ماهي نظائر الكربون

تشتمل نظائر الكربون المستقرة 12C و 13C على نسبة 98.89٪ و 1.11٪ على التوالي من الكربون الموجود على الأرض. يتم قياس هذه النظائر بنسبة 13C / 12C، ويتم التعبير عنها باعتبار 13C مرجعا لمعيار VPDB (Coplen 1996). هناك أيضا نظير غير مستقر وهو الكربون المشع (14C)، وهو نادر جدا ومتوفر بكميات طبيعية تقدر بجزء واحد تريليو .

تتكون نواة كل ذرة من عنصر من البروتونات والنيوترونات والإلكترونات. على الرغم من أن العناصر تحتوي عادة على نفس عدد البروتونات والإلكترونات، فإن عدد النيوترونات قد يختلف. عندما تحتوي ذرة عنصر واحد مثل الكربون على أعداد مختلفة من النيوترونات، فإنها تكون لها كتل ذرية مختلفة، وتسمى هذه الذرات “نظائر.” مثلا، الكربون لديه الكثير من النظائر المشتركة وبعض العناصر الأخرى نادرة .

أهم نظائر الكربون

الكربون 12

يعتبر النظير الأكثر انتشارا للكربون هو الكربون 12، ويشير اسمه إلى أن نواة الكربون تحتوي على ستة بروتونات وستة نيوترونات، أي مجموعه 12. وعلى سطح الأرض، يمثل الكربون-12 ما يقرب من 99% من الكربون الطبيعي. ويستخدم العلماء وحدات الكتلة الذرية لقياس كتلة العناصر، حيث أن للكربون-12 بالتحديد 12.000 وحدة، وهذا الرقم هو المعيار المرجعي لقياس الكتلة الذرية لجميع النظائر الأخرى .

النظائر الأخرى للكربون

والنظيران الآخران للكربون الموجودان طبيعيا هما الكربون – 13 ، الذي يحتوي على حوالي 1% من جميع نظائر الكربون ، والكربون -14 ، الذي يمثل نحو تريليوني من الكربون الطبيعي ، والرقم 13 في الكربون 13 يشير إلى أن نواة النظير تحتوي على سبعة نيوترونات بدلا من ستة ، والكربون 14 يحتوي على ثمانية نيوترونات ، وقام العلماء أيضا بتصنيع نظائر كربونية مصطنعة تتراوح بين الكربون 8 والكربون 22 ، ولكن الاستخدام العملي لهذه النظائر المستقرة محدود .

الكربون 13

يظهر تفضيل الكائنات الحية للكربون 12 على الكربون 13، وبالتالي تمتص مستويات عالية من الكربون 12 بشكل غير متناسب، وبالتالي، يمكن للعلماء دراسة نسبة الكربون -13 إلى الكربون -12 في المناطق الجليدية، وحلقات الأشجار لتقدير التركيزات السابقة لثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي، وبالمثل، يمكن لعلماء المناخ تتبع هذه النسبة في مياه البحر لدراسة معدلات امتصاص المحيط لثاني أكسيد الكربون .

الكربون 14

بالنقيض من الكربون 12 والكربون 13، الكربون 14 يكون مشعا، ومع مرور الوقت، يتحلل النظائر المشعة وتطلق إشعاعات، ويتواجد الكربون 14 في ثاني أكسيد الكربون الذي يستهلكه جميع الكائنات الحية، وعندما يموت الكائن الحي، يتحلل الكربون 14 تدريجيا في جسمه، وباستخدام معدل تحلل الكربون 14 المعروف لدى العلماء، يمكنهم قياس مستويات الكربون 14 في الكائنات القديمة لتقدير عمرها .

تم اكتشاف نظير C14 المشع في عام 1934 من قبل جروس، وهو نشاط غير معروف. في نفس العام، قام كوري (ييل) بتعريض النيتروجين للنيوترونات السريعة ولاحظ مسارات طويلة في غرفة الفقاعة. تم إنتاج ثاني أكسيد الكربون 14C في الغلاف الجوي، ويعتبر نظير 14C أداة مستخدمة على نطاق واسع في إنشاء التسلسل الزمني لأنظمة تدفق المياه الجوفية، وسجلات المناخ للهولوسين والبلاستوسين، وهو الأداة الأكثر أهمية في تحديد تواريخ المياه الجوفية القديمة .

استخدامات نظائر الكربون

يستخدم نظائر الكربون، وخاصة C-13، على نطاق واسع في العديد من التطبيقات المختلفة، مثل الكيمياء العضوية والهياكل الجزيئية والتمثيل الغذائي ووضع العلامات الغذائية وتلوث الهواء وتغير المناخ. كما يستخدم C-13 في اختبارات التنفس لتحديد وجود بكتيريا هيليكوباكتر بيلوري التي تسبب قرحة المعدة. يمكن أيضا استخدام C-13 لإنتاج النظائر المشعة N-13، وهو نظير PET. ويعتبر الذرة C-12، التي يبلغ وزنها الذري بالضبط 12.000000000، أساسا لتحديد وزن النظائر الأخرى .

النظائر المستقرة المستخدمة في الأنظمة الأرضية

الكربون (13C12 / C)

يمكن استخدام توقيعات النظائر الكربونية لتمييز النباتات التي تستخدم أنماط تمثيل ضوئي من النوع C3 و C4 و CAM، حيث يؤدي مسار تمثيل الضوء C4 و CAM إلى تخفيض تجزئة الكربون عن تمثيل الضوء C3، وبالتالي يمكن استخدام نظائر الكربون لإعادة بناء طرق الهجرة إذا كان توزيع النباتات C3 و C4 و CAM معروفا جغرافيا. وتم عرض التغييرات النظرية في النظائر الكربونية المقابلة للتغيرات الغذائية في الأنواع المهاجرة لأول مرة في الخفافيش (Fleming et al. 1993)، ومنذ ذلك الحين تم استخدامها في الأنواع المهاجرة الأخرى، بما في ذلك الأوز الثلجية الأقل حجما (Chen caerulescens)، وتم إضافة نظائر مستقرة أخرى مثل النيتروجين والسترونتيوم لزيادة الدقة المكانية (Hobson 1999)، وكذلك استخدمت نظائر الكربون لتقدير اللياقة الفردية للطيور المهاجرة التي تصل إلى أرض التكاثر (Marra et al. 1998)، وتعد طريقة استخدام أنفاس الزفير (CO2) لتمييز الأنواع من طرق البحث المثيرة للاهتمام في المستقبل، والتي لا تتطلب التضحية بحيوانات الدراسة للحصول على عينات من الأنسجة .

نظائر مستقرة في النظم المائية

الكربون (13C12 / C)

تعكس نسبة الكربون في أنسجة الحيوانات المائية المنتجة الأساسية في مجال التغذية، وبالتالي يمكن استخدامها لتحديد النظام الغذائي والحركة في المكان والزمان، باتباع نفس المبدأ المستخدم في الدراسات الأرضية. وتم استخدام نسبة الكربون في النظم البحرية لتحديد تحركات الأنواع المهاجرة بين النظم الإيكولوجية الساحلية والبحرية والتغيرات الغذائية أثناء الهجرة. ولم يتم تطبيقها بعد على الأنواع المهاجرة في أنظمة المياه العذبة. وأظهرت الدراسة التي أجراها فراي في عام 1981 أن أحواض الأعشاب البحرية الساحلية كانت أكثر تخصيبا بالكربون 13 مقارنة بتلك الموجودة في الخارج. واستخدمت هذه الأنماط لتحديد دورة حياة وحركة الهجرة في العديد من مجموعات الروبيان البني في تكساس. واستخدم هوبسون وآخرون في عام 1994 هذا الاتجاه أيضا في تحليل نسبة الكربون البحرية وشواطئ البحر لتمييز مجموعات الطيور البحرية المهاجرة في كولومبيا وكندا .

تم استخدام نسب نظير الكربون لتوضيح التغيرات الغذائية في الحيتان المهاجرة. وقد قرر شيل وآخرون أن التغيرات في نسب نظائر الكربون يرجع سببها إلى التغيرات في التركيب الغذائي المختلف للحيتان القوسية في المناطق الشتوية والصيفية. تم أيضا استخدام تذبذبات الكربون لتحديد التغيرات الغذائية في طريق الهجرة للحيتان الجنوبية. واستخدمت الاختلافات النظرية المميزة بين الشبكات المائية العذبة والبحرية، والتي تم تحسينها في C13، لتحديد مناطق التغذية للطيور البحرية، وتم تمييز الفرق الفرعية في الفقم .