我們都是碳基生命

李啟翔

如果說哪一種元素對我們人類來說最親密、最重要、最值得關心，那一定是碳（化學符號C）。可以說，碳是地球生命的基石，也是我們最早學會利用的元素之一。

文明的伙伴

一道閃電，或是干燥的氣候，都可能成為點燃大自然的一把火。而當人類學會收集和保存自然中的火種時，就開始了與碳的接觸——植物在經過燃燒以后，會留下木炭，而構成木炭的最主要元素就是碳。

恩格斯說：“摩擦生火第一次使人支配了一種自然力，從而最終把人同動物界分開。” 人類在學會了利用碳元素以后（盡管那時候他們并不知道它），就開始擺脫茹毛飲血的黑暗時代——一方面用火加熱的食物更容易消化吸收，大大提高了食物的利用率和衛生程度；另一方面人類對夜晚的適應能力大大提高了。

人類祖先對碳的利用，帶來了文明的萌芽。后來人類利用墨水書寫，碳元素又為記錄文明發揮了重要作用。第一次工業革命時期，燃燒煤炭的蒸汽機的普及，更是讓人類開啟了機器代替手工勞動的時代。

無處不在的碳

碳元素既不像鋰元素那樣活潑，也不像氦元素那樣懶惰。它能在自然界中以多種單質的形態獨立存在，比如常見的金剛石、石墨等，也能與其他元素一起構成千萬種化合物。

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金剛石經過加工后，就是我們熟知的鉆石。金剛石是自然界最硬的礦石，也是世界上硬度最高的天然物質。

不難發現，碳元素對于我們的生活至關重要，無法想象，如果離開了碳元素，世界和生命將會是什么模樣？

奇妙的碳單質

1772 年，現代化學之父拉瓦錫通過點燃金剛石和煤的樣品，發現它們燃燒都不生成水，而相同質量的金剛石和煤產生的二氧化碳量是相等的。他由此推斷，金剛石和煤的成分是基本一致的。多年以后，拉瓦錫在他的教科書中將碳列入了元素表中。

1786 年，另一名法國化學家貝托萊將石墨用同樣的方法燃燒，證明了石墨也幾乎全部由碳組成。

雖然金剛石和石墨的成分都是碳單質，但性質上卻截然相反。前者無色透明、堅硬無比，還不導電；后者呈黑色粉末狀，柔軟絲滑，有良好的導電性。這種由同一元素構成的不同單質，在化學中被稱為“同素異形體”。

會交朋友的碳

單從元素含量來說，宇宙中的碳非常豐富，能排到第四位，而地球上的碳元素含量一般，連前十都排不上。但如果我們把地球上的化合物做一個統計，會發現其中絕大多數都含有碳元素。這是為什么呢？原因要從碳元素的結構說起。

碳原子由核心的6 個質子和環繞的6 個電子構成，其中2 個電子排在內層，4 個電子排在外層。最外層的4 個電子不是特別多，也不是特別少，因此既不容易失去電子，也不容易搶奪別的元素的電子，處于一種模棱兩可的狀態，反倒擁有了無限可能。這4 個電子就像積木的4 個接口，可以與其他的元素組合出千變萬化的物質。

地球上的生物包括我們自己，為什么會被稱為“碳基生物”呢？因為生命的基本單元——氨基酸、核苷酸等是以碳元素做骨架形成的。可以說，沒有碳，就沒有我們熟知的地球生命形態。

碳的循環

地球上的碳就像水一樣，在各種有機物中不停地循環。

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由于近代以來，石油、天然氣等化石燃料的大量開采使用，使得大氣中的碳越來越多，碳在自然界中的分布平衡被打破了。二氧化碳等溫室氣體帶來了氣候變暖、冰川融化等問題。因此，人類也越來越重視控制碳的排放。

藏著歷史的碳-14

碳的同位素共有15 種，在自然界中，碳-12占據主要地位，含量有98.93%。碳的其他同位素中，碳-14 因為其特殊本領——年代測定，而獲得了存在感。

當太陽輻射中的高能粒子到達地球后，會在大氣層中產生碳-14 這種碳的同位素。它們會形成二氧化碳，進入世界上的碳循環中。無論動物還是植物，都會通過呼吸吸收積累碳-14，當生物死去后呼吸停止，體內的碳-14 便不會再獲得補充。

碳-14 的結構不穩定，會隨著時間流逝而緩慢衰變，半衰期長達5730 年。因此，考古學家可以通過檢測化石中的碳-14 的含量比例，來估算生物生存的大致年代，這就是“碳-14 測年法”。