La respuesta más simple es que debido a que el carbono 13 tiene una masa ligeramente mayor que el carbono 12, el dióxido de carbono que contiene carbono 13 difunde y reacciona un poco más lentamente que el dióxido de carbono que contiene carbono 13. Esto conduce a su incorporación ligeramente menor durante la fotosíntesis.
Para ir un nivel más profundo, la velocidad a la que se difunde un gas tiene que ver con la velocidad con la que se mueven las moléculas que comprenden el gas. Estoy un poco oxidado con los cálculos, pero hay un experimento de laboratorio de química introductorio muy conocido en el que se coloca un hisopo con ácido clorhídrico en un extremo de un tubo de vidrio y un hisopo con amoníaco en el otro. Debido a que el gas amoníaco tiene una masa más baja que el gas HCl, se difunde más rápidamente, viajando más en la misma cantidad de tiempo, y el anillo blanco formado a partir de su reacción para formar cloruro de amonio está más cerca del extremo ácido del tubo. También es fácil de entender ya que, dada la misma cantidad de energía, un objeto más masivo se mueve más lentamente que uno menos masivo (energía cinética = 1/2 masa x velocidad al cuadrado, o la velocidad es la raíz cuadrada de dos veces la energía / masa ).
Así, por ejemplo, en una hoja donde se produce la fotosíntesis, a medida que se consume dióxido de carbono dentro de la hoja, el dióxido de carbono fresco se difunde desde la atmósfera. Debido a que el dióxido de carbono del carbono 12 se difunde un poco más rápido, un poco más llega al sitio de la fotosíntesis, y los carbohidratos resultantes están ligeramente enriquecidos en carbono 12.
Además, incluso una vez que el dióxido de carbono llega al sitio fotosintético (una enzima) en la hoja, existe otro nivel de discriminación. Este es el efecto del isótopo cinético. Este es un fenómeno relacionado, descrito por la teoría del estado de transición en química. Para simplificar en exceso, es un poco menos probable que la molécula más pesada que contiene carbono 13 reaccione que la molécula ligeramente más ligera que contiene carbono 12. Esto tiene que ver con cosas como la distribución de energía de Boltzman y la superficie de energía potencial (consulte la teoría del estado de transición) que conectan reactivos y productos en la etapa de fijación de carbono. La manera más fácil de pensar es la siguiente: en una carrera cuesta arriba, en igualdad de condiciones, ganará la persona que empuja la carretilla más ligera.
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Ambos de estos efectos son pequeños, pero se pueden medir con espectrómetros de masas suficientemente precisos (que pueden medir con mucha precisión las relaciones carbono-12 / carbono-13).
Si tengo tiempo, lo editaré para agregar algunos diagramas.