碳基生命必读！跟随碳原子的脚步，重新游历138亿年的万物演化之旅

大自然以神奇的碳原子为骨架，构建出绚丽多彩的碳基生命；人类通过燃烧煤炭、石油等碳基燃料，获取生存所需的能源动力；现代工业创造了塑料、合成纤维、石墨烯等千形万状的碳基材料。从出生时的婴儿服到生命终点的灵柩，碳贯穿我们的一生。可以说，没有碳就没有我们今天的人类文明。

古老的单细胞生物颗石藻，覆盖着10余块“碳酸盐装甲板”

二氧化碳、碳水化合物、碳基生命、碳中和、碳达峰、低碳生活……你可能时常听到“碳”，却未必了解“碳”，更可能不曾洞悉碳原子通过无数次轮回转世，深度塑造了地球万物从始到终的演化进程。宇宙大爆炸、地心之谜、板块运动、生命起源、生命演化、寒武纪生命大爆发、火山喷发、气候变化、塑料污染、能源危机、新型材料……从宇宙起源到现代文明，凡是你感兴趣的科学话题，几乎无一处不见碳的足迹！

各种形状的碳基材料分子

整个地球文明就是一个碳基文明，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、不知晓地球内部各种碳的存在形式、不了解碳原子如何在地球表面和内部进行循环运动，为了探索地球上碳的奥秘，从而为人类的一些终极问题提供答案，美国矿物学会前主席罗伯特·M.哈森（Robert M. Hazen）与美国国家科学院院士罗素·赫姆利（Russell Hemley）在2008年共同发起了深碳观测计划（Deep Carbon Observatory，DCO）。

人类对地球的探索范围仅限于地表的几千米，地球深处还有太多未知

|图源：https://www./collections/ccbjbgabec/

DCO定位为以碳元素为中心，拓展人类对于地球的认知。10余年来，DCO已经发展成一个由1200多名科学家组成的遍布全球、超越传统学科限制的大型网络。来自包括中国在内的50个国家的生物、物理、地质、化学、天文、数学等不同领域的科学家，以前所未有的广度和深度，共同绘就了一幅崭新而宏大的科学图景！

DCO项目发起人和首席研究员罗伯特·M.哈森以全球50个国家1200多名科学家10余年研究成果为基础，以碳在土、气、火、水中的流转为线索，带领我们从宇宙大爆炸开始，从碳循环的视角见证地球万物的演化传奇，并讲述了科学成果背后充满惊险和趣味的科学家故事，将众多领域的开创性发现融汇成一部万物演化的交响乐。

阅读《碳如何玩转地球》，跟随碳原子的脚步踏上耳目一新的演化之旅！

碳原子138亿年的转世轮回

想象一下一个碳原子在宇宙内的轨迹，它会在很短的时间内作为你以为的“你”的一部分。

这个碳原子在一颗大恒星的中心形成，在恒星爆炸时被释放到太空中。它与其他碳原子进行结合，形成微小的金刚石（钻石）晶体，成为分子云中的尘埃和气体的一部分。分子云受到扰动（可能是附近超新星带来的振动）时会触发局部坍缩，我们太阳系的形成便始于这种坍缩。坍缩区域的大部分物质被吸入中间形成太阳，但这颗微粒金刚石在残余物中找到了不同的归处，与其他物质一起构成了地球。

当时的地球太热、太活跃，微粒金刚石无法保留，因此这个碳原子与氧原子连接形成了一个二氧化碳分子，成为不断增长的地球原始大气中的极小一部分。新形成的二氧化碳分子被吸收到海洋中，跟随洋流漂荡了1000年，后来以碳酸盐的形式沉淀在浅海区。又过了几百万年，一颗小行星轰击了海岸线，碳酸盐矿物分解，释放出的二氧化碳重新返回大气中。

从空气到海洋，从海洋到岩石，循环往复。但这一次，碳酸盐矿物层被卷入致密的、下降的地壳板片中，随着俯冲作用慢慢进入上地幔，在那里，地球内部的热量将周围的岩石熔融。富含水和二氧化碳的熔体越来越靠近地表，各种挥发性组分被压力限制着，而当岩浆接近地表时，流体会突然猛烈地变成爆炸性的气体，向外喷发。火山巨石和火山灰像雨点一样洒落在大地上，碳原子再次以二氧化碳分子的形式被释放到空气中。

游离的碳原子发现自己被附近的一道闪电激发了能量，于是它与氮原子等原子结合形成氨基酸分子，这种分子在被太阳的紫外辐射分解之前只能存在几天。当作为二氧化碳的一部分时，碳原子以更稳定的形式从空气到海洋反复循环。这个原子不止一次地在深海热液喷口发生反应，形成仅能存活几周的氨基酸，然后分解成二氧化碳。从恒星中诞生的碳原子在地球的储藏库中循环了亿万年，从气体到液体，再到岩石，然后再返回到气体，发生了不计其数的反应。

深海热液喷口很可能是生命的起源之地

让我们快进10 亿年，这时新的生命现象出现了。新的碳储库正在招手，二氧化碳被光合藻类从空气中提取出来，转化为糖。糖成为制造新分子的燃料，这些新分子有形成细胞膜的碳链脂质、携带遗传密码的碳环碱基，以及碳与氮和氧键合形成的蛋白质的组成部分——氨基酸。我们的碳原子在生物圈中快速循环，比以往更快地扮演着许多新角色，有时一周内便会改换十几次化学形态。其他很多时候，它被密封在碳酸盐壳中，沉入海底，封存了1 亿年之后才返回生机勃勃的地表世界。

 光合植物的出现是生命演化史上的里程碑

碳可以搭建一系列生物分子|图源：网络

上周你吃掉了那个碳原子，现在它已经是蛋白质分子的一部分了，在你的一个细胞中起着至关重要的作用。希望一切顺利！

跟着这个小小的碳原子，我们用几分钟的时间走过了几十亿年的演化之旅，然而，实际过程中还存在许多谜团。

碳这种支撑生命的元素真的最早产生于恒星内部吗？

生命真的起源于一道闪电吗？

进入地球深部的碳都能返回地表吗？

未来地表的动植物会缺碳吗？

地球深处存在另一个生命世界吗？

……

在《碳如何玩转地球》一书中，作者将带来万物演化的众多新知洞见。

从宇宙大爆炸到地心之谜，从超高压技术到量子计算，

汇聚全球多领域科学家前沿成果，颠覆认知！

天文学家卡尔·萨根（Carl Sagan）有一句名言：“我们都是由星尘组成的。”而科学家近期发现，我们也都是由“大爆炸的物质”组成的。

当被问起大爆炸最初的几分钟都产生了哪些物质时，通常的答案是：略少于25% 的氦、大约75% 的氢以及微量的氘和锂。事实上，在大爆炸发生后第3—20分钟，宇宙中发生了难以想象的剧烈运动，较大的原子核“碎片”之间发生碰撞，促使质子和中子形成了更复杂的组合。但因为这些合成新元素的路径成功概率过小、难以推演，并且需要用超级计算机进行超额计算，会花费大量成本，仿佛得不偿失。

意大利天体物理学家法比奥·约科勇敢踏进了这个未知领域，通过运算得出了100多种可能的核反应路径，其研究表明：大爆炸中大约每4.5×1018 个氢原子核中就会出现1个碳-12 原子核。宇宙从大爆炸核合成中诞生时，至少产生了1080个氢原子，仅通过简单的除法我们便可以得知，大爆炸核合成产生了超过1061个碳原子！我们身体中碳原子的数量超过1026个，其中难免会混入大爆炸核合成中产生的碳原子，它们已经与后来在恒星中形成的碳原子密不可分。

现在我们得出了令人吃惊的结论：我们体内的碳原子其实并不像我们一直认为的那样，全部形成于恒星当中，而是有相当一部分形成于最初的宇宙大爆炸，这要一直追溯到138亿年前，时间诞生的时候。

恒星并不是碳的唯一起源

当然，地球和生命所需的碳远远超过大爆炸熔炉早期直接产生的碳，要发掘碳元素的巨大宝藏，我们必须将目光投向宇宙中明亮的恒星，而关于恒星中碳的故事，则要依赖于哈佛大学一群非凡女科学家取得的成果，这群被称为“哈佛计算机”的女性完成了分析恒星光谱的艰巨任务，其中最具代表性的便是安妮·坎农（Annie Jump Cannon），她提出了以恒星温度排序的哈佛恒星分类法。在19世纪甚至20世纪的大部分时间里，女性都被很多科学领域排除在外，坎农的成功也显得尤为珍贵，哈森以生动的笔触讲述了这段值得纪念的故事。

安妮·坎农画像|图源：维基百科

我们只能通过观测和模拟来研究遥远的星空，而在探索我们脚下地球深处的过程中，同样困难重重——岩石屏障阻碍了我们想要探索地球所有区域的努力。人们对地球深处的世界充满了想象，正因如此，才有了凡尔纳的科幻小说《地心游记》和《地心历险记》这样的现代科幻冒险电影。我们探索地心深处奥秘的过程，也正是追寻科学真理的过程。那么科学家是如何知道地幔、地心里都发生了什么呢？

《地心历险记》海报|图源：网络

 极端的高温和高压是塑造地球内部的两种力量，地幔深处中的物质承受着数十万倍大气压的高压，地核中的压力则超过100万个大气压！为了模拟地球深处的高压环境，数百年来科学家想出了各种办法。

1798年，苏格兰地质学家、地球物理学家詹姆斯·霍尔（James Hall）为了检验两种关于岩石成因的学说——“水成论”和“火成论”，把石灰岩（碳酸钙）和黏土塞进锯掉的枪管，将枪管焊死，然后将其放入加热炉中。高温条件下气体膨胀，压力可以与地下1.6千米处相当。最终他成功证明，深埋于地下的石灰岩在高压下可以加热到高温而不会分解成生石灰，从而有力地支持了“火成论”。当然，代价是加热炉的爆炸差点让他丧命。

到了20世纪50年代，美国国家标准局的科学家阿尔文·范瓦尔肯堡（Alvin Van Valkenburg）将一对被完美切割的金刚石进行配对，其中每颗金刚石的尖头都被削平，以便将压力集中在砧面。他采用了一个虎钳状设计，既可以让金刚石相互挤压以产生巨大的压力，同时也能保护晶体样品，这就是原始的“金刚石对顶砧”。1974年，科学家梅里尔和巴西特对金刚石压砧进行了改进，使其可以安装在标准的X 射线束中。

对于实验而言，每增加一次压力都会增加复杂性和困难程度，而随着量子力学的进步，量子计算使得增加100 万个大气压甚至更高的压力都很简单。

科学家通过先进的仪器模拟地核-地幔边界的物质反应|图源：深碳观测计划官网

密歇根大学的李洁教授是金刚石压砧研究领域的佼佼者，她开展了对地球内核（一般认为由铁镍合金和未知物质组成）中碳的创造性研究。众所周知，地震波分为P波（纵波）和S波（横波），在地球内核中，P波的传播速度与在铁镍合金中的速度相匹配，而S波在内核中的传播速度仅为铁中的一半左右。李洁团队将一种铁原子和碳原子的比例为7:3的高密度化合物的黑色粉末放到2颗金刚石之间，然后加压至大约200 万个大气压，实验结果几乎与地震观测结果完全匹配，即在这种碳化铁中，P波的传播速度与在铁中的类似，但S 波的传播速度要比在铁中慢得多。虽然这一发现并不足以证明碳以碳化铁的形式存在于地球内核中，但至少为人类揭开地心成分之谜提供了一种可能的路径。

在我们对地球上碳的存在形式日益了解的同时，我们也更好地理解了我们赖以生存且充满活力的地球家园的奥秘。

李洁教授正在操作金刚石压砧

 《碳如何玩转地球》中介绍的前沿成果远不止于此，哈森将诸多科学突破用轻松平易的语言展示出来，《科学》《纽约时报》等权威期刊媒体都曾对其进行高度赞赏，“哈森博士以绝妙的清晰方式讲述科学”“哈森以一种接地气的、毫不晦涩的方式写作……他迷人的、富有诗意的语言让科学充满乐趣”。

纵览生命起源的百家争鸣：关于“火星的后裔”和“女娲造人”的科学依据

关于地球生命起源有太多的猜测，来自彗星、来自火星、来自泥土、来自深海、来自闪电……在《碳如何玩转地球》中，哈森对各种各样的假说都进行了详细的评述。

英国矿物学家格雷厄姆·凯恩斯- 史密斯（Graham Cairns-Smith）提出的“黏土世界”假说曾经引起了广泛关注。他推测，一片最早形成的黏土碎片（泥浆中普遍存在的光滑矿物成分）开始自我复制、传递信息和演化，最终成为现代生物学的生物分子模板。尽管这个过程的机制只是一种模糊概念，但是这一场景激发了人们的想象力，例如假说中反复提及了古代犹太神话中“有生命的泥人”，这与中国神话中的女娲用泥土造人不谋而合。关于生命起源的场景还有许多假说，例如 “多环芳烃（PAH）世界”“云母世界”“硼酸盐世界”，每种假说都是一个关于自然的奇异故事。

女娲造人|图源：网络

 相比以上假说，曾经占据“正统”地位的观点是：生物分子形成于闪电环绕的远古大气中。1934年的诺贝尔化学奖获得者哈罗德·尤里（Harold Urey）和他的学生斯坦利·米勒（Stanley Miller）设计了一个精巧的玻璃装置，里面装上浅水和与地球早期大气相似的混合气体（氢气、甲烷和氨）。通过对实验装置微微加热，并用电火花放电模拟原始近地表环境中的闪电，他们制造出了关键的生物分子——氨基酸。这项开创性成果推动生命起源研究不断向前发展。

孕育生命的闪电|图源：网络

哈森并不满足于只告诉我们一些既有的事实成果，科学研究中蕴含的人文哲思同样发人深省。例如，虽然上述闪电起源学说具有划时代的意义，但学说的创立者却未能逃脱固步自封的魔咒。1977年，人们在深海海底发现了“黑烟囱”（自热液喷口喷出黑烟的烟囱，那里有丰富的微生物生态系统），但米勒随后公开抨击与之相关的热液起源假说是“真正的失败者”。他抱怨道：“我不明白为什么我们还要讨论这个。” 

NASA挽救了这个深部生命起源的假说，毕竟如果米勒的观点是正确的，那么太阳系中可能存在生命的地方便只有地球与早期温暖潮湿的火星（NASA持续探索火星的目的之一就是寻找类似地球微生物的生命，它们可能保存在红色的、干燥的火星表面之下的生态系统中。一旦发现这类微生物，那么我们中的许多人就会得出结论：火星是第一个拥有生命的星球，我们都是“火星的后裔”）。而如果深部生命起源假说成立，被冰覆盖的木卫二、木卫三甚至木卫四，以及土星的巨大卫星“泰坦”便都可以进入生命探索的候选名单。

“毅力号”火星车

历史充满了相似，正如歌德在《浮士德》中嘲讽的“火成论”最终被证明和“水成论”一样有道理，米勒武断性的争辩也很快成为历史，这不过是对研究大自然微妙性毫无益处的二元对立思维的又一个例子而已。 正如哈森所说：“我们需要从中吸取的教训很清楚，那就是将错误的二元对立思维强加于有关自然世界的问题上，不仅会使研究人员两极分化，还可能会因为忽略系统的复杂性而阻碍科学进步。大自然不是非黑即白那么简单，摒弃错误和武断的划分，我们便能朝着微妙的真相更快迈进。”

远古生命三叶虫

科学背后：有钱任性的“苹果公司CEO的猫”和瑕疵钻石被哄抬物价那些事儿 

作为地球科学大师的哈森同时也是一名叙事高手，他将科学背后不为人知的故事娓娓道来，带领读者以第一视角直击科学现场，亲历众多或妙趣横生、或惊险刺激的科学探索事件。

深碳观测计划的重要目标之一，便是弄清楚地球上所有碳的存在形式，尤其是含碳矿物的种类。含碳矿物犹如彩虹般绚丽多彩——火焰般的红色、热情的橙色、生气勃勃的黄色、迷人的绿色、惊艳的蓝色和浓郁的紫罗兰色；它们的形态亦千差万别，有的为优雅的立方体和八面体，有的为纤细的针状、平板构成的簇状、尖尖的锥形。

为了建立囊括5000多种已知矿物（包括400多种含碳矿物）的数据库，不同国家的矿物学家开展了卓绝的努力。其中最具代表性的便是“拉夫数据库”，而“拉夫”（Rruff）正是苹果公司首任CEO迈克尔·斯科特（Michael Scott）的猫的名字。斯科特是一位狂热的宝石收藏家，为了快速精确识别出宝石种类，他与拉夫数据库的创始人唐斯达成了一笔交易——斯科特出资500 万美元为唐斯的实验室置备最先进的仪器，而唐斯则协助鉴定斯科特的宝石。此外，还有一个附加条件：该数据库必须以斯科特的猫的名字——拉夫来命名。

由金刚石（碳原子冻结而成的完美晶体）加工而成的钻石受到无数人的追捧。大而无瑕的钻石是稀有的珍宝，象征着爱情和权力；与之相反，科学家们却最珍视钻石里的矿物斑点——一些不那么美观的黑色、红色、绿色和棕色的微小包裹体，它们是蕴藏地球隐秘的深部信息的“时间胶囊”，记录了钻石形成的深度、时间以及环境等信息。科学家从中发现了地幔“水果蛋糕”般的结构、发现了板块构造运动启动于30亿年前的证据……科学发现的大量宣传唤起了公众的兴趣，同时也促进了人们对这类钻石的需求，那些曾经被人嫌弃的、含有“难看的”包裹体的钻石，现在正以高价被卖给矿物收藏家，它们越来越高的价格让科研人员望而却步。

包含红石榴子石包裹体的八面体钻石

在这本书里，你还会认识效力于挪威足球甲级联赛的数学家、曾经担任“曼哈顿计划”指挥官的地球物理学家、把教学课堂炸成事故现场的作者本人……正如碳贯穿了我们的日常生活，科学家们的探索故事也穿插在整部作品中，与前沿的科学成果交相辉映，共同造就了本书良好的可读性。

碳与人类的未来生活：利用碳纳米管搭建太空电梯、利用碳预测火山喷发、利用蛇绿岩吸收解决气候变暖……

为了制造种类繁多的生活必需品，需要原子以各种三维方式组合——没有哪一种原子比碳更“擅长”结合，关于新型材料的探索永远离不开碳。未来分子级计算机所需的原子级马达、制造太空电梯所需的碳纳米管（中空的碳纳米管的强度是惊人的，一根直径只有1.3 毫米的细线可以承载超过10 吨的质量——设计轻型桥梁、建筑、飞机和新一代复合材料的工程潜力巨大）、取代硅半导体的石墨烯晶体管……在这本书里，我们可以还一窥未来的人类社会图景。

碳纳米管将帮助人类实现太空电梯的梦想|图源：网络

全世界有数亿人生活在活火山的死亡地带，还有数亿人受到较远距离外的火山气体和火山灰的威胁，正因如此，政府机构和相关实验室都对地球上许多极危险的火山持续进行着监测。为活火山配备气体监测仪是一项艰巨且危险的工作，爆发的毒气、灼热的熔岩流、沸腾的岩浆池及偶尔飞来的熔岩弹，都是家常便饭。火山学家只有戴上防护头盔和防毒面具才能部署这些仪器，他们拖着沉重的装备，徒步到凶险的活火山口边缘，可以说，火山学是“最致命”的科学领域之一。在1980—2000 年，这个只有几百名研究人员的群体里死亡人数超过20名。1980年，火山学家亨利·格里肯（Henry Glicken）因为换班幸运地躲过了圣海伦斯火山喷发，却在11年后丧生于日本云仙山喷发。值得欣慰的是，在对火山二氧化碳排放量的检测过程中，地球深碳脱气计划（Deep Earth Carbon Degassing Project）的科学家们发现了一种简单且极有潜力的方法来预测火山喷发：在多次火山喷发之前，二氧化碳与硫的比值会急剧上升。

DCO的科学家们在火山进行实地考察

气候变暖的影响范围比火山喷发更广，由此带来的热浪、洪水、干旱、森林火灾、海平面上升和生物多样性锐减等灾害性事件正在频繁发生。我们都知道，气候变暖的罪魁祸首是二氧化碳，那么有没有办法把二氧化碳封存起来呢？哥伦比亚大学的彼得·凯莱门（Peter Kelemen）在阿曼的研究发现，当地的蛇绿岩在不停地消耗二氧化碳。这些地幔岩石富含镁和钙，但硅含量很少，当暴露在地球大气中时，它们会与二氧化碳迅速反应，形成由碳酸镁和碳酸钙构成的纵横交错的白色脉体。阿曼拥有大量蛇绿岩，足以将人类产生的所有二氧化碳封存数百年。目前，阿曼政府并不想参与这项封存计划——该国的经济基础是石油，而不是碳封存。但这些岩石不会消失，它们为解决地球气候危机做出贡献的前景仍然存在。

蛇绿岩

值得一提的是，本书的两位译者来自国内陆球科学研究的权威机构——中国地质科学院，他们对本书中的知识点进行了详细的核实和更新。书中各处引用到和推荐阅读的文献都详细附在了书后，想要进一步探究相关知识的读者可以方便地查阅。

《碳如何玩转地球》也得到了中国科学院李廷栋院士的作序推荐：“为什么要关注地球上的碳呢？因为碳无处不在，它贯穿生命始终，我们生活在一个富含碳的行星上，作为碳基生命，没有其他元素像碳一样对我们的生命如此重要；因为碳无处不在，又神秘莫测，地球从哪里来，最终会变成什么样，碳科学的研究或将为人类的一些重大问题提供答案；因为碳无处不在，全球气候变化问题日益凸显，而二氧化碳和甲烷等温室气体均与碳密切相关……此书的作者罗伯特·M.哈森拥有丰富的科普经验，在结构上借鉴了古希腊的四元素学说，并巧妙地将其与交响乐的四个篇章对应。书中通过描述碳在土、气、火、水中的流转，从碳循环这一独特视角讲述了地球的演化历程，同时将近些年来关于碳的前沿研究融入了进来。”

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探索。

如果你想了解地球万物从何而来，如果你想领略科学前沿前所未见的风景，如果你对科学成果背后的故事充满好奇，又或者你对人类社会的未来走向充满迷茫，那么阅读这本书吧，碳将会给你答案！