c3和c4植物体内的12c和13c的比例不同，食肉和食草动物体内的14N和15N比例不同，为什么？
植物体内¹²C与¹³C比例的差异：光合作用的“偏好”
首先，我们来看看植物体内碳同位素（¹²C和¹³C）比例的差异，这主要与植物的光合作用方式有关。
碳的来源： 植物吸收二氧化碳（CO₂）来进行光合作用，将无机碳转化为有机物。大气中的CO₂是由¹²C和¹³C组成的，其中¹²C占绝大多数（约98.9%），¹³C占比较少（约1.1%）。
酶的选择性： 光合作用的关键酶是RuBisCO（核酮糖1,5二磷酸羧化酶/加氧酶）。这个酶在固定CO₂时，对¹²CO₂和¹³CO₂的亲和力存在细微的差异。RuBisCO更容易捕获轻的¹²CO₂，而对较重的¹³CO₂捕获的效率要低一些。
C3植物与C4植物的差异：
C3植物： 这是绝大多数植物的类型，包括水稻、小麦、大豆等。C3植物的光合作用过程是直接由RuBisCO完成CO₂固定的。由于RuBisCO对¹²CO₂的“偏好”，在光合作用过程中，¹²C会比¹³C更容易进入植物体内并被固定下来。 因此，C3植物体内的¹²C/¹³C比例通常高于大气中的CO₂。
C4植物： 这类植物，如玉米、高粱、甘蔗等，生活在高温、高光照、低CO₂浓度的环境下。它们发展出了一种更高效的CO₂浓缩机制。C4植物首先利用PEP羧化酶（PEPcase）将CO₂固定成四碳化合物，PEPcase对¹³CO₂的抑制作用非常小，几乎不区分¹²C和¹³C。然后，这些四碳化合物被运送到叶肉细胞，在那里释放CO₂，再由RuBisCO进行二次固定。在这个过程中，C4植物通过PEPcase的“不挑剔”以及后续的CO₂富集，能够更有效地捕获¹³CO₂。 因此，C4植物体内的¹³C/¹²C比例通常比C3植物高，也就是¹²C/¹³C比例相对较低。
简单来说，C3植物因为RuBisCO的“挑剔”，倾向于吸收更多¹²C，导致其体内¹²C/¹³C比值较高。而C4植物通过额外的CO₂浓缩机制，减少了RuBisCO的“挑剔”影响，更有效地利用了¹³C，导致其体内¹²C/¹³C比值相对较低。
动物体内¹⁵N与¹⁴N比例的差异：食物链传递的“印记”
现在，我们来看看动物体内氮同位素（¹⁴N和¹⁵N）比例的差异，这主要与食物链的营养级和生物的新陈代谢有关。
氮的来源： 动物体内的氮绝大部分来自于食物。无论是蛋白质、核酸还是其他含氮化合物，最终都源于植物或其他动物。大气中的氮气（N₂）是¹⁴N为主，¹⁵N很少。植物通过固氮作用或吸收土壤中的含氮化合物来获取氮。
同位素分馏（Isotope Fractionation）： 在生物体内的各种化学反应过程中，同位素会发生轻微的分离，这种现象称为同位素分馏。通常，轻的同位素（如¹⁴N）的反应速率会比重的同位素（如¹⁵N）快一些。
食物链的传递：
生产者（植物）： 植物吸收土壤中的氮，这个过程中也可能发生轻微的同位素分馏，但通常不如动物体内明显。
初级消费者（食草动物）： 食草动物以植物为食，它们摄入的植物体内的氮，在消化、吸收和代谢的过程中，会发生同位素分馏。由于¹⁴N反应速率更快，在代谢过程中，一部分¹⁴N会以代谢产物（如尿素）的形式排出体外。 这样一来，留在动物体内的氮，相对而言，¹⁵N的比例会略微增加。
次级消费者（食肉动物）： 食肉动物以其他动物为食。当它们捕食食草动物时，会将食草动物体内的氮化合物吸收。同样的代谢分馏过程会再次发生。 随着食物链的逐级传递，每经过一个营养级，都会发生一定程度的¹⁵N富集。
为什么食肉动物的¹⁵N/¹⁴N比例更高？
简单来说，想象一下氮在食物链中的传递过程。每一步的消化、吸收和新陈代谢，都像是一个“筛选器”，总是让轻的¹⁴N稍微更容易流失（例如通过排泄物）。因此，留在生物体内的氮，¹⁵N的比例会逐级积累。 处于食物链顶端的食肉动物，其体内的氮来自所有下层营养级的生物，经过多次代谢分馏的累积效应，最终导致其体内的¹⁵N/¹⁴N比例显著高于食草动物，也高于其食物来源。
总结一下：
植物的¹²C/¹³C比例差异主要是由不同光合作用途径中关键酶（RuBisCO和PEPcase）对碳同位素的“偏好”决定的。C3植物因RuBisCO的“挑剔”而富集¹²C，C4植物因更高效的CO₂浓缩机制而相对富集¹³C。
动物的¹⁵N/¹⁴N比例差异则是由于在食物链的传递过程中，生物的新陈代谢（消化、吸收、排泄）会发生同位素分馏，导致¹⁴N相对更容易流失。这种累积效应使得营养级越高的动物，其体内的¹⁵N/¹⁴N比例越高。
这些同位素的比例差异，实际上就像是大自然在我们研究的生物体上留下的“指纹”，能够帮助我们追溯它们的生长环境、食物来源以及在生态系统中的位置。
网友意见
在动植物的生理过程中，碳-12 和碳-13、氮-14 和氮-15 的举动本来就不一样。
“同位素的化学性质相同”是中学化学特有的哄小孩命题，只关注做题用的“最外电子数相等”。
同位素的物理化学性质不同，这包括而不限于分子质量差异导致在气相、液相中的扩散速率不同，化学键能不同、参与化学反应的速率不同，尤其明显的是碳-氕键和碳-氘键的键能差异，二者参与的化学反应的速率可以相差数倍，在氕原子核（质子）可以通过隧穿参与的特定反应中更是相差 20 多倍。
碳-13 参与组成的二氧化碳分子在空气中的扩散速度比碳-12 参与组成的二氧化碳分子慢。植物通过气孔输入体内的二氧化碳的同位素比率，跟大气二氧化碳中的同位素比率就是不一样的。
植物的 RUBPCase（核酮糖 1,5-二磷酸羧化酶）及 PEPCase（磷酸烯醇式丙酮酸羧化酶）在固定二氧化碳时优先吸收碳-12 参与组成的二氧化碳（称为羧化分馏），C3 植物与 C4 植物的光合作用途径不同，羧化分馏不一致，导致二者的稳定碳同位素比率差异。
光照条件的变化会影响气孔导度、叶绿体分布、光合作用相关酶的活性，进而改变植物的稳定碳同位素比率。就不用说光合路径差异、物种差异了，同种植物中，生活在向阳处和生活在背阴处的个体的稳定碳同位素比率不一样。温度、水分、盐分、微量元素、二氧化碳浓度等因素也会影响植物分馏二氧化碳的能力。如果你的仪器够灵敏，你能在同一植物身体的不同部位检测到不同的碳同位素比率。
氮就不用多说了罢，可以自己百度一下。
对同位素效应有兴趣的话，可以从中文论文开始看[1]。
参考
- ^刘秋华, 周再春. 同位素效应对物质结构和性质的影响[J]. University Chemistry, 2011, 26(6): 64-66. http://www.dxhx.pku.edu.cn/CN/10.3969/j.issn.1000-8438.2011.06.018
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