碳如何玩轉地球：從萬物起源到現代文明（簡體書）

內容簡介：

我們生活在一個富碳的行星上，作為碳基生命，沒有其他元素像碳一樣對我們如此重要。

碳無處不在：在你的頭髮、骨骼、血液和每一個細胞裡，在你吃下每一口食物和呼吸的每一口空氣裡，從烏黑的煤炭和石油到閃閃發光的鉆石和寶石，從嬰兒服一直到靈柩，碳貫穿生命始終。

碳神秘莫測：太陽的終點是碳，生命的骨架是碳，地心最深處可能包含大量碳，對碳元素的研究將為人類的一些重大問題提供答案——地球從哪裡來？最終會變成什麼樣？我們人類又會變成什麼樣？

本書是由50多個國家的1000多名科學家參與的“深碳觀測計劃”（DCO）的科普結晶，地球科學家羅伯特·哈森領導了DCO重要而意義深遠的工作，通過富有詩意的語言，羅伯特·M.哈森帶領我們從宇宙大爆炸開始，從碳循環的視角見證地球和生命的演化，同時融入了新近的科學成果以及背後充滿驚險和趣味的科學故事。

作者以碳在土、氣、火、水中的流轉為線索，並巧妙地將這四大元素與交響樂的四個篇章對應，將眾多科學家的開創性發現融匯為一部萬物演化的交響樂！第一樂章“土之運動：晶體中的碳”介紹了關於地球地質演化的新知洞見；第二樂章“氣之運動：循環中的碳”講述了地球上宏偉的碳循環，碳在大氣中的存在穩定了氣候，使陸地上的生命得以進化；碳在能源、工業和新興高科技領域發揮著活躍的作用，塑造了人類近現代的生活形態，這就需要第三樂章“火之運動：材料中的碳”與之匹配；第四樂章“水之運動：生命中的碳”，探索了生命的起源和演化。伴隨著生命演化的多樣性與創新性，樂章陡然加速，碳的交響樂迅速走向尾聲，碳科學的諸多主題也匯集到一起。我們知道的越多，就會發現未知的東西也越多，而科學家們將繼續滿懷熱情地尋找未知的答案。

作者簡介：

[美] 羅伯特·M.哈森（Robert M. Hazen）

美國卡內基科學研究所高級研究員，喬治梅森大學地球科學教授，深碳觀測計劃（Deep Carbon Observatory，DCO）首席研究員，曾任美國礦物學會主席，先後獲得麻省理工學院地質學學士和碩士學位、哈佛大學地球科學博士學位。

哈森不僅是礦物與生命協同演化理論的先驅，而且在科學傳播與寫作上表現非凡，發表科學文章400多篇，著有圖書20余部。他曾獲得美國礦物學會獎及其杰出公眾傳播獎、美國化學會伊帕季耶夫獎、蒂姆斯·泰勒獎、教育學會獎、伊麗莎白·伍德科學寫作獎等。他還經常通過廣播、電視、講座和視頻課等方式向公眾傳播科學。

譯者：

董漢文

中國地質科學院構造地質學博士，中國地質科學院地質研究所副研究員。現任中國地質學會青年工作委員會委員、世界青年地球科學家聯盟中國委員會副主席，入選自然資源部青年科技人才，微信視頻號、新浪微博等多個平臺認證的科學科普學者。多年來專注於喜馬拉雅造山帶構造演化和造山過程的研究，在國內外主流地學期刊發表論文近20篇，系列科普視頻“一分鐘地質”深受公眾喜愛。

曾令森

研究員，博士生導師，本科畢業於南京大學，博士畢業於美國加州理工學院。現任中國地質科學院地質研究所地球系統科學研究中心主任、中國青藏高原研究會副理事長，長期從事地殼深熔作用和造山帶深部過程的研究，獲國家杰出青年基金資助、“黃汲清青年地質科學技術獎”和“青藏高原青年科技獎”，入選國家“萬人計劃”。

引言

環顧四周，碳無處不在：這本書裡的紙張，紙張上的油墨，黏合紙張的膠水；鞋子的皮革，衣服的合成纖維和彩色染料，特氟龍拉鏈和魔術貼；我們吃的每一口食物，喝的每一口啤酒、烈酒、汽水、起泡酒；房間裡的地毯，墻壁上的油漆，天花板上的瓷磚；天然氣、汽油、燭用蠟（製造蠟燭用的石蠟，通常為半精煉石蠟或粗石蠟）等各種燃料；堅固的木材和拋光的大理石；各種黏合劑、潤滑劑；鉛筆的筆芯（主要材料是石墨），戒指上的鉆石；阿司匹林、尼古丁、可待因和咖啡因，以及其他你服用過的幾乎所有藥物；任何塑料制品，從購物袋到自行車頭盔，從廉價的家具到名牌太陽鏡。從出生到死亡，碳原子時刻圍繞在我們身邊。

碳是生命的賦予者：你的皮膚和頭髮、血液和骨骼、肌肉和筋腱全都依賴於碳。實際上，你體內的每個細胞，甚至細胞的每個部分，都依賴於堅固的碳骨架。母乳中的碳支撐起孩子心臟的跳動。愛人的眼睛、手、嘴唇以及大腦均以碳為基礎。當你呼吸時，碳從鼻腔逸出；當你親吻時，碳在唇齒間徘徊。

我們也可以輕易地列舉出生活中不含碳的物品，比如冰箱裡的鋁罐、蘋果手機裡的微型硅芯片、可以用來製作烤瓷牙的黃金等等。但須牢記，我們生活在一個富含碳的星球上，我們本身就由碳元素構成。

每一種化學元素都很特殊，盡管如此，有些元素還是比別的元素更特殊。在元素周期表種類繁多的元素中，第6 號元素，即碳元素，對我們的生活產生了獨一無二的影響。碳不僅僅是構成物質的靜態元素，它還能夠跨越浩瀚的時空，提供最為關鍵的化學聯繫，幫助我們理解宇宙演化的奧秘。在將近140 億年的時間裡，宇宙不斷演化，塑造出更加豐富多彩的圖案，這個過程伴隨著無盡的化學反應，讓人為之著迷，卻又滿懷疑惑。

碳是宇宙演化的核心，也是構成行星和生命的關鍵。相比其他元素，碳對新技術的快速出現發揮了更大的作用，使人類社會從工業革命的“蒸汽時代”演進到我們現在所處的“塑料時代”。當然，人類的碳排放也前所未有地加速了全球範圍內環境和氣候的變化。

那麼，我們為什麼更關注碳呢？與碳相比，氫的儲量更豐富，氦的性質更穩定，氧的性質更活潑，鐵、硫、磷、鈉、鈣、氮也都有自己獨特的魅力。上述元素都在地球複雜的演化過程中扮演了關鍵角色，但是要想在廣袤、寒冷、黑暗的宇宙中找尋方向，以碳為焦點才能得到更好的答案，碳元素以及含碳化合物為宇宙演化提供了無與倫比的創造力和潛力。

在100 多種化學元素中，我們對碳元素既充滿喜愛，又心懷忌憚。成千上萬的人不斷發明各種各樣的新型碳基材料，比如面巾紙、氨綸、氟利昂、尼龍、聚乙烯、凡士林、漱口水、急救噴霧劑、透明膠帶、橡皮泥……這些材料以直接或者間接的方式改善了我們的生活。然而，這些合成化學品的過度使用也導致了意想不到的後果，比如造成臭氧層空洞，使人致癌或產生嚴重過敏反應。碳是所有生物分子的基礎，它對人類福祉和生命延續的貢獻之大無與倫比，但是當機體內的碳原子缺失或排列不當時，疾病和死亡也會隨之出現。

近地表的碳循環穩定了全球氣候，確保了生態系統的健康，並為我們提供了豐富的廉價能源。然而如果自然活動或人類活動（如火山噴發、煤的燃燒、小行星失控、森林消失等等）影響了碳原子的分布，那麼全球氣候就可能會發生變化，生態系統就可能會崩潰。碳的影響並不局限於近地表的生物領域，它還在地球內部參與那些將地球與其他行星區分開來的動態過程。

從某種意義上說，碳的故事就是一切的故事。然而，這種無處不在、不可或缺的元素身上充滿了謎團。我們不知道地球上到底有多少碳，也不能完全知曉地球內部各種碳的存在形式。我們不了解碳原子如何在地球表面和內部進行循環運動，也不能通過地質學家眼中的“深時”（deep

time）來分辨這些運動是否在數十億年間發生了顯著變化。雖然數百萬種含碳化合物已為人知曉，但科學家們才剛剛開始觸碰到碳化學的豐富性。事實上，要想解開生命起源這一最大的謎團，必然要理解碳與其他元素之間複雜的化學反應。

從碳的數量和形式，到碳的運動和起源，我們對碳的了解少得可憐。尋求這些問題的答案，我們勢在必行，但僅以我們對碳狹隘的理解又怎能彌補這些鴻溝呢？科研機構本身就在結構上存在著缺陷，這可能注定了碳科學研究難以持續進行。大學缺乏碳科學研究中心，大規模、跨學科的碳科學研究項目更是寥寥無幾。雖然科學發現依賴於提出關於自然界的問題，但也依賴於在時間和金錢有限的環境中找到相關資源，而此時，學科專業化往往優於學科的集成和綜合。

誰會願意支持一個不同類型的研究呢？

…………

請各位入座，燈光正在變暗，故事即將開始。宇宙將從絕對的虛無中誕生，故事將追溯到碳與時間出現之前。