碳如何玩转地球：从万物起源到现代文明

作者简介

作者简介： [美] 罗伯特·M.哈森（Robert M. Hazen） 美国卡内基科学研究所高级研究员，乔治梅森大学地球科学教授，深碳观测计划（Deep Carbon Observatory，DCO）首席研究员，曾任美国矿物学会主席，先后获得麻省理工学院地质学学士和硕士学位、哈佛大学地球科学博士学位。 哈森不仅是矿物与生命协同演化理论的先驱，而且在科学传播与写作上表现非凡，发表科学文章400多篇，著有图书20余部。他曾获得美国矿物学会奖及其杰出公众传播奖、美国化学会伊帕季耶夫奖、蒂姆斯·泰勒奖、教育学会奖、伊丽莎白·伍德科学写作奖等。他还经常通过广播、电视、讲座和视频课等方式向公众传播科学。 译者： 董汉文 中国地质科学院构造地质学博士，中国地质科学院地质研究所副研究员。现任中国地质学会青年工作委员会委员、世界青年地球科学家联盟中国委员会副主席，入选自然资源部青年科技人才，微信视频号、新浪微博等多个平台认证的科学科普学者。多年来专注于喜马拉雅造山带构造演化和造山过程的研究，在国内外主流地学期刊发表论文近20篇，系列科普视频“一分钟地质”深受公众喜爱。 曾令森 研究员，博士生导师，本科毕业于南京大学，博士毕业于美国加州理工学院。现任中国地质科学院地质研究所地球系统科学研究中心主任、中国青藏高原研究会副理事长，长期从事地壳深熔作用和造山带深部过程的研究，获国家杰出青年基金资助、“黄汲清青年地质科学技术奖”和“青藏高原青年科技奖”，入选国家“万人计划”。

内容简介

引言 环顾四周，碳无处不在：这本书里的纸张，纸张上的油墨，黏合纸张的胶水；鞋子的皮革，衣服的合成纤维和彩色染料，特氟龙拉链和魔术贴；我们吃的每一口食物，喝的每一口啤酒、烈酒、汽水、起泡酒；房间里的地毯，墙壁上的油漆，天花板上的瓷砖；天然气、汽油、烛用蜡（制造蜡烛用的石蜡，通常为半精炼石蜡或粗石蜡）等各种燃料；坚固的木材和抛光的大理石；各种黏合剂、润滑剂；铅笔的笔芯（主要材料是石墨），戒指上的钻石；阿司匹林、尼古丁、可待因和咖啡因，以及其他你服用过的几乎所有药物；任何塑料制品，从购物袋到自行车头盔，从廉价的家具到名牌太阳镜。从出生到死亡，碳原子时刻围绕在我们身边。 碳是生命的赋予者：你的皮肤和头发、血液和骨骼、肌肉和筋腱全都依赖于碳。实际上，你体内的每个细胞，甚至细胞的每个部分，都依赖于坚固的碳骨架。母乳中的碳支撑起孩子心脏的跳动。爱人的眼睛、手、嘴唇以及大脑均以碳为基础。当你呼吸时，碳从鼻腔逸出；当你亲吻时，碳在唇齿间徘徊。 我们也可以轻易地列举出生活中不含碳的物品，比如冰箱里的铝罐、苹果手机里的微型硅芯片、可以用来制作烤瓷牙的黄金等等。但须牢记，我们生活在一个富含碳的星球上，我们本身就由碳元素构成。 每一种化学元素都很特殊，尽管如此，有些元素还是比别的元素更特殊。在元素周期表种类繁多的元素中，第6 号元素，即碳元素，对我们的生活产生了独一无二的影响。碳不仅仅是构成物质的静态元素，它还能够跨越浩瀚的时空，提供最为关键的化学联系，帮助我们理解宇宙演化的奥秘。在将近140 亿年的时间里，宇宙不断演化，塑造出更加丰富多彩的图案，这个过程伴随着无尽的化学反应，让人为之着迷，却又满怀疑惑。 碳是宇宙演化的核心，也是构成行星和生命的关键。相比其他元素，碳对新技术的快速出现发挥了更大的作用，使人类社会从工业革命的“蒸汽时代”演进到我们现在所处的“塑料时代”。当然，人类的碳排放也前所未有地加速了全球范围内环境和气候的变化。 那么，我们为什么更关注碳呢？与碳相比，氢的储量更丰富，氦的性质更稳定，氧的性质更活泼，铁、硫、磷、钠、钙、氮也都有自己独特的魅力。上述元素都在地球复杂的演化过程中扮演了关键角色，但是要想在广袤、寒冷、黑暗的宇宙中找寻方向，以碳为焦点才能得到更好的答案，碳元素以及含碳化合物为宇宙演化提供了无与伦比的创造力和潜力。 在100 多种化学元素中，我们对碳元素既充满喜爱，又心怀忌惮。成千上万的人不断发明各种各样的新型碳基材料，比如面巾纸、氨纶、氟利昂、尼龙、聚乙烯、凡士林、漱口水、急救喷雾剂、透明胶带、橡皮泥……这些材料以直接或者间接的方式改善了我们的生活。然而，这些合成化学品的过度使用也导致了意想不到的后果，比如造成臭氧层空洞，使人致癌或产生严重过敏反应。碳是所有生物分子的基础，它对人类福祉和生命延续的贡献之大无与伦比，但是当机体内的碳原子缺失或排列不当时，疾病和死亡也会随之出现。 近地表的碳循环稳定了全球气候，确保了生态系统的健康，并为我们提供了丰富的廉价能源。然而如果自然活动或人类活动（如火山喷发、煤的燃烧、小行星失控、森林消失等等）影响了碳原子的分布，那么全球气候就可能会发生变化，生态系统就可能会崩溃。碳的影响并不局限于近地表的生物领域，它还在地球内部参与那些将地球与其他行星区分开来的动态过程。 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，也不能完全知晓地球内部各种碳的存在形式。我们不了解碳原子如何在地球表面和内部进行循环运动，也不能通过地质学家眼中的“深时”（deep time）来分辨这些运动是否在数十亿年间发生了显著变化。虽然数百万种含碳化合物已为人知晓，但科学家们才刚刚开始触碰到碳化学的丰富性。事实上，要想解开生命起源这一最大的谜团，必然要理解碳与其他元素之间复杂的化学反应。 从碳的数量和形式，到碳的运动和起源，我们对碳的了解少得可怜。寻求这些问题的答案，我们势在必行，但仅以我们对碳狭隘的理解又怎能弥补这些鸿沟呢？科研机构本身就在结构上存在着缺陷，这可能注定了碳科学研究难以持续进行。大学缺乏碳科学研究中心，大规模、跨学科的碳科学研究项目更是寥寥无几。虽然科学发现依赖于提出关于自然界的问题，但也依赖于在时间和金钱有限的环境中找到相关资源，而此时，学科专业化往往优于学科的集成和综合。 谁会愿意支持一个不同类型的研究呢？ ………… 请各位入座，灯光正在变暗，故事即将开始。宇宙将从绝对的虚无中诞生，故事将追溯到碳与时间出现之前。 （1）以碳为眼，从全新视角纵览地球45亿年史诗变迁！ 二氧化碳、碳水化合物、碳基生命、碳中和、碳达峰……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，深刻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！跟随碳的脚步踏上万物演化之旅，享受耳目一新的震撼体验！ （2）超大型国际科研项目“深碳观测计划”（DCO）科普化结晶，融汇50个国家1200多名科学家智慧，众多前沿跨学科成果刷新认知！ 我们是“火星的后裔”吗？生命起源于矿物表面？蛇绿岩可以帮助人类封存所有的二氧化碳？地幔像个水果蛋糕？石墨烯染发剂能让你冰凉一夏？……深碳观测计划于2008年在华盛顿启动，项目定位为以碳元素为中心，拓展人类对于地球的认识。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科学网络。来自包括中国在内的50个国家的生物、物理、地质、化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、绝美、宏大的科学图景！ （3）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，一部鲜活的现代科学史诗！ 苹果公司首任执行官迈克尔·斯科特（Michael Scott）是狂热的宝石收藏家，并任性地把大型矿物学数据库以他的宠物猫的名字命名；火山学家是死亡率居高不下的科学家群体，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……正如碳贯穿了我们的日常生活，科学家们生动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。 （4）美国矿物学会前主席、《科学》《纽约时报》盛赞作者之新作！中国地质科学院专业学者精译，中国科学院院士作序推荐！ 罗伯特·M.哈森曾任美国矿物学会主席，所著科普作品得到《科学》《纽约时报》等权威期刊和媒体的盛赞，其炉火纯青的叙事技巧和轻松幽默的语言风格让阅读充满乐趣。本书的两位译者来自中国地球科学研究的权威机构——中国地质科学院，从专业角度对书中的知识点进行了细致核查。中国科学院李廷栋院士为本书作序推荐。 （5）交响乐般艺术化的呈现形式，科学成就与人文思想的碰撞升华！ “碳这部宏伟、永恒的交响乐统一了万物的基本组成要素——土、气、火、水……我们的精神是独立的，我们的思想是独一无二的，但我们身体内的碳原子却像微风一样转瞬即逝。”跟随作者的脚步，我们不仅能获得新奇丰富的科学知识，也将经历意味深长的思想洗礼。