» » Основные черты геохимии углерода и водорода

Основные черты геохимии углерода и водорода

06.08.2016

Из каких наук складывается геохимия? Безусловно, само название («гео...» (геология) + химия) говорит само за себя. Казалось бы все очень просто, но это не совсем так.
Один из основателей современной геохимии, выдающийся русский и советский ученый В.И. Вернадский в 1927 году дал такое определение геохимии: «Геохимия научно изучает химические элементы, т.е. атомы земной коры и, насколько возможно, всей планеты, Она изучает их историю, их распределение и движение в пространстве - времени, их генетические на нашей планете соотношения».
Из этого определения следует, что геохимия стоит не только на стыке геологии и химии, но и использует физикохимию, термодинамику и органическую химию.
Основными компонентами нефти и горючих природных газов являются углеводороды - соединения углерода и водорода. Что же собой представляет углерод и водород?
Об углероде мы будем говорить очень подробно, потому что именно его свойства определяют возможность образования миллионов органических соединений. Поэтому очень кратко сначала остановимся на геохимии водорода.
Водород. «Н», порядковый номер 1 в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева.
В 1766 г. английский физик и химик Г. Кавендиш исследовал этот газ и обнаружил, что при сгорании он дает воду. Потому первое название водород получил от греческого словосочетания «горючий воздух». Современное название этому элементу - hydrogen (по-гречески - «рождающий воду») дал французский химик Антуан Лоран Лавуазье.
Современный русский термин «водород» предложил в 1824 г. известный исследователь - химик Ф. Соловьев. Водород - самый распространенный элемент Вселенной. В виде плазмы он составляет более 70 % массы Солнца и звезд. В природе встречаются два стабильных изотопа - 1H (протий - 99,98 % по массе) и 2H (дейтерий - 0,02 % по массе). Имеется также один радиоактивный изотоп - 3H (тритий - его содержание менее 0,02 % по массе). Изотопы водорода - дейтерий и тритий используются для изучения механизмов химических и биохимических процессов, так как они, сохраняя все химические свойства протия, способны его подменять в органических соединениях. Проследить судьбу каждого фрагмента «меченой» молекулы можно по массе протия, которая отличается от массы дейтерия и по радиоактивности трития. Свободный водород состоит из двухатомных молекул (H2). Самый легкий газ. Один литр его весит при 0 °C и 760 мм рт.ст. 0,09 г.
Концентрация водорода в атмосфере ничтожна и составляет всего 0,00005 % по объему. Содержание в земной коре составляет около 1 % по весу. Однако его действительная роль в природе определяется числом атомов, участвующих в различных соединениях, доля которых среди остальных элементов составляет около 17 %.
На земле водород входит в состав воды и органических соединений. Водородные связи лежат в основе практически всех явлений жизнедеятельности. Именно благодаря этим связям ферменты распознают вещества, реакции которых они ускоряют. Всего на долю водорода по числу атомов приходится около 50 % живого вещества.
А теперь остановимся на геохимии углерода. «С» - углерод, порядковый номер 6 в Периодической системе элементов Д.И. Менделеева. Латинское название углерода «carboneum» он получил от carbo - уголь. Занимает 13 место по распространенности. Атомный кларк для Земли по А. Бранлоу - 0,1 %. Содержание его в земной коре по А.Б. Poнову и А.А. Ярошевскому - 0,14 %, в осадочном чехле по B.A. Успенскому приблизительно 1,4 %. Содержание в осадочных породах в составе карбонатных минералов около 80 %, в органическом веществе - 20 %,
Среднее содержание углерода в земной коре составляет 6,5*10в16 т, из них около 10в13 т входит в состав горючих ископаемых, а остальной - в состав карбонатных пород. Достаточно много углерода в виде углекислого газа в атмосфере - 6*10в11 т и в составе гидросферы - 10в14 т.
Горит углерод при температуре 300-500 °С. При сгорании образуется двуокись углерода (углекислый газ CO2) и окись углерода (угарный газ CO). Угарный газ образуется в результате неполного сгорания углерода или его соединений. Двуокись углерода хорошо растворяется в воде с образованием угольной кислоты. Углекислый газ входит в состав атмосферы Земли. В среднем его содержание в атмосфере составляет приблизительно 0,03 % по объему.
Углерод встречается в природе в свободном состоянии и в различных соединениях.
В составе каменного угля содержание углерода составляет в среднем 80 %, а в антраците даже до 96 %:
Основные черты геохимии углерода и водорода

В свободном состоянии до недавнего времени углерод был известен в трех видах: угля, графита и алмаза. В составе антрацита (разновидность каменного угля) содержание чистого углерода составляет в среднем 96 %.
Графит и алмаз содержат практически чистый углерод, но фактически это совершенно разные вещества. Дело в том, что структура кристаллической решетки у графита совсем не такая, как у алмаза (рис. 1.2).
В графите атомы углерода расположены слоями, внутри которых соединения атомов углерода похожи на пчелиные соты. Внутри каждого слоя атомы углерода связаны друг с другом намного прочнее, чем слои между собой. Поэтому графит легко расслаивается. На этом свойстве основано изготовление карандашей, графитовой смазки и т.д. Графит хорошо проводит электрический ток, и из него изготавливают электроды.
Основные черты геохимии углерода и водорода

Другое дело алмаз. У него трехмерное расположение атомов углерода и они размещаются очень прочно из-за того, что каждый из них связан с окружающими четырьмя атомами. Алмаз не поглощает свет и является самым твердым веществом, созданным природой.
Даже название «алмаз» по разным версиям практически означает одно и то же. Одни исследователи полагают, что этот термин происходит от греческого слова «адамас» - непреодолимый, несокрушимый. Другие - от арабского «ал-мас» - твердейший. Почти сто лет считалось, что существуют только две аллотропные формы утлерода: алмаз и графит.
Однако в конце 60-х годов прошлого века советские химики В.В. Kopшак, А.М. Сладков, В.И. Касаточкин и Ю.П. Кузнецов синтезировали новое аллотропическое видоизменение углерода, которое назвали карбин. В нем атомы углерода связаны чередующимися тройными и одинарными связями: =C-C=C-C=C-C=, а через некоторое время был создан еще один полимер, в котором атомы углерода связаны только двумя двойными связями =C=C=C=C=. Это вещество назвали поликумулен.
Впоследствии геофизики из Института Карнеги обнаружили в метеоритном кратере Рис (ФРГ) минерал, в котором содержание углерода составляло 99,9 %. Выяснилось, что этот минерал представляет собой природную разновидность карбина. В настоящее время известно несколько природных форм карбина, отличающихся друг от друга числом атомов в элементарной ячейке. Карбин обладает полупроводниковыми свойствами, причем это свойство увеличивается под воздействием света, что делает карбин весьма важным веществом при использовании в фотоэлементах.
В начале 70-х годов японский физико-химик Е.Осава предположил существование необычной аллотропной формы углерода строения С60, со структурой, похожей на футбольный мяч.
В 1973 г. советские ученые Д.А. Бочвар и Е.Г. Гальперин сделали теоретические квантово-химические расчеты этой молекулы и доказали ее стабильность. Впоследствии астрономы доказали, что такие молекулы в природе действительно существуют. Они обнаружили заранее предсказанные характерные спектральные линии этого вещества в атмосферах углеродных звезд.
В 1985 г. группа химиков Р. Клер, X. Крото, Р. Смолли и Х.О. Брейн при лазерном облучении образца графита получили предсказанное Е. Оса-вой вещество, за что им в 1996 г. была присуждена Нобелевская премия в области химии. Это вещество было названо «бакминстерфуллерен» (или просто фуллерен) по имени знаменитого архитектора Бакминстера Фуллера (Buckminster Fuller), построившего в Монреале на всемирной выставке «ЭКСПО-65» знаменитое сооружение «геодезический купол», удивительно похожее на молекулу фуллерена (рис. 1.3).
Основные черты геохимии углерода и водорода

К сожалению, архитектор не успел узнать, что его имя останется навсегда в названиях удивительных по своим свойствам и возможностям веществах.
В молекулах фуллеренов атомы углерода расположены в вершинах правильных шести- и пятиугольников, которые образуют сферу, напоминающую футбольный мяч (C60) или мяч для игры в регби (C70), в котором имеется вставка в экваториальную область, состоящую из 10 атомов углерода, Имеются и более высокомолекулярные фуллерены, содержащие до 400 атомов углерода. Настоящую революцию в мире совершило известие, что фуллерены существуют в природе в промышленных объемах в единственном в мире месторождении шунгитов, расположенном в Карелии в России. Главная особенность фуллеренов заключается в том, что «пустоту», которая имеется в середине «мяча» можно заполнить, чем угодно — вплоть до генетического кода. Поэтому физики разрабатывают методы использования фуллеренов для создания химических лазеров и «молекулярных компьютеров», химики - для создания новых катализаторов и новых химических продуктов, фармакологи - для доставки в клетки самых различных веществ, биологи - создания трансгенных растений и животных и т.д. Такие перспективы практического использования стимулировали исследователей, и уже через несколько лет был разработан метод промышленного получения фуллеренов из сажи, образовавшейся при сгорании тяжелых углеводородов. Прошло совсем немного времени и мир узнал о существовании в природе цилиндрической модификации углерода: одномерных однослойных и многослойных углеродных нанотрубках, а в 2004 г. группой ученых была получена двумерная аллоторопная форма углерода - графен.
Мы уже говорили, что графит представляет собой чередование плоских слоев, внутри которых соединения атомов углерода похожи на пчелиные соты. Однако считалось, что «отщипнуть» одну атомную плоскость от этих слоев невозможно. По мнению таких авторитетных физиков-теоретиков, как Л. Ландау и Р. Пайерлс, двумерная форма кристаллов не может существовать свободно. Все попытки получить графен в лабораторных условиях не удавались. Поэтому для мировой научной общественности была полной неожиданностью статья Андрея Гейма и Константина Новоселова, опубликованная в октябрьском номере журнала «Science» за 2004 г., в которой была описана методика получения графена и его идентификация как единичного слоя графита. Удивительно, но это факт, что молекулярный слой графена они получили с помощью обыкновенной ленты-скотча. Эти исследователи методично раз за разом наклеивали скотч на поверхность пластинки пиролитического графита и затем переносили содержимое поверхности скотча на подложку из окисленного кремния. Эта процедура повторялась бесконечное число раз, пока пластинка графита стала совсем тонкой. Изучение этой пластинки показало, что в ее «рельефе», наконец, оказался участок толщиной ровно в один слой атомов углерода.
С помощью высокоразрешающей электронной микроскопии с низкой энергией электронов ученым впервые в мире удалось получить изображение атомной структуры графена высокой четкости (рис. 1.4).
Основные черты геохимии углерода и водорода

За новаторские эксперименты с графеном и исследования свойств и характеристик этого вещества Нобелевская премия в области физики за 2010 г. была присуждена Андрею Гейму и Константину Новоселову из Манчестерского университета.
Совсем недавно группа исследователей из США и Мексики выявили, что фуллерены и нанотрубки содержатся в составе фракции асфальтенов, осаждаемой из нефти пентаном или гептаном.
Поэтому о некоторых удивительных способностях аллотропных форм углерода в составе нефтей и применении их в суперсовременных отраслях экономики, мы расскажем ниже в разделе, посвященном неуглеводородному составу нефтей.
Уникальность углерода определяется и другими свойствами. Его атомы имеют прочные связи не только с другими атомами, но и между собой. Углерод образует четыре равнозначные валетные связи, что позволяет ему образовывать разнообразные неразветвленные и разветвленные цепи и кольца. Вот почему углерод имеет возможность создавать огромное количество различных структур.
Подсчитано, что из 20 атомов углерода и 42 атомов водорода можно теоретически получить 366319 углеводородов.... состава C2QH42. Представляете, 366319 различных по свойствам веществ, но одного и того же состава!
В качестве примера посмотрим разнообразие в строении углеводородов, имеющих в своем составе всего 5 атомов углерода и 12 атомов водорода (C5H12):
Основные черты геохимии углерода и водорода

Только на этом простейшем примере можно понять, какими огромными возможностями обладает углерод для создания самых разнообразных по своему строению веществ.
Ученые уже выявили и изучили миллионы органических соединений, а соединений всех оставшихся элементов из Периодической системы имеется всего около ста тысяч!
Может быть, именно поэтому с углеродом связана жизнь на нашей планете? Вероятно, «да», но не только поэтому. Важно и то, что связь атомов углерода между собой, а также с атомами водорода, кислорода, азота и других элементов, входящих в органические соединения, может разрушаться под воздействием природных ферментов, входящих в состав живых организмов, образуя более простые соединения. Поэтому всего три элемента — углерод, кислород и водород составляют 98 % от общей массы живых организмов, а содержание только одного углерода в расчете на сухое вещество составляет у водных растений и животных 34,5-40 %, у наземных организмов 45,4-46,5 % и 54 % у бактерий. Это легко объяснить: природа экономична, небольшое число типов химических связей позволяет ей намного сократить количество ферментов, необходимых для расщепления и синтеза органических веществ. Это один из факторов, обеспечивающий постоянный круговорот углерода: под воздействием солнечных лучей из атмосферного углекислого газа в результате процесса фотосинтеза с помощью хлорофилла развиваются растения, образуя сложные органические соединения.
Травоядные животные поедают растения для того чтобы с помощью биосинтеза получать из них нужные его организму белки, жиры и углеводы.
Плотоядные животные поедают своих «братьев меньших» и этот процесс повторяется снова. Ho ничто на этой земле не вечно. И под землей идет интенсивный процесс окисления органического вещества, в том числе с помощью микроорганизмов, благодаря которым атмосфера пополняется углекислым газом. Проведенные расчеты показывают, что в результате процесса фотосинтеза с помощью зеленых растений ежегодно ассимилируется около 100 млрд т углекислого газа. И жизнь на земле давно бы прекратилась, если бы не постоянное возобновление углекислого газа в атмосфере, а это во многом зависит от интенсивности накопления органического вещества и его дальнейшего преобразования. Исследования показывают, что содержание органического углерода неравномерно распределено в гидросфере и литосфере и возрастает от глубоководной части океана к континентальным областям, достигая максимума в осадках наземных водоемов:
Основные черты геохимии углерода и водорода

Несмотря на то, что содержание органического углерода в глубоководной части Мирового океана и на континентальном склоне по сравнению с озерами и болотами относительно невелико, роль мирового океана в круговороте углерода в природе огромна.
Наиболее ярко это показано в многолетних исследованиях, проводящихся в институте океанологии Российской академии наук. Так, Е.А. Poманкевич, А.А. Ветров и В.И. Присыпкин в 2009 г. опубликовали результаты исследований, базирующиеся на изучении практически всех районов Мирового океана, в том числе морей Арктики и Антарктики. Были произведены расчеты баланса органического и неорганического углерода в Мировом океане и в его отдельных регионах, формы их существования и основные источники органического вещества океана.
Общее содержание Cорг в Мировом океане, содержащееся в биоте и неживой материи, было оценено соответственно в 4*10в9 и 11*10в9 т. Главными формами существования органического углерода являются растворенные соединения, а также частицы меньше 1 нм, коллоидные структуры, включая наносистемы (1-10 нм), высокодисперсные системы (10-1000 нм), грубые коллоиды (1-100 мкм), взвешенное органическое вещество (OB) (частицы более 0,45 мкм), иловая вода и газогидраты.
Главным источником органического углерода в океане является фитопланктон.
По данным М.Е. Виноградова (2004), за счет фитопланктона здесь образуется (70-103)*10в9 т Copr. К первичным источникам органического углерода относится и продукция ледовых водорослей и фитобентоса (0,6*10в9 т Cорг в год), которую создают макрофиты и диатомовые, живущие в илах, а также хемолитотрофы, обитающие в рифтовых зонах океана (рис. 1.5).
Основные черты геохимии углерода и водорода

Важную роль в круговороте, обеспечивающем многократное участие углерода в биохимических процессах, является скорость обновления биомассы. По данным О.П. Добродеева фитомасса суши, вернее подавляющая часть биомассы суши, обновляется за 14 лет, в то время как биомасса океана - за 33 дня. Измеряется биомасса по содержанию в ней органического углерода. По расчетам различных авторов содержание органического углерода всей биосферы оценивается в 53,5в10 т, а годовая биологическая продукция - в 6,5в10 т. Таким образом, средний коэффициент биологической продуктивности (отношение биопродукции к биомассе) составляет 0,12, а годовая биологическая продукция - 0,015-0,15 от биопродуктивности. Производительность наземной растительности невелика, но ее биомасса огромна и накапливается в высших растениях десятки, сотни и даже тысячи лет (вспомните деревья-гиганты секвойи). Поэтому скорость годового оборота углерода в различных частях биосферы не одинакова.
Основные черты геохимии углерода и водорода

Время среднего оборота всей биомассы автотрофных организмов* составляет 8 лет, из них для растительности суши - 50-60 лет, а для фитопланктона океана всего дни или недели. Следует отметить, что 96,9 % всех автотрофов биосферы сосредоточены в виде лесной древесины.
Интересный эксперимент еще в XVII в. провел фламандский ученый Ян Баптист Ван Гельмонт. Однажды он посадил дерево в горшок, но перед тем, как это сделать, взвесил его и землю. В течение многих лет он поливал дерево, а затем снова взвесил. С удивлением он обнаружил, что вес дерева увеличился на несколько килограммов, а вес почвы уменьшился всего на 100 г. Стало очевидным, что почва не является источником материала для роста дерева.
Ван Гельмонт сделал неверный вывод о том, что дополнительный вес получен из воды, но он и не мог в то время сделать иной вывод... ...оставалось два века до открытия, что углерод дерева образуется в результате превращений атмосферного углекислого газа и еще одно столетие до понимания молекулярного механизма фотосинтеза.
По данным В.А. Успенского, суммарная продукция живого вещества за все время существования биосферы примерно в 30 раз превосходит суммарную массу осадочных пород. Более поздние расчеты, проведенные B.C. Вышемирским, еще более впечатляющи - в 100-150 раз. На рис. 1.6 показана схема круговорота углерода в природе, разработанная В.А. Успенским.
Основные черты геохимии углерода и водорода

В.А. Успенский, рассматривая круговорот углерода в природе, выделяет пять основных циклов. Первый включает в себя деятельность автотрофных организмов. В этот период происходит интенсивное поглощение углекислого газа из атмосферы автотрофами и преобразование его в результате процессов биосинтеза во все необходимые компоненты для существования растительных организмов. В результате накапливается значительная масса органического вещества и биохимической энергии, что, по сути, имеет решающее значение для существования жизни на Земле. В автотрофный цикл ежегодно потребляется порядка одного процента всего резерва атмосферы, а его продолжительность составляет примерно сто лет. Как справедливо заметил В.И. Вернадский, понятия атмосферы и жизни не только тесно связаны друг с другом, но и всегда воспроизводят друг друга.
В гетеротрофном цикле часть созданного в предыдущий период органического вещества расходуется гетеротрофными организмами* на создание их биомассы.
Часть углекислого газа возвращается в атмосферу за счет дыхания организмов, а также за счет окисления и деятельности микробов после гибели гетеротрофов.
Следует отметить, что поступление углекислого газа в атмосферу постоянно пополняется, но не только за счет гетеротрофов. Поступает в атмосферу углекислый газ и за счет деятельности человека, сжигающего огромное количество нефтепродуктов, природного газа, угля и древесины, а также из глубоких горизонтов земной коры в результате вулканической деятельности.
Заканчивается гетеротрофный цикл тем, что все органическое вещество находится в составе минерального осадка и претерпевает вместе с ним дальнейшее преобразование (седиментация, а затем диагенез и катагенез), вступая в «метаморфический» (по BA. Успенскому) цикл. Здесь следует пояснить, что название «метаморфический» в рассматриваемой схеме не соответствует общепринятому в геологии термину «метаморфизм», который характеризует глубокое преобразование веществ под влиянием высоких температур и давления, как правило, на значительных глубинах. Поступление органического вещества в «метаморфический» цикл (по В.А. Успенскому) сопровождается частичным разрушением органического вещества с образованием CO2, CH4 и других компонентов, часть из которых пополняют резерв атмосферы. Большая часть органического вещества (62 % и выше) остается во вмещающей породе и претерпевает дальнейшие преобразования благодаря перемещению пород на глубины с более жесткой термобарической обстановкой. Частично отложения, содержащие преобразованное органическое вещество, благодаря восходящим тектоническим движениям попадают в эрозионный цикл, где происходит их окисление.
Интересные данные опубликовал известный американский геохимик Дж. Хант в 1982 г. Он изучил средний химический состав основных компонентов живой материи (С, Н, N, O, S в %) и нефти. (В табл. 1.1 мы включили только данные о содержании углерода и водорода).
А теперь сравните, какие компоненты живой материи по содержанию углерода и водорода относительно близки по составу с нефтями?
Таблица содержит очень важную геохимическую информацию, но, к сожалению, она не может показать всю сложность химического состава живой материи и популярно продемонстрировать, что же представляют собой молекулы белков и липидов, целлюлозы и лингина. В научной литературе таких примеров предостаточно, но они очень сложны и поэтому пришлось достаточно долго искать в Интернете наглядные примеры. Их, наконец, нашли в очень интересном конспекте лекций по курсу «Химия сложных систем» И.В. Перминовой (МГУ).
Основные черты геохимии углерода и водорода

На рис. 1.7 показана небольшая часть клеточной мембраны (биологическая мембрана, окружающая содержимое живой клетки, включая ее ядро).
В состав этой мембраны и входят липиды и протеины. Именно эти вещества, как мы убедились, по содержанию углерода и водорода наиболее близки к нефти.
На рис. 1.8 показано строение целлюлозы и лингина, входящих в состав клеточных тканей растений.
Основные черты геохимии углерода и водорода

А теперь перейдем к геохимии изотопов углерода. Изотопы углерода -разновидности атомов (и ядер), имеющих разное содержание нейтронов в ядре. В природе имеется два стабильных изотопа 12C и 13C. Их содержание соответственно равно 98,93 % и 1,07 % и один изотоп радиоактивный - 14C. В земной коре 4C образуется с незначительной скоростью. Больше всего его в атмосфере - около 10в12. Он образуется из атмосферного азота под действием космического излучения. Поток космических протонов, летящих со скоростью, близкой к скорости света, в верхних частях атмосферы сталкивается с ядрами азота (и кислорода). Атомы не выдерживают таких столкновений и разрушаются, получаются свободные нейтроны, которые моментально захватываются ядрами элементов воздуха, в том числе ядрами атомов азота.
В результате, как это и не парадоксально, происходит взаимопревращение элементов. Азот становится радиоактивным углеродом 14С. Учитывая, что содержание радиоуглерода в атмосфере постоянно и зная его период полураспада (5570±30 лет) нетрудно подсчитать, сколько ежегодно атмосфера теряет и сколько приобретает 14C.
Основные черты геохимии углерода и водорода

Подсчеты показывают, что в каждом биллионе молекул атмосферного CO2 есть один атом 14C. Концентрация этого радиоизотопа постоянна в любом живом организме. Когда живое погибает, оно перестает быть звеном непрерывно идущего круговорота углерода. Благодаря радиоактивному распаду через (5570±30 лет) его содержание уменьшится вдвое. Поэтому, замеряя, сколько фактически содержится радиоуглерода в каком-либо предмете растительного или животного происхождения, легко определить возраст этого предмета. Соотношение изотопов углерода определяют, используя величину 5 13C (часть на тысячу - промилле ), на основе уравнения:
Основные черты геохимии углерода и водорода

В качестве стандарта используют отношение 13C/ 2C в белемните мелового возраста формации Пи-Ди (PDB).
На рис. 1.9 показано распределение стабильных изотопов углерода в природных объектах, составленное академиком Э.М. Галимовым.
Исследования Э.М. Галимова показывают, что в связи с тем, что изотопы углерода значительно отличаются друг от друга по массе и, следовательно, по физическим свойствам, во многих природных процессах происходит их фракционирование (разделение). Максимальные концентрации изотопа 13C имеются в карбонатных отложениях. Органический углерод осадочных толщ на 25 % содержит меньше изотопа 13С, чем карбонатные отложения, что объясняется процессами фотосинтеза, при которых, как было сказано выше, происходит интенсивный процесс фракционирования изотопов.
Для органического вещества современных отложений и плиоценового возраста морского генезиса характерно присутствие относительно более тяжелого изотопного состава углерода (13C = -16...- 23 %).
Углерод органического вещества из древних пород докембрийского возраста более легкий (3C = -29-33 %) по сравнению с органическим веществом палеозойского возраста. Причем углерод органического вещества из морских позднепалеозойских отложений и мезозойских отложений несколько «легче», чем континентальных.
Основные черты геохимии углерода и водорода

В целом значения 13C для биогенного метана и метана магматогенного из срединной долины рифтовых зон отличается на 75 % в пользу абиогенного метана. Поэтому дефицит изотопа l3C указывает на биогенное происхождение углерода, а наличие «легкого» углерода карбонатных отложений указывает на его генетическую связь с органическим веществом. Эти исследования широко используются в нефтяной геологии. В других отраслях знаний, в частности в археологических, биологических и медицинских исследованиях с помощью изотопов углерода были решены многие крупные научные и практические проблемы. Так была изучена последовательность реакции фотосинтеза, изучен механизм биосинтеза белка и передачи наследственной информации и др. Используют этот метод и для определения возраста палеонтологических и археологических находок.
Приведем хотя бы один конкретный пример. Недавно в Интернете была опубликована статья «Тайна глобального потепления скрыта на дне океана». В ней говорится, что ученый из Голландии, доктор Ивонна Ван Брайгедь, с помощью изотопного состава углерода проанализировала породы морского дна, относящиеся к юрскому и меловому периодам. Исследования были сосредоточены на анализе ископаемых морских водорослей и наземных растений, хорошо сохранившихся в породах за счет почти нулевого содержания кислорода под толщей воды. Анализ изученных образцов, отобранных в удаленных друг от друга регионах, показал значительный и одинаковый сдвиг в пропорции 12C/13C, равный 0,4 %, что указывает на резкое нарушение процесса круговорота углерода. Это нарушение длилось несколько десятков тысяч лет. Причиной этой аномалии мог быть только катастрофический выброс в атмосферу «легкого» углерода в составе углекислого газа или метана. Резкое изменение состава атмосферы повлекло изменение климата на планете и, соответственно, исчезновение огромного числа видов растений и животных 120-180 миллионов лет назад, что и отмечают современные палеонтологи.