تشتمل نظائر الكربون المستقرة 12C و 13 C على 98.89 ٪ و 1.11 ٪ على التوالي من الكربون على الأرض ، ويتم التعبير عن قياسات هذه النظائر كنسب لـ 12 C الأكثر شيوعًا في عينة (13C / 12C) ، وتم الإبلاغ عنها في الترميز 13C بالنسبة لمعيار ((VPDB بالميل لكل (Coplen 1996) ، وهناك أيضًا نظير غير مستقر وهو الكربون المشع (14C) ، وهو نادر جدًا ، ويتوفر بكميات طبيعية تبلغ حوالي جزء واحد لكل تريليون . [1]
وتحتوي نواة كل ذرة عنصرية على بروتونات ، ونيوترونات ، وإلكترونات ، وعلى الرغم من أن كل عنصر يحتوي عادةً على عدد متساوٍ من البروتونات والإلكترونات ، إلا أن عدد النيوترونات يمكن أن يختلف ، وعندما تحتوي ذرات عنصر واحد مثل الكربون على أعداد مختلفة من النيوترونات ، وبالتالي كتل ذرية مختلفة ، فإنها تسمى “نظائر” ، مثل العديد من العناصر الأخرى ، يحتوي الكربون على نظير شائع جدًا ، والعديد من العناصر الأخرى النادرة جدًا . [2]
أهم نظائر الكربون
الكربون 12
يعد نظير الكربون الأكثر شيوعا هو الكربون 12 ، ويشير اسمه إلى أن نواته تحتوي على ستة بروتونات وستة نيوترونات ، أي مجموعه 12 ، وعلى سطح الأرض يمثل الكربون -12 ما يقرب من 99 بالمائة من الكربون الذي يحدث بشكل طبيعي ، ويستخدم العلماء وحدات الكتلة الذرية لقياس كتلة العناصر ، حيث أن الكربون – 12 لديه وحدات تبلغ بالتحديد 12.000 وحدة ، وهذا الرقم هو المعيار المرجعي لقياس الكتلة الذرية لجميع النظائر الأخرى .
النظائر الأخرى للكربون
والنظيران الآخران للكربون الموجودان طبيعياً هما الكربون – 13 ، الذي يشتمل على حوالي 1 في المائة من جميع نظائر الكربون ، والكربون -14 ، الذي يمثل نحو تريليوني من الكربون الطبيعي ، ويشير الرقم ” 13 ” في الكربون 13 إلى أن نواة النظير تحتوي على سبعة نيوترونات بدلاً من ستة ، والكربون 14 ، بالطبع ، يحتوي على ثمانية نيوترونات ، ولقد ابتكر العلماء أيضًا نظائر كربون اصطناعية تتراوح من الكربون 8 إلى الكربون 22 ، ولكن الاستخدام العملي لهذه النظائر غير المستقرة محدود .
الكربون 13
تُظهر الكائنات الحية تفضيل الكربون 12 على الكربون 13 ، وبالتالي تمتص مستويات عالية من الكربون 12 بشكل غير متناسب ، وهكذا ، يمكن للعلماء دراسة نسبة الكربون -13 إلى الكربون -12 في الأماكن الجليدية ، وحلقات الأشجار لتقدير التركيزات السابقة من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ، وبالمثل ، يمكن لعلماء المناخ تتبع هذه النسبة في مياه البحر لدراسة معدلات امتصاص المحيط لثاني أكسيد الكربون .
الكربون 14
على عكس الكربون 12 والكربون 13 ، فإن الكربون 14 مشع ، وبمرور الوقت ، تتحلل النظائر المشعة ، وتطلق كمية معينة من الإشعاع ، ويأخذ كل كائن حي ثاني أكسيد الكربون ، والذي يحتوي على كمية صغيرة من الكربون 14 ، وبعد وفاة الكائن الحي ، يتحلل الكربون 14 في جسمه تدريجياً ، ولأن العلماء يعرفون معدل تحلل الكربون 14 ، يمكنهم فحص مستويات الكربون 14 في الكائنات القديمة لتقدير وقت حياتهم . [1]
ولقد تم اكتشاف النظير المشع C14 في عام 1934 من قبل جروس كنشاط غير معروف ، وفي نفس العام ، تعرض كوري (Yale) النيتروجين إلى النيوترونات السريعة ، ولاحظ مسارات طويلة في غرفة الفقاعة. وقد أنتج 14C ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ، والنظير 14C هو أداة تستخدم على نطاق واسع لإنشاء التسلسل الزمني لأنظمة تدفق المياه الجوفية ، والسجلات المناخية للهلوسين والبلايستوسين ، وتعتبر الأداة الأكثر أهمية في تحديد تاريخ المياه الجوفية القديمة . [3]
استخدامات نظائر الكربون
تستخدم نظائر الكربون وبشكل أساسي C-13 على نطاق واسع في العديد من التطبيقات المختلفة ، ويستخدم C-13 على سبيل المثال في أبحاث الكيمياء العضوية ، ودراسات في الهياكل الجزيئية ، والتمثيل الغذائي ، ووضع العلامات الغذائية ، وتلوث الهواء ، وتغير المناخ ، ويستخدم C-13 أيضًا في اختبارات التنفس لتحديد وجود بكتيريا هيليكوباكتر بيلوري التي تسبب قرحة المعدة ، ويمكن أيضًا استخدام C-13 لإنتاج النظائر المشعة N-13 وهو نظير PET ، وأعطيت ذرة C-12 للوزن الذري بالضبط 12.000000000 ويستخدم كأساس لتحديد الوزن الذري للنظائر الأخرى . [4]
النظائر المستقرة المستخدمة في الأنظمة الأرضية
الكربون (13C12 / C)
يمكن استخدام توقيعات النظائر الكربونية لتمييز النباتات التي تستخدم أنماط C3 و C4 و CAM في عملية التمثيل الضوئي ، حيث تؤدي مسارات C4 و CAM إلى انخفاض تجزئة الكربون عن عملية التمثيل الضوئي C3 ، وهكذا يمكن استخدام نظائر الكربون لإعادة بناء طرق الهجرة ، إذا كان التوزيع الجغرافي لنباتات C3 و C4 و CAM معروفًا ، وتم عرض التغييرات النظرية الكربونية المقابلة للتغيرات الغذائية في الأنواع المهاجرة لأول مرة في الخفافيش (Fleming et al. 1993) ، ومنذ ذلك الحين تم استخدامه في الأنواع المهاجرة الأخرى ، بما في ذلك الأوز الثلجية الأقل حجمًا (Chen caerulescens) ، وتم إضافة نظائر مستقرة أخرى ، مثل النيتروجين والسترونتيوم ، لزيادة الدقة المكانية (Hobson 1999) ، كما استخدمت نظائر الكربون لاستنتاج اللياقة الفردية للطيور المهاجرة التي تصل إلى أرض التكاثر (Marra et al. 1998) ، ومن الطرق المثيرة للاهتمام للبحث المستقبلي هو التمييز النظري لأنفاس الزفير (CO2) ، الذي لا يتطلب التضحية بحيوان الدراسة للحصول على عينة من الأنسجة .
نظائر مستقرة في النظم المائية
الكربون (13C12 / C)
تعكس نظائر الكربون في أنسجة الحيوانات المائية المنتجين الأساسيين في مجال التغذية ، وبالتالي يمكن استخدامها لتحديد النظام الغذائي والحركة في المكان والزمان ، باتباع نفس المبدأ المستخدم في الدراسات الأرضية ، وتم استخدام نسب نظائر 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 ، وأظهر فراي (1981) أن أحواض الأعشاب البحرية الساحلية كانت أكثر إثراء في C13 مقارنة بتلك الموجودة في الخارج ، واستخدمت هذه الأنماط لتحديد دورة تاريخ الحياة وحركة الهجرة في العديد من مجموعات الروبيان البني تكساس ، وقد استخدم هوبسون وآخرون عام 1994 هذا الاتجاه أيضًا في تجزئة نظائر الكربون البحرية وشواطئ البحر لتمييز مجموعات الطيور البحرية المهاجرة في كولومبيا ، وكندا .
كما تم استخدام نسب نظير الكربون لإظهار التغيرات الغذائية في الحيتان المهاجرة ، وقرر شيل وآخرون أن التذبذبات في نسب نظائر الكربون كانت بسبب العوالق الحيوانية المختلفة في المناطق الشتوية والصيفية من الحوت القوسي ، كما تم استخدام الذروة في تذبذبات الكربون لتحديد التغيرات الغذائية في طريق الهجرة الحوت الجنوبي ، واستخدمت الاختلافات النظرية المميزة بين شبكات المياه العذبة والبحرية ، والتي تم إثراءها في C13 في تحديد مناطق التغذية في الطيور البحرية ، وتمييز المجموعات الفرعية في الفقمة . [5]
وتحتوي نواة كل ذرة عنصرية على بروتونات ، ونيوترونات ، وإلكترونات ، وعلى الرغم من أن كل عنصر يحتوي عادةً على عدد متساوٍ من البروتونات والإلكترونات ، إلا أن عدد النيوترونات يمكن أن يختلف ، وعندما تحتوي ذرات عنصر واحد مثل الكربون على أعداد مختلفة من النيوترونات ، وبالتالي كتل ذرية مختلفة ، فإنها تسمى “نظائر” ، مثل العديد من العناصر الأخرى ، يحتوي الكربون على نظير شائع جدًا ، والعديد من العناصر الأخرى النادرة جدًا . [2]
أهم نظائر الكربون
الكربون 12
يعد نظير الكربون الأكثر شيوعا هو الكربون 12 ، ويشير اسمه إلى أن نواته تحتوي على ستة بروتونات وستة نيوترونات ، أي مجموعه 12 ، وعلى سطح الأرض يمثل الكربون -12 ما يقرب من 99 بالمائة من الكربون الذي يحدث بشكل طبيعي ، ويستخدم العلماء وحدات الكتلة الذرية لقياس كتلة العناصر ، حيث أن الكربون – 12 لديه وحدات تبلغ بالتحديد 12.000 وحدة ، وهذا الرقم هو المعيار المرجعي لقياس الكتلة الذرية لجميع النظائر الأخرى .
النظائر الأخرى للكربون
والنظيران الآخران للكربون الموجودان طبيعياً هما الكربون – 13 ، الذي يشتمل على حوالي 1 في المائة من جميع نظائر الكربون ، والكربون -14 ، الذي يمثل نحو تريليوني من الكربون الطبيعي ، ويشير الرقم ” 13 ” في الكربون 13 إلى أن نواة النظير تحتوي على سبعة نيوترونات بدلاً من ستة ، والكربون 14 ، بالطبع ، يحتوي على ثمانية نيوترونات ، ولقد ابتكر العلماء أيضًا نظائر كربون اصطناعية تتراوح من الكربون 8 إلى الكربون 22 ، ولكن الاستخدام العملي لهذه النظائر غير المستقرة محدود .
الكربون 13
تُظهر الكائنات الحية تفضيل الكربون 12 على الكربون 13 ، وبالتالي تمتص مستويات عالية من الكربون 12 بشكل غير متناسب ، وهكذا ، يمكن للعلماء دراسة نسبة الكربون -13 إلى الكربون -12 في الأماكن الجليدية ، وحلقات الأشجار لتقدير التركيزات السابقة من ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ، وبالمثل ، يمكن لعلماء المناخ تتبع هذه النسبة في مياه البحر لدراسة معدلات امتصاص المحيط لثاني أكسيد الكربون .
الكربون 14
على عكس الكربون 12 والكربون 13 ، فإن الكربون 14 مشع ، وبمرور الوقت ، تتحلل النظائر المشعة ، وتطلق كمية معينة من الإشعاع ، ويأخذ كل كائن حي ثاني أكسيد الكربون ، والذي يحتوي على كمية صغيرة من الكربون 14 ، وبعد وفاة الكائن الحي ، يتحلل الكربون 14 في جسمه تدريجياً ، ولأن العلماء يعرفون معدل تحلل الكربون 14 ، يمكنهم فحص مستويات الكربون 14 في الكائنات القديمة لتقدير وقت حياتهم . [1]
ولقد تم اكتشاف النظير المشع C14 في عام 1934 من قبل جروس كنشاط غير معروف ، وفي نفس العام ، تعرض كوري (Yale) النيتروجين إلى النيوترونات السريعة ، ولاحظ مسارات طويلة في غرفة الفقاعة. وقد أنتج 14C ثاني أكسيد الكربون في الغلاف الجوي ، والنظير 14C هو أداة تستخدم على نطاق واسع لإنشاء التسلسل الزمني لأنظمة تدفق المياه الجوفية ، والسجلات المناخية للهلوسين والبلايستوسين ، وتعتبر الأداة الأكثر أهمية في تحديد تاريخ المياه الجوفية القديمة . [3]
استخدامات نظائر الكربون
تستخدم نظائر الكربون وبشكل أساسي C-13 على نطاق واسع في العديد من التطبيقات المختلفة ، ويستخدم C-13 على سبيل المثال في أبحاث الكيمياء العضوية ، ودراسات في الهياكل الجزيئية ، والتمثيل الغذائي ، ووضع العلامات الغذائية ، وتلوث الهواء ، وتغير المناخ ، ويستخدم C-13 أيضًا في اختبارات التنفس لتحديد وجود بكتيريا هيليكوباكتر بيلوري التي تسبب قرحة المعدة ، ويمكن أيضًا استخدام C-13 لإنتاج النظائر المشعة N-13 وهو نظير PET ، وأعطيت ذرة C-12 للوزن الذري بالضبط 12.000000000 ويستخدم كأساس لتحديد الوزن الذري للنظائر الأخرى . [4]
النظائر المستقرة المستخدمة في الأنظمة الأرضية
الكربون (13C12 / C)
يمكن استخدام توقيعات النظائر الكربونية لتمييز النباتات التي تستخدم أنماط C3 و C4 و CAM في عملية التمثيل الضوئي ، حيث تؤدي مسارات C4 و CAM إلى انخفاض تجزئة الكربون عن عملية التمثيل الضوئي C3 ، وهكذا يمكن استخدام نظائر الكربون لإعادة بناء طرق الهجرة ، إذا كان التوزيع الجغرافي لنباتات C3 و C4 و CAM معروفًا ، وتم عرض التغييرات النظرية الكربونية المقابلة للتغيرات الغذائية في الأنواع المهاجرة لأول مرة في الخفافيش (Fleming et al. 1993) ، ومنذ ذلك الحين تم استخدامه في الأنواع المهاجرة الأخرى ، بما في ذلك الأوز الثلجية الأقل حجمًا (Chen caerulescens) ، وتم إضافة نظائر مستقرة أخرى ، مثل النيتروجين والسترونتيوم ، لزيادة الدقة المكانية (Hobson 1999) ، كما استخدمت نظائر الكربون لاستنتاج اللياقة الفردية للطيور المهاجرة التي تصل إلى أرض التكاثر (Marra et al. 1998) ، ومن الطرق المثيرة للاهتمام للبحث المستقبلي هو التمييز النظري لأنفاس الزفير (CO2) ، الذي لا يتطلب التضحية بحيوان الدراسة للحصول على عينة من الأنسجة .
نظائر مستقرة في النظم المائية
الكربون (13C12 / C)
تعكس نظائر الكربون في أنسجة الحيوانات المائية المنتجين الأساسيين في مجال التغذية ، وبالتالي يمكن استخدامها لتحديد النظام الغذائي والحركة في المكان والزمان ، باتباع نفس المبدأ المستخدم في الدراسات الأرضية ، وتم استخدام نسب نظائر 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 ، وأظهر فراي (1981) أن أحواض الأعشاب البحرية الساحلية كانت أكثر إثراء في C13 مقارنة بتلك الموجودة في الخارج ، واستخدمت هذه الأنماط لتحديد دورة تاريخ الحياة وحركة الهجرة في العديد من مجموعات الروبيان البني تكساس ، وقد استخدم هوبسون وآخرون عام 1994 هذا الاتجاه أيضًا في تجزئة نظائر الكربون البحرية وشواطئ البحر لتمييز مجموعات الطيور البحرية المهاجرة في كولومبيا ، وكندا .
كما تم استخدام نسب نظير الكربون لإظهار التغيرات الغذائية في الحيتان المهاجرة ، وقرر شيل وآخرون أن التذبذبات في نسب نظائر الكربون كانت بسبب العوالق الحيوانية المختلفة في المناطق الشتوية والصيفية من الحوت القوسي ، كما تم استخدام الذروة في تذبذبات الكربون لتحديد التغيرات الغذائية في طريق الهجرة الحوت الجنوبي ، واستخدمت الاختلافات النظرية المميزة بين شبكات المياه العذبة والبحرية ، والتي تم إثراءها في C13 في تحديد مناطق التغذية في الطيور البحرية ، وتمييز المجموعات الفرعية في الفقمة . [5]
