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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

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

其中有些光束經(jīng)歷了數(shù)十億光年，才來到我們面前

（SMACS 0723，圖：壹圖網(wǎng)）▼

韋伯空間望遠鏡拍攝的斯蒂芬五重星系（圖：wiki）▼新晉空間望遠鏡“韋伯”強大觀測能力的背后，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，能阻擋住來自太陽的炙熱光線；主鏡背板上的含碳復合材料，也承擔著儀器的部分重量。由此可見，碳為韋伯空間望遠鏡的太空之旅，貢獻不少。

韋伯空間望遠鏡長這樣（底圖：wiki）▼

韋伯空間望遠鏡的遮光膜（圖：wiki）▼碳從宇宙來

相信很多人第一次了解碳元素，是在那張中學時背到頭疼的元素周期表里。這張表最早由俄國化學家德米特里·門捷列夫于1869年獨立出版，元老級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能鍵合的電子，碳碳間形成共價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定形碳、過渡碳和晶形碳三類。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)的有機化合物。據(jù)統(tǒng)計，目前已記錄的純有機化合物就有近一千萬種。這些有機化合物從復雜的微觀結(jié)構(gòu)逐步累積成具體的宏觀構(gòu)成，最終呈現(xiàn)出世間萬物。

碳元素是世界上形成物質(zhì)種類最多的元素

說它是這顆藍星上的“建筑師”，毫不為過

（橫屏，圖：shutterstock）▼

不論在非生命的生鐵里，還是千變?nèi)f化的有機體中，都能找到碳的身影?？梢哉f，碳是這顆藍色星球上當之無愧的主宰者。那么，如此有實力的碳，究竟是從哪兒來的呢？

答案當然是宇宙。目前，大爆炸宇宙論是被人們廣泛認同的一種宇宙起源假說。大爆炸宇宙論由比利時宇宙學家勒梅特在1927年首次提出。

宇宙大爆炸，一切便從那時開始（圖：NASA）▼

該假說認為宇宙是由一個密度和溫度都無限高的奇點，在大約138億年前的一次大爆炸后膨脹形成的。之后，美國天文學家哈勃計算出星系的紅移量與星系間的距離成正比的哈勃定律，推導出宇宙膨脹說，進一步從反向驗證了大爆炸宇宙論。

在奇點，目前所知的物理定律無法適用

例如黑洞的中心，以及在大爆炸之前的初始奇點

（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）這幾種化學元素。對生命有重要意義的碳，在那時并未出現(xiàn)。

這主要是因為碳原子核的合成需要通過3顆α粒子（氦原子核）幾乎同時互相撞擊的3氦過程而形成。當溫度達到約1億開爾文時，這些α粒子才能通過鈹-8屏障快速融合，進而產(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，導致原子核迅速衰敗縮小。

3氦過程，是一組核聚變反應(yīng)

通過這些反應(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，遠達不到3氦過程形成穩(wěn)定碳元素的反應(yīng)條件。

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

說到這里，來看看鷹星云的“創(chuàng)生之柱”

絢爛至極，壯麗至極（圖：shutterstock）▼

根據(jù)星云假說，這些星際云碎片在各種因素作用下向云核中心坍塌，進而形成原恒星。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。我們所在的太陽系，最初也是這樣開始的。“富含金屬”的恒星，向太空中噴出它們的產(chǎn)物，碳元素也在其中。

地球所在的太陽系，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系原行星盤形成并變暖后，由彌漫的氣體云和微小固體粒子組成的星際介質(zhì)所積累起來的。另外，在太陽系形成的最初一百萬年內(nèi)，小行星的不斷撞擊，也為地球上水和碳的到來，提供了來源途徑。

然而，費勁千辛萬苦來到地球上的碳，起初并未被人類所察覺。直到閃電使木材燃燒，人類學會生火后殘留下木炭，我們與碳元素的故事才剛剛開始。

人類與碳的不期而遇，永久性地改變了歷史

（圖：shutterstock）▼

1722年，法國化學家拉瓦錫在玻璃鐘罩中進行了金剛石和木炭的燃燒試驗，發(fā)現(xiàn)二者試驗結(jié)果沒有差別，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，拉瓦錫以試驗結(jié)果為依據(jù)，在其編著的《化學基本論述》一書中，首次命名了這種化學元素。

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世紀初，隨著西方近代化學傳入我國，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，逐漸成為世界科學殿堂中的常客。

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

就是說，許多科研大牛都喜歡拿碳做文章

（測試碳纖維的拉伸強度，圖：壹圖網(wǎng)）▼

碳元素不僅上得了領(lǐng)獎臺，也下得到日常生活中。用來改良土壤的生物活性炭，在競技體育中使用到的碳纖維，能制作電極的玻璃碳，食品添加劑電化學檢測技術(shù)中的碳納米管材料，富勒烯太陽能電池等，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)，碳無處不在（圖：wiki）▼

除了從外部滲透到人類社會，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)運輸和新陳代謝的蛋白質(zhì)，還是保障生命活動所需能量的糖類，或是引導生物發(fā)育與生命機能運作的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話題，不過目前尚未發(fā)現(xiàn)硅基生物存在的證據(jù)。地球仍由以碳元素為有機物質(zhì)基礎(chǔ)的碳基生物掌管，人類也是其中一員?？梢哉f，如果沒有碳，人類文明也不會存在。

碳元素在構(gòu)成生命框架，維系生命體運行的同時，也以碳循環(huán)的方式，保障著藍色星球的正常運轉(zhuǎn)。大氣中二氧化碳被陸地和海洋中的植物吸收，后通過地質(zhì)、生物和人類活動，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，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，并隨地球運動循環(huán)往復，最終影響全球氣候。隨著工業(yè)化進程的不斷推進，“碳基生物”人類在全球碳循環(huán)中，扮演著越來越重要的角色。

當碳基生物遇上“減碳大師”

進入工業(yè)時代后，人們開始用煤炭、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，也使得地層中積累幾十億年的碳在短時間內(nèi)釋放，影響全球氣候。資料顯示，最近150年來，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過程組成的碳循環(huán)，已成為全球氣候變化研究的熱點話題。其中，如何促進碳固定，減少碳釋放以達到碳平衡，是碳循環(huán)中最核心的問題。

如何走好這一步，也是實現(xiàn)碳平衡的關(guān)鍵

（圖：shutterstock）▼

隨著“雙碳”目標的提出和推進，可持續(xù)發(fā)展已成為社會經(jīng)濟發(fā)展中的一大亮點。

封面圖片來自shutterstock

END

原標題：《每年，激增15億噸》

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