Testare i rapporti isotopici di carbonio di strati antichi o fossili può essere utile per accedere alle condizioni climatiche e alla produttività biologica al momento in cui sono stati stabiliti. L’uso dell’isotopo di carbonio in questo modo si basa sul principio che gli organismi fotosintetici, come le alghe, assorbono preferenzialmente il più leggero e comune carbonio-12 lasciandosi dietro il più pesante carbonio-13. Durante un’estinzione di massa, c’è meno assorbimento preferenziale di carbonio-12, e questo si riflette nei sedimenti.
L’analisi dei rapporti isotopici del carbonio è comune nell’accedere all’impatto delle estinzioni di massa, sebbene l’esatta relazione tra i rapporti isotopici del carbonio e la produttività non sia completamente compresa. L’analisi di questi isotopi sembra suggerire che la vita abbia subito cinque grandi estinzioni nell’ultimo mezzo miliardo di anni, sebbene tre di queste siano state notevolmente più significative delle altre due. Tutte queste estinzioni di massa sono state confermate da improvvise diminuzioni della biodiversità nei reperti fossili. Le variazioni degli isotopi di carbonio nel tempo sono note rispettivamente come incursioni ed escursioni.
Oltre ad accedere alle estinzioni di massa, i rapporti isotopici del carbonio vengono utilizzati anche per stimare l’origine della vita. Recentemente, le prove degli isotopi di carbonio hanno indicato un’origine estremamente precoce dei cianobatteri fotosintetici, i primi organismi viventi conosciuti, fino a 4.3 miliardi di anni fa, appena 100 milioni di anni dopo la liquefazione iniziale dell’acqua e circa 267 milioni di anni dopo la formazione Terra stessa. Se è vero, questo è affascinante, poiché le prime stime sull’origine della vita lo collocavano molto più tardi, circa 3.6 miliardi di anni fa. Se la vita si è formata così presto dopo la formazione iniziale della Terra, allora perché sembra così rara nel cosmo in generale? Forse la maggior parte della vita nell’universo consiste solo di microbi, ma se è così, può sembrare insolito che nessuno di questi microbi si sia ancora evoluto in esseri intelligenti che ci hanno visitato.
I rapporti isotopici del carbonio possono essere utilizzati anche per accedere al grado di circolazione negli oceani di milioni di anni fa. Quando la circolazione è bassa, il biomateriale ricco di carbonio-12 affonda sul fondo del mare e vi rimane. Ciò rende gli organismi successivi nella parte superiore relativamente ricchi di carbonio-13. Quando la circolazione è buona, il carbonio-12 dal basso viene riportato in alto e gli organismi hanno un rapporto normale tra carbonio-12 e carbonio-13.