碳元素漂流記

◎文 | 阿嘉 編輯 | 王旭輝

碳元素（C）的故事要從數(shù)十億年說起，在第一株植物出現(xiàn)之前，碳和兩位伙伴過得逍遙自在，他倆是雙胞胎，都叫氧原子（O），原始社會(huì)時(shí)期，由于歷史條件的限制，這個(gè)看不見、摸不著且易使動(dòng)物窒息的氣體被當(dāng)作殺人無痕的妖怪，而非一種物質(zhì)。1840年，法國科學(xué)家杜馬給這個(gè)家喻戶曉的團(tuán)體取了個(gè)學(xué)名——二氧化碳（CO2）。在地球上，碳元素在生物圈、巖石圈、大氣圈和水圈留下了自己的足跡。

第一株植物出現(xiàn)之后，碳元素的命運(yùn)發(fā)生了改變。年幼時(shí)天性愛玩，某天瞅見植物身上有許多氣孔，他和兩位伙伴便鉆了進(jìn)去，暗暗竊喜時(shí)，一束陽光打在了植株身上，二氧化碳一時(shí)間動(dòng)彈不得。植物體內(nèi)發(fā)生了兩種反應(yīng)，首先是光反應(yīng)階段，葉綠體內(nèi)的光合色素吸收光能，激發(fā)了體內(nèi)的高能電子，使其在體內(nèi)傳遞，為內(nèi)部水的光解提供能量，最終將光能轉(zhuǎn)化為化學(xué)能，以ATP（腺嘌呤核苷三磷酸）和NADPH（還原型輔酶II）的形式儲(chǔ)存，隨后便是暗反應(yīng)階段，此時(shí)不需要光，但需要光反應(yīng)中的生成物ATP以及NADPH，使二氧化碳還原為糖類物質(zhì)（淀粉）。這兩種反應(yīng)也就是人們所熟知的光合作用的實(shí)際過程。如此一來，曾經(jīng)殺人無痕的“妖怪”，通過植物的教化，放下屠刀后卻成了動(dòng)物們生存必不可少的氧氣（O2）和能量來源（糖類）。

二氧化碳在植物體內(nèi)轉(zhuǎn)化為糖類物質(zhì)后有了具體的身軀，但也只能在植物內(nèi)部活動(dòng)。當(dāng)植物被食草動(dòng)物啃食后，動(dòng)物體內(nèi)的有機(jī)物（多糖）被分解為單糖，單糖在氧氣的作用下生成二氧化碳和水，以及可供動(dòng)物體使用的能量。無法被動(dòng)物消化的種子，隨著糞便一同排出，在大雨的沖刷下，種子被埋入地底，生根、發(fā)芽，開始新的生命輪回。螳螂捕蟬黃雀在后，自然界有著完整的食物鏈，食草動(dòng)物在無憂無慮享受自助餐時(shí)，食肉動(dòng)物躲在遠(yuǎn)方虎視眈眈，食草動(dòng)物難逃被捕殺的命運(yùn)，身體里的能量在捕食關(guān)系中轉(zhuǎn)移到了后者體內(nèi)。這條食物鏈能量的起點(diǎn)是空氣中的二氧化碳，能量的終點(diǎn)也是二氧化碳，碳元素在生物圈完成了一次漫長的循環(huán)。

植物壽命有限，它從土里鉆出，歲月又將它沉到了土里，動(dòng)物亦是如此，土地賦予了動(dòng)物生存的空間與資源，待其逝去便將它們擁入懷抱。土地似乎對(duì)萬物有著無限的包容，它既能承載新的生命，又能接納逝去的生命。沉入地底的碳元素多以有機(jī)體的形式存在，被微生物在好氧條件下徹底分解的話，只會(huì)生成水和二氧化碳等無機(jī)物，但動(dòng)植物遺體的降解并非完全好氧，其埋藏在地底的部分的微環(huán)境幾乎都是缺氧的，很多分解都在厭氧條件下完成，會(huì)產(chǎn)生很多有機(jī)酸、醇、醛等物質(zhì)。動(dòng)植物遺體的微生物降解過程異常復(fù)雜，有千余種微生物參加，包括真菌、細(xì)菌、古菌以及部分真核生物在內(nèi)的微生物“殯葬工”分工協(xié)作，形成微生物分解的“流水線”和食物網(wǎng)，隨著降解的進(jìn)行，微生物群落逐漸演替，一級(jí)一級(jí)完成降解。

葉綠體中發(fā)生的光合作用兩階段 繪圖/ 何林

腐化速度快的有機(jī)體變?yōu)榱耸^（幾乎完全分解為無機(jī)物）；腐化速度慢的有機(jī)體與泥沙或碳酸質(zhì)沉淀物等物質(zhì)混合組成沉積層，由于沉積物不斷地堆積加厚，導(dǎo)致溫度和壓力上升，隨著這種過程的不斷進(jìn)行，沉積層變?yōu)槌练e巖，進(jìn)而形成沉積盆地，為化石能源（石油、煤炭、天然氣）的生成提供了基本的地質(zhì)環(huán)境。變?yōu)槭^的碳元素最為桀驁不羈，地殼運(yùn)動(dòng)將它們碾壓，地底深處極高的溫度和壓力使石頭融化為巖漿，它們渴望擺脫如此艱難的環(huán)境，一股腦想向外沖，沒有什么能壓垮它們，在它們噴出的那一刻，碳元素開始了一輪新的循環(huán)，大規(guī)模的火山噴發(fā)能夠貫穿地球系統(tǒng)不同層圈（巖石圈、水圈、生物圈和大氣圈等），促進(jìn)地球?qū)尤ξ镔|(zhì)交換與循環(huán)作用，并將大量富含二氧化碳的火山氣體輸送到大氣圈中。巖漿的火爆脾氣給地球生物帶來了災(zāi)難，其所到之處寸草不生，炙熱烘烤著大地。偃旗息鼓后，余燼褪去，土地卻由此飽含礦物質(zhì)。落入其中的植物種子，在日后的歲月里成長得尤為茂盛。火山爆發(fā)帶給了土地災(zāi)難，但同時(shí)也帶給了土地財(cái)富，福禍相依，自然界的萬物都是守恒的。

青藏線上的兔鼠，以植物為食。 攝影/卓月半 /圖蟲創(chuàng)意

藏狐正在捕食兔鼠，此過程中碳元素通過兔鼠體內(nèi)的有機(jī)物傳遞到了藏狐體內(nèi)。 攝影/田野666k /圖蟲創(chuàng)意

煤層中的植物化石 攝影/Dymov-Adobe Stock /圖蟲創(chuàng)意

成為石油、煤炭、天然氣的碳元素沒有巖石那么“上進(jìn)”，他們生性溫和，得過且過，頗為佛系，一睡就是數(shù)十億年，身陷黑暗如此之久，本以為再也沒有機(jī)會(huì)重見天日，直到有一天，人們將他們開采出來，并為人類所用。不幸的是，當(dāng)他們既定的命運(yùn)被打破后，自然界卻開始失衡。化石能源的大量使用，使二氧化碳急劇增多，二氧化碳在地球頂端、大氣層內(nèi)部越積越多。二氧化碳數(shù)量少的時(shí)候，幫著大氣層吸收紅外線輻射，防止它過多的跑到大氣外，因二氧化碳的功勞，地球得以為人類提供宜居的場(chǎng)所，這是“天然的溫室效應(yīng)”。后來，進(jìn)入工業(yè)時(shí)代后的人類活動(dòng)釋放出了大量二氧化碳，整個(gè)碳循環(huán)受到了干擾：更多紅外線輻射被折返到地面上，本來不屬于地球的熱量又回到了地球，“溫室效應(yīng)”加劇，它如多米諾骨牌一樣，產(chǎn)生了一系列連鎖效應(yīng)：冰川消退、海平面上升、海浪來襲、莊稼淹沒……

大氣圈與水圈有著千絲萬縷的聯(lián)系，在46～38億年階段，為原始火山大氣層，大氣熾熱潮濕，其主要成分為水蒸氣、二氧化碳以及強(qiáng)酸性氣體，水圈還未出現(xiàn)；38～26億年，水圈出現(xiàn)，為強(qiáng)酸性-還原性的海水，大氣向二氧化碳還原性氣圈演化，由于海水酸性過強(qiáng)，此時(shí)大氣中的二氧化碳無法為水圈提供碳源；26～18億年，大氣二氧化碳含量開始下降，海水以低pH值、低氧逸度的酸性-還原環(huán)境為特征，二氧化碳在強(qiáng)酸性液體環(huán)境下無法生存，時(shí)刻都想逃逸出來，大氣圈與水圈依舊無法“愉快相處”；18～6億年，地球環(huán)境出現(xiàn)重大變革，大氣二氧化碳含量急劇下降，氧氣開始聚集，海水pH、氧逸度增大，轉(zhuǎn)變?yōu)槿跛嵝浴⑷跹趸h(huán)境，大氣圈與水圈開始建立起穩(wěn)固的外交關(guān)系；6億年至現(xiàn)代，大氣中的二氧化碳含量繼續(xù)急劇下降，氧氣含量波動(dòng)上升，氮?dú)夂坎粩嗑奂敝连F(xiàn)代水平，海水演變?yōu)槿鯄A性、強(qiáng)氧化環(huán)境，大氣圈與水圈的碳元素可自由交互。

桂林的巖溶地貌，碳元素在其中以碳酸鹽巖（如灰?guī)r）的形式存在。 攝影/4045 /圖蟲創(chuàng)意

一場(chǎng)大雨落下，大氣圈的二氧化碳被裹挾至水圈，雨水落到地面，巖石中的碳元素隨之流入海洋，以二氧化碳為“食物”的珊瑚以及浮游生物得以生存，它們成為海洋食物鏈的第一環(huán)。我們把時(shí)間拉得再近一點(diǎn)，20世紀(jì)末至21世紀(jì)后，工業(yè)迅猛發(fā)展，人類活動(dòng)致使大氣中二氧化碳過剩，海水接納著大量涌入的二氧化碳，導(dǎo)致其pH值下降，對(duì)海洋生態(tài)平衡產(chǎn)生一系列影響，例如對(duì)海洋生態(tài)系統(tǒng)至關(guān)重要的珊瑚，因其體內(nèi)共生海藻的離開或死亡，珊瑚出現(xiàn)白化現(xiàn)象，最終失去營養(yǎng)供應(yīng)而死。

成也二氧化碳，敗也二氧化碳，碳元素的漂流還在無聲地進(jìn)行著，人類千百年來的進(jìn)步將艱難與困苦化為養(yǎng)料，一步步成為自然的主導(dǎo)者，氣候因人類的驅(qū)趕，萬物復(fù)蘇的春季與天高云淡的秋季逐漸縮短，拉長了炎熱干燥的夏季與寒冷凜冽的冬季。地球若想恢復(fù)生機(jī)，人類與環(huán)境尚需經(jīng)歷一場(chǎng)漫長的和解。

海洋中的磷蝦以浮游生物為食。 攝影/Andrea Izzotti-Adobe Stock /圖蟲創(chuàng)意