我們生活在一個(gè)富碳的行星上,作為碳基生命,沒有其他元素像碳一樣對(duì)我們?nèi)绱酥匾?/p>
碳無處不在:在你的頭發(fā)、骨骼、血液和每一個(gè)細(xì)胞里,在你吃下每一口食物和呼吸的每一口空氣里,從烏黑的煤炭和石油到閃閃發(fā)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(cè):太陽(yáng)的終點(diǎn)是碳,生命的骨架是碳,地心最深處可能包含大量碳,對(duì)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里來?最終會(huì)變成什么樣?我們?nèi)祟愑謺?huì)變成什么樣?
本書是由50多個(gè)國(guó)家的1000多名科學(xué)家參與的深碳觀測(cè)計(jì)劃(DCO)的科普結(jié)晶,地球科學(xué)家羅伯特·哈森領(lǐng)導(dǎo)了DCO重要而意義深遠(yuǎn)的工作,通過富有詩(shī)意的語言,羅伯特·M.哈森帶領(lǐng)我們從宇宙大爆炸開始,從碳循環(huán)的視角見證地球和生命的演化,同時(shí)融入了新近的科學(xué)成果以及背后充滿驚險(xiǎn)和趣味的科學(xué)故事。
作者以碳在土、氣、火、水中的流轉(zhuǎn)為線索,并巧妙地將這四大元素與交響樂的四個(gè)篇章對(duì)應(yīng),將眾多科學(xué)家的開創(chuàng)性發(fā)現(xiàn)融匯為一部萬物演化的交響樂!第一樂章土之運(yùn)動(dòng):晶體中的碳介紹了關(guān)于地球地質(zhì)演化的新知洞見;第二樂章氣之運(yùn)動(dòng):循環(huán)中的碳講述了地球上宏偉的碳循環(huán),碳在大氣中的存在穩(wěn)定了氣候,使陸地上的生命得以進(jìn)化;碳在能源、工業(yè)和新興高科技領(lǐng)域發(fā)揮著活躍的作用,塑造了人類近現(xiàn)代的生活形態(tài),這就需要第三樂章火之運(yùn)動(dòng):材料中的碳與之匹配;第四樂章水之運(yùn)動(dòng):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(chuàng)新性,樂章陡然加速,碳的交響樂迅速走向尾聲,碳科學(xué)的諸多主題也匯集到一起。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)滿懷熱情地尋找未知的答案。
引言
環(huán)顧四周,碳無處不在:這本書里的紙張,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(shù)貼;我們吃的每一口食物,喝的每一口啤酒、烈酒、汽水、起泡酒;房間里的地毯,墻壁上的油漆,天花板上的瓷磚;天然氣、汽油、燭用蠟(制造蠟燭用的石蠟,通常為半精煉石蠟或粗石蠟)等各種燃料;堅(jiān)固的木材和拋光的大理石;各種黏合劑、潤(rùn)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(gòu)物袋到自行車頭盔,從廉價(jià)的家具到名牌太陽(yáng)鏡。從出生到死亡,碳原子時(shí)刻圍繞在我們身邊。
碳是生命的賦予者:你的皮膚和頭發(fā)、血液和骨骼、肌肉和筋腱全都依賴于碳。實(shí)際上,你體內(nèi)的每個(gè)細(xì)胞,甚至細(xì)胞的每個(gè)部分,都依賴于堅(jiān)固的碳骨架。母乳中的碳支撐起孩子心臟的跳動(dòng)。愛人的眼睛、手、嘴唇以及大腦均以碳為基礎(chǔ)。當(dāng)你呼吸時(shí),碳從鼻腔逸出;當(dāng)你親吻時(shí),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,比如冰箱里的鋁罐、蘋果手機(jī)里的微型硅芯片、可以用來制作烤瓷牙的黃金等等。但須牢記,我們生活在一個(gè)富含碳的星球上,我們本身就由碳元素構(gòu)成。
每一種化學(xué)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(hào)元素,即碳元素,對(duì)我們的生活產(chǎn)生了獨(dú)一無二的影響。碳不僅僅是構(gòu)成物質(zhì)的靜態(tài)元素,它還能夠跨越浩瀚的時(shí)空,提供最為關(guān)鍵的化學(xué)聯(lián)系,幫助我們理解宇宙演化的奧秘。在將近140 億年的時(shí)間里,宇宙不斷演化,塑造出更加豐富多彩的圖案,這個(gè)過程伴隨著無盡的化學(xué)反應(yīng),讓人為之著迷,卻又滿懷疑惑。
碳是宇宙演化的核心,也是構(gòu)成行星和生命的關(guān)鍵。相比其他元素,碳對(duì)新技術(shù)的快速出現(xiàn)發(fā)揮了更大的作用,使人類社會(huì)從工業(yè)革命的蒸汽時(shí)代演進(jìn)到我們現(xiàn)在所處的塑料時(shí)代。當(dāng)然,人類的碳排放也前所未有地加速了全球范圍內(nèi)環(huán)境和氣候的變化。
那么,我們?yōu)槭裁锤P(guān)注碳呢?與碳相比,氫的儲(chǔ)量更豐富,氦的性質(zhì)更穩(wěn)定,氧的性質(zhì)更活潑,鐵、硫、磷、鈉、鈣、氮也都有自己獨(dú)特的魅力。上述元素都在地球復(fù)雜的演化過程中扮演了關(guān)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(diǎn)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(chuàng)造力和潛力。
在100 多種化學(xué)元素中,我們對(duì)碳元素既充滿喜愛,又心懷忌憚。成千上萬的人不斷發(fā)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(xué)品的過度使用也導(dǎo)致了意想不到的后果,比如造成臭氧層空洞,使人致癌或產(chǎn)生嚴(yán)重過敏反應(yīng)。碳是所有生物分子的基礎(chǔ),它對(duì)人類福祉和生命延續(xù)的貢獻(xiàn)之大無與倫比,但是當(dāng)機(jī)體內(nèi)的碳原子缺失或排列不當(dāng)時(shí),疾病和死亡也會(huì)隨之出現(xiàn)。
近地表的碳循環(huán)穩(wěn)定了全球氣候,確保了生態(tài)系統(tǒng)的健康,并為我們提供了豐富的廉價(jià)能源。然而如果自然活動(dòng)或人類活動(dòng)(如火山噴發(fā)、煤的燃燒、小行星失控、森林消失等等)影響了碳原子的分布,那么全球氣候就可能會(huì)發(fā)生變化,生態(tài)系統(tǒng)就可能會(huì)崩潰。碳的影響并不局限于近地表的生物領(lǐng)域,它還在地球內(nèi)部參與那些將地球與其他行星區(qū)分開來的動(dòng)態(tài)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(tuán)。我們不知道地球上到底有多少碳,也不能完全知曉地球內(nèi)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(nèi)部進(jìn)行循環(huán)運(yùn)動(dòng),也不能通過地質(zhì)學(xué)家眼中的深時(shí)(deep
time)來分辨這些運(yùn)動(dòng)是否在數(shù)十億年間發(fā)生了顯著變化。雖然數(shù)百萬種含碳化合物已為人知曉,但科學(xué)家們才剛剛開始觸碰到碳化學(xué)的豐富性。事實(shí)上,要想解開生命起源這一最大的謎團(tuán),必然要理解碳與其他元素之間復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)。
從碳的數(shù)量和形式,到碳的運(yùn)動(dòng)和起源,我們對(duì)碳的了解少得可憐。尋求這些問題的答案,我們勢(shì)在必行,但僅以我們對(duì)碳狹隘的理解又怎能彌補(bǔ)這些鴻溝呢?科研機(jī)構(gòu)本身就在結(jié)構(gòu)上存在著缺陷,這可能注定了碳科學(xué)研究難以持續(xù)進(jìn)行。大學(xué)缺乏碳科學(xué)研究中心,大規(guī)模、跨學(xué)科的碳科學(xué)研究項(xiàng)目更是寥寥無幾。雖然科學(xué)發(fā)現(xiàn)依賴于提出關(guān)于自然界的問題,但也依賴于在時(shí)間和金錢有限的環(huán)境中找到相關(guān)資源,而此時(shí),學(xué)科專業(yè)化往往優(yōu)于學(xué)科的集成和綜合。
誰會(huì)愿意支持一個(gè)不同類型的研究呢?
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請(qǐng)各位入座,燈光正在變暗,故事即將開始。宇宙將從絕對(duì)的虛無中誕生,故事將追溯到碳與時(shí)間出現(xiàn)之前。