نسبة النظائر المستقرة

يُستخدم مصطلح "النظير المستقر" بمعنى مشابه لمصطلح "النواة المستقرة" ، ولكنه يُفضّل استخدامه عند الحديث عن نوى عنصر مُحدد. ولذلك، يُشير جمع "النظائر المستقرة" عادةً إلى نظائر العنصر نفسه. يُمكن قياس الوفرة النسبية لهذه النظائر المستقرة تجريبيًا ( تحليل النظائر )، مما يُنتج نسبة نظائر يُمكن استخدامها كأداة بحثية. ^{[ 1 ]} نظريًا، يُمكن أن تشمل هذه النظائر المستقرة نواتج التحلل الإشعاعي، والتي تُستخدم في التأريخ الإشعاعي . مع ذلك، يُفضّل استخدام مصطلح "نسبة النظائر المستقرة" للإشارة إلى النظائر التي تتأثر وفرتها النسبية بتجزئة النظائر في الطبيعة. يُطلق على هذا المجال اسم " الكيمياء الجيولوجية للنظائر المستقرة" .

يلعب قياس نسب النظائر المستقرة الموجودة في الطبيعة ( تحليل النظائر) دورًا هامًا في جيوكيمياء النظائر، كما تُستخدم النظائر المستقرة (وخاصة الهيدروجين والكربون والنيتروجين والأكسجين والكبريت ) في الدراسات البيئية والبيولوجية . وقد استخدم باحثون آخرون نسب نظائر الأكسجين لإعادة بناء درجات حرارة الغلاف الجوي التاريخية، مما يجعلها أدوات مهمة في علم المناخ القديم .

من أمثلة نسب النظائر الشائعة التي تم تحليلها: ^2H / ^1H ، و ¹⁸ O/ ^16O ، و ¹⁷ O/ ^16O لمياه المحيط، و ¹⁵ N/ ^14N للهواء. ^{[ 2 ]}

تخضع أنظمة النظائر هذه للعناصر الأخف، التي تُظهر أكثر من نظير بدائي واحد لكل عنصر، للدراسة منذ سنوات عديدة بهدف دراسة عمليات تجزئة النظائر في الأنظمة الطبيعية. ويعود تاريخ دراسة هذه العناصر الطويل جزئيًا إلى سهولة قياس نسب النظائر المستقرة فيها. مع ذلك، فإن التطورات الحديثة في مطيافية الكتلة لنسب النظائر (مثل مطيافية الكتلة بالبلازما المقترنة حثيًا متعددة الجامعات) تُتيح الآن قياس نسب النظائر في العناصر المستقرة الأثقل، مثل الحديد والنحاس والزنك والموليبدينوم ، وغيرها .

تُستخدم الاختلافات في نسب نظائر الأكسجين والهيدروجين في علم المياه، إذ تقع معظم العينات بين طرفين متناقضين: مياه المحيطات وثلوج القطب الشمالي/الجنوبي. ^{[ 3 ]} وبوجود عينة من المياه الجوفية ، وأداة حساسة بما يكفي لقياس التباين في نسبة نظائر الهيدروجين فيها، يُمكن استنتاج مصدرها، سواءً أكانت مياه المحيطات أم مياه الأمطار المتسربة إلى الخزان الجوفي، بل وتقدير نسب كل مصدر. ^{[ 4 ]} كما تُستخدم النظائر المستقرة للماء في تحديد مصادر المياه اللازمة لنتح النباتات ^{[ 5 ]} وتغذية المياه الجوفية . ^{[ 6 ] [ 7 ]}

يُستخدم هذا الأسلوب أيضًا في قياس درجات الحرارة القديمة في علم المناخ القديم . فعلى سبيل المثال، تعتمد إحدى التقنيات على تغير التجزئة النظيرية للأكسجين في الأنظمة البيولوجية مع تغير درجة الحرارة. ^{[ 8 ]} تُدمج أنواع المنخربات الأكسجين على شكل كربونات الكالسيوم في أصدافها. وتختلف نسبة نظيري الأكسجين، الأكسجين-16 والأكسجين -18، المُدمجين في كربونات الكالسيوم باختلاف درجة الحرارة والتركيب النظيري للأكسجين في الماء. ويبقى هذا الأكسجين "مثبتًا" في كربونات الكالسيوم عندما تموت المنخربات وتسقط في قاع البحر، وتصبح أصدافها جزءًا من الرواسب. ومن الممكن اختيار أنواع قياسية من المنخربات من مقاطع عرضية في عمود الرواسب، ومن خلال رسم خريطة لتغير نسبة نظائر الأكسجين، يُمكن استنتاج درجة الحرارة التي واجهتها المنخربات خلال حياتها إذا أمكن تحديد التغيرات في التركيب النظيري للأكسجين في الماء. ^{[ 9 ]} كما مكّنت علاقات درجات الحرارة القديمة من استخدام نسب النظائر من كربونات الكالسيوم في أصداف البرنقيل لاستنتاج حركة ومناطق تغذية السلاحف البحرية والحيتان التي ينمو عليها بعض البرنقيل. ^{[ 10 ]}

في علم البيئة ، تُستخدم نسب نظائر الكربون والنيتروجين على نطاق واسع لتحديد الأنظمة الغذائية العامة للعديد من الحيوانات البرية. وقد استُخدمت هذه النسب لتحديد الأنظمة الغذائية العامة للطيور البحرية، ولتحديد المناطق الجغرافية التي تقضي فيها الطيور البحرية ^{[ 11 ] والعصافير المغردة [ 12 ]} موسمي التكاثر وعدم التكاثر . كما استخدمت العديد من الدراسات البيئية تحليلات النظائر لفهم الهجرة، وبنية الشبكة الغذائية، والنظام الغذائي، واستخدام الموارد ^{[ 13 ]} ، مثل نظائر الهيدروجين لقياس كمية الطاقة التي توفرها أشجار ضفاف الجداول لدعم نمو الأسماك في البيئات المائية ^{[ 14 ]} . وقد شاع استخدام النظائر المستقرة لتحديد الأنظمة الغذائية للحيوانات المائية، نظرًا لصعوبة الملاحظات المباشرة ^{[ 15 ]} . كما تُمكّن هذه النظائر الباحثين من قياس كيفية تأثير التفاعلات البشرية مع الحياة البرية، مثل الصيد، على الأنظمة الغذائية الطبيعية. ^{[ 16 ]} بناءً على نسب الكربون ₁₄ المعروفة في نباتات C3 _{والحياة} البحرية، يستطيع الباحثون تحديد النسبة النسبية لأنظمة غذاء الإنسان القديم التي كانت تتكون من مصادر بحرية مقابل مصادر أرضية مثل الزراعة أو تربية الحيوانات. ^{[ 17 ]}

في علم الطب الشرعي، تشير الأبحاث إلى أن التباين في نسب نظائر معينة في المخدرات المشتقة من مصادر نباتية ( القنب ، الكوكايين ) يمكن استخدامه لتحديد قارة منشأ المخدر. ^{[ 18 ]}

في علم الأغذية، تم استخدام تحليل نسبة النظائر المستقرة لتحديد تركيبة البيرة، ^{[ 19 ]} وصلصة الصويا ^{[ 20 ]} وأغذية الكلاب. ^{[ 21 ]}

يُستخدم تحليل نسبة النظائر المستقرة أيضاً في ^مكافحة المنشطات ، للتمييز بين المصادر الداخلية والخارجية ( الاصطناعية ) للهرمونات . ^{[ 22 ] [} 23 ^]

يعتمد القياس الدقيق لنسب النظائر المستقرة على الإجراءات الصحيحة للتحليل وإعداد العينات وتخزينها. ^{[ 24 ]}

تُصنّف النيازك الكوندريتية باستخدام نسب نظائر الأكسجين. إضافةً إلى ذلك، تؤكد البصمة غير العادية للكربون-13 الأصل غير الأرضي للمركبات العضوية الموجودة في الكوندريتات الكربونية ، كما هو الحال في نيزك مورشيسون .

استُخدم تحليل نسب النظائر المستقرة على مدى ثلاثة عقود على الأقل في دراسة النظم البيئية المائية الكاملة وشبكات الغذاء البحرية. ومن أكثر أنواع التحليل شيوعًا في هذا الصدد استخدام الكربون ^-13 والنيتروجين ^-15 كمتتبعات في تجارب إثراء النظائر. وباستخدام التسميد بالنظائر المستقرة، حيث يقوم الباحثون بـ"زرع" النظائر المستقرة في النظام البيئي المائي وقياس كيفية انتقالها، تمكن الباحثون من تحديد العديد من التأثيرات الأيضية والتسلسلية الغذائية الجديدة. وقد استُخدم هذا النهج لدراسة امتصاص الكربون، ومحدودية المغذيات، وترشيح المياه الجوفية. ^{[ 25 ]}

تتعلق استخدامات نسب النظائر المستقرة المذكورة أعلاه بقياس النسب الطبيعية. كما يعتمد البحث العلمي على قياس نسب النظائر المستقرة التي تم تغييرها صناعيًا بإضافة مواد مُخصبة نظائريًا إلى المادة أو العملية أو النظام قيد الدراسة. يتضمن تخفيف النظائر إضافة نظير مستقر مُخصب إلى مادة ما لتحديد كميتها من خلال قياس نسب النظائر الناتجة. يستخدم الوسم النظائري نظيرًا مُخصبًا لوسم مادة ما بهدف تتبع مسارها، على سبيل المثال، خلال تفاعل كيميائي أو مسار أيضي أو نظام بيولوجي. وتعتمد بعض تطبيقات الوسم النظائري على قياس نسب النظائر المستقرة لتحقيق ذلك.

• التأريخ بالكربون المشع
• تحليل النظائر
• الكيمياء الجيولوجية الحيوية لنظائر الهيدروجين