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碳 從宇宙到地球

作者：真果少年糕

校稿：朝乾 / 編輯：蛾

上個(gè)月，由詹姆斯·韋伯空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的首張照片——星系團(tuán)SMACS 0723向大眾公開(kāi)。這張照片中包含了數(shù)千個(gè)星系，是迄今為止最清晰的遙遠(yuǎn)宇宙紅外圖像。

其中有些光束經(jīng)歷了數(shù)十億光年，才來(lái)到我們面前

（SMACS 0723，圖：壹圖網(wǎng)）▼

韋伯空間望遠(yuǎn)鏡拍攝的斯蒂芬五重星系（圖：wiki）▼新晉空間望遠(yuǎn)鏡“韋伯”強(qiáng)大觀測(cè)能力的背后，是尖端技術(shù)的加持。其中，由含碳的聚酰亞胺制成的可折疊遮光板，能阻擋住來(lái)自太陽(yáng)的炙熱光線；主鏡背板上的含碳復(fù)合材料，也承擔(dān)著儀器的部分重量。由此可見(jiàn)，碳為韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的太空之旅，貢獻(xiàn)不少。

韋伯空間望遠(yuǎn)鏡長(zhǎng)這樣（底圖：wiki）▼

韋伯空間望遠(yuǎn)鏡的遮光膜（圖：wiki）▼碳從宇宙來(lái)

相信很多人第一次了解碳元素，是在那張中學(xué)時(shí)背到頭疼的元素周期表里。這張表最早由俄國(guó)化學(xué)家德米特里·門(mén)捷列夫于1869年獨(dú)立出版，元老級(jí)的碳元素也位列其中。

考試必考，不背不行（圖：shutterstock）▼

碳元素位于元素周期表第二行的IVA族，通常用C表示，原子序數(shù)和原子量分別為6和12.011 u。碳原子最外層有四個(gè)能鍵合的電子，碳碳間形成共價(jià)鍵十分方便且易成鏈，這讓碳擁有很多我們熟知的同素異形體。

碳的同素異性體主要包括無(wú)定形碳、過(guò)渡碳和晶形碳三類(lèi)。例如由多層六角形碳原子環(huán)組成的石墨、四面體結(jié)構(gòu)的金剛石和球狀的富勒烯等，都屬晶形碳范疇。

同素異形體，是指由同樣化學(xué)元素組成

而結(jié)構(gòu)形態(tài)卻不相同的單質(zhì)▼

除了能自己愉快玩耍，組成不同的同素異形體外，碳也能與氫、氧等元素組合，形成千姿百態(tài)的有機(jī)化合物。據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前已記錄的純有機(jī)化合物就有近一千萬(wàn)種。這些有機(jī)化合物從復(fù)雜的微觀結(jié)構(gòu)逐步累積成具體的宏觀構(gòu)成，最終呈現(xiàn)出世間萬(wàn)物。

碳元素是世界上形成物質(zhì)種類(lèi)最多的元素

說(shuō)它是這顆藍(lán)星上的“建筑師”，毫不為過(guò)

（橫屏，圖：shutterstock）▼

不論在非生命的生鐵里，還是千變?nèi)f化的有機(jī)體中，都能找到碳的身影。可以說(shuō)，碳是這顆藍(lán)色星球上當(dāng)之無(wú)愧的主宰者。那么，如此有實(shí)力的碳，究竟是從哪兒來(lái)的呢？

答案當(dāng)然是宇宙。目前，大爆炸宇宙論是被人們廣泛認(rèn)同的一種宇宙起源假說(shuō)。大爆炸宇宙論由比利時(shí)宇宙學(xué)家勒梅特在1927年首次提出。

宇宙大爆炸，一切便從那時(shí)開(kāi)始（圖：NASA）▼

該假說(shuō)認(rèn)為宇宙是由一個(gè)密度和溫度都無(wú)限高的奇點(diǎn)，在大約138億年前的一次大爆炸后膨脹形成的。之后，美國(guó)天文學(xué)家哈勃計(jì)算出星系的紅移量與星系間的距離成正比的哈勃定律，推導(dǎo)出宇宙膨脹說(shuō)，進(jìn)一步從反向驗(yàn)證了大爆炸宇宙論。

在奇點(diǎn)，目前所知的物理定律無(wú)法適用

例如黑洞的中心，以及在大爆炸之前的初始奇點(diǎn)

（超大質(zhì)量黑洞，圖：wiki）▼

然而，這次大爆炸雖然威力大，但產(chǎn)物并不多，僅制造出了氫、氦、鋰（可能還有鈹）這幾種化學(xué)元素。對(duì)生命有重要意義的碳，在那時(shí)并未出現(xiàn)。

這主要是因?yàn)樘荚雍说暮铣尚枰ㄟ^(guò)3顆α粒子（氦原子核）幾乎同時(shí)互相撞擊的3氦過(guò)程而形成。當(dāng)溫度達(dá)到約1億開(kāi)爾文時(shí)，這些α粒子才能通過(guò)鈹-8屏障快速融合，進(jìn)而產(chǎn)生大量穩(wěn)定的碳-12，否則只能產(chǎn)生不穩(wěn)定的鋰-5和鈹-8，導(dǎo)致原子核迅速衰敗縮小。

3氦過(guò)程，是一組核聚變反應(yīng)

通過(guò)這些反應(yīng)，三顆α粒子轉(zhuǎn)化為碳核（圖：wiki）▼

不幸的是，大爆炸后宇宙不斷碰撞，溫度和密度都不斷下降，遠(yuǎn)達(dá)不到3氦過(guò)程形成穩(wěn)定碳元素的反應(yīng)條件。

隨著時(shí)間推移，溫度回升，宇宙中的塵埃逐步形成原子、原子核和分子，并復(fù)合成氣體，逐漸凝聚成為恒星和星系的老家——星際云。

說(shuō)到這里，來(lái)看看鷹星云的“創(chuàng)生之柱”

絢爛至極，壯麗至極（圖：shutterstock）▼

根據(jù)星云假說(shuō)，這些星際云碎片在各種因素作用下向云核中心坍塌，進(jìn)而形成原恒星。之后星際云中心繼續(xù)發(fā)生核聚變反應(yīng)，生成主序前星。我們所在的太陽(yáng)系，最初也是這樣開(kāi)始的?！案缓饘佟钡暮阈牵蛱罩袊姵鏊鼈兊漠a(chǎn)物，碳元素也在其中。

地球所在的太陽(yáng)系，只是銀河系中極其渺小的存在

（底圖：NASA & shutterstock）▼

目前，在彗星、行星大氣層、太陽(yáng)以及其他恒星中，都能發(fā)現(xiàn)不少碳的身影。這些在宇宙中游蕩的碳，又是如何來(lái)到地球的呢？

碳到地球去

有研究表明，地球上大部分的碳很可能是在太陽(yáng)系原行星盤(pán)形成并變暖后，由彌漫的氣體云和微小固體粒子組成的星際介質(zhì)所積累起來(lái)的。另外，在太陽(yáng)系形成的最初一百萬(wàn)年內(nèi)，小行星的不斷撞擊，也為地球上水和碳的到來(lái)，提供了來(lái)源途徑。

然而，費(fèi)勁千辛萬(wàn)苦來(lái)到地球上的碳，起初并未被人類(lèi)所察覺(jué)。直到閃電使木材燃燒，人類(lèi)學(xué)會(huì)生火后殘留下木炭，我們與碳元素的故事才剛剛開(kāi)始。

人類(lèi)與碳的不期而遇，永久性地改變了歷史

（圖：shutterstock）▼

1722年，法國(guó)化學(xué)家拉瓦錫在玻璃鐘罩中進(jìn)行了金剛石和木炭的燃燒試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)二者試驗(yàn)結(jié)果沒(méi)有差別，證明了透亮的金剛石和黝黑的石墨內(nèi)是同一種物質(zhì)。

1789年，拉瓦錫以試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，在其編著的《化學(xué)基本論述》一書(shū)中，首次命名了這種化學(xué)元素。

以金剛石和石墨為例

碳的各種同素異形體有著兩極化的異常特性▼

20世紀(jì)初，隨著西方近代化學(xué)傳入我國(guó)，這種元素也有了它的中文名字“碳”，成為諸多熱詞的根基。被正名后的碳，逐漸成為世界科學(xué)殿堂中的?？?。

從1960年美國(guó)化學(xué)家威拉得·利比用放射性C14進(jìn)行地質(zhì)年代測(cè)定，到2019年古迪納夫、惠廷厄姆和吉野彰三位科學(xué)家將電池陽(yáng)極材料由傳統(tǒng)活潑鋰轉(zhuǎn)化成焦炭，克服了鋰電池的不穩(wěn)定缺陷。以碳主題的研究項(xiàng)目先后五次斬獲諾貝爾獎(jiǎng)，是所有元素中獲獎(jiǎng)次數(shù)最多的。

就是說(shuō)，許多科研大牛都喜歡拿碳做文章

（測(cè)試碳纖維的拉伸強(qiáng)度，圖：壹圖網(wǎng)）▼

碳元素不僅上得了領(lǐng)獎(jiǎng)臺(tái)，也下得到日常生活中。用來(lái)改良土壤的生物活性炭，在競(jìng)技體育中使用到的碳纖維，能制作電極的玻璃碳，食品添加劑電化學(xué)檢測(cè)技術(shù)中的碳納米管材料，富勒烯太陽(yáng)能電池等，都已融入到人們衣食住行的方方面面。

從日常生活到科研技術(shù)，碳無(wú)處不在（圖：wiki）▼

除了從外部滲透到人類(lèi)社會(huì)，碳也從內(nèi)部不斷改造著我們的身體。不論是維系體內(nèi)物質(zhì)運(yùn)輸和新陳代謝的蛋白質(zhì)，還是保障生命活動(dòng)所需能量的糖類(lèi)，或是引導(dǎo)生物發(fā)育與生命機(jī)能運(yùn)作的DNA，都少不了碳元素作為基本架構(gòu)。這些由碳作為基本碳鏈的化合物，保障著生命體正常地生長(zhǎng)和繁殖。

碳普遍存在于我們的身體，以及各種生物體內(nèi)

大若鯤鵬，小若蜉蝣，莫不如是（圖：壹圖網(wǎng)）▼

雖然在一些科幻作品中，硅基生物一直都是熱門(mén)話題，不過(guò)目前尚未發(fā)現(xiàn)硅基生物存在的證據(jù)。地球仍由以碳元素為有機(jī)物質(zhì)基礎(chǔ)的碳基生物掌管，人類(lèi)也是其中一員?？梢哉f(shuō)，如果沒(méi)有碳，人類(lèi)文明也不會(huì)存在。

碳元素在構(gòu)成生命框架，維系生命體運(yùn)行的同時(shí)，也以碳循環(huán)的方式，保障著藍(lán)色星球的正常運(yùn)轉(zhuǎn)。大氣中二氧化碳被陸地和海洋中的植物吸收，后通過(guò)地質(zhì)、生物和人類(lèi)活動(dòng)，又以二氧化碳的形式返回到大氣中，形成碳循環(huán)。

循環(huán)往復(fù)，生生不息▼

在碳循環(huán)中，碳元素在生物圈、巖石圈、水圈、土壤圈和大氣圈中不斷交換，并隨地球運(yùn)動(dòng)循環(huán)往復(fù)，最終影響全球氣候。隨著工業(yè)化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，“碳基生物”人類(lèi)在全球碳循環(huán)中，扮演著越來(lái)越重要的角色。

當(dāng)碳基生物遇上“減碳大師”

進(jìn)入工業(yè)時(shí)代后，人們開(kāi)始用煤炭、石油、天然氣等化石燃料供能?；剂系娜紵诜奖阄覀?nèi)粘Ｉ畹耐瑫r(shí)，也使得地層中積累幾十億年的碳在短時(shí)間內(nèi)釋放，影響全球氣候。資料顯示，最近150年來(lái)，大氣中的二氧化碳濃度已從280 ppm上升到 400ppm，全球平均氣溫也上升了約0.7℃。

作為影響大氣中二氧化碳濃度的重要原因，由碳固定和碳釋放兩個(gè)過(guò)程組成的碳循環(huán)，已成為全球氣候變化研究的熱點(diǎn)話題。其中，如何促進(jìn)碳固定，減少碳釋放以達(dá)到碳平衡，是碳循環(huán)中最核心的問(wèn)題。

如何走好這一步，也是實(shí)現(xiàn)碳平衡的關(guān)鍵

（圖：shutterstock）▼

隨著“雙碳”目標(biāo)的提出和推進(jìn)，可持續(xù)發(fā)展已成為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中的一大亮點(diǎn)。

封面圖片來(lái)自shutterstock

END

原標(biāo)題：《每年，激增15億噸》

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