碳，从宇宙到地球

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碳 从宇宙到地球

作者：真果少年糕

校稿：朝乾 / 编辑：蛾

上个月，由詹姆斯·韦伯空间望远镜拍摄的首张照片——星系团SMACS 0723向大众公开。这张照片中包含了数千个星系，是迄今为止最清晰的遥远宇宙红外图像。

其中有些光束经历了数十亿光年，才来到我们面前

（SMACS 0723，图：壹图网）▼

韦伯空间望远镜拍摄的斯蒂芬五重星系（图：wiki）▼

新晋空间望远镜“韦伯”强大观测能力的背后，是尖端技术的加持。其中，由含碳的聚酰亚胺制成的可折叠遮光板，能阻挡住来自太阳的炙热光线；主镜背板上的含碳复合材料，也承担着仪器的部分重量。由此可见，碳为韦伯空间望远镜的太空之旅，贡献不少。

韦伯空间望远镜长这样（底图：wiki）▼

韦伯空间望远镜的遮光膜（图：wiki）▼

碳从宇宙来

相信很多人第一次了解碳元素，是在那张中学时背到头疼的元素周期表里。这张表最早由俄国化学家德米特里·门捷列夫于1869年独立出版，元老级的碳元素也位列其中。

考试必考，不背不行（图：shutterstock）▼

碳元素位于元素周期表第二行的IVA族，通常用C表示，原子序数和原子量分别为6和12.011 u。碳原子最外层有四个能键合的电子，碳碳间形成共价键十分方便且易成链，这让碳拥有很多我们熟知的同素异形体。

碳的同素异性体主要包括无定形碳、过渡碳和晶形碳三类。例如由多层六角形碳原子环组成的石墨、四面体结构的金刚石和球状的富勒烯等，都属晶形碳范畴。

同素异形体，是指由同样化学元素组成

而结构形态却不相同的单质▼

除了能自己愉快玩耍，组成不同的同素异形体外，碳也能与氢、氧等元素组合，形成千姿百态的有机化合物。据统计，目前已记录的纯有机化合物就有近一千万种。这些有机化合物从复杂的微观结构逐步累积成具体的宏观构成，最终呈现出世间万物。

碳元素是世界上形成物质种类最多的元素

说它是这颗蓝星上的“建筑师”，毫不为过

（横屏，图：shutterstock）▼

不论在非生命的生铁里，还是千变万化的有机体中，都能找到碳的身影。可以说，碳是这颗蓝色星球上当之无愧的主宰者。那么，如此有实力的碳，究竟是从哪儿来的呢？

答案当然是宇宙。目前，大爆炸宇宙论是被人们广泛认同的一种宇宙起源假说。大爆炸宇宙论由比利时宇宙学家勒梅特在1927年首次提出。

宇宙大爆炸，一切便从那时开始（图：NASA）▼

该假说认为宇宙是由一个密度和温度都无限高的奇点，在大约138亿年前的一次大爆炸后膨胀形成的。之后，美国天文学家哈勃计算出星系的红移量与星系间的距离成正比的哈勃定律，推导出宇宙膨胀说，进一步从反向验证了大爆炸宇宙论。

在奇点，目前所知的物理定律无法适用

例如黑洞的中心，以及在大爆炸之前的初始奇点

（超大质量黑洞，图：wiki）▼

然而，这次大爆炸虽然威力大，但产物并不多，仅制造出了氢、氦、锂（可能还有铍）这几种化学元素。对生命有重要意义的碳，在那时并未出现。

这主要是因为碳原子核的合成需要通过3颗α粒子（氦原子核）几乎同时互相撞击的3氦过程而形成。当温度达到约1亿开尔文时，这些α粒子才能通过铍-8屏障快速融合，进而产生大量稳定的碳-12，否则只能产生不稳定的锂-5和铍-8，导致原子核迅速衰败缩小。

3氦过程，是一组核聚变反应

通过这些反应，三颗α粒子转化为碳核（图：wiki）▼

不幸的是，大爆炸后宇宙不断碰撞，温度和密度都不断下降，远达不到3氦过程形成稳定碳元素的反应条件。

随着时间推移，温度回升，宇宙中的尘埃逐步形成原子、原子核和分子，并复合成气体，逐渐凝聚成为恒星和星系的老家——星际云。

说到这里，来看看鹰星云的“创生之柱”

绚烂至极，壮丽至极（图：shutterstock）▼

根据星云假说，这些星际云碎片在各种因素作用下向云核中心坍塌，进而形成原恒星。之后星际云中心继续发生核聚变反应，生成主序前星。我们所在的太阳系，最初也是这样开始的。“富含金属”的恒星，向太空中喷出它们的产物，碳元素也在其中。

地球所在的太阳系，只是银河系中极其渺小的存在

（底图：NASA & shutterstock）▼

目前，在彗星、行星大气层、太阳以及其他恒星中，都能发现不少碳的身影。这些在宇宙中游荡的碳，又是如何来到地球的呢？

碳到地球去

有研究表明，地球上大部分的碳很可能是在太阳系原行星盘形成并变暖后，由弥漫的气体云和微小固体粒子组成的星际介质所积累起来的。另外，在太阳系形成的最初一百万年内，小行星的不断撞击，也为地球上水和碳的到来，提供了来源途径。

然而，费劲千辛万苦来到地球上的碳，起初并未被人类所察觉。直到闪电使木材燃烧，人类学会生火后残留下木炭，我们与碳元素的故事才刚刚开始。

人类与碳的不期而遇，永久性地改变了历史

（图：shutterstock）▼

1722年，法国化学家拉瓦锡在玻璃钟罩中进行了金刚石和木炭的燃烧试验，发现二者试验结果没有差别，证明了透亮的金刚石和黝黑的石墨内是同一种物质。

1789年，拉瓦锡以试验结果为依据，在其编著的《化学基本论述》一书中，首次命名了这种化学元素。

以金刚石和石墨为例

碳的各种同素异形体有著两极化的异常特性▼

20世纪初，随着西方近代化学传入我国，这种元素也有了它的中文名字“碳”，成为诸多热词的根基。被正名后的碳，逐渐成为世界科学殿堂中的常客。

从1960年美国化学家威拉得·利比用放射性C14进行地质年代测定，到2019年古迪纳夫、惠廷厄姆和吉野彰三位科学家将电池阳极材料由传统活泼锂转化成焦炭，克服了锂电池的不稳定缺陷。以碳主题的研究项目先后五次斩获诺贝尔奖，是所有元素中获奖次数最多的。

就是说，许多科研大牛都喜欢拿碳做文章

（测试碳纤维的拉伸强度，图：壹图网）▼

碳元素不仅上得了领奖台，也下得到日常生活中。用来改良土壤的生物活性炭，在竞技体育中使用到的碳纤维，能制作电极的玻璃碳，食品添加剂电化学检测技术中的碳纳米管材料，富勒烯太阳能电池等，都已融入到人们衣食住行的方方面面。

从日常生活到科研技术，碳无处不在（图：wiki）▼

除了从外部渗透到人类社会，碳也从内部不断改造着我们的身体。不论是维系体内物质运输和新陈代谢的蛋白质，还是保障生命活动所需能量的糖类，或是引导生物发育与生命机能运作的DNA，都少不了碳元素作为基本架构。这些由碳作为基本碳链的化合物，保障着生命体正常地生长和繁殖。

碳普遍存在于我们的身体，以及各种生物体内

大若鲲鹏，小若蜉蝣，莫不如是（图：壹图网）▼

虽然在一些科幻作品中，硅基生物一直都是热门话题，不过目前尚未发现硅基生物存在的证据。地球仍由以碳元素为有机物质基础的碳基生物掌管，人类也是其中一员。可以说，如果没有碳，人类文明也不会存在。

碳元素在构成生命框架，维系生命体运行的同时，也以碳循环的方式，保障着蓝色星球的正常运转。大气中二氧化碳被陆地和海洋中的植物吸收，后通过地质、生物和人类活动，又以二氧化碳的形式返回到大气中，形成碳循环。

循环往复，生生不息▼

在碳循环中，碳元素在生物圈、岩石圈、水圈、土壤圈和大气圈中不断交换，并随地球运动循环往复，最终影响全球气候。随着工业化进程的不断推进，“碳基生物”人类在全球碳循环中，扮演着越来越重要的角色。

当碳基生物遇上“减碳大师”

进入工业时代后，人们开始用煤炭、石油、天然气等化石燃料供能。化石燃料的燃烧在方便我们日常生活的同时，也使得地层中积累几十亿年的碳在短时间内释放，影响全球气候。资料显示，最近150年来，大气中的二氧化碳浓度已从280 ppm上升到 400ppm，全球平均气温也上升了约0.7℃。

作为影响大气中二氧化碳浓度的重要原因，由碳固定和碳释放两个过程组成的碳循环，已成为全球气候变化研究的热点话题。其中，如何促进碳固定，减少碳释放以达到碳平衡，是碳循环中最核心的问题。

如何走好这一步，也是实现碳平衡的关键

（图：shutterstock）▼

随着“双碳”目标的提出和推进，可持续发展已成为社会经济发展中的一大亮点。

封面图片来自shutterstock

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原标题：《每年，激增15亿吨》

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