前段时间南京大学张辰宇教授团队发现植物微小核糖核体(miRNA)可通过食物摄取方式进入人体血液轰动一时，相信能够促使人们重新审视目前的转基因行为。食物中的遗传物质能够与人体进行“交流”，在中国的古代哲学早就有体现。正所谓“吃啥补啥”、“一方水土养一方人”是很有道理的，植物或者我们人体本身每时每刻都在进行着信息收集和加工的工作，同位素的研究就是阐述这一现象的。

图片来自康奈尔大学稳定同位素实验室网站

同位素(isotope)顾名思义，是指相同质子数而不同中子数的原子。您或许会问它有放射性吗？是的，它们大部分都有，包括我们熟知的²³⁸U、⁸⁷Sr和¹²⁹Xe等。目前已知的1700多种同位素中，其中包含不具有放射性的稳定同位素260余种，如¹³C、¹⁵N、¹⁸O等，这些早已在生物学和考古地理学中广泛应用。大气中的δ¹³C约为-8‰，植物在进行光合作用同化C的时候会优先吸收¹²CO₂，这是因为空气中¹²CO₂键比¹³CO₂更容易裂解，由于C₃和C₄植物光合机制的差异，最终导致不同植物¹³C分馏的明显差异。一般情况下，C₃植物δ¹³C值约-20‰~-35‰(平均为-26‰)，C₄植物约为-7‰~-15‰(平均为-12‰)，这可以用于鉴定不同植物的光合类型，反演年降雨量和古气候。由于动物组织的δ¹³C取决于其食用的植物，所以通过测定动物组织的¹³C我们就可以知道它吃的是高粱、玉米和甘蔗(C₄植物)呢，还是小麦和水稻(C₃植物)？上图充分反映了由于食源不同而导致的骨胶原蛋白¹³C的不同。

除了碳，生命活动中最重要的元素莫过于氮了，氮主要有两种同位素，¹⁴N和¹⁵N。由于动物的尿中优先排除¹⁴N，所以¹⁵N是随着食物链逐步富集的，这项技术已经用于研究生态系统中复杂的食物链网络。有意思的是，能够自养的植物也分可以自行固氮的豆科和不能够自行固氮的非豆科植物。豆科植物可以从空气中固氮，其δ¹⁵N约为1‰，是不能固氮的植物的十分之一左右，所以这就可以区分出您有没有吃大豆，吃的多不多？墨西哥的一考古遗址表明，公元前200-1000年，当地人们的食品是非豆科的C₃植物，公元1000-1200年期间有C₄植物的同位素特征，说明人们食用了玉米，这就反映了谷物种植的变化，为历史学家更科学的研究人类历史提供了扎实的理论基础。

当然，同位素技术还在保护动物中有广泛的应用，如van der Merwe等使用¹⁵N、⁸⁷Sr和⁸⁶Sr技术追踪非洲象牙的来源(Source-area determination of elephant ivory by isotopic analysis.  Nature 346:744-746.)，为防止走私和保护非洲野象做出了很大的贡献，同样是基于大象“吃啥补啥”的道理。

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PNAS: 古气候真能重建吗？

参考文献：

郑永飞, 陈江峰. 稳定同位素地球化学. 北京: 科学出版社, 2000.

Farquhar, G.D., Ehleringer, J.R., Hubick, K.T. 1989. Carbon isotope discrimination and photosynthesis. Annu. Rev. Plant Physiol. Plant Mol. Biology 40: 503-537.

Farquhar, G.D., O’Leary, M.H., Berry, J.A. 1982. On the relationship between carbon isotope discrimination and the intercellular carbon dioxide concentration in leaves. Aust. J. Plant Physiol. 9: 121–137.

O'Leary, M.H. 1981. Carbon isotope fractionation in plants. Phytochemistry 20: 553-567.