中学・高校の理科で学ぶ光合成は、太陽エネルギーを用いて二酸化炭素をグルコースなどの有機物へ変換する反応です。しかし、当時はCO2がどのような中間体を経て糖へ変わるのか詳細が分かっていませんでした。カルヴィンは放射性炭素（14C）でラベルしたCO2を光合成中のクロレラに吸収させ、数秒ごとに反応を停止させてできる化合物を紙クロマトグラフィーで解析しました。その結果、リブロース-1,5-ビスリン酸がCO2を取り込む最初の分子であることや、C3型と呼ばれるカルビン・ベンソン回路の全体像を描き出しました。この研究は植物育種による収量向上、人工光合成、地球温暖化対策への応用など、社会的に大きな意義を持ちます。私たちが学ぶ炭素循環の基礎も、カルヴィンの成果によって確立されたのです。

カルヴィンはバークレーのカーボン研究所で、14C標識CO2パルスを用いた「暗停止法（lollipop experiment）」を開発し、一連の短時間照射後に熱エタノールで抽出した葉緑体代謝物を二次元紙クロマトグラフィーで分離しました。得られた放射線オートラジオグラムから、3-ホスホグリセリン酸の迅速な濃度上昇を観測し、それが最初期の安定中間体であることを示しました。続いてリブロース-1,5-ビスリン酸のカルボキシル化と、アルドラーゼ、トリオースホスフェートイソメラーゼ、転位酵素を介した炭素再配分経路を同定し、光依存的NADPH供給と連結する還元段階を提唱しました。この代謝マップはC3植物の炭素固定サイクルの教科書的モデルとなり、CAMやC4植物の代替経路研究への比較基準も提供しました。さらに彼は光化学反応中心の電子伝達とカルビン回路のエネルギー要求量を数量的に結び付け、ATP/NADPHストイキオメトリーの概念を定量化しました。これらの知見は、現代の光合成システム工学、バイオ燃料開発、人工葉デバイス設計の出発点として欠かせません。近年のゲノム編集やシステム生物学による光合成効率化研究も、カルヴィンの経路図を基盤として展開されています。

カルヴィンは14CO2パルス–チェイス実験において、クロレラ抽出液を用いるin vivo/in vitroハイブリッド系で代謝フラックスを定量し、ミリ秒スケールでの同化速度定数を推定した。彼のデータはRibulose-1,5-bisphosphate carboxylase/oxygenase（RuBisCO）の存在を示唆したが、当時は酵素精製が困難であったため、後の1,5-BP活性測定により裏付けられた。3-PGAから三炭糖への還元にはフェレドキシン-チオレドキシン系に依存した光調節が必要であることを示し、暗条件でのRuBP再生限界を指摘した。カルビン回路の再生段階における転位酵素とセドヘプツロース-1,7-BPの役割は、炭素骨格再配分の理論モデル（plane of symmetry concept）を用いて解析された。彼のラベルディストリビューション解析は、同位体質量スペクトロメトリーの前身として、時系列メタボローム研究に先鞭をつけた。また、光化学系I/IIの電子フローとCF0F1 ATPase回転サイクルを統合したエネルギーバランスシートを作成し、クロロフィル励起子ダイナミクスの定量評価法を提案した。これらの成果は、現在の13Cメタボロミクスや同位体トレーサーモデル（INST-MFA）の理論基盤を提供し、CBB cycle engineeringによる光合成改良戦略の枠組みを可能にした。彼の研究アプローチは、安定同位体・放射性同位体を用いたパルスラベリングと高速分離技術の組み合わせという形で、今日の動的代謝解析のプロトタイプとなっている。