия протекают медленнее.