碳如何玩转地球

内容简介：

我们生活在一个富碳的行星上，作为碳基生命，没有其他元素像碳一样对我们如此重要。

碳无处不在：在你的头发、骨骼、血液和每一个细胞里，在你吃下每一口食物和呼吸的每一口空气里，从乌黑的煤炭和石油到闪闪发光的钻石和宝石，从婴儿服一直到灵柩，碳贯穿生命始终。

碳神秘莫测：太阳的终点是碳，生命的骨架是碳，地心最深处可能包含大量碳，对碳元素的研究将为人类的一些重大问题提供答案——地球从哪里来？最终会变成什么样？我们人类又会变成什么样？

本书是由50多个国家的1000多名科学家参与的“深碳观测计划”（DCO）的科普结晶，地球科学家罗伯特·哈森领导了DCO重要而意义深远的工作，通过富有诗意的语言，罗伯特·M.哈森带领我们从宇宙大爆炸开始，从碳循环的视角见证地球和生命的演化，同时融入了新近的科学成果以及背后充满惊险和趣味的科学故事。

作者以碳在土、气、火、水中的流转为线索，并巧妙地将这四大元素与交响乐的四个篇章对应，将众多科学家的开创性发现融汇为一部万物演化的交响乐！第一乐章“土之运动：晶体中的碳”介绍了关于地球地质演化的新知洞见；第二乐章“气之运动：循环中的碳”讲述了地球上宏伟的碳循环，碳在大气中的存在稳定了气候，使陆地上的生命得以进化；碳在能源、工业和新兴高科技领域发挥着活跃的作用，塑造了人类近现代的生活形态，这就需要第三乐章“火之运动：材料中的碳”与之匹配；第四乐章“水之运动：生命中的碳”，探索了生命的起源和演化。伴随着生命演化的多样性与创新性，乐章陡然加速，碳的交响乐迅速走向尾声，碳科学的诸多主题也汇集到一起。我们知道的越多，就会发现未知的东西也越多，而科学家们将继续满怀热情地寻找未知的答案。

作者简介：

[美] 罗伯特·M.哈森（Robert M. Hazen）

美国卡内基科学研究所高级研究员，乔治梅森大学地球科学教授，深碳观测计划（Deep Carbon Observatory，DCO）首席研究员，曾任美国矿物学会主席，先后获得麻省理工学院地质学学士和硕士学位、哈佛大学地球科学博士学位。

哈森不仅是矿物与生命协同演化理论的先驱，而且在科学传播与写作上表现非凡，发表科学文章400多篇，著有图书20余部。他曾获得美国矿物学会奖及其杰出公众传播奖、美国化学会伊帕季耶夫奖、蒂姆斯·泰勒奖、教育学会奖、伊丽莎白·伍德科学写作奖等。他还经常通过广播、电视、讲座和视频课等方式向公众传播科学。

译者：

董汉文

中国地质科学院构造地质学博士，中国地质科学院地质研究所副研究员。现任中国地质学会青年工作委员会委员、世界青年地球科学家联盟中国委员会副主席，入选自然资源部青年科技人才，微信视频号、新浪微博等多个平台认证的科学科普学者。多年来专注于喜马拉雅造山带构造演化和造山过程的研究，在国内外主流地学期刊发表论文近20篇，系列科普视频“一分钟地质”深受公众喜爱。

曾令森

研究员，博士生导师，本科毕业于南京大学，博士毕业于美国加州理工学院。现任中国地质科学院地质研究所地球系统科学研究中心主任、中国青藏高原研究会副理事长，长期从事地壳深熔作用和造山带深部过程的研究，获国家杰出青年基金资助、“黄汲清青年地质科学技术奖”和“青藏高原青年科技奖”，入选国家“万人计划”。

引言

环顾四周，碳无处不在：这本书里的纸张，纸张上的油墨，黏合纸张的胶水；鞋子的皮革，衣服的合成纤维和彩色染料，特氟龙拉链和魔术贴；我们吃的每一口食物，喝的每一口啤酒、烈酒、汽水、起泡酒；房间里的地毯，墙壁上的油漆，天花板上的瓷砖；天然气、汽油、烛用蜡（制造蜡烛用的石蜡，通常为半精炼石蜡或粗石蜡）等各种燃料；坚固的木材和抛光的大理石；各种黏合剂、润滑剂；铅笔的笔芯（主要材料是石墨），戒指上的钻石；阿司匹林、尼古丁、可待因和咖啡因，以及其他你服用过的几乎所有药物；任何塑料制品，从购物袋到自行车头盔，从廉价的家具到名牌太阳镜。从出生到死亡，碳原子时刻围绕在我们身边。

碳是生命的赋予者：你的皮肤和头发、血液和骨骼、肌肉和筋腱全都依赖于碳。实际上，你体内的每个细胞，甚至细胞的每个部分，都依赖于坚固的碳骨架。母乳中的碳支撑起孩子心脏的跳动。爱人的眼睛、手、嘴唇以及大脑均以碳为基础。当你呼吸时，碳从鼻腔逸出；当你亲吻时，碳在唇齿间徘徊。

我们也可以轻易地列举出生活中不含碳的物品，比如冰箱里的铝罐、苹果手机里的微型硅芯片、可以用来制作烤瓷牙的黄金等等。但须牢记，我们生活在一个富含碳的星球上，我们本身就由碳元素构成。

每一种化学元素都很特殊，尽管如此，有些元素还是比别的元素更特殊。在元素周期表种类繁多的元素中，第6 号元素，即碳元素，对我们的生活产生了独一无二的影响。碳不仅仅是构成物质的静态元素，它还能够跨越浩瀚的时空，提供最为关键的化学联系，帮助我们理解宇宙演化的奥秘。在将近140 亿年的时间里，宇宙不断演化，塑造出更加丰富多彩的图案，这个过程伴随着无尽的化学反应，让人为之着迷，却又满怀疑惑。

碳是宇宙演化的核心，也是构成行星和生命的关键。相比其他元素，碳对新技术的快速出现发挥了更大的作用，使人类社会从工业革命的“蒸汽时代”演进到我们现在所处的“塑料时代”。当然，人类的碳排放也前所未有地加速了全球范围内环境和气候的变化。

那么，我们为什么更关注碳呢？与碳相比，氢的储量更丰富，氦的性质更稳定，氧的性质更活泼，铁、硫、磷、钠、钙、氮也都有自己独特的魅力。上述元素都在地球复杂的演化过程中扮演了关键角色，但是要想在广袤、寒冷、黑暗的宇宙中找寻方向，以碳为焦点才能得到更好的答案，碳元素以及含碳化合物为宇宙演化提供了无与伦比的创造力和潜力。

在100 多种化学元素中，我们对碳元素既充满喜爱，又心怀忌惮。成千上万的人不断发明各种各样的新型碳基材料，比如面巾纸、氨纶、氟利昂、尼龙、聚乙烯、凡士林、漱口水、急救喷雾剂、透明胶带、橡皮泥……这些材料以直接或者间接的方式改善了我们的生活。然而，这些合成化学品的过度使用也导致了意想不到的后果，比如造成臭氧层空洞，使人致癌或产生严重过敏反应。碳是所有生物分子的基础，它对人类福祉和生命延续的贡献之大无与伦比，但是当机体内的碳原子缺失或排列不当时，疾病和死亡也会随之出现。

近地表的碳循环稳定了全球气候，确保了生态系统的健康，并为我们提供了丰富的廉价能源。然而如果自然活动或人类活动（如火山喷发、煤的燃烧、小行星失控、森林消失等等）影响了碳原子的分布，那么全球气候就可能会发生变化，生态系统就可能会崩溃。碳的影响并不局限于近地表的生物领域，它还在地球内部参与那些将地球与其他行星区分开来的动态过程。

从某种意义上说，碳的故事就是一切的故事。然而，这种无处不在、不可或缺的元素身上充满了谜团。我们不知道地球上到底有多少碳，也不能完全知晓地球内部各种碳的存在形式。我们不了解碳原子如何在地球表面和内部进行循环运动，也不能通过地质学家眼中的“深时”（deep

time）来分辨这些运动是否在数十亿年间发生了显著变化。虽然数百万种含碳化合物已为人知晓，但科学家们才刚刚开始触碰到碳化学的丰富性。事实上，要想解开生命起源这一最大的谜团，必然要理解碳与其他元素之间复杂的化学反应。

从碳的数量和形式，到碳的运动和起源，我们对碳的了解少得可怜。寻求这些问题的答案，我们势在必行，但仅以我们对碳狭隘的理解又怎能弥补这些鸿沟呢？科研机构本身就在结构上存在着缺陷，这可能注定了碳科学研究难以持续进行。大学缺乏碳科学研究中心，大规模、跨学科的碳科学研究项目更是寥寥无几。虽然科学发现依赖于提出关于自然界的问题，但也依赖于在时间和金钱有限的环境中找到相关资源，而此时，学科专业化往往优于学科的集成和综合。

谁会愿意支持一个不同类型的研究呢？

…………

请各位入座，灯光正在变暗，故事即将开始。宇宙将从绝对的虚无中诞生，故事将追溯到碳与时间出现之前。