題圖：古老的單細(xì)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(gòu)建出絢麗多彩的碳基生命；人類(lèi)通過(guò)燃燒煤炭、石油等碳基燃料，獲取生存所需的能源動(dòng)力；現(xiàn)代工業(yè)創(chuàng)造了塑料、合成纖維、石墨烯等千形萬(wàn)狀的碳基材料。從出生時(shí)的嬰兒服到生命終點(diǎn)的靈柩，碳貫穿我們的一生?？梢哉f(shuō)，沒(méi)有碳就沒(méi)有我們今天的人類(lèi)文明。

二氧化碳、碳水化合物、碳基生命、碳中和、碳達(dá)峰、低碳生活……你可能時(shí)常聽(tīng)到“碳”，卻未必了解“碳”，更可能不曾洞悉碳原子通過(guò)無(wú)數(shù)次輪回轉(zhuǎn)世，深度塑造了地球萬(wàn)物從始到終的演化進(jìn)程。宇宙大爆炸、地心之謎、板塊運(yùn)動(dòng)、生命起源、生命演化、寒武紀(jì)生命大爆發(fā)、火山噴發(fā)、氣候變化、塑料污染、能源危機(jī)、新型材料……從宇宙起源到現(xiàn)代文明，凡是你感興趣的科學(xué)話(huà)題，幾乎無(wú)一處不見(jiàn)碳的足跡！

各種形狀的碳基材料分子

整個(gè)地球文明就是一個(gè)碳基文明，從某種意義上說(shuō)，碳的故事就是一切的故事。

然而，這種無(wú)處不在、不可或缺的元素身上充滿(mǎn)了謎團(tuán)。我們不知道地球上到底有多少碳、不知曉地球內(nèi)部各種碳的存在形式、不了解碳原子如何在地球表面和內(nèi)部進(jìn)行循環(huán)運(yùn)動(dòng)，為了探索地球上碳的奧秘，從而為人類(lèi)的一些終極問(wèn)題提供答案，美國(guó)礦物學(xué)會(huì)前主席羅伯特·M.哈森（Robert M. Hazen）與美國(guó)國(guó)家科學(xué)院院士羅素·赫姆利（Russell Hemley）在2008年共同發(fā)起了深碳觀測(cè)計(jì)劃（Deep Carbon Observatory，DCO）。

人類(lèi)對(duì)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(lèi)對(duì)于地球的認(rèn)知。10余年來(lái)，DCO已經(jīng)發(fā)展成一個(gè)由1200多名科學(xué)家組成的遍布全球、超越傳統(tǒng)學(xué)科限制的大型網(wǎng)絡(luò)。來(lái)自包括中國(guó)在內(nèi)的50個(gè)國(guó)家的生物、物理、地質(zhì)、化學(xué)、天文、數(shù)學(xué)等不同領(lǐng)域的科學(xué)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(xué)圖景！

DCO項(xiàng)目發(fā)起人和首席研究員羅伯特·M.哈森以全球50個(gè)國(guó)家1200多名科學(xué)家10余年研究成果為基礎(chǔ)，以碳在土、氣、火、水中的流轉(zhuǎn)為線(xiàn)索，帶領(lǐng)我們從宇宙大爆炸開(kāi)始，從碳循環(huán)的視角見(jiàn)證地球萬(wàn)物的演化傳奇，并講述了科學(xué)成果背后充滿(mǎn)驚險(xiǎn)和趣味的科學(xué)家故事，將眾多領(lǐng)域的開(kāi)創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)融匯成一部萬(wàn)物演化的交響樂(lè)。

閱讀《碳如何玩轉(zhuǎn)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(wàn)物演化之旅

文 | 江蘇科技出版社

01

碳原子138億年的轉(zhuǎn)世輪回

想象一下一個(gè)碳原子在宇宙內(nèi)的軌跡，它會(huì)在很短的時(shí)間內(nèi)作為你以為的“你”的一部分。

這個(gè)碳原子在一顆大恒星的中心形成，在恒星爆炸時(shí)被釋放到太空中。它與其他碳原子進(jìn)行結(jié)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(dòng)（可能是附近超新星帶來(lái)的振動(dòng)）時(shí)會(huì)觸發(fā)局部坍縮，我們太陽(yáng)系的形成便始于這種坍縮。坍縮區(qū)域的大部分物質(zhì)被吸入中間形成太陽(yáng)，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(zhì)一起構(gòu)成了地球。

當(dāng)時(shí)的地球太熱、太活躍，微粒金剛石無(wú)法保留，因此這個(gè)碳原子與氧原子連接形成了一個(gè)二氧化碳分子，成為不斷增長(zhǎng)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(lái)以碳酸鹽的形式沉淀在淺海區(qū)。又過(guò)了幾百萬(wàn)年，一顆小行星轟擊了海岸線(xiàn)，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(fù)。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(jìn)入上地幔，在那里，地球內(nèi)部的熱量將周?chē)膸r石熔融。富含水和二氧化碳的熔體越來(lái)越靠近地表，各種揮發(fā)性組分被壓力限制著，而當(dāng)巖漿接近地表時(shí)，流體會(huì)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(diǎn)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(xiàn)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(jié)合形成氨基酸分子，這種分子在被太陽(yáng)的紫外輻射分解之前只能存在幾天。當(dāng)作為二氧化碳的一部分時(shí)，碳原子以更穩(wěn)定的形式從空氣到海洋反復(fù)循環(huán)。這個(gè)原子不止一次地在深海熱液噴口發(fā)生反應(yīng)，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(chǔ)藏庫(kù)中循環(huán)了億萬(wàn)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(jì)其數(shù)的反應(yīng)。

深海熱液噴口很可能是生命的起源之地

讓我們快進(jìn)10 億年，這時(shí)新的生命現(xiàn)象出現(xiàn)了。新的碳儲(chǔ)庫(kù)正在招手，二氧化碳被光合藻類(lèi)從空氣中提取出來(lái)，轉(zhuǎn)化為糖。糖成為制造新分子的燃料，這些新分子有形成細(xì)胞膜的碳鏈脂質(zhì)、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(zhì)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(shí)一周內(nèi)便會(huì)改換十幾次化學(xué)形態(tài)。其他很多時(shí)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(jī)勃勃的地表世界。

光合植物的出現(xiàn)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(wǎng)絡(luò)

上周你吃掉了那個(gè)碳原子，現(xiàn)在它已經(jīng)是蛋白質(zhì)分子的一部分了，在你的一個(gè)細(xì)胞中起著至關(guān)重要的作用。希望一切順利！

跟著這個(gè)小小的碳原子，我們用幾分鐘的時(shí)間走過(guò)了幾十億年的演化之旅，然而，實(shí)際過(guò)程中還存在許多謎團(tuán)。

碳這種支撐生命的元素真的最早產(chǎn)生于恒星內(nèi)部嗎？

生命真的起源于一道閃電嗎？

進(jìn)入地球深部的碳都能返回地表嗎？

未來(lái)地表的動(dòng)植物會(huì)缺碳嗎？

地球深處存在另一個(gè)生命世界嗎？

……

在《碳如何玩轉(zhuǎn)地球》一書(shū)中，作者將帶來(lái)萬(wàn)物演化的眾多新知洞見(jiàn)。

02

從宇宙大爆炸到地心之謎，

從超高壓技術(shù)到量子計(jì)算，

匯聚全球多領(lǐng)域科學(xué)家前沿成果，顛覆認(rèn)知！

天文學(xué)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(xué)家近期發(fā)現(xiàn)，我們也都是由“大爆炸的物質(zhì)”組成的。

當(dāng)被問(wèn)起大爆炸最初的幾分鐘都產(chǎn)生了哪些物質(zhì)時(shí)，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(shí)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(yùn)動(dòng)，較大的原子核“碎片”之間發(fā)生碰撞，促使質(zhì)子和中子形成了更復(fù)雜的組合。但因?yàn)檫@些合成新元素的路徑成功概率過(guò)小、難以推演，并且需要用超級(jí)計(jì)算機(jī)進(jìn)行超額計(jì)算，會(huì)花費(fèi)大量成本，仿佛得不償失。

意大利天體物理學(xué)家法比奧·約科勇敢踏進(jìn)了這個(gè)未知領(lǐng)域，通過(guò)運(yùn)算得出了100多種可能的核反應(yīng)路徑，其研究表明：大爆炸中大約每4.5×1018 個(gè)氫原子核中就會(huì)出現(xiàn)1個(gè)碳-12 原子核。宇宙從大爆炸核合成中誕生時(shí)，至少產(chǎn)生了1080個(gè)氫原子，僅通過(guò)簡(jiǎn)單的除法我們便可以得知，大爆炸核合成產(chǎn)生了超過(guò)1061個(gè)碳原子！我們身體中碳原子的數(shù)量超過(guò)1026個(gè)，其中難免會(huì)混入大爆炸核合成中產(chǎn)生的碳原子，它們已經(jīng)與后來(lái)在恒星中形成的碳原子密不可分。

現(xiàn)在我們得出了令人吃驚的結(jié)論：我們體內(nèi)的碳原子其實(shí)并不像我們一直認(rèn)為的那樣，全部形成于恒星當(dāng)中，而是有相當(dāng)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(shí)間誕生的時(shí)候。

恒星并不是碳的唯一起源

當(dāng)然，地球和生命所需的碳遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)大爆炸熔爐早期直接產(chǎn)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(guān)于恒星中碳的故事，則要依賴(lài)于哈佛大學(xué)一群非凡女科學(xué)家取得的成果，這群被稱(chēng)為“哈佛計(jì)算機(jī)”的女性完成了分析恒星光譜的艱巨任務(wù)，其中最具代表性的便是安妮·坎農(nóng)（Annie Jump Cannon），她提出了以恒星溫度排序的哈佛恒星分類(lèi)法。在19世紀(jì)甚至20世紀(jì)的大部分時(shí)間里，女性都被很多科學(xué)領(lǐng)域排除在外，坎農(nóng)的成功也顯得尤為珍貴，哈森以生動(dòng)的筆觸講述了這段值得紀(jì)念的故事。

安妮·坎農(nóng)畫(huà)像 | 圖源：維基百科

我們只能通過(guò)觀測(cè)和模擬來(lái)研究遙遠(yuǎn)的星空，而在探索我們腳下地球深處的過(guò)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(duì)地球深處的世界充滿(mǎn)了想象，正因如此，才有了凡爾納的科幻小說(shuō)《地心游記》和《地心歷險(xiǎn)記》這樣的現(xiàn)代科幻冒險(xiǎn)電影。我們探索地心深處奧秘的過(guò)程，也正是追尋科學(xué)真理的過(guò)程。那么科學(xué)家是如何知道地幔、地心里都發(fā)生了什么呢？

《地心歷險(xiǎn)記》海報(bào) | 圖源：網(wǎng)絡(luò)

極端的高溫和高壓是塑造地球內(nèi)部的兩種力量，地幔深處中的物質(zhì)承受著數(shù)十萬(wàn)倍大氣壓的高壓，地核中的壓力則超過(guò)100萬(wàn)個(gè)大氣壓！為了模擬地球深處的高壓環(huán)境，數(shù)百年來(lái)科學(xué)家想出了各種辦法。

1798年，蘇格蘭地質(zhì)學(xué)家、地球物理學(xué)家詹姆斯·霍爾（James Hall）為了檢驗(yàn)兩種關(guān)于巖石成因的學(xué)說(shuō)——“水成論”和“火成論”，把石灰?guī)r（碳酸鈣）和黏土塞進(jìn)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(dāng)。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(huì)分解成生石灰，從而有力地支持了“火成論”。當(dāng)然，代價(jià)是加熱爐的爆炸差點(diǎn)讓他喪命。

到了20世紀(jì)50年代，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局的科學(xué)家阿爾文·范瓦爾肯堡（Alvin Van Valkenburg）將一對(duì)被完美切割的金剛石進(jìn)行配對(duì)，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(gè)虎鉗狀設(shè)計(jì)，既可以讓金剛石相互擠壓以產(chǎn)生巨大的壓力，同時(shí)也能保護(hù)晶體樣品，這就是原始的“金剛石對(duì)頂砧”。1974年，科學(xué)家梅里爾和巴西特對(duì)金剛石壓砧進(jìn)行了改進(jìn)，使其可以安裝在標(biāo)準(zhǔn)的X 射線(xiàn)束中。

對(duì)于實(shí)驗(yàn)而言，每增加一次壓力都會(huì)增加復(fù)雜性和困難程度，而隨著量子力學(xué)的進(jìn)步，量子計(jì)算使得增加100 萬(wàn)個(gè)大氣壓甚至更高的壓力都很簡(jiǎn)單。

科學(xué)家通過(guò)先進(jìn)的儀器模擬地核-地幔邊界的物質(zhì)反應(yīng) | 圖源：深碳觀測(cè)計(jì)劃官網(wǎng)

密歇根大學(xué)的李潔教授是金剛石壓砧研究領(lǐng)域的佼佼者，她開(kāi)展了對(duì)地球內(nèi)核（一般認(rèn)為由鐵鎳合金和未知物質(zhì)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(nèi)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(nèi)核中的傳播速度僅為鐵中的一半左右。李潔團(tuán)隊(duì)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(wàn)個(gè)大氣壓，實(shí)驗(yàn)結(jié)果幾乎與地震觀測(cè)結(jié)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(lèi)似，但S 波的傳播速度要比在鐵中慢得多。雖然這一發(fā)現(xiàn)并不足以證明碳以碳化鐵的形式存在于地球內(nèi)核中，但至少為人類(lèi)揭開(kāi)地心成分之謎提供了一種可能的路徑。

在我們對(duì)地球上碳的存在形式日益了解的同時(shí)，我們也更好地理解了我們賴(lài)以生存且充滿(mǎn)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(zhuǎn)地球》中介紹的前沿成果遠(yuǎn)不止于此，哈森將諸多科學(xué)突破用輕松平易的語(yǔ)言展示出來(lái)，《科學(xué)》《紐約時(shí)報(bào)》等權(quán)威期刊媒體都曾對(duì)其進(jìn)行高度贊賞，“哈森博士以絕妙的清晰方式講述科學(xué)”“哈森以一種接地氣的、毫不晦澀的方式寫(xiě)作……他迷人的、富有詩(shī)意的語(yǔ)言讓科學(xué)充滿(mǎn)樂(lè)趣”。

03

縱覽生命起源的百家爭(zhēng)鳴：

關(guān)于“火星的后裔”和“女?huà)z造人”的科學(xué)依據(jù)

關(guān)于地球生命起源有太多的猜測(cè)，來(lái)自彗星、來(lái)自火星、來(lái)自泥土、來(lái)自深海、來(lái)自閃電……在《碳如何玩轉(zhuǎn)地球》中，哈森對(duì)各種各樣的假說(shuō)都進(jìn)行了詳細(xì)的評(píng)述。

英國(guó)礦物學(xué)家格雷厄姆·凱恩斯- 史密斯（Graham Cairns-Smith）提出的“黏土世界”假說(shuō)曾經(jīng)引起了廣泛關(guān)注。他推測(cè)，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(kāi)始自我復(fù)制、傳遞信息和演化，最終成為現(xiàn)代生物學(xué)的生物分子模板。盡管這個(gè)過(guò)程的機(jī)制只是一種模糊概念，但是這一場(chǎng)景激發(fā)了人們的想象力，例如假說(shuō)中反復(fù)提及了古代猶太神話(huà)中“有生命的泥人”，這與中國(guó)神話(huà)中的女?huà)z用泥土造人不謀而合。關(guān)于生命起源的場(chǎng)景還有許多假說(shuō)，例如 “多環(huán)芳烴（PAH）世界”“云母世界”“硼酸鹽世界”，每種假說(shuō)都是一個(gè)關(guān)于自然的奇異故事。

女?huà)z造人 | 圖源：網(wǎng)絡(luò)

相比以上假說(shuō)，曾經(jīng)占據(jù)“正統(tǒng)”地位的觀點(diǎn)是：生物分子形成于閃電環(huán)繞的遠(yuǎn)古大氣中。1934年的諾貝爾化學(xué)獎(jiǎng)獲得者哈羅德·尤里（Harold Urey）和他的學(xué)生斯坦利·米勒（Stanley Miller）設(shè)計(jì)了一個(gè)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(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)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(guān)鍵的生物分子——氨基酸。這項(xiàng)開(kāi)創(chuàng)性成果推動(dòng)生命起源研究不斷向前發(fā)展。

孕育生命的閃電 | 圖源：網(wǎng)絡(luò)

哈森并不滿(mǎn)足于只告訴我們一些既有的事實(shí)成果，科學(xué)研究中蘊(yùn)含的人文哲思同樣發(fā)人深省。例如，雖然上述閃電起源學(xué)說(shuō)具有劃時(shí)代的意義，但學(xué)說(shuō)的創(chuàng)立者卻未能逃脫固步自封的魔咒。1977年，人們?cè)谏詈：５装l(fā)現(xiàn)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(tǒng)），但米勒隨后公開(kāi)抨擊與之相關(guān)的熱液起源假說(shuō)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(gè)?！?/p>

NASA挽救了這個(gè)深部生命起源的假說(shuō)，畢竟如果米勒的觀點(diǎn)是正確的，那么太陽(yáng)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(lèi)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(tǒng)中。一旦發(fā)現(xiàn)這類(lèi)微生物，那么我們中的許多人就會(huì)得出結(jié)論：火星是第一個(gè)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(shuō)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(jìn)入生命探索的候選名單。

“毅力號(hào)”火星車(chē)

歷史充滿(mǎn)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(zhēng)辯也很快成為歷史，這不過(guò)是對(duì)研究大自然微妙性毫無(wú)益處的二元對(duì)立思維的又一個(gè)例子而已。 正如哈森所說(shuō)：“我們需要從中吸取的教訓(xùn)很清楚，那就是將錯(cuò)誤的二元對(duì)立思維強(qiáng)加于有關(guān)自然世界的問(wèn)題上，不僅會(huì)使研究人員兩極分化，還可能會(huì)因?yàn)楹雎韵到y(tǒng)的復(fù)雜性而阻礙科學(xué)進(jìn)步。大自然不是非黑即白那么簡(jiǎn)單，摒棄錯(cuò)誤和武斷的劃分，我們便能朝著微妙的真相更快邁進(jìn)。”

遠(yuǎn)古生命三葉蟲(chóng)

04

科學(xué)背后：有錢(qián)任性的“蘋(píng)果公司CEO的貓”

和瑕疵鉆石被哄抬物價(jià)那些事兒

作為地球科學(xué)大師的哈森同時(shí)也是一名敘事高手，他將科學(xué)背后不為人知的故事娓娓道來(lái)，帶領(lǐng)讀者以第一視角直擊科學(xué)現(xiàn)場(chǎng)，親歷眾多或妙趣橫生、或驚險(xiǎn)刺激的科學(xué)探索事件。

深碳觀測(cè)計(jì)劃的重要目標(biāo)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(lèi)。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(lán)色和濃郁的紫羅蘭色；它們的形態(tài)亦千差萬(wàn)別，有的為優(yōu)雅的立方體和八面體，有的為纖細(xì)的針狀、平板構(gòu)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(shù)據(jù)庫(kù)，不同國(guó)家的礦物學(xué)家開(kāi)展了卓絕的努力。其中最具代表性的便是“拉夫數(shù)據(jù)庫(kù)”，而“拉夫”（Rruff）正是蘋(píng)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(shí)別出寶石種類(lèi)，他與拉夫數(shù)據(jù)庫(kù)的創(chuàng)始人唐斯達(dá)成了一筆交易——斯科特出資500 萬(wàn)美元為唐斯的實(shí)驗(yàn)室置備最先進(jìn)的儀器，而唐斯則協(xié)助鑒定斯科特的寶石。此外，還有一個(gè)附加條件：該數(shù)據(jù)庫(kù)必須以斯科特的貓的名字——拉夫來(lái)命名。

由金剛石（碳原子凍結(jié)而成的完美晶體）加工而成的鉆石受到無(wú)數(shù)人的追捧。大而無(wú)瑕的鉆石是稀有的珍寶，象征著愛(ài)情和權(quán)力；與之相反，科學(xué)家們卻最珍視鉆石里的礦物斑點(diǎn)——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(yùn)藏地球隱秘的深部信息的“時(shí)間膠囊”，記錄了鉆石形成的深度、時(shí)間以及環(huán)境等信息?？茖W(xué)家從中發(fā)現(xiàn)了地幔“水果蛋糕”般的結(jié)構(gòu)、發(fā)現(xiàn)了板塊構(gòu)造運(yùn)動(dòng)啟動(dòng)于30億年前的證據(jù)……科學(xué)發(fā)現(xiàn)的大量宣傳喚起了公眾的興趣，同時(shí)也促進(jìn)了人們對(duì)這類(lèi)鉆石的需求，那些曾經(jīng)被人嫌棄的、含有“難看的”包裹體的鉆石，現(xiàn)在正以高價(jià)被賣(mài)給礦物收藏家，它們?cè)絹?lái)越高的價(jià)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(shū)里，你還會(huì)認(rèn)識(shí)效力于挪威足球甲級(jí)聯(lián)賽的數(shù)學(xué)家、曾經(jīng)擔(dān)任“曼哈頓計(jì)劃”指揮官的地球物理學(xué)家、把教學(xué)課堂炸成事故現(xiàn)場(chǎng)的作者本人……正如碳貫穿了我們的日常生活，科學(xué)家們的探索故事也穿插在整部作品中，與前沿的科學(xué)成果交相輝映，共同造就了本書(shū)良好的可讀性。

05

碳與人類(lèi)的未來(lái)生活：

利用碳納米管搭建太空電梯、

利用碳預(yù)測(cè)火山噴發(fā)、

利用蛇綠巖吸收解決氣候變暖……

為了制造種類(lèi)繁多的生活必需品，需要原子以各種三維方式組合——沒(méi)有哪一種原子比碳更“擅長(zhǎng)”結(jié)合，關(guān)于新型材料的探索永遠(yuǎn)離不開(kāi)碳。未來(lái)分子級(jí)計(jì)算機(jī)所需的原子級(jí)馬達(dá)、制造太空電梯所需的碳納米管（中空的碳納米管的強(qiáng)度是驚人的，一根直徑只有1.3 毫米的細(xì)線(xiàn)可以承載超過(guò)10 噸的質(zhì)量——設(shè)計(jì)輕型橋梁、建筑、飛機(jī)和新一代復(fù)合材料的工程潛力巨大）、取代硅半導(dǎo)體的石墨烯晶體管……在這本書(shū)里，我們可以還一窺未來(lái)的人類(lèi)社會(huì)圖景。

碳納米管將幫助人類(lèi)實(shí)現(xiàn)太空電梯的夢(mèng)想 | 圖源：網(wǎng)絡(luò)

全世界有數(shù)億人生活在活火山的死亡地帶，還有數(shù)億人受到較遠(yuǎn)距離外的火山氣體和火山灰的威脅，正因如此，政府機(jī)構(gòu)和相關(guān)實(shí)驗(yàn)室都對(duì)地球上許多極危險(xiǎn)的火山持續(xù)進(jìn)行著監(jiān)測(cè)。為活火山配備氣體監(jiān)測(cè)儀是一項(xiàng)艱巨且危險(xiǎn)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(lái)的熔巖彈，都是家常便飯。火山學(xué)家只有戴上防護(hù)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(xiǎn)的活火山口邊緣，可以說(shuō)，火山學(xué)是“最致命”的科學(xué)領(lǐng)域之一。在1980—2000 年，這個(gè)只有幾百名研究人員的群體里死亡人數(shù)超過(guò)20名。1980年，火山學(xué)家亨利·格里肯（Henry Glicken）因?yàn)閾Q班幸運(yùn)地躲過(guò)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(duì)火山二氧化碳排放量的檢測(cè)過(guò)程中，地球深碳脫氣計(jì)劃（Deep Earth Carbon Degassing Project）的科學(xué)家們發(fā)現(xiàn)了一種簡(jiǎn)單且極有潛力的方法來(lái)預(yù)測(cè)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(huì)急劇上升。

DCO的科學(xué)家們?cè)诨鹕竭M(jìn)行實(shí)地考察

氣候變暖的影響范圍比火山噴發(fā)更廣，由此帶來(lái)的熱浪、洪水、干旱、森林火災(zāi)、海平面上升和生物多樣性銳減等災(zāi)害性事件正在頻繁發(fā)生。我們都知道，氣候變暖的罪魁禍?zhǔn)资嵌趸迹敲从袥](méi)有辦法把二氧化碳封存起來(lái)呢？哥倫比亞大學(xué)的彼得·凱萊門(mén)（Peter Kelemen）在阿曼的研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)氐纳呔G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(dāng)暴露在地球大氣中時(shí)，它們會(huì)與二氧化碳迅速反應(yīng)，形成由碳酸鎂和碳酸鈣構(gòu)成的縱橫交錯(cuò)的白色脈體。阿曼擁有大量蛇綠巖，足以將人類(lèi)產(chǎn)生的所有二氧化碳封存數(shù)百年。目前，阿曼政府并不想?yún)⑴c這項(xiàng)封存計(jì)劃——該國(guó)的經(jīng)濟(jì)基礎(chǔ)是石油，而不是碳封存。但這些巖石不會(huì)消失，它們?yōu)榻鉀Q地球氣候危機(jī)做出貢獻(xiàn)的前景仍然存在。

蛇綠巖

值得一提的是，本書(shū)的兩位譯者來(lái)自國(guó)內(nèi)地球科學(xué)研究的權(quán)威機(jī)構(gòu)——中國(guó)地質(zhì)科學(xué)院，他們對(duì)本書(shū)中的知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了詳細(xì)的核實(shí)和更新。書(shū)中各處引用到和推薦閱讀的文獻(xiàn)都詳細(xì)附在了書(shū)后，想要進(jìn)一步探究相關(guān)知識(shí)的讀者可以方便地查閱。

《碳如何玩轉(zhuǎn)地球》內(nèi)頁(yè)

《碳如何玩轉(zhuǎn)地球》也得到了中國(guó)科學(xué)院李廷棟院士的作序推薦：“為什么要關(guān)注地球上的碳呢？因?yàn)樘紵o(wú)處不在，它貫穿生命始終，我們生活在一個(gè)富含碳的行星上，作為碳基生命，沒(méi)有其他元素像碳一樣對(duì)我們的生命如此重要；因?yàn)樘紵o(wú)處不在，又神秘莫測(cè)，地球從哪里來(lái)，最終會(huì)變成什么樣，碳科學(xué)的研究或?qū)槿祟?lèi)的一些重大問(wèn)題提供答案；因?yàn)樘紵o(wú)處不在，全球氣候變化問(wèn)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(guān)……此書(shū)的作者羅伯特·M.哈森擁有豐富的科普經(jīng)驗(yàn)，在結(jié)構(gòu)上借鑒了古希臘的四元素學(xué)說(shuō)，并巧妙地將其與交響樂(lè)的四個(gè)篇章對(duì)應(yīng)。書(shū)中通過(guò)描述碳在土、氣、火、水中的流轉(zhuǎn)，從碳循環(huán)這一獨(dú)特視角講述了地球的演化歷程，同時(shí)將近些年來(lái)關(guān)于碳的前沿研究融入了進(jìn)來(lái)?！?/p>

我們知道的越多，就會(huì)發(fā)現(xiàn)未知的東西也越多，而科學(xué)家們將繼續(xù)滿(mǎn)懷熱情地探索。

如果你想了解地球萬(wàn)物從何而來(lái)，如果你想領(lǐng)略科學(xué)前沿前所未見(jiàn)的風(fēng)景，如果你對(duì)科學(xué)成果背后的故事充滿(mǎn)好奇，又或者你對(duì)人類(lèi)社會(huì)的未來(lái)走向充滿(mǎn)迷茫，那么閱讀這本書(shū)吧，碳將會(huì)給你答案！

THE END