碳基生命必读！跟随碳原子的脚步，从新游历138亿年的万物演变之旅

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大天然以神奇的碳原子为骨架，构建出缤纷多彩的碳基生命；人类经过焚烧煤炭、石油等碳基燃料，获得生存所需的动力能源；古代工业发明了塑料、分解纤维、石墨烯等千形万状的碳基资料。从出世时的婴儿服到生命起点的灵柩，碳贯通咱们的终身。能够说，没有碳就没有咱们明天的人类文化。

陈旧的单细胞生物颗石藻，掩盖着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、低碳糊口……你可能时常听到“碳”，却未必理解“碳”，更可能未曾洞悉碳原子经过有数次轮回转世，深度塑造了地球万物从始到终的演变过程。宇宙大爆炸、地心之谜、板块静止、生命发源、生命演变、寒武纪生命大发作、火山喷发、气象变动、塑料净化、动力危机、新型资料……从宇宙发源到古代文化，但凡你感兴致的迷信话题，简直无一处不见碳的脚印！

各种外形的碳基资料份子
全部地球文化就是一个碳基文化，从某种意义上说，碳的故事就是所有的故事。
但是，这类无处不在、不成或缺的元素身上充溢了谜团。咱们不知道地球上究竟有多少碳、不通晓地球外部各种碳的存在方式、不理解碳原子如安在地球外表和外部进行循环静止，为了探究地球上碳的神秘，从而为人类的一些终极问题提供谜底，美国矿物学会前主席罗伯特·M.哈森（Robert M. Hazen）与美国国度迷信院院士罗素·赫姆利（Russell Hemley）在2008年独特发动了深碳观测方案（Deep Carbon Observatory，DCO）。

人类对地球的探究规模仅限于地表的几公里，地球深处还有太多未知
|图源：http://www.nature.com/collections/ccbjbgabec/
DCO定位为以碳元素为核心，拓展人类关于地球的认知。10余年来，DCO曾经开展成一个由十二00多名迷信家组成的遍布寰球、超出传统学科限度的大型网络。来自包罗中国在内的50个国度的生物、物理、地质、化学、天文、数学等不同畛域的迷信家，之前所未有的广度和深度，独特绘就了一幅簇新而庞大的迷信图景！

DCO名目发动人和首席钻研员罗伯特·M.哈森以寰球50个国度十二00多名迷信家10余年钻研效果为根底，以碳在土、气、火、水中的流转为线索，率领咱们从宇宙大爆炸开始，从碳循环的视角见证地球万物的演变传奇，并讲述了迷信效果面前充溢惊险和趣味的迷信家故事，将泛滥畛域的创始性发现融汇成一部万物演变的交响乐。

浏览《碳如何玩转地球》，跟随碳原子的脚步踏上线人一新的演变之旅！
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认为的“你”的一部份。
这个碳原子在一颗大恒星的核心造成，在恒星爆炸时被释放到太空中。它与其余碳原子进行结合，造成巨大的金刚石（钻石）晶体，成为份子云中的尘埃和气体的一部份。份子云遭到扰动（多是左近超新星带来的振动）时会触发局部坍缩，咱们太阳系的造成便始于这类坍缩。坍缩区域的大部份物资被吸入两头造成太阳，但这颗微粒金刚石在剩余物中找到了不同的归处，与其余物资一同构成为了地球。

过后的地球太热、太活泼，微粒金刚石无奈保存，因此这个碳原子与氧原子衔接造成了一个二氧化碳份子，成为不停增长的地球原始大气中的极小一部份。新造成的二氧化碳份子被排汇到陆地中，跟随洋流漂荡了1000年，起初以碳酸盐的方式积淀在浅海区。又过了几百万年，一颗小行星轰击了海岸线，碳酸盐矿物合成，释放出的二氧化碳从新前往大气中。
从空气到陆地，从陆地到岩石，周而复始。但这一次，碳酸盐矿物层被卷入致密的、降落的地壳板片中，跟着爬升作用缓缓进入上地幔，在那里，地球外部的热量将四周的岩石熔融。富含水和二氧化碳的熔体愈来愈凑近地表，各种挥发性组分被压力限度着，而当岩浆接近地表时，流领会忽然猛烈地变为爆炸性的气体，向外喷发。火山巨石和火山灰像雨点同样洒落在大地上，碳原子再次以二氧化碳份子的方式被释放到空气中。

游离的碳原子发现本人被左近的一道闪电激起了能量，因而它与氮原子等原子结合造成氨基酸份子，这类份子在被太阳的紫外辐射合成以前只能存在几天。当做为二氧化碳的一部份时，碳原子以更不乱的方式从空气到陆地重复循环。这个原子不止一次地在深海热液喷口产生反映，造成仅能存活几周的氨基酸，而后合成成二氧化碳。从恒星中降生的碳原子在地球的蕴藏库中循环了亿万年，从气体到液体，再到岩石，而后再前往到气体，产生了成千上万的反映。

深海热液喷口极可能是生命的发源之地
让咱们快进10 亿年，这时候新的生命景象泛起了。新的碳储库正在招手，二氧化碳被光合藻类从空气中提掏出来，转化为糖。糖成为制作新份子的燃料，这些新份子无形成细胞膜的碳链脂质、携带遗传明码的碳环碱基，以及碳与氮和氧键合造成的蛋白质的组成部份——氨基酸。咱们的碳原子在生物圈中疾速循环，比以往更快地表演着许多新角色，有时一周内便会更换十几回化学状态。其余得多时分，它被密封在碳酸盐壳中，沉入海底，封存了1 亿年之后才前往生意盎然的地表世界。

光合动物的泛起是生命演变史上的里程碑

碳能够搭建一系列生物份子|图源：网络
上周你吃掉了阿谁碳原子，当初它曾经是蛋白质份子的一部份了，在你的一个细胞中起着相当首要的作用。但愿所有顺利！
随着这个小小的碳原子，咱们用几分钟的时间走过了几十亿年的演变之旅，但是，实际过程当中还存在许多谜团。
碳这类撑持生命的元素真的最先发生于恒星外部吗？
生命真的发源于一道闪电吗？
进上天球深部的碳都能前往地表吗？
将来地表的动动物会缺碳吗？
地球深处存在另外一个生命世界吗？
在《碳如何玩转地球》一书中，作者将带来万物演变的泛滥新知洞见。
从宇宙大爆炸到地心之谜，从超低压技术到量子计算，
汇聚寰球多畛域迷信家前沿效果，推翻认知！
天文学家卡尔·萨根（Carl Sagan）有一句名言：“咱们都是由星尘组成的。”而迷信家近期发现，咱们也都是由“大爆炸的物资”组成的。
当被问起大爆炸最后的几分钟都发生了哪些物资时，通常的谜底是：略少于25% 的氦、大约75% 的氢以及微量的氘和锂。事实上，在大爆炸产生后第3—20分钟，宇宙中产生了难以想象的激烈静止，较大的原子核“碎片”之间产生碰撞，促使质子和中子造成了更繁杂的组合。但由于这些分解新元素的门路胜利几率太小、难以推演，而且需求用超级计算机进行逾额计算，会破费少量本钱，恍如得失相当。
意大利天体物理学家法比奥·约科怯懦踏进了这个未知畛域，经过运算得出了100多种可能的核反映门路，其钻研标明：大爆炸中大约每4.5×1018 个氢原子核中就会泛起1个碳-十二原子核。宇宙从大爆炸核分解中降生时，最少发生了1080个氢原子，仅经过简略的除法咱们即可以得知，大爆炸核分解发生了超过1061个碳原子！咱们身材中碳原子的数量超过1026个，其中不免会混入大爆炸核分解中发生的碳原子，它们曾经与起初在恒星中造成的碳原子密不成分。
当初咱们得出了使人吃惊的论断：咱们体内的碳原子其实其实不像咱们始终以为的那样，整个造成于恒星傍边，而是有至关一部份造成于最后的宇宙大爆炸，这要始终追溯到138亿年前，时间降生的时分。

恒星并非碳的独一发源
固然，地球和生命所需的碳远远超过大爆炸熔炉初期间接发生的碳，要开掘碳元素的微小宝藏，咱们必需将眼光投向宇宙中亮堂的恒星，而对于恒星中碳的故事，则要依赖于哈佛大学一群不凡女迷信家取得的效果，这群被称为“哈佛计算机”的女性实现了剖析恒星光谱的艰难工作，其中最具代表性的即是安妮·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世纪乃至20世纪的大部份时间里，女性都被得多迷信畛域排除在外，坎农的胜利也显得尤其珍贵，哈森以生动的笔触讲述了这段值得记念的故事。

安妮·坎农画像|图源：维基百科
咱们只能经过观测和摹拟来钻研边远的星空，而在探究咱们脚下地球深处的过程当中，一样难题重重——岩石屏障妨碍了咱们想要探究地球一切区域的致力。人们对地球深处的世界充溢了想象，正因如斯，才有了凡尔纳的科幻小说《地心纪行》和《地心历险记》这样的古代科幻冒险电影。咱们探究地心深处神秘的进程，也恰是追随迷信真谛的进程。那末迷信家是如何知道地幔、地心里都产生了甚么呢？

《地心历险记》海报|图源：网络
极真个低温和低压是塑造地球外部的两种气力，地幔深处中的物资接受着数十万倍大气压的低压，地核中的压力则超过100万个大气压！为了摹拟地球深处的低压环境，数百年来迷信家想出了各种方法。
1798年，苏格兰地质学家、地球物理学家詹姆斯·霍尔（James Hall）为了检修两种对于岩石成因的学说——“水成论”和“火成论”，把石灰岩（碳酸钙）和粘土塞进锯掉的枪管，将枪管焊死，而后将其放入加热炉中。低温前提下气体收缩，压力能够与公开1.6公里处至关。终究他胜利证实，深埋于公开的石灰岩在低压下能够加热到低温而不会合成成生石灰，从而无力地反对了“火成论”。固然，代价是加热炉的爆炸差点让他丧命。
到了20世纪50年代，美国国度规范局的迷信家阿尔文·范瓦尔肯堡（Alvin Van Valkenburg）将一对被完善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。他采取了一个虎钳状设计，既能够让金刚石互相挤压以发生微小的压力，同时也能维护晶体样品，这就是原始的“金刚石对顶砧”。1974年，迷信家梅里尔和巴西特对金刚石压砧进行了改进，使其能够装置在规范的X 射线束中。
关于试验而言，每减少一次压力都会减少繁杂性和难题水平，而跟着量子力学的提高，量子计算使得减少100 万个大气压乃至更高的压力都很简略。

迷信家经过先进的仪器摹拟地核-地幔界限的物资反映|图源：深碳观测方案官网
密歇根大学的李洁传授是金刚石压砧钻研畛域的佼佼者，她发展了对地球内核（个别以为由铁镍合金和未知物资组成）中碳的发明性钻研。家喻户晓，地震波分为P波（纵波）和S波（横波），在地球内核中，P波的传布速度与在铁镍合金中的速度相婚配，而S波在内核中的传布速度仅为铁中的一半摆布。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，而后加压至大约200 万个大气压，试验后果简直与地震观测后果彻底婚配，即在这类碳化铁中，P波的传布速度与在铁中的相似，但S 波的传布速度要比在铁中慢很多。虽然这一发现其实不足以证实碳以碳化铁的方式存在于地球内核中，但最少为人类揭开地心成份之谜提供了一种可能的门路。
在咱们对地球上碳的存在方式日趋理解的同时，咱们也更好地舆解了咱们赖以生存且充溢活气的地球家园的神秘。

李洁传授正在操作金刚石压砧
《碳如何玩转地球》中引见的前沿效果远不止于此，哈森将诸多迷信冲破用轻松平易的言语展现出来，《迷信》《纽约时报》等权威期刊媒体都曾对其进行高度赞叹，“哈森博士以绝妙的明晰形式讲述迷信”“哈森以一种接地气的、绝不艰涩的形式写作……他诱人的、富裕诗意的言语让迷信充溢乐趣”。
纵览生命发源的百花怒放：对于“火星的后嗣”和“女娲造人”的迷信依据
对于地球生命发源有太多的猜测，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具体的评述。
英国矿物学家格雷厄姆·凯恩斯- 史密斯（Graham Cairns-Smith）提出的“粘土世界”假说已经惹起了普遍关注。他揣测，一片最先造成的粘土碎片（泥浆中广泛存在的润滑矿物成份）开始自我复制、传递信息和演变，终究成为古代生物学的生物份子模板。只管这个进程的机制只是一种隐约概念，然而这一场景激起了人们的想象力，例如假说中重复提及了现代犹太神话中“有生命的泥人”，这与中国神话中的女娲用泥土造人不约而同。对于生命发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”，每种假说都是一个对于天然的怪异故事。

女娲造人|图源：网络
比拟以上假说，已经占领“正统”位置的观念是：生物份子造成于闪电盘绕的远古大气中。1934年的诺贝尔化学奖获取者哈罗德·尤里（Harold Urey）和他的先生斯坦利·米勒（Stanley Miller）设计了一个精妙的玻璃安装，外面装上浅水和与地球初期大气类似的混合气体（氢气、甲烷和氨）。经过对试验安装轻轻加热，并用电火花放电摹拟原始近地表环境中的闪电，他们制作出了症结的生物份子——氨基酸。这项创始性效果推进生命发源钻研不停向前开展。

孕育生命的闪电|图源：网络
哈森其实不知足于只告知咱们一些既有的事实效果，迷信钻研中蕴含的人文哲思一样发人深醒。例如，虽然上述闪电发源学说拥有划时期的意义，但学说的创建者却未能逃脱抱残守缺的魔咒。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，那里有丰硕的微生物生态零碎），但米勒随后地下鞭挞与之相干的热液发源假说是“真实的失败者”。他埋怨道：“我不明确为何咱们还要探讨这个。”
NASA援救了这个深部生命发源的假说，毕竟假如米勒的观念是正确的，那末太阳系中可能存在生命之处便只要地球与初期和煦湿润的火星（NASA继续探究火星的目的之一就是寻觅相似地球微生物的生命，它们可能保留在白色的、枯燥的火星外表之下的生态零碎中。一旦发现这种微生物，那末咱们中的许多人就会得出论断：火星是第一个具有生命的星球，咱们都是“火星的后嗣”）。而假如深部生命发源假说成立，被冰掩盖的木卫二、木卫三乃至木卫四，以及土星的微小卫星“泰坦”便均可以进入生命探究的候选名单。

“毅力号”火星车
历史充溢了类似，正如歌德在《浮士德》中讥嘲的“火成论”终究被证实和“水成论”同样有情理，米勒武断性的争辩也很快成为历史，这不外是对钻研大天然奥妙性毫有益处的二元对峙思惟的又一个例子罢了。正如哈森所说：“咱们需求从中汲取的经验很分明，那就是将过错的二元对峙思惟强加于无关天然世界的问题上，不只会使钻研人员两极分化，还可能会由于疏忽零碎的繁杂性而妨碍迷信提高。大天然不是非黑即白那末简略，摒弃过错和武断的划分，咱们便能朝着奥妙的假相更快迈进。”

远古生命三叶虫
迷信面前：有钱率性的“苹果公司CEO的猫”和瑕疵钻石被哄抬物价那些事儿
作为地球迷信巨匠的哈森同时也是一位叙事高手，他将迷信面前鲜为人知的故事娓娓道来，率领读者以第一视角直击迷信现场，亲历泛滥或妙不可言、或惊险安慰的迷信探究事情。
深碳观测方案的首要指标之一，即是弄分明地球上一切碳的存在方式，尤为是含碳矿物的品种。含碳矿物如同彩虹般缤纷多彩——火焰般的白色、热心的橙色、朝气勃勃的黄色、诱人的绿色、惊艳的蓝色和浓烈的紫罗兰色；它们的状态亦千差万别，有的为优雅的立方体和八面体，有的为细微的针状、平板构成的簇状、尖尖的锥形。
为了建设囊括5000多种已知矿物（包罗400多种含碳矿物）的数据库，不同国度的矿物学家发展了卓绝的致力。其中最具代表性的即是“拉夫数据库”，而“拉夫”（Rruff）恰是苹果公司首任CEO迈克尔·斯科特（Michael Scott）的猫的名字。斯科特是一名狂热的宝石保藏家，为了疾速准确辨认出宝石品种，他与拉夫数据库的开创人唐斯达成为了一笔买卖——斯科彪炳资500 万美元为唐斯的试验室置备最早进的仪器，而唐斯则协助鉴定斯科特的宝石。另外，还有一个附加前提：该数据库必需以斯科特的猫的名字——拉夫来命名。

由金刚石（碳原子解冻而成的完善晶体）加工而成的钻石遭到有数人的追捧。大而无瑕的钻石是罕见的瑰宝，意味着恋情和权力；与之相同，迷信家们却最珍爱钻石里的矿物黑点——一些不那末好看的黑色、白色、绿色和棕色的巨大包裹体，它们是储藏地球隐蔽的深部信息的“时间胶囊”，记载了钻石造成的深度、时间以及环境等信息。迷信家从中发现了地幔“瓜果蛋糕”般的构造、发现了板块结构静止启动于30亿年前的证据……迷信发现的少量鼓吹唤起了大众的兴致，同时也增进了人们对这种钻石的需要，那些已经被人厌弃的、含有“难看的”包裹体的钻石，当初正以低价被卖给矿物保藏家，它们愈来愈高的价钱让科研人员望而生畏。

包孕红石榴子石包裹体的八面体钻石
在这本书里，你还会意识效率于挪威足球甲级联赛的数学家、已经负责“曼哈顿方案”指挥官的地球物理学家、把教学课堂炸成变乱现场的作者自己……正如碳贯通了咱们的日常糊口，迷信家们的探究故事也交叉在整部作品中，与前沿的迷信效果交相照映，独特培养了本书良好的可读性。
碳与人类的将来糊口：利用碳纳米管搭建太空电梯、利用碳预测火山喷发、利用蛇绿岩排汇解决气象变暖……
为了制作品种单一的糊口必须品，需求原子以各种三维形式组合——没有哪种原子比碳更“长于”结合，对于新型资料的探究永久离不开碳。将来份子级计算机所需的原子级马达、制作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，一根直径只要1.3 毫米的细线能够承载超过10 吨的品质——设计轻型桥梁、修建、飞机和新一代复合资料的工程后劲微小）、取代硅半导体的石墨烯晶体管……在这本书里，咱们能够还一窥将来的人类社会图景。

碳纳米管将帮忙人类完成太空电梯的梦想|图源：网络
全世界无数亿人糊口在活火山的死亡地带，还无数亿人遭到较远间隔外的火山气体和火山灰的要挟，正因如斯，政府机构和相干试验室都对地球上许多极风险的火山继续进行着监测。为活火山配备气体监测仪是一项艰难且风险的任务，发作的毒气、灼热的熔岩流、沸腾的岩浆池及偶然飞来的熔岩弹，都是粗茶淡饭。火山学家只要戴上防护头盔和防毒面具能力部署这些仪器，他们拖着繁重的设备，徒步到凶险的活火山口边沿，能够说，火山学是“最致命”的迷信畛域之一。在1980—2000 年，这个只要几百名钻研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）由于换班侥幸地躲过了圣海伦斯火山喷发，却在十一年后丧生于日本云仙山喷发。值得欣喜的是，在对火山二氧化碳排放量的检测过程当中，地球深碳脱气方案（Deep Earth Carbon Degassing Project）的迷信家们发现了一种简略且极有后劲的办法来预测火山喷发：在屡次火山喷发以前，二氧化碳与硫的比值会急剧回升。

DCO的迷信家们在火山进行实地调查
气象变暖的影响规模比火山喷发更广，由此带来的热浪、洪水、干旱、森林火灾、海立体回升和生物多样性锐减等灾难性事情正在频繁产生。咱们都知道，气象变暖的祸首罪魁是二氧化碳，那末有无方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）在阿曼的钻研发现，本地的蛇绿岩在不断地损耗二氧化碳。这些地幔岩石富含镁和钙，但硅含量很少，当袒露在地球大气中时，它们会与二氧化碳迅速反映，造成由碳酸镁和碳酸钙构成的犬牙交错的红色脉体。阿曼具有少量蛇绿岩，足以将人类发生的一切二氧化碳封存数百年。目前，阿曼政府其实不想参预这项封存方案——该国的经济根底是石油，而不是碳封存。但这些岩石不会隐没，它们为解决地球气象危机做出奉献的前景依然存在。

蛇绿岩
值得一提的是，本书的两位译者来自国际地球迷信钻研的权威机构——中国地质迷信院，他们对本书中的常识点进行了具体的核实和更新。书中遍地援用到和保举浏览的文献都具体附在了书后，想要进一步探索相干常识的读者能够便利地查阅。

《碳如何玩转地球》也失掉了中国迷信院李廷栋院士的作序保举：“为何要关注地球上的碳呢？由于碳无处不在，它贯通生命一直，咱们糊口在一个富含碳的行星上，作为碳基生命，没有其余元素像碳同样对咱们的生命如斯首要；由于碳无处不在，又奥秘莫测，地球从哪里来，终究会变为甚么样，碳迷信的钻研或将为人类的一些严重问题提供谜底；由于碳无处不在，寰球气象变动问题日趋凸显，而二氧化碳和甲烷等温室气体均与碳亲密相干……此书的作者罗伯特·M.哈森具有丰硕的科普教训，在构造上鉴戒了古希腊的四元素学说，并奇妙地将其与交响乐的四个篇章对应。书中经过形容碳在土、气、火、水中的流转，从碳循环这一共同视角讲述了地球的演变历程，同时将近年来对于碳的前沿钻研融入了进来。”
咱们知道的越多，就会发现未知的货色也越多，而迷信家们将持续满怀热心地探究。
假如你想理解地球万物从何而来，假如你想领略迷信前沿前所未见的景色，假如你对迷信效果面前的故事充溢猎奇，又或者你对人类社会的将来走向充溢迷茫，那末浏览这本书吧，碳将会给你谜底！

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