碳循环 Archaeological Bone Chemistry 吉林大学边疆考古中心 蔡大伟 四大碳库：大气圈、生物圈、水圈、岩石圈

大气圈 地球就被这一层很厚的大气层包围着。大气层的成分主要有氮气，占78．1％；氧气占20．9％；氩气占0．93％；还有少量的二氧化碳、稀有气体（氦气、氖气、氩气、氪气、氙气、氡气）和水蒸气。 12C——98.9% 13C——1.19%——稳定同位素 14C——10-10%——放射性同位素 地球上的碳有四大储存库：大气圈、水圈、生物圈和岩石圈。各种不同的形式的碳在这四大储存库之间进行着无机过程和有机过程的碳交换循环

生物圈 植物一直存在两种作用：呼吸作用和光合作用。呼吸产生二氧化碳，光合消耗二氧化碳，产生氧气。呼吸作用是一直存在的。到了夜间，呼吸作用继续而光合作用停止，产生的二氧化碳就会显得比较多。也就是说，实际上植物是一直在产生二氧化碳的。但是白天有光尤其的阳光的作用下，光合作用强烈，消耗的二氧化碳比产生的显著多，因此总的看来是只消耗二氧化碳。到了夜间，就只产生二氧化碳不消耗了，显得植物只在夜间产生二氧化碳。

碳循环—生物圈途径

水圈（吸收与释放）

岩石圈（沉积与释放） 海水里碳元素主要赋存形式是溶解的二氧化碳分子和碳酸根离子。碳酸根离子可以形成一类叫碳酸盐岩的岩石 成为岩石圈的重要组成部分。实际上 ，在地球诞生到现在 海洋一时没有停止过的碳元素的固定。而固定下来的碳 就是以岩石的形式进入岩石圈。在化学和物理作用（风化）下，这些岩石被破坏，所含的碳又以二氧化碳的形式释放入大气中。火山爆发也可使一部分有机碳和碳酸盐中的碳再次加入碳的循环。

This diagram of the fast carbon cycle shows the movement of carbon between land, atmosphere, and oceans in billions of tons of carbon per year. Yellow numbers are natural fluxes, red are human contributions in billions of tons of carbon per year. White numbers indicate stored carbon.

Cabonate 碳酸盐 Methane 甲烷 沼气

CO2进入植物体内----碳同化 二氧化碳同化（CO2 assimilation），简称碳同化，是指植物利用光反应中形成的同化力(ATP和NADPH)，将CO2转化为碳水化合物的过程。二氧化碳同化是在叶绿体的基质中进行的，有许多种酶参与反应。 三磷酸腺苷（Adenosine Triphosphate）是一种核苷酸，作为細胞内能量传递的“分子通货”，储存和传递化学能。ATP在核酸合成中也具有重要作用。 NADPH是一种辅酶，叫还原型辅酶Ⅱ，学名烟酰胺腺嘌呤二核苷磷酸，亦写作[H]。在很多生物体内的化学反应中起递氢体的作用，具有重要的意义。 羧化

光合作用 植物是通过光合作用将空气中的CO2转化为植物组织。 CO2+H2O→(CH2O)+O2 光合作用的发生部位——叶绿体 外膜 基质 类囊体 基质 内膜 类囊体腔 基粒

光合作用的过程 光反应—发生在类囊体生成ATP 和NADPH 暗反应—碳同化过程（不直接需要光）

碳同化路径 据碳同化过程中最初产物所含碳原子的数目以及碳代谢的特点，将碳同化途径分为三类： C3途径(C3 pathway，卡尔文循环) CAM(景天科酸代谢，Crassulacean acid metabolism)途径。

C3途径 巧妙的实验设计 电泳技术和同位素示踪技术 20世纪的50年代，Melvin Calvin 单细胞光合有机体—小球藻悬液。持续的光照和CO2，使光合作用处于稳态。接着，他们在短时间内加入放射性同位素标记的CO2以标记循环的中间物。然后，将细胞悬液迅速倾入煮沸的乙醇溶液中杀死细胞，致使酶失活。最后，使用双相纸电泳和放射自显影分离、分析循环中的中间物。 卡尔文获得了1961年诺贝尔化学奖

C3途径 卡尔文循环(C3途径)：光合作用最先生成的有机物是含有三个碳的3-PGA(3-磷酸甘油酸)，称为C3途径。又称卡尔文循环、卡尔文--本生循环或光合环。它是所有植物光合作用碳同化的基本的和共同具有的途径。仅能通过C3途径固定CO2的植物被称为C3植物。

小麦 水稻 、、 大豆 棉花

C3类植物叶片特点 叶肉细胞 （有叶绿体） 维管束鞘细胞（无叶绿体）

C3途径（发生在叶肉细胞中）

羧基是由羰基和羟基组成的基团，它是羧酸的官能团,为羧基—COOH。 （1）羧化反应 RuBp

(2)还原阶段 3-磷酸甘油酸(PGA)在ATP的参与和3-磷酸甘油酸激酶的催化下，生成1，3-二磷酸甘油酸，再经过3-磷酸甘油醛脱氢酶的催化，被NADPH还原成3-磷酸甘油醛(GAP)的反应过程。 PGA + ATP + NADPH + H+ → GAP + ADP + NADP+ + Pi 3-磷酸甘油酸是一种有机酸，要达到糖的能级，必须使用同化力（ATP与NADPH）使3-磷酸甘油酸的羧基转变成3-磷酸甘油醛的醛基。当CO2被还原为3-磷酸甘油醛时，光合作用的贮能过程便基本完成。 酶：3-磷酸甘油酸激酶和3-磷酸甘油醛脱氢酶

（3）再生阶段 3-磷酸甘油醛(GAP)经过一系列的变化，最后转变为5-磷酸核酮糖，再在磷酸核酮糖激酶的作用下发生磷酸化作用重新形成1,5-二磷酸核酮糖(RuBP) 。 ATP

3CO2+3H2O+3RuBP+9ATP+6NADPH——GAP+6NADP+ +9ADP+3RuBP+9Pi 由CO2合成一个磷酸三糖需消耗6个NADPH和 9个ATP 总反应式： 3CO2+3H2O+3RuBP+9ATP+6NADPH——GAP+6NADP+ +9ADP+3RuBP+9Pi

C4途径 自20世纪50年代卡尔文等人阐明C3途径以来，曾认为光合碳代谢途径已经搞清楚了，不管是藻类还是高等植物，其CO2固定与还原都是按C3途径进行的。

澳大利亚科学家Hatch（哈奇）和S1ack（斯莱克）在研究玉米、甘蔗等原产热带地区的绿色植物时发现，当向这些绿色植物提供14CO2时，光合作用开始后的1s内，竟有90％以上的14C出现在含有四个碳原子的有机酸(一种C4化合物)中。随着光合作用的进行，C4化合物中的14C逐渐减少，而C3化合物中的14C逐渐增多。于70年代初提出了C4-双羧酸途径(C4-dicarboxylic acid pathway)，简称C4途径，也称C4光合碳同化循环(C4 photosynthetic carbon assimilation cycle，PCA循环)，或叫Hatch-Slack途径。至今已知道，被子植物中有20多个科约近2000种植物按C4途径固定CO2，这些植物被称为C4植物(C4 plant)。

高梁 玉米 苋菜 粟( 谷子,小米) 甘蔗 部分C4植物

C4类植物叶片特点 叶肉细胞 （有叶绿体） 维管束鞘细胞（有叶绿体）

C4途径 因为CO2首先固定在C4双羧酸（草酰乙酸），中，然后才转移到C3途径中中的绿色植物所以这一过程被称作四碳双羧酸途径简称C4途径。具有这种途径的植物被称为C4植物。如甘蔗、高粱、玉米等。

C4途径（发生在两类细胞中）

C4植物较C3植物进化的原因 能量 能量 CO2泵 大气中的二氧化碳 含量低的二氧化碳 C4途径 PEP羧化酶 含量高的二氧化碳 C3途径 RuBP羧化酶 产物 PEP羧化酶与CO2亲和的Km值为7μmol, RuBP羧化酶与CO2亲和的Km值为450μmol,前者可以固定较低浓度的CO2 C4植物光合作用的产生的淀粉存在于维管束鞘细胞, 如甘蔗、玉米；C3植物光合作用的产生的淀粉仅积累在叶肉细胞中,如小麦、水稻。 C4植物较C3植物更适应CO2浓度低的环境。

C3和C4植物中稳定同位素的区别

CAM途径(景天科酸代谢途径) 指生长在热带及亚热带干旱及半干旱地区的一些肉质植物（最早发现在景天科植物）所具有的一种光合固定二氧化碳的附加途径。具有这种途径的植物称为CAM植物。在其所处的自然条件下，气孔白天关闭，夜晚张开。它们具有此途径，既维持水分平衡，又能同化二氧化碳。

景天科植物的 CO2捕获和同化在时间上是分开的 CAM Plants ：特别热,特别干旱的环境 白天，气孔关闭(减少水份蒸发)：CO2 被苹果酸酶释放，然后被核酮糖1,5二磷酸羧化酶和卡尔文循环的其它酶固定同化。---同化 相对低温潮湿的夜晚，气孔打开：CO2进入固定为草酰乙酸苹果酸，储存于液泡中；--捕获

C稳定同位素研究历史 在20世纪50年代地球化学家首先发现的不同植物种间碳同位素组成的存在差异。

C稳定同位素研究历史

C稳定同位素研究历史

C稳定同位素研究历史 上述研究表明碳同位素组成可以用于区分植物的C3和C4光合途径，进而区分C3、C4类植物在人类饮食中组成。 CAM植物由-10‰～- 22‰(平均为-16‰)

主要经济作物

C3 -20~-35‰ 平均-26 ‰ C4 -7~-15‰ 平均-13 ‰ CAM -10~-22‰ 平均-16 ‰ 分析原理

食物结构分析公式 X =C4的比例（%）

假设测得某古人的δ13C数值为-10‰，那么他所食用的C4植物比例占多少？ 问题 假设测得某古人的δ13C数值为-10‰，那么他所食用的C4植物比例占多少？

回顾 三种C3、C4、CAM同化途途径. 13C与人类饮食结构分析的基本原理 光合作用CO2进入植物的途径不同 ①光反应----捕捉光能----生成ATP和NADPH ②暗反应-----CO2羧化进入细胞—同化—糖类 三种C3、C4、CAM同化途途径.

同位素效应( Isotope effect) 自然界有7种碳同位素（10C、11C、12C、13C、14C、15C、16C），其中12C、13C是稳定同位素，没有明显的化学性质差别，但其物理化学性质(如在气相中的传导率、分子键能、生化合成和分解速率等)因质量上的不同常有微小的差异,导致了物质反应前后在同位素组成上有明显的差异。这种现象称作同位素效应(Isotope effect)。 同位素效应主要有两种表示方法: 1）同位素分馏(Isotope fractionation) 2）同位素判别(Isotope discrimination,Δ) 为什么C稳定同位素在大气与植物之间、植物与人体之间不同？体内富集？

两个概念 “同位素分馏”是指某一反应中底物的同位素组成受到改变，使产物具有不同的同位素组成； 底物：为参与生化反应的物质，可为化学元素、分子或化合物，经酶作用可形成产物。 “同位素判别”是指某一反应过程或某催化剂对重同位素有识别和排斥的作用，致使产物的重同位素含量减少的现象。 同位素分馏指的是反应物同位素组成改变的效果，而同位素判别指的是造成同位素组成改变的一种过程或原因。 例如大气中的二氧化碳参与光合作用被转化为糖，在不同的植物中，反应过程不同，产物就具有不同的同位素组成。

在碳的有机循环中，轻同位素容易摄入有机质（例如烃、石油中富含12C）中。 二种碳循环都与大气CO2有密切关系，也是自然界中碳同位素分馏两个最重要的过程。

碳同位素分馏 Fractionation factor 同位素分馏程度可用同位素分馏因子(来衡量 ,一般用α来表示。在化学研究中,α被定义为反应物与产物之间的碳同位素比值。 (13C/12C)大气 = (13C/12C)植物 大气 = － 标准品 （ ）1000 ％ r代表反应物，p代表产物，对植物来说，r就是代表大气，p代表植物 植物 = － 标准品 （ ）1000 ％ 标准品

碳同位素分馏 Fractionation factor 大气 = + 1000 植物 同位素分馏系数表示同位素分馏的程度，它反映了两种物质之间同位素相对富集或亏损的大小。也就是说，哪种物质含有更多的重同位素，哪种物质含有更多的轻同位素。 当α>1时，表示大气比植物富集重同位素；当α<1时，则指大气比植物富集轻同位素；当α=1时，表示两种物质之间没有同位素分馏。

同位素判别 同位素效应的大小也可用同位素判别来表示 - 大气 植物 + 1000 植物

光合作用碳同位素的动力分馏模式 12CO2 Photosynthesis 13CO2 6CO2 + 6H2O + C6H12O6 + 6O2 13C= -13 to -28‰ Photosynthesis C3类植物 Baertschi（1953）认为，叶子表面对两种二氧化碳（12CO2、13CO2）同位素分子吸收速度上的差异是造成这一分馏的主要原因。

光合作用中碳同位素的分馏模型 －－帕克（Park，1960）和爱泼斯坦（Epstein，1960，1961） 第一步：在光合作用期间，植物优先从大气中吸收质量较轻的12CO2，并溶解于细胞中。这一阶段分馏变化较大，主要取决于大气中CO2的浓度。 第二步：由于酶的作用，植物优先溶解含12C的CO2，先把它转化为“磷酸甘油酯”。从而产生分馏，使13C在溶解的CO2中富集。在分馏过程中，必然有一部分富含13C的溶解的CO2从植物的根部或者叶面上排出，因而使植物富含12C。排出作用越有效，这一阶段的分馏就越大。 根据这一分馏模型，可以解释大气CO2和植物之间同位素组成的差别以及植物中的13C的变化。 大气CO2经气孔向叶内的扩散过程、CO2 在叶中的溶解过程,以及羧化酶对CO2的同化过程,均存在显著的碳同位素效应(Farquhar et al. , 1989)

大气CO2经气孔向叶内的扩散过程、CO2 在叶中的溶解过程,以及羧化酶对CO2的同化过程,均存在显著的碳同位素效应(Farquhar et al. , 1989) 不同光合途径(C3、C4和CAM)因光合羧化酶(RuBP羧化酶和PEP羧化酶)和羧化的时空上的差异对13C不同的识别和排斥,导致了不同光合途径的植物具有显著不同的δ13C值。

C3植物硅酸体的δ13C值由-24‰～-31‰，平均为-27.467 ‰ （-26‰）

13C同位素与环境

树轮的碳同位素研究全球气候变化 图2 1928－1999年北京地区白皮松纤维素稳定碳同位素与温度变化趋势 图3 1928－1999年北京地区白皮松纤维素稳定碳同位素与降雨量变化趋势

绝大多数陆生植物为C3植物，C4植物相对很少，CAM植物更少。 植物发生光合作用时，CO2的固定过程要产生碳同位素分馏，结果表明，植物合成的有机物中普遍富集碳的轻同位素（δ12C）。植物的13C组成受气候环境因子的影响，其中温度是影响植物δ13C组成的一个重要气候因子，因此可以利用植物δ13C组成作为温度的替代指标来追索过去气候变化。 这方面的研究进行得很多，主要集中在对C3植物δ13C组成之上，尤其是对树木年轮的δ13C与温度关系进行过很多的研究。