題圖：古老的單細胞生物顆石藻，覆蓋著10余塊“碳酸鹽裝甲板”

大自然以神奇的碳原子為骨架，構建出絢麗多彩的碳基生命；人類通過燃燒煤炭、石油等碳基燃料，獲取生存所需的能源動力；現代工業(yè)創(chuàng)造了塑料、合成纖維、石墨烯等千形萬狀的碳基材料。從出生時的嬰兒服到生命終點的靈柩，碳貫穿我們的一生?？梢哉f，沒有碳就沒有我們今天的人類文明。

二氧化碳、碳水化合物、碳基生命、碳中和、碳達峰、低碳生活……你可能時常聽到“碳”，卻未必了解“碳”，更可能不曾洞悉碳原子通過無數次輪回轉世，深度塑造了地球萬物從始到終的演化進程。宇宙大爆炸、地心之謎、板塊運動、生命起源、生命演化、寒武紀生命大爆發(fā)、火山噴發(fā)、氣候變化、塑料污染、能源危機、新型材料……從宇宙起源到現代文明，凡是你感興趣的科學話題，幾乎無一處不見碳的足跡！

各種形狀的碳基材料分子

整個地球文明就是一個碳基文明，從某種意義上說，碳的故事就是一切的故事。

然而，這種無處不在、不可或缺的元素身上充滿了謎團。我們不知道地球上到底有多少碳、不知曉地球內部各種碳的存在形式、不了解碳原子如何在地球表面和內部進行循環(huán)運動，為了探索地球上碳的奧秘，從而為人類的一些終極問題提供答案，美國礦物學會前主席羅伯特·M.哈森（Robert M. Hazen）與美國國家科學院院士羅素·赫姆利（Russell Hemley）在2008年共同發(fā)起了深碳觀測計劃（Deep Carbon Observatory，DCO）。

人類對地球的探索范圍僅限于地表的幾千米，地球深處還有太多未知

|圖源：https://www.nature.com/collections/ccbjbgabec/

DCO定位為以碳元素為中心，拓展人類對于地球的認知。10余年來，DCO已經發(fā)展成一個由1200多名科學家組成的遍布全球、超越傳統學科限制的大型網絡。來自包括中國在內的50個國家的生物、物理、地質、化學、天文、數學等不同領域的科學家，以前所未有的廣度和深度，共同繪就了一幅嶄新而宏大的科學圖景！

DCO項目發(fā)起人和首席研究員羅伯特·M.哈森以全球50個國家1200多名科學家10余年研究成果為基礎，以碳在土、氣、火、水中的流轉為線索，帶領我們從宇宙大爆炸開始，從碳循環(huán)的視角見證地球萬物的演化傳奇，并講述了科學成果背后充滿驚險和趣味的科學家故事，將眾多領域的開創(chuàng)性發(fā)現融匯成一部萬物演化的交響樂。

閱讀《碳如何玩轉地球》，

跟隨碳原子的腳步踏上耳目一新的演化之旅！

跟隨碳原子的腳步

重新游歷138億年的萬物演化之旅

文 | 江蘇科技出版社

01

碳原子138億年的轉世輪回

想象一下一個碳原子在宇宙內的軌跡，它會在很短的時間內作為你以為的“你”的一部分。

這個碳原子在一顆大恒星的中心形成，在恒星爆炸時被釋放到太空中。它與其他碳原子進行結合，形成微小的金剛石（鉆石）晶體，成為分子云中的塵埃和氣體的一部分。分子云受到擾動（可能是附近超新星帶來的振動）時會觸發(fā)局部坍縮，我們太陽系的形成便始于這種坍縮。坍縮區(qū)域的大部分物質被吸入中間形成太陽，但這顆微粒金剛石在殘余物中找到了不同的歸處，與其他物質一起構成了地球。

當時的地球太熱、太活躍，微粒金剛石無法保留，因此這個碳原子與氧原子連接形成了一個二氧化碳分子，成為不斷增長的地球原始大氣中的極小一部分。新形成的二氧化碳分子被吸收到海洋中，跟隨洋流漂蕩了1000年，后來以碳酸鹽的形式沉淀在淺海區(qū)。又過了幾百萬年，一顆小行星轟擊了海岸線，碳酸鹽礦物分解，釋放出的二氧化碳重新返回大氣中。

從空氣到海洋，從海洋到巖石，循環(huán)往復。但這一次，碳酸鹽礦物層被卷入致密的、下降的地殼板片中，隨著俯沖作用慢慢進入上地幔，在那里，地球內部的熱量將周圍的巖石熔融。富含水和二氧化碳的熔體越來越靠近地表，各種揮發(fā)性組分被壓力限制著，而當巖漿接近地表時，流體會突然猛烈地變成爆炸性的氣體，向外噴發(fā)?；鹕骄奘突鹕交蚁裼挈c一樣灑落在大地上，碳原子再次以二氧化碳分子的形式被釋放到空氣中。

游離的碳原子發(fā)現自己被附近的一道閃電激發(fā)了能量，于是它與氮原子等原子結合形成氨基酸分子，這種分子在被太陽的紫外輻射分解之前只能存在幾天。當作為二氧化碳的一部分時，碳原子以更穩(wěn)定的形式從空氣到海洋反復循環(huán)。這個原子不止一次地在深海熱液噴口發(fā)生反應，形成僅能存活幾周的氨基酸，然后分解成二氧化碳。從恒星中誕生的碳原子在地球的儲藏庫中循環(huán)了億萬年，從氣體到液體，再到巖石，然后再返回到氣體，發(fā)生了不計其數的反應。

深海熱液噴口很可能是生命的起源之地

讓我們快進10 億年，這時新的生命現象出現了。新的碳儲庫正在招手，二氧化碳被光合藻類從空氣中提取出來，轉化為糖。糖成為制造新分子的燃料，這些新分子有形成細胞膜的碳鏈脂質、攜帶遺傳密碼的碳環(huán)堿基，以及碳與氮和氧鍵合形成的蛋白質的組成部分——氨基酸。我們的碳原子在生物圈中快速循環(huán)，比以往更快地扮演著許多新角色，有時一周內便會改換十幾次化學形態(tài)。其他很多時候，它被密封在碳酸鹽殼中，沉入海底，封存了1 億年之后才返回生機勃勃的地表世界。

光合植物的出現是生命演化史上的里程碑

碳可以搭建一系列生物分子 | 圖源：網絡

上周你吃掉了那個碳原子，現在它已經是蛋白質分子的一部分了，在你的一個細胞中起著至關重要的作用。希望一切順利！

跟著這個小小的碳原子，我們用幾分鐘的時間走過了幾十億年的演化之旅，然而，實際過程中還存在許多謎團。

碳這種支撐生命的元素真的最早產生于恒星內部嗎？

生命真的起源于一道閃電嗎？

進入地球深部的碳都能返回地表嗎？

未來地表的動植物會缺碳嗎？

地球深處存在另一個生命世界嗎？

……

在《碳如何玩轉地球》一書中，作者將帶來萬物演化的眾多新知洞見。

02

從宇宙大爆炸到地心之謎，

從超高壓技術到量子計算，

匯聚全球多領域科學家前沿成果，顛覆認知！

天文學家卡爾·薩根（Carl Sagan）有一句名言：“我們都是由星塵組成的?！倍茖W家近期發(fā)現，我們也都是由“大爆炸的物質”組成的。

當被問起大爆炸最初的幾分鐘都產生了哪些物質時，通常的答案是：略少于25% 的氦、大約75% 的氫以及微量的氘和鋰。事實上，在大爆炸發(fā)生后第3—20分鐘，宇宙中發(fā)生了難以想象的劇烈運動，較大的原子核“碎片”之間發(fā)生碰撞，促使質子和中子形成了更復雜的組合。但因為這些合成新元素的路徑成功概率過小、難以推演，并且需要用超級計算機進行超額計算，會花費大量成本，仿佛得不償失。

意大利天體物理學家法比奧·約科勇敢踏進了這個未知領域，通過運算得出了100多種可能的核反應路徑，其研究表明：大爆炸中大約每4.5×1018 個氫原子核中就會出現1個碳-12 原子核。宇宙從大爆炸核合成中誕生時，至少產生了1080個氫原子，僅通過簡單的除法我們便可以得知，大爆炸核合成產生了超過1061個碳原子！我們身體中碳原子的數量超過1026個，其中難免會混入大爆炸核合成中產生的碳原子，它們已經與后來在恒星中形成的碳原子密不可分。

現在我們得出了令人吃驚的結論：我們體內的碳原子其實并不像我們一直認為的那樣，全部形成于恒星當中，而是有相當一部分形成于最初的宇宙大爆炸，這要一直追溯到138億年前，時間誕生的時候。

恒星并不是碳的唯一起源

當然，地球和生命所需的碳遠遠超過大爆炸熔爐早期直接產生的碳，要發(fā)掘碳元素的巨大寶藏，我們必須將目光投向宇宙中明亮的恒星，而關于恒星中碳的故事，則要依賴于哈佛大學一群非凡女科學家取得的成果，這群被稱為“哈佛計算機”的女性完成了分析恒星光譜的艱巨任務，其中最具代表性的便是安妮·坎農（Annie Jump Cannon），她提出了以恒星溫度排序的哈佛恒星分類法。在19世紀甚至20世紀的大部分時間里，女性都被很多科學領域排除在外，坎農的成功也顯得尤為珍貴，哈森以生動的筆觸講述了這段值得紀念的故事。

安妮·坎農畫像 | 圖源：維基百科

我們只能通過觀測和模擬來研究遙遠的星空，而在探索我們腳下地球深處的過程中，同樣困難重重——巖石屏障阻礙了我們想要探索地球所有區(qū)域的努力。人們對地球深處的世界充滿了想象，正因如此，才有了凡爾納的科幻小說《地心游記》和《地心歷險記》這樣的現代科幻冒險電影。我們探索地心深處奧秘的過程，也正是追尋科學真理的過程。那么科學家是如何知道地幔、地心里都發(fā)生了什么呢？

《地心歷險記》海報 | 圖源：網絡

極端的高溫和高壓是塑造地球內部的兩種力量，地幔深處中的物質承受著數十萬倍大氣壓的高壓，地核中的壓力則超過100萬個大氣壓！為了模擬地球深處的高壓環(huán)境，數百年來科學家想出了各種辦法。

1798年，蘇格蘭地質學家、地球物理學家詹姆斯·霍爾（James Hall）為了檢驗兩種關于巖石成因的學說——“水成論”和“火成論”，把石灰?guī)r（碳酸鈣）和黏土塞進鋸掉的槍管，將槍管焊死，然后將其放入加熱爐中。高溫條件下氣體膨脹，壓力可以與地下1.6千米處相當。最終他成功證明，深埋于地下的石灰?guī)r在高壓下可以加熱到高溫而不會分解成生石灰，從而有力地支持了“火成論”。當然，代價是加熱爐的爆炸差點讓他喪命。

到了20世紀50年代，美國國家標準局的科學家阿爾文·范瓦爾肯堡（Alvin Van Valkenburg）將一對被完美切割的金剛石進行配對，其中每顆金剛石的尖頭都被削平，以便將壓力集中在砧面。他采用了一個虎鉗狀設計，既可以讓金剛石相互擠壓以產生巨大的壓力，同時也能保護晶體樣品，這就是原始的“金剛石對頂砧”。1974年，科學家梅里爾和巴西特對金剛石壓砧進行了改進，使其可以安裝在標準的X 射線束中。

對于實驗而言，每增加一次壓力都會增加復雜性和困難程度，而隨著量子力學的進步，量子計算使得增加100 萬個大氣壓甚至更高的壓力都很簡單。

科學家通過先進的儀器模擬地核-地幔邊界的物質反應 | 圖源：深碳觀測計劃官網

密歇根大學的李潔教授是金剛石壓砧研究領域的佼佼者，她開展了對地球內核（一般認為由鐵鎳合金和未知物質組成）中碳的創(chuàng)造性研究。眾所周知，地震波分為P波（縱波）和S波（橫波），在地球內核中，P波的傳播速度與在鐵鎳合金中的速度相匹配，而S波在內核中的傳播速度僅為鐵中的一半左右。李潔團隊將一種鐵原子和碳原子的比例為7:3的高密度化合物的黑色粉末放到2顆金剛石之間，然后加壓至大約200 萬個大氣壓，實驗結果幾乎與地震觀測結果完全匹配，即在這種碳化鐵中，P波的傳播速度與在鐵中的類似，但S 波的傳播速度要比在鐵中慢得多。雖然這一發(fā)現并不足以證明碳以碳化鐵的形式存在于地球內核中，但至少為人類揭開地心成分之謎提供了一種可能的路徑。

在我們對地球上碳的存在形式日益了解的同時，我們也更好地理解了我們賴以生存且充滿活力的地球家園的奧秘。

李潔教授正在操作金剛石壓砧

《碳如何玩轉地球》中介紹的前沿成果遠不止于此，哈森將諸多科學突破用輕松平易的語言展示出來，《科學》《紐約時報》等權威期刊媒體都曾對其進行高度贊賞，“哈森博士以絕妙的清晰方式講述科學”“哈森以一種接地氣的、毫不晦澀的方式寫作……他迷人的、富有詩意的語言讓科學充滿樂趣”。

03

縱覽生命起源的百家爭鳴：

關于“火星的后裔”和“女媧造人”的科學依據

關于地球生命起源有太多的猜測，來自彗星、來自火星、來自泥土、來自深海、來自閃電……在《碳如何玩轉地球》中，哈森對各種各樣的假說都進行了詳細的評述。

英國礦物學家格雷厄姆·凱恩斯- 史密斯（Graham Cairns-Smith）提出的“黏土世界”假說曾經引起了廣泛關注。他推測，一片最早形成的黏土碎片（泥漿中普遍存在的光滑礦物成分）開始自我復制、傳遞信息和演化，最終成為現代生物學的生物分子模板。盡管這個過程的機制只是一種模糊概念，但是這一場景激發(fā)了人們的想象力，例如假說中反復提及了古代猶太神話中“有生命的泥人”，這與中國神話中的女媧用泥土造人不謀而合。關于生命起源的場景還有許多假說，例如 “多環(huán)芳烴（PAH）世界”“云母世界”“硼酸鹽世界”，每種假說都是一個關于自然的奇異故事。

女媧造人 | 圖源：網絡

相比以上假說，曾經占據“正統”地位的觀點是：生物分子形成于閃電環(huán)繞的遠古大氣中。1934年的諾貝爾化學獎獲得者哈羅德·尤里（Harold Urey）和他的學生斯坦利·米勒（Stanley Miller）設計了一個精巧的玻璃裝置，里面裝上淺水和與地球早期大氣相似的混合氣體（氫氣、甲烷和氨）。通過對實驗裝置微微加熱，并用電火花放電模擬原始近地表環(huán)境中的閃電，他們制造出了關鍵的生物分子——氨基酸。這項開創(chuàng)性成果推動生命起源研究不斷向前發(fā)展。

孕育生命的閃電 | 圖源：網絡

哈森并不滿足于只告訴我們一些既有的事實成果，科學研究中蘊含的人文哲思同樣發(fā)人深省。例如，雖然上述閃電起源學說具有劃時代的意義，但學說的創(chuàng)立者卻未能逃脫固步自封的魔咒。1977年，人們在深海海底發(fā)現了“黑煙囪”（自熱液噴口噴出黑煙的煙囪，那里有豐富的微生物生態(tài)系統），但米勒隨后公開抨擊與之相關的熱液起源假說是“真正的失敗者”。他抱怨道：“我不明白為什么我們還要討論這個?！?/p>

NASA挽救了這個深部生命起源的假說，畢竟如果米勒的觀點是正確的，那么太陽系中可能存在生命的地方便只有地球與早期溫暖潮濕的火星（NASA持續(xù)探索火星的目的之一就是尋找類似地球微生物的生命，它們可能保存在紅色的、干燥的火星表面之下的生態(tài)系統中。一旦發(fā)現這類微生物，那么我們中的許多人就會得出結論：火星是第一個擁有生命的星球，我們都是“火星的后裔”）。而如果深部生命起源假說成立，被冰覆蓋的木衛(wèi)二、木衛(wèi)三甚至木衛(wèi)四，以及土星的巨大衛(wèi)星“泰坦”便都可以進入生命探索的候選名單。

“毅力號”火星車

歷史充滿了相似，正如歌德在《浮士德》中嘲諷的“火成論”最終被證明和“水成論”一樣有道理，米勒武斷性的爭辯也很快成為歷史，這不過是對研究大自然微妙性毫無益處的二元對立思維的又一個例子而已。 正如哈森所說：“我們需要從中吸取的教訓很清楚，那就是將錯誤的二元對立思維強加于有關自然世界的問題上，不僅會使研究人員兩極分化，還可能會因為忽略系統的復雜性而阻礙科學進步。大自然不是非黑即白那么簡單，摒棄錯誤和武斷的劃分，我們便能朝著微妙的真相更快邁進?！?/p>

遠古生命三葉蟲

04

科學背后：有錢任性的“蘋果公司CEO的貓”

和瑕疵鉆石被哄抬物價那些事兒

作為地球科學大師的哈森同時也是一名敘事高手，他將科學背后不為人知的故事娓娓道來，帶領讀者以第一視角直擊科學現場，親歷眾多或妙趣橫生、或驚險刺激的科學探索事件。

深碳觀測計劃的重要目標之一，便是弄清楚地球上所有碳的存在形式，尤其是含碳礦物的種類。含碳礦物猶如彩虹般絢麗多彩——火焰般的紅色、熱情的橙色、生氣勃勃的黃色、迷人的綠色、驚艷的藍色和濃郁的紫羅蘭色；它們的形態(tài)亦千差萬別，有的為優(yōu)雅的立方體和八面體，有的為纖細的針狀、平板構成的簇狀、尖尖的錐形。

為了建立囊括5000多種已知礦物（包括400多種含碳礦物）的數據庫，不同國家的礦物學家開展了卓絕的努力。其中最具代表性的便是“拉夫數據庫”，而“拉夫”（Rruff）正是蘋果公司首任CEO邁克爾·斯科特（Michael Scott）的貓的名字。斯科特是一位狂熱的寶石收藏家，為了快速精確識別出寶石種類，他與拉夫數據庫的創(chuàng)始人唐斯達成了一筆交易——斯科特出資500 萬美元為唐斯的實驗室置備最先進的儀器，而唐斯則協助鑒定斯科特的寶石。此外，還有一個附加條件：該數據庫必須以斯科特的貓的名字——拉夫來命名。

由金剛石（碳原子凍結而成的完美晶體）加工而成的鉆石受到無數人的追捧。大而無瑕的鉆石是稀有的珍寶，象征著愛情和權力；與之相反，科學家們卻最珍視鉆石里的礦物斑點——一些不那么美觀的黑色、紅色、綠色和棕色的微小包裹體，它們是蘊藏地球隱秘的深部信息的“時間膠囊”，記錄了鉆石形成的深度、時間以及環(huán)境等信息。科學家從中發(fā)現了地?！八案狻卑愕慕Y構、發(fā)現了板塊構造運動啟動于30億年前的證據……科學發(fā)現的大量宣傳喚起了公眾的興趣，同時也促進了人們對這類鉆石的需求，那些曾經被人嫌棄的、含有“難看的”包裹體的鉆石，現在正以高價被賣給礦物收藏家，它們越來越高的價格讓科研人員望而卻步。

包含紅石榴子石包裹體的八面體鉆石

在這本書里，你還會認識效力于挪威足球甲級聯賽的數學家、曾經擔任“曼哈頓計劃”指揮官的地球物理學家、把教學課堂炸成事故現場的作者本人……正如碳貫穿了我們的日常生活，科學家們的探索故事也穿插在整部作品中，與前沿的科學成果交相輝映，共同造就了本書良好的可讀性。

05

碳與人類的未來生活：

利用碳納米管搭建太空電梯、

利用碳預測火山噴發(fā)、

利用蛇綠巖吸收解決氣候變暖……

為了制造種類繁多的生活必需品，需要原子以各種三維方式組合——沒有哪一種原子比碳更“擅長”結合，關于新型材料的探索永遠離不開碳。未來分子級計算機所需的原子級馬達、制造太空電梯所需的碳納米管（中空的碳納米管的強度是驚人的，一根直徑只有1.3 毫米的細線可以承載超過10 噸的質量——設計輕型橋梁、建筑、飛機和新一代復合材料的工程潛力巨大）、取代硅半導體的石墨烯晶體管……在這本書里，我們可以還一窺未來的人類社會圖景。

碳納米管將幫助人類實現太空電梯的夢想 | 圖源：網絡

全世界有數億人生活在活火山的死亡地帶，還有數億人受到較遠距離外的火山氣體和火山灰的威脅，正因如此，政府機構和相關實驗室都對地球上許多極危險的火山持續(xù)進行著監(jiān)測。為活火山配備氣體監(jiān)測儀是一項艱巨且危險的工作，爆發(fā)的毒氣、灼熱的熔巖流、沸騰的巖漿池及偶爾飛來的熔巖彈，都是家常便飯。火山學家只有戴上防護頭盔和防毒面具才能部署這些儀器，他們拖著沉重的裝備，徒步到兇險的活火山口邊緣，可以說，火山學是“最致命”的科學領域之一。在1980—2000 年，這個只有幾百名研究人員的群體里死亡人數超過20名。1980年，火山學家亨利·格里肯（Henry Glicken）因為換班幸運地躲過了圣海倫斯火山噴發(fā)，卻在11年后喪生于日本云仙山噴發(fā)。值得欣慰的是，在對火山二氧化碳排放量的檢測過程中，地球深碳脫氣計劃（Deep Earth Carbon Degassing Project）的科學家們發(fā)現了一種簡單且極有潛力的方法來預測火山噴發(fā)：在多次火山噴發(fā)之前，二氧化碳與硫的比值會急劇上升。

DCO的科學家們在火山進行實地考察

氣候變暖的影響范圍比火山噴發(fā)更廣，由此帶來的熱浪、洪水、干旱、森林火災、海平面上升和生物多樣性銳減等災害性事件正在頻繁發(fā)生。我們都知道，氣候變暖的罪魁禍首是二氧化碳，那么有沒有辦法把二氧化碳封存起來呢？哥倫比亞大學的彼得·凱萊門（Peter Kelemen）在阿曼的研究發(fā)現，當地的蛇綠巖在不停地消耗二氧化碳。這些地幔巖石富含鎂和鈣，但硅含量很少，當暴露在地球大氣中時，它們會與二氧化碳迅速反應，形成由碳酸鎂和碳酸鈣構成的縱橫交錯的白色脈體。阿曼擁有大量蛇綠巖，足以將人類產生的所有二氧化碳封存數百年。目前，阿曼政府并不想參與這項封存計劃——該國的經濟基礎是石油，而不是碳封存。但這些巖石不會消失，它們?yōu)榻鉀Q地球氣候危機做出貢獻的前景仍然存在。

蛇綠巖

值得一提的是，本書的兩位譯者來自國內地球科學研究的權威機構——中國地質科學院，他們對本書中的知識點進行了詳細的核實和更新。書中各處引用到和推薦閱讀的文獻都詳細附在了書后，想要進一步探究相關知識的讀者可以方便地查閱。

《碳如何玩轉地球》內頁

《碳如何玩轉地球》也得到了中國科學院李廷棟院士的作序推薦：“為什么要關注地球上的碳呢？因為碳無處不在，它貫穿生命始終，我們生活在一個富含碳的行星上，作為碳基生命，沒有其他元素像碳一樣對我們的生命如此重要；因為碳無處不在，又神秘莫測，地球從哪里來，最終會變成什么樣，碳科學的研究或將為人類的一些重大問題提供答案；因為碳無處不在，全球氣候變化問題日益凸顯，而二氧化碳和甲烷等溫室氣體均與碳密切相關……此書的作者羅伯特·M.哈森擁有豐富的科普經驗，在結構上借鑒了古希臘的四元素學說，并巧妙地將其與交響樂的四個篇章對應。書中通過描述碳在土、氣、火、水中的流轉，從碳循環(huán)這一獨特視角講述了地球的演化歷程，同時將近些年來關于碳的前沿研究融入了進來?！?/p>

我們知道的越多，就會發(fā)現未知的東西也越多，而科學家們將繼續(xù)滿懷熱情地探索。

如果你想了解地球萬物從何而來，如果你想領略科學前沿前所未見的風景，如果你對科學成果背后的故事充滿好奇，又或者你對人類社會的未來走向充滿迷茫，那么閱讀這本書吧，碳將會給你答案！

THE END