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我们生活在一个富碳的行星上，作为碳基生命，没有其他元素像碳一样对我们如此重要。

碳无处不在：在你的头发、骨骼、血液和每一个细胞里，在你吃下每一口食物和呼吸的每一口空气里，从乌黑的煤炭和石油到闪闪发光的钻石和宝石，从婴儿服一直到灵柩，碳贯穿生命始终。

碳神秘莫测：太阳的终点是碳，生命的骨架是碳，地心深处可能包含大量碳，对碳元素的研究将为人类的一些重大问题提供答案——地球从哪里来？终会变成什么样？我们人类又会变成什么样？

本书是由50多个国家的1000多名科学家参与的“深碳观测计划”（DCO）的科普结晶，地球科学家罗伯特·哈森领导了DCO重要而意义深远的工作，通过富有诗意的语言，罗伯特·M.哈森带领我们从宇宙大爆炸开始，从碳循环的视角见证地球和生命的演化，同时融入了新近的科学成果以及背后充满惊险和趣味的科学故事。

作者以碳在土、气、火、水中的流转为线索，并巧妙地将这四大元素与交响乐的四个篇章对应，将众多科学家的开创性发现融汇为一部万物演化的交响乐！乐章“土之运动：晶体中的碳”介绍了关于地球地质演化的新知洞见；第二乐章“气之运动：循环中的碳”讲述了地球上宏伟的碳循环，碳在大气中的存在稳定了气候，使陆地上的生命得以进化；碳在能源、工业和新兴高科技领域发挥着活跃的作用，塑造了人类近现代的生活形态，这就需要第三乐章“火之运动：材料中的碳”与之匹配；第四乐章“水之运动：生命中的碳”，探索了生命的起源和演化。伴随着生命演化的多样性与创新性，乐章陡然加速，碳的交响乐迅速走向尾声，碳科学的诸多主题也汇集到一起。我们知道的越多，就会发现未知的东西也越多，而科学家们将继续满怀热情地寻找未知的答案。

目录：

序

引言 001

寂静之声 013

乐章  土之运动：晶体中的碳

前奏曲　|　地球诞生之前 017

呈示部　|　地球的诞生和演化 033

发展部　|　地球深部碳 066

再现部　|　碳的世界 088

尾　奏　|　未解之谜 093

第二乐章　气之运动：循环中的碳

前奏曲　|　大气诞生之前 097

咏叹调　|　地球大气的起源 100

间奏曲　|　深部碳循环 109

返始咏叹调　|　大气的变幻 133

尾　奏　|　已知、未知与不可知 141

第三乐章　火之运动：材料中的碳

前奏曲　|　物质世界 147

谐谑曲　|　有用的材料 154

三重奏　|　纳米材料 160

返始谐谑曲　|　史话 166

尾　奏　|　音乐 176

第四乐章　水之运动：生命中的碳

前奏曲　|　原始的地球 181

呈示部　|　生命的起源 183

发展部　|　生命的演化（主旋律与变奏） 214

再现部　|　人类的碳循环 251

终　曲　|　土，气，火，水 257

致谢 261

拓展阅读 265

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”。

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在日常生活中，你有时候的确能将一些东西按比例放大或缩小。花两倍的钱去买糖果，你就能得到两倍数量的糖果，这是合理的。如果一条路两侧的房子大小相同的话，那么当你在这条路上走出两倍的距离，你所经过的房子的数量也会变成原来的两倍。如果将一本科普书中举出的例子数量增加到原来的三倍，那么这本书的字数也会变成原来的三倍。

但是在大多数情况下，按比例放大或缩小并不意味着你可以用这种简单的算术来计算出结果的变化。

涉及动物体型的改变时，情况则会变得尤为不同，我们有充足的理由论证这一点。改变体型意味着我们要对3个维度（长、宽、高）上的数据同时做出改变。然而，当谈及力量大小时，最重要的因素其实是肌肉的横截面面积，而这一数据只会在2个维度上发生变化。当道恩·强森在健身房里举铁的时候，他强健的二头肌并不会变长（那样就太荒谬了），而是变得又宽又厚。力量的大小体现在二维层面，而不是三维。

上述内容说明，如果你想将一只昆虫的重量按比例放大1000（也就是每个维度都放大10倍，结果就是103）倍的话，它的力量可能只放大了100（102）倍。

蚂蚁不是克服了自身小小的体型而举起了这么重的物体，而是正因为体型这么小才能举起这么重的物体。一只体重仅为5毫克的蚂蚁可以携带一片重约250毫克的树叶，但如果把它放大到一个标准成年男性的大小，它甚至都无法举起15千克重的东西，而这远远低于它放大后的体重。它的腿完全无法支持自己站立起来。事实上，这些放大后的蚂蚁几乎无法拾起头来直视我们的眼睛，它们只能承认，我们人类具备更加优越的生理结构。

为了测试植物对外星环境的适应能力，中国的月球探测器嫦娥四号携带了一个小型植物园，于2019年1月3日在月球南极附近着陆。在这个18厘米长的圆柱体中有土豆的种子、一些拟南芥（这是一种饱受植物学家喜爱的十字花科植物）的样本以及油菜（我们在地球上种植这种植物是为了榨油）的种子，不过把它们带上月球的目的并不是做土豆沙拉。这里面还有一些果蝇卵和酵母，科学家旨在测试这种微型生态系统能否繁荣发展一一果蝇呼出的二氧化碳能够滋养植物，进而产生氧气，而酵母则有助于调节气体成分。我们很期待这个实验的结果，可能谜底要等到未来几年人类重返月球并打开这个微型生态馆的盖子之后才能揭晓。我们预测有可能会出现以下3种情况：（1）这里生机勃勃，所有生物都活了下来，这将开启空间植物学的新纪元；（2）由于存在太空辐射，并且月球的重力和地球相去甚远，这里的所有生物全都死去了，只留下一堆臭不可闻的垃圾；（3）这些生物以科幻小说中某种不可思议的方式进行了杂交，创造出了变种的苍蝇-土豆杂交体，一心想要毁灭人类。一起来猜猜看到底会怎么样吧。

在太空中，眼球会被扭曲成远非球形的形状，但我们还没有探明其原因。所有宇航员在返回地球之后都需要戴至少几个月的眼镜，因为他们的眼晴被拉长了，所以此时晶状体产生的焦点位于视网膜的前面，这会导致他们近视。大多数宇航员都能恢复到20：20的视力，但有些不能。道格·惠洛克（Doug Wheelock）曾搭乘过发现号航天飞机、国际空间站、联盟号宇宙飞船，在太空中度过了178天。他在回到地球之后未能恢复正常视力，因此NASA停止了他的飞行任务，现在他再也摘不掉眼镜了。

至于出没于黄昏时分的幽灵，那就和我们眼睛的构造有关了。视网膜中把光转化为视觉信号的细胞被称为感光细跑，这些细胞可以分为两种类型。视锥细胞位于视网膜的中心，它能够感知颜色；视杆细胞则位于视网膜的边缘，它负责检测运动和感知黑白。这意味着在较弱的光照条件下，当一件事物从我们视线范围的边角处掠过时，它往往会模糊不清或是缺乏色彩。如果把这一效应与一些在心理上令人毛骨悚然的场景结合起来，比如黄昏时的墓地，那么你的大脑就会想尽一切办法来解释你看到的究竟是什么，这时一个挂在树上的塑料袋就很有可能被你看作女巫的灯笼裤。

正常情况下，如果让一个人在心中默数一小段时间，比如5秒钟，他们估算的结果通常会很准确，大约与正确的时长只会相差1%左右。但是有一些特定的障碍会对准确性产生很大的影响，其中最显著的就是精神分裂症。一些研究表明，精神分裂症患者会明显高估流逝的时间，其中一项研究发现该人群默数5秒钟的平均时长超过8秒。无论是从行为上还是从神经科学机制上来看，精神分裂症都是十分复杂的，它会影响大脑的很多不同的部位，这导致我们难以凭借脑化学来解释它。生活在这样的世界中一定很痛苦：我们对时间的感知与事物的因果关系有关，而精神分裂症弱化了两者之间的联系。有一种理论认为，正是这个原因导致了精神分裂症患者会以常人难以理解的方式将某些想法和行为联系起来。

编辑推荐

编辑推荐：

（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）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。

媒体对作者的赞誉：

哈森博士以绝妙的清晰方式讲述科学。

——《纽约时报》（The New York Times）

从恒星中元素的诞生到对我们这个世界未来宜居性的思考，这是一个范围广泛的、波澜壮阔的故事。

——《科学》（Science）

哈森有着用通俗语言解释科学的天赋，即便是对地质学、化学、物理学知之甚少的读者，也能发现这本书是如此引人入胜。

——《图书馆杂志》（Library Journal）

哈森以一种接地气的、毫不晦涩的方式写作……他迷人的、富有诗意的语言让科学充满乐趣。

                                                ——《品味阅读》（Bookmunch）

书摘插图

前言

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。宇宙将从的虚无中诞生，故事将追溯到碳与时间出现之前。