دکتر ریموند رخشانی *
مقاله و فایل صوتی سی ام:
نمونه ی کاربردی[1] – تاریخ کشاورزی[2]
تاریخِ کشاورزی در نسبَتِ ایزُوتوپی کربُن[3] نوشته شده است یعنی تاریخِ کشاورزی بر اتمی نوشته شده که همه ی وجوهِ زندگی بر روی کره ی زمین بر آن استوار است[4].
- همه ی ایزوتوپ های کربن از نظر شیمیایی مشابه اند. اما ایزوتوپ های کربن از نظر فیزیکی مشابه نیستند[5].
- همه ی اتم هایِ کربن ۶ الکترونی هستند و نتیجتاً پیوندهای شیمیایی یکسان می سازند. اما ۳ ایزوتوپ کربن یعنی کربن – ۱۲، – ۱۳ و – ۱۴ جرم های متفاوتی دارند[6].
- از آنجا که انرژی به نحوی یکسان بین آنها مشترک است، ایزوتوپ های سنگین تر آهسته تر حرکت می کنند و بهمین دلیل در ترکیباتِ شیمیایی کربن ایزوتوپ های سنگین ترِ آن حضور کم تری دارند.
- کربن – ۱۲ و – ۱۳ پایدارند و سندی همیشگی[7] از فرآیند تشکیل ترکیباتِ کربنی را نگهداری می کنند[8].
نسبت کربن -۱۳ به کربن – ۱۲ در هر ماده ای، تاریخِ شیمیاییِ آن را آشکار می کند. نسبتِ استانداردی جهانی کربن – ۱۳ به کربن – ۱۲، حدودا ۱.۱ به ۱۰۰ است.[9]
- این نسبت نخستین بار، با بکارگیریِ روشهایِ علمی و ابزارهایِ فنی شناخت، بر اساسِ سنگواره ای یا فسیلی در ایالتِ کارولینای جنوبی ثبت شد. امروزه نسبتِ کربنی هر ماده ای در هر جای دیگر جهان در مقایسه با آن استاندارد جهانی اندازه گیری میشود[10].
- نسبت ایزوتوپیِ کربن بقیه ی مواد بشکل درصدی[11] از آن استاندارد نشان داده می شود.
- طیفِ آن نسبت استانداردی از بعلاوه ی ۰.۴ درصد (+0.4%) شروع و تا منهایِ ۵ درصدِ (-5.0%) معیار یا استانداردِ جهانی ادامه دارد.
- برای نمونه هوایِ تازه ی ییلاقی در حدودِ منهایِ ۰.۷ درصد (-0.7%) آن استاندارد است.
- هوایِ کلان شهرهایی (از قبیل تهران یا لوس آنجلس) میانگینی برابر با منهای ۰.۸ درصدِ آن استاندارد جهانی است چون آلودگی اگزوزِ ماشین ها کربن – ۱۳ پایین تری دارد.
گیاهان کربن را از طریق زنجیره ی غذاییِ[12] خود جذب می کنند.
- این عمل از طریقِ فرآیندِ فتوسنتزی[13] انجام می گیرد که از طریق آن گیاهان دی اکسید کربن را جذب نموده و اکسیژن آن را رها کرده و از کربن آن دی اکسید کربن موادِ گیاهی می سازند[14].
- دیاکسید کربن از منفذهای زیرِ برگها[15] جذب می شود.
- چون ملکول های 13CO2 از ملکول های 12CO2 سنگین تر و آهسته تر هستند، تعدادِ کمتری از آنها در فتوسنتز شرکت دارند[16].
- در هر گامِ شیمیایی برای ساختنِ ملکول های پیچیده تر کربنی این تبعیض یا تمایز مشهودتر می شود.
از دیدگاه فرآیندِ فتوسنتزی سه نوع گیاه بیشتر موجود نیست[17].
- گیاهان سه کربنی (C3) سه اتم کربن را بصورت زنجیره بهم متصل می کنند. بیشتر گیاهان مناطقِ معتدل و علفها و درختان، گیاهانِ سه کربنی اند (C3).
- ذرت، نیشکر، گیاهانِ خانواده ی گندمیان و گیاهانِ مردابی چهار کربن را زنجیره وار بهم متصل می کنند و گیاهان چهارکربنی (C4) نامیده می شوند[18].
- فتوسنتزِ نوعِ سوم که CAM خوانده می شود مختص به گیاهانِ شیره دار از نوعِ کاکتوس هاست[19].
فرآیندهای شیمیایی متفاوتِ فتوسنتزی گیاهان دو طیفِ متفاوتِ استانداردی برای گیاهان نوع C3 و نوع C4 دارد.
- برای گیاهان نوع C3 طیفِ درصدی نسبت به استاندارد جهانی (برای نسبت ایزوتوپ کربن ۱۳ به کربن ۱۲) از منهای ۳.۳ درصد (-3.3%) استاندارد جهانی تا منهای ۲ درصد (-2.0%) آن است.
- برای گیاهان نوع C4 ، این طیف از منهای ۱.۵ درصد (-1.5%) استاندارد جهانی تا منهای ۱ درصد (-1.0%) است.
هر چه که ما می خوریم (مخلوطی از گیاهانِ نوع C3 و نوع C4 و یا از جانورانی که آن گیاهان را خورده اند) در نسبتِ ایزوتوپِ کربنیِ استخوان ها و یا گوشت مان منعکس می شود. بنابراین درصدِ ایزوتوپِ کربنی استخوان های ما روشنگرِ نوعِ گیاهانی است که خورده ایم و از آنجا که کربن – ۱۲ و کربن – ۱۳ پایدارند سابقه ی تغذیه ی ما تا ابد ثبت شده است[20].
با بکارگیریِ روشهایِ علمی و ابزارهایِ فنی شناخت و با تجزیه و تحلیل های ایزوتوپی استخوان ها نتیجتاً تاریخِ کشاورزیِ آدمیانِ کهن مطالعه می شود[21].
- برای نمونه در آمریکا اندازه گیری مستقیمِ تغذیه ی سرخ پوست های کهن (براساس استخوان های آنها) تاریخِ کشاورزی آن قاره را ترسیم کرده است.
- سرخ پوستان آمریکایی قرن ها تغذیه ای متکی بر گیاهان نوع C3 (و جانورانی که آن گیاهان را می خوردند) داشته اند.
- بین سالهای ۱۰۰۰ تا ۱۲۰۰ میلادی نسبتِ ایزوتوپی کربنی استخوان ها به سرعت تغییر کرده است که نشانگر معرفیِ ذرت در رژیمِ غذایی شان بوده است.
- تجزیه و تحلیل ها نشان از آن دارند که در حدودِ سال ۱۴۰۰ میلادی ۷۰ درصدِ تغذیه ی آنها بر اساسِ ذرت بوده است.
- مطالعاتِ ایزوتوپی سیرِ حرکت کشاورزی و معرفیِ ذرت را نیز در آن قاره از زمین های مرکزیِ مکزیک تا شمالِ آمریکا در زمانِ رفتن اروپایی ها به آنجا ترسیم کرده است.
همین روشِ پژوهشِ ایزوتوپ کربنی بر روی استخوان های آدمیانی در منطقه ی درّه ی اورینوکو[22] در ونزوئلا انجام گرفت و نشان داده شد که آنها در حدودِ سال ۴۰۰ میلادی کشاورزی ای متکی بر ذرت و لوبیا داشته اند. اندازهگیریِ ایزوتوپِ کربنی آنها تغذیه ای متکی بر ۸۰ درصد گیاهان نوع C4 را آشکار ساخت.
بدلیل آنکه رشدِ نوعِ گیاهان ( C3 یا C4) به شرایطِ اقلیمی (درجهی حرارت، ارتفاع و رطوبت) هم مرتبط است، با پژوهشهای ایزوتوپیِ کربنِ استخوان ها و دندان ها، حتی شرایطِ اقلیمی گذشته هم ارزیابی می شوند. برای نمونه دندان های گورخرهایی در منطقه لسوتو[23] در آفریقایِ جنوبی شیفتِ تغذیه ای آنها را از حدودِ ۸۵ درصد گیاهانی از نوع C3 در حدود ۳۵۰۰۰ سال پیش (آخرین عصرِ یخ) تا به حدودِ ۴۰ درصد گیاهانی از نوعِ C3 امروزه نشان می دهند.
با بکارگیریِ روش هایِ علمی و ابزارهایِ فنی شناخت، روشِ پژوهش ایزوتوپی برای تعیین درصد خلوص موادِ غذایی هم موردِ استفاده بوده است[24].
- عسلِ خالص و آبِ پرتقالِ طبیعی از گیاهانِ نوع C3 برگرفته می شوند . نسبتِ درصدی ای که میزانی (برای نسبت ایزوتوپ کربن ۱۳ به کربن ۱۲) کمتر از منهای دو درصدِ (-2.0%) استاندارد جهانی داشته باشد اغلب بدین مفهوم است که آن عسل و یا آن آب پرتقال با شربتِ ذرت و یا با موادِ شیرین کننده مخلوط شده است.
- کنیاک خالص بهتر است کاملا از انگور که گیاهِ نوعِ C3 است گرفته شده باشد و نه اینکه با الکلِ غلات[25] که از گیاهانِ نوع C4 هستند مخلوط شده باشد[26].
در پَژوهش های پزشکی هم نسبت هایِ ایزوتوپی کربن [27] کاربرد دارند.
- نسبتِ اکسیژن – ۱۸ به اکسیژن – ۱۶ در دی اکسید کربن و در آب برای اندازه گیری میزانِ سوخت وسازِ بدن[28] استفاده می شود.
- نسبتِ کلسیوم – ۴۲ به کلسیوم – ۴۴ برای اندازه گیری میزانِ رشدِ استخوان[29] بکار می رود.
- نسبتِ دی اکسید کربن ۱۳ بهنگامِ برآمدنِ نفس اندازه گیری می شود تا باکتری ای که موجب زخم معده می شود را ردیابی کنند.
————————————————-
همانگونه که در دیباچه ی کتاب زیر آمده، در میان بخشهای به هم مرتبط این کتاب، یاداشتها و نوشتههایی با عنوانهای “نمونههای کاربردی” قرارگرفتهاند که در بیشتر موارد به جنبههای اجرایی و به سرمشقهای پیادهسازی و به نمونههای کاربردی موضوعهای علمی میپردازند.
Rakhshani, Raymond. Origins of Modernity. Even Development in the Evolution of Science and Technology. South Carolina: CreateSpace, A Division of Amazon Publishing, 2011.
carbon isotope ratios
Miller, Alicia R. Ventresca, and Mackarewicz, Cheryl A. Isotopic Investigations of Pastoralism in Prehistory (Themes in Contemporary Archaeology.) Routledge, 2017.
Williams, Robert, C. The Forensic Historian: Using Science to Re-examine the Past. Routledge, 2013.
Van der Merwe, N.J. Carbon Isotopes, Photosynthesis and Archaeology. American Scientist 70, November – December 1982.
permanent record
Texiera Guerra de Mendonca, Maria Lucia, and Patinatti Da Cruz, Rosana. Carbon-14 Dating by Liquid Scintillation Method with CO2 Absorbed. LAP Lambert Publishing Company, 2014.
Van der Merwe, N. J. Carbon Isotopes, Photosynthesis and Archaeology. American Scientist 70, November – December 1982.
Loveland, Walter, D. and Morrissey, David, J. and Seaborg, Glenn, T. Modern Nuclear Chemistry. Wiley, 2017.
A fraction
food chain
photosynthesis
Van der Merwe, N.J. Carbon Isotopes, Photosynthesis and Archaeology. American Scientist 70, November – December 1982.
stomata
Adams III, William W., and Terashima, Ichiro. The Leaf: A Platform for Performing Photosynthesis (Advances in Photosynthesis and Respiration.) Springer, 2018.
Walker, David. Energy, Plants and Man: An Introduction to Photosynthesis in C3, C4 and CAM Plants. International Ideas, 1982.
Maize, sugar cane, and sorghum
succulent
Rensberger, Royce. Life Itself. Oxford University Press, 1997.
Gopalan, Kunchithapadam. Principles of Radiometric Dating. Cambridge University Press, 2017.
Orinoco
Lesotho
Lieberman, Daniel. The Story of the Human Body: Evolution, Health, and Disease. Vintage, 2014.
grains
Rao, Allu Prasada. C3-C4 Intermediate Photosynthesis. LAP Lambert Academic Publishing, 2012.
carbon isotope ratios
metabolism
bone growth
————————————————————–
—————–
* دکتر ریموند رخشانی در باره خودش:
من ریموند رخشانی هستم و حوزه کارشناسی من مهندسی سیستمها است، و تخصص من در بکارگیری اندیشه سیستمی برای انتقال فن آوری و اجرا و پیاده سازی تولید فراوردههای نوین میباشد. در این سلسله از مقالات و فایلهای صوتی کوشش میکنم که علم مدرن را از پایه به دوستان معرفی کنم.