同位体シグネチャー

例えば、メタンの発生源と吸収源は、12C^と13C^の同位体に対する親和性が異なるため、空気中のメタンの^13C / ^{12C比によって異なる発生源を区別することができます。}地球化学、古気候学、古海洋学では^、この比はδ13Cと呼ばれます。この比は、ピーディーベレムナイト（PDB）標準を基準として計算されます。

$${\displaystyle \delta {\ce {^{13}C}}_{\mathrm {sample} }=\left({\frac {{\ce {^{13}C/^{12}C}}_{{\ce {sample}}}}{{\ce {^{13}C/^{12}C}}_{\mathrm {standard} }}}-1\right)\cdot 1000}$$‰

同様に、無機炭酸塩中の炭素は同位体分別がほとんど見られないのに対し、光合成によって生成された物質中の炭素_は重い同位体が枯渇している。さらに、生化学的経路が異なる2種類の植物がある。C3炭素固定では同位体分離効果がより顕著であり、C4炭素固定では重い^13Cの_枯渇が少なく、CAM植物では効果は似ているがC4植物よりも顕著ではない_。植物における同位体分別は、物理的要因（原子量の増加による植物組織内での13Cの拡散速度の低下^）と生化学的要因（2つの酵素、RuBisCOとホスホエノールピルビン酸カルボキシラーゼによる^12Cの選択性）によって引き起こされる。^{[ 2 ]} 2 種類の植物の異なる同位体比は食物連鎖を通じて伝播するため、肉や骨のコラーゲンの同位体分析によって、人間や動物の主な食事が主に C ₃植物 (米、小麦、大豆、ジャガイモ) または C ₄植物 (トウモロコシ、またはトウモロコシを飼料として与えられた牛肉)で構成されているかどうかを判断することが可能です (ただし、より正確な決定を得るには、炭素同位体分別も考慮する必要があります。いくつかの研究では、単純および複雑な基質の生分解中に¹³ C の有意な分別が報告されているためです)。^{[ 3 ] [ 4 ]} _{C 3}植物 内では、 δ ¹³ Cの変化を制御するプロセスは、特に葉レベルではよく理解されていますが、^{[ 5 ]}木材形成中も同様です。^{[ 6 ] [ 7 ]}近年の多くの研究では、葉レベルの同位体分別と木材形成の年間パターン（すなわち年輪δ13C）を組み合わせて、^気候変動と大気組成が個々の樹木や森林群落の生理学的プロセスに及ぼす影響を定量化している^{[ 8 ] 。 [ 9 ]}少なくとも陸上生態系における次の段階の理解は、複数の同位体指標を組み合わせて、植物、土壌、大気間の相互作用を解明し、土地利用の変化が気候変動にどのように影響するかを予測することであると思われる。^{[ 10 ]}同様に、海洋魚は淡水魚よりも13Cを多く含み、その値はそれぞれC4^植物 と_C3植物_に近似している。

これらの植物における炭素13と炭素12同位体の比率は次のとおりです。^{[ 11 ]}

• C ₄植物：−16‰～−10‰
• CAM植物：−20‰～−10‰
• C ₃植物：−33‰～−24‰

大気中の二酸化炭素が海中で沈殿して形成された石灰岩は、通常の割合の^¹³Cを含んでいます。一方、岩塩ドームで見られる方解石は、石油の酸化によって生成された二酸化炭素に由来し、植物由来であるため^¹³Cが少なくなっています。2億5200万年前のペルム紀末の大量絶滅時に堆積した石灰岩層は、¹³C/¹²C比が1%低下していることで^識別でき^ます。

窒素15、または^15Nは、例えばDNA複製の性質を確立するためのメセルソン・スタール実験のように、農業および医学研究でよく使用されます。^{[ 12 ]}この研究の拡張により、DNAベースの安定同位体プロービングが開発され、培養分離を必要とせずに、環境中の微生物の代謝機能と分類学的同一性の間の関連性を調べることができます。^{[ 13 ] [ 14 ]}タンパク質は、窒素源として^15Nのみを含む培地で培養することにより、同位体標識することができます。例えば、 SILACなどの定量的プロテオミクスで使用されます。

窒素15は、環境中の鉱物性窒素化合物（特に肥料）を追跡するために広く使用されています。 ^{[ 15 ]} 他の同位体標識の使用と組み合わせると、^15Nは窒素有機汚染物質の運命を記述するための非常に重要なトレーサーにもなります。^{[ 16 ] [ 17 ]}窒素15トレーシングは、生物地球化学で使用される重要な方法です。

安定窒素同位体の比、¹⁵ N/ ¹⁴ Nまたはδ ¹⁵ Nは、栄養段階とともに増加する傾向があり、草食動物は植物よりも窒素同位体値が高く、肉食動物は草食動物よりも窒素同位体値が高い。検査する組織にもよるが、栄養段階が上がるごとに 3～4 パーミル増加する傾向がある。^{[ 18 ]}したがって、ビーガンの組織や毛髪には、主に肉を食べる人の体よりも δ ¹⁵ Nが著しく低い。同様に、陸上食は海洋食とは異なる特徴を示す。毛髪の同位体分析は考古学者にとって重要な情報源であり、古代の食生活や食料源に対する文化的な態度の違いについての手がかりを提供する。^{[ 19 ]}

食物連鎖の基盤（すなわち植物）または個々の動物のレベルで、窒素同位体組成に影響を与える可能性のある他の環境要因や生理学的要因が多数存在する。例えば、乾燥地域では、窒素循環はより「開放的」になり、 ¹⁴ Nの損失が起こりやすく、土壌や植物のδ ^{15 N が増加する傾向がある。 [ 20 ]}これにより、涼しく湿潤な生態系と比較して、高温乾燥生態系の植物や動物の δ 15 N 値が相対的に高くなる。^{[ 21 ]さらに}、δ ¹⁵ N の上昇は、長期にわたる水分ストレス条件下またはタンパク質摂取不足下での 14N の優先的な排泄と、体内の既に 15N が濃縮された組織の再利用に関連している。^{[ 22 ] [ 23 ]}

δ ¹⁵ N は、大気や地表物質に見られる比率が「物質が形成される条件と密接に関係している」ため、惑星科学における診断ツールとしても役立ちます。 ^{[ 24 ]}

酸素は自然界に3つの変異体で存在しますが、¹⁷ Oは非常にまれであるため、検出が非常に困難です（存在量は約0.04%）。^{[ 25 ]水中の18} O / ¹⁶ Oの比率は、水が経験した蒸発量に依存します（¹⁸ Oはより重いため、蒸発しにくい）。蒸気圧は溶解塩の濃度に依存するため、¹⁸ O / ^{16 Oの比率は水の}塩分濃度と温度に相関関係を示します。酸素は炭酸カルシウムを分泌する生物の殻に取り込まれるため、そのような堆積物は、その地域の水の温度と塩分の時系列記録を提供します。

大気中の酸素同位体比は、季節や地理的な場所によって予測可能な変化を示します。例えば、モンタナ州の^18Oに富む降水とフロリダキーズの^{18Oに乏しい降水の間には 2% の差があります。この変動性は、物質の原産地の地理的位置を概算するために使用できます。例えば、}ウラン酸化物の出荷場所を特定することが可能です。地表同位体と環境との交換率を考慮に入れる必要があります。^{[ 26 ]}

固体試料（有機物および無機物）の酸素同位体シグネチャーは、通常、熱分解と質量分析法によって測定される。^{[ 27 ]}試料の不適切な保管や長期保管は、不正確な測定につながる可能性がある。^{[ 27 ]}

^{硫黄には32S}、^33S、^34S、^36Sの4 つの安定同位体があり、その中で^32Sは超新星爆発で非常に一般的な^12Cによって生成されるため、圧倒的に最も豊富です。硫黄同位体比は、この主要な相対存在量 (95.0%) のため、ほとんどの場合^32Sに対する比として表されます。硫黄同位体分別は^、他の安定同位体と比較して存在量が多い (4.25%) ため、通常はδ34Sで測定されますが、^δ33Sが測定されることもあります。硫黄同位体比の差は、主に反応や変換中の速度論的分別によるものと考えられています。

硫黄同位体は一般的に標準物質と比較して測定されます。1993 年以前は、³² S: ^{34 S が 22.220 である}Canyon Diabloトロイライト標準 ( CDTと略記) が参照物質および同位体スケールのゼロ点として使用されていました。1993 年以降は、Vienna-CDT 標準がゼロ点として使用されており、硫黄同位体測定の参照物質として使用される物質がいくつかあります。これらの標準物質と比較して測定された自然プロセスによる硫黄分画は、次の式で計算されるように、-72‰ から +147‰ の間に存在することが示されています^{[ 28 ] [ 29 ]}。

$$${\displaystyle \delta {\ce {^{34}S}}_{\mathrm {sample} }=\left({\frac {{\ce {^{34}S/^{32}S}}_{{\ce {sample}}}}{{\ce {^{34}S/^{32}S}}_{\mathrm {standard} }}}-1\right)\cdot 1000}$$$

硫黄は非常に酸化還元活性な元素であるため、酸素危機によって引き起こされた大気の酸化還元状態の変化を反映する海洋蒸発岩など、地球の歴史を通じて主要な化学変化イベントを記録するのに役立つ可能性がある。^{[ 32 ] [ 33 ]}

^{鉛は、 204} Pb、²⁰⁶ Pb、²⁰⁷ Pb、および²⁰⁸ Pbの4 つの安定同位体から構成されています。ウラン、トリウム、鉛の含有量の地域的な変動により、さまざまな場所からの鉛の同位体比に大きな場所固有の変動が生じます。工業プロセスによって大気中に放出される鉛は、鉱物中の鉛とは異なる同位体組成を持っています。テトラエチル鉛添加剤を含むガソリンの燃焼により、自動車の排気煙中に遍在するマイクロメートルサイズの鉛に富む微粒子が形成されました。特に都市部では、人工の鉛粒子は天然の鉛粒子よりもはるかに一般的です。物体中に存在する粒子の同位体含有量の違いは、物体の起源のおおよその地理的位置を特定するために使用できます。^{[ 26 ]}

考古学的研究では、安定同位体比を用いて、分析対象組織の形成期間（骨コラーゲンでは10～15年、歯のエナメル質バイオアパタイトでは年単位）における食生活、食品の「レシピ」（陶器の残骸）、栽培場所と栽培植物の種類（堆積物からの化学抽出物）、そして個人の移動（歯の物質）を追跡してきた。

安定同位体比質量分析法の登場により、物質の同位体シグネチャは法医学においてますます活用されるようになり、一見類似した物質の起源を区別し、それらの物質の共通の供給源を追跡することが可能になった。例えば、植物の同位体シグネチャは、水分や栄養分の利用可能性といった生育条件によってある程度影響を受ける。合成物質の場合、シグネチャは化学反応中の条件によって影響を受ける。同位体シグネチャのプロファイリングは、不純物の特性評価など、他の種類のプロファイリングが最適ではない場合に有用である。シンチレーター検出器と組み合わせた電子機器は、同位体シグネチャを評価し、未知の供給源を特定するために日常的に使用されている。

一般的な茶色のPSA包装テープの起源を、裏打ちポリマー、添加剤、接着剤の炭素、酸素、水素同位体シグネチャを使用して特定できる可能性を示す研究が発表された。^{[ 35 ]}

炭素同位体比の測定は、蜂蜜の混入を検出するために使用できます。トウモロコシやサトウキビ（C4植物）由来の糖の添加は_、蜂蜜に含まれる糖の同位体比を歪めますが、タンパク質の同位体比には影響を与えません。混入のない蜂蜜では、糖とタンパク質の炭素同位体比は一致するはずです。^{[ 36 ]} 7%程度の添加でも検出できます。^{[ 37 ]}

核爆発では、空気中の二酸化炭素中の炭素¹³と高速中性子の反応によりベリリウム^10が生成されます。これは、核実験場での過去の活動の歴史的指標の1つです。 ^{[ 38 ]}

同位体フィンガープリントは、太陽系内の物質の起源を研究するために使用されています。^{[ 39 ]} 例えば、月の酸素同位体比は地球のものとほぼ同じようです。^{[ 40 ]}非常に精密に測定できる酸素同位体比は、太陽系の各天体に固有の特徴をもたらします。^{[ 41 ]}異なる酸素同位体シグネチャは、宇宙に放出された物質の起源を示すことができます。^{[ 42 ]}月のチタン同位体比（⁵⁰ Ti/ ⁴⁷ Ti）は、地球のものと近いようです（4 ppm以内）。^{[ 43 ] [ 44 ]} 2013年に発表された研究では、水の同位体の組成に基づいて、月のマグマ中の水は炭素質コンドライトと「区別がつかず」、地球の水とほぼ同じであることが示されました。^{[ 39 ] [ 45 ]}

同位体生物地球化学は、地球上の生命とその初期の形態を取り巻く時間軸を調査するために使用されてきた。堆積物中に保存された生命特有の同位体フィンガープリントは、38億5000万年前にはすでに地球上に生命が存在していたことを示唆しているが、必ずしもそれを証明するものではない。^{[ 46 ]}

硫黄同位体証拠は、地球の大気中の酸素濃度が約23億～24億年前に初めて測定可能なほど上昇した（現代の値の約9%まで^{[ 47 ]} ）大酸化イベントの時期を裏付けるためにも使用されてきた。質量非依存の硫黄同位体分別は、約24億5000万年前以前の地質記録に広く見られることがわかっており、これらの同位体シグネチャーはその後質量依存の分別に取って代わられ、その閾値で大気が無酸素状態から酸素化された状態に変化したという強力な証拠となっている。^{[ 48 ]} 

現代の硫酸還元細菌は、 ³⁴ Sの代わりに軽い³² Sを優先的に還元することが知られており、これらの微生物の存在は海洋の硫黄同位体組成を測定可能なほど変化させる可能性がある。^{[ 32 ]}硫化物鉱物のδ ³⁴ S 値は主に硫酸還元細菌の存在によって影響を受けるため、^{[ 49 ]}硫化物鉱物に硫黄同位体分別がないことは、これらの細菌プロセスが存在しないか、または自由に利用可能な硫酸塩が存在しないことを示唆している。微生物による硫黄分別のこの知識を利用して、推定される海水組成と比較して大きな硫黄同位体分別を持つ鉱物（特に黄鉄鉱）は生命の証拠である可能性があると示唆する人もいる。^{[ 50 ] [ 51 ]}しかし、この主張は明確ではなく、西オーストラリアのドレッサー層で発見された約3.49 Gaの硫化物鉱物の地質学的証拠を用いて異議を唱えられることがある。これらの鉱物は、-22‰という負のδ ³⁴ S値を示すことがわかっている。^{[ 52 ]}硫化物と重晶石鉱物が主要な熱水供給なしに形成されたことが証明されていないため、これは始生代の生命または微生物による硫酸還元経路の決定的な証拠ではない。^{[ 53 ]}