碳元素漂流记

◎文 | 阿嘉 编辑 | 王旭辉

碳元素（C）的故事要从数十亿年说起，在第一株植物出现之前，碳和两位伙伴过得逍遥自在，他俩是双胞胎，都叫氧原子（O），原始社会时期，由于历史条件的限制，这个看不见、摸不着且易使动物窒息的气体被当作杀人无痕的妖怪，而非一种物质。1840年，法国科学家杜马给这个家喻户晓的团体取了个学名——二氧化碳（CO2）。在地球上，碳元素在生物圈、岩石圈、大气圈和水圈留下了自己的足迹。

第一株植物出现之后，碳元素的命运发生了改变。年幼时天性爱玩，某天瞅见植物身上有许多气孔，他和两位伙伴便钻了进去，暗暗窃喜时，一束阳光打在了植株身上，二氧化碳一时间动弹不得。植物体内发生了两种反应，首先是光反应阶段，叶绿体内的光合色素吸收光能，激发了体内的高能电子，使其在体内传递，为内部水的光解提供能量，最终将光能转化为化学能，以ATP（腺嘌呤核苷三磷酸）和NADPH（还原型辅酶II）的形式储存，随后便是暗反应阶段，此时不需要光，但需要光反应中的生成物ATP以及NADPH，使二氧化碳还原为糖类物质（淀粉）。这两种反应也就是人们所熟知的光合作用的实际过程。如此一来，曾经杀人无痕的“妖怪”，通过植物的教化，放下屠刀后却成了动物们生存必不可少的氧气（O2）和能量来源（糖类）。

二氧化碳在植物体内转化为糖类物质后有了具体的身躯，但也只能在植物内部活动。当植物被食草动物啃食后，动物体内的有机物（多糖）被分解为单糖，单糖在氧气的作用下生成二氧化碳和水，以及可供动物体使用的能量。无法被动物消化的种子，随着粪便一同排出，在大雨的冲刷下，种子被埋入地底，生根、发芽，开始新的生命轮回。螳螂捕蝉黄雀在后，自然界有着完整的食物链，食草动物在无忧无虑享受自助餐时，食肉动物躲在远方虎视眈眈，食草动物难逃被捕杀的命运，身体里的能量在捕食关系中转移到了后者体内。这条食物链能量的起点是空气中的二氧化碳，能量的终点也是二氧化碳，碳元素在生物圈完成了一次漫长的循环。

植物寿命有限，它从土里钻出，岁月又将它沉到了土里，动物亦是如此，土地赋予了动物生存的空间与资源，待其逝去便将它们拥入怀抱。土地似乎对万物有着无限的包容，它既能承载新的生命，又能接纳逝去的生命。沉入地底的碳元素多以有机体的形式存在，被微生物在好氧条件下彻底分解的话，只会生成水和二氧化碳等无机物，但动植物遗体的降解并非完全好氧，其埋藏在地底的部分的微环境几乎都是缺氧的，很多分解都在厌氧条件下完成，会产生很多有机酸、醇、醛等物质。动植物遗体的微生物降解过程异常复杂，有千余种微生物参加，包括真菌、细菌、古菌以及部分真核生物在内的微生物“殡葬工”分工协作，形成微生物分解的“流水线”和食物网，随着降解的进行，微生物群落逐渐演替，一级一级完成降解。

叶绿体中发生的光合作用两阶段 绘图/ 何林

腐化速度快的有机体变为了石头（几乎完全分解为无机物）；腐化速度慢的有机体与泥沙或碳酸质沉淀物等物质混合组成沉积层，由于沉积物不断地堆积加厚，导致温度和压力上升，随着这种过程的不断进行，沉积层变为沉积岩，进而形成沉积盆地，为化石能源（石油、煤炭、天然气）的生成提供了基本的地质环境。变为石头的碳元素最为桀骜不羁，地壳运动将它们碾压，地底深处极高的温度和压力使石头融化为岩浆，它们渴望摆脱如此艰难的环境，一股脑想向外冲，没有什么能压垮它们，在它们喷出的那一刻，碳元素开始了一轮新的循环，大规模的火山喷发能够贯穿地球系统不同层圈（岩石圈、水圈、生物圈和大气圈等），促进地球层圈物质交换与循环作用，并将大量富含二氧化碳的火山气体输送到大气圈中。岩浆的火爆脾气给地球生物带来了灾难，其所到之处寸草不生，炙热烘烤着大地。偃旗息鼓后，余烬褪去，土地却由此饱含矿物质。落入其中的植物种子，在日后的岁月里成长得尤为茂盛。火山爆发带给了土地灾难，但同时也带给了土地财富，福祸相依，自然界的万物都是守恒的。

青藏线上的兔鼠，以植物为食。 摄影/卓月半 /图虫创意

藏狐正在捕食兔鼠，此过程中碳元素通过兔鼠体内的有机物传递到了藏狐体内。 摄影/田野666k /图虫创意

煤层中的植物化石 摄影/Dymov-Adobe Stock /图虫创意

成为石油、煤炭、天然气的碳元素没有岩石那么“上进”，他们生性温和，得过且过，颇为佛系，一睡就是数十亿年，身陷黑暗如此之久，本以为再也没有机会重见天日，直到有一天，人们将他们开采出来，并为人类所用。不幸的是，当他们既定的命运被打破后，自然界却开始失衡。化石能源的大量使用，使二氧化碳急剧增多，二氧化碳在地球顶端、大气层内部越积越多。二氧化碳数量少的时候，帮着大气层吸收红外线辐射，防止它过多的跑到大气外，因二氧化碳的功劳，地球得以为人类提供宜居的场所，这是“天然的温室效应”。后来，进入工业时代后的人类活动释放出了大量二氧化碳，整个碳循环受到了干扰：更多红外线辐射被折返到地面上，本来不属于地球的热量又回到了地球，“温室效应”加剧，它如多米诺骨牌一样，产生了一系列连锁效应：冰川消退、海平面上升、海浪来袭、庄稼淹没……

大气圈与水圈有着千丝万缕的联系，在46～38亿年阶段，为原始火山大气层，大气炽热潮湿，其主要成分为水蒸气、二氧化碳以及强酸性气体，水圈还未出现；38～26亿年，水圈出现，为强酸性-还原性的海水，大气向二氧化碳还原性气圈演化，由于海水酸性过强，此时大气中的二氧化碳无法为水圈提供碳源；26～18亿年，大气二氧化碳含量开始下降，海水以低pH值、低氧逸度的酸性-还原环境为特征，二氧化碳在强酸性液体环境下无法生存，时刻都想逃逸出来，大气圈与水圈依旧无法“愉快相处”；18～6亿年，地球环境出现重大变革，大气二氧化碳含量急剧下降，氧气开始聚集，海水pH、氧逸度增大，转变为弱酸性、弱氧化环境，大气圈与水圈开始建立起稳固的外交关系；6亿年至现代，大气中的二氧化碳含量继续急剧下降，氧气含量波动上升，氮气含量不断聚集，直至现代水平，海水演变为弱碱性、强氧化环境，大气圈与水圈的碳元素可自由交互。

桂林的岩溶地貌，碳元素在其中以碳酸盐岩（如灰岩）的形式存在。 摄影/4045 /图虫创意

一场大雨落下，大气圈的二氧化碳被裹挟至水圈，雨水落到地面，岩石中的碳元素随之流入海洋，以二氧化碳为“食物”的珊瑚以及浮游生物得以生存，它们成为海洋食物链的第一环。我们把时间拉得再近一点，20世纪末至21世纪后，工业迅猛发展，人类活动致使大气中二氧化碳过剩，海水接纳着大量涌入的二氧化碳，导致其pH值下降，对海洋生态平衡产生一系列影响，例如对海洋生态系统至关重要的珊瑚，因其体内共生海藻的离开或死亡，珊瑚出现白化现象，最终失去营养供应而死。

成也二氧化碳，败也二氧化碳，碳元素的漂流还在无声地进行着，人类千百年来的进步将艰难与困苦化为养料，一步步成为自然的主导者，气候因人类的驱赶，万物复苏的春季与天高云淡的秋季逐渐缩短，拉长了炎热干燥的夏季与寒冷凛冽的冬季。地球若想恢复生机，人类与环境尚需经历一场漫长的和解。

海洋中的磷虾以浮游生物为食。 摄影/Andrea Izzotti-Adobe Stock /图虫创意