和碳元素一起穿梭地球

碳，化學符號為C，是位于元素周期表第6位的非金屬元素。

圖片來源：圖蟲創(chuàng)意

它在我們的生活中幾乎無處不在，至關重要——漫山遍野的動物和植物的軀體由它構成；

大興安嶺秋季山林 圖片來源：圖蟲創(chuàng)意

令人嘆為觀止的巖溶地貌由它組成；

廣西河池南丹喀斯特峰叢 圖片來源：圖蟲創(chuàng)意

支撐了工業(yè)革命的化石燃料（煤、石油等）里也有它的身影；

遠洋貨船上裝載的煤炭 圖片來源：圖蟲創(chuàng)意

碳元素，以它獨有的方式，在地球四大圈層生物圈、巖石圈、大氣圈和水圈都留下了足跡，深刻影響了地球環(huán)境的方方面面。

一、從大氣圈到生物圈

在植物出現(xiàn)之前，碳和兩個氧原子（O）過從甚密，組成了名為二氧化碳（CO?）的團體；

二氧化碳的分子模型 圖片來源：視覺中國

植物出現(xiàn)之后，二氧化碳的命運發(fā)生了改變。

二氧化碳通過植物的氣孔進入植物體內(nèi)，在陽光的作用下，發(fā)生了人們所熟知的光合作用，包括兩個階段。

顯微鏡下的植物葉片的氣孔 圖片來源：視覺中國

第一個是光反應階段，植物細胞的葉綠體中存在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，最終將光能轉化為化學能，以ATP（腺嘌呤核苷三磷酸）和NADPH（還原型輔酶II）的形式儲存，并產(chǎn)生氧氣（O?）釋放到空氣中。

植物葉綠體中發(fā)生的光合作用兩階段 繪圖：何林

第二個是暗反應階段，此時不需要光，但需要光反應中的生成物ATP以及NADPH，使二氧化碳還原為糖類物質(zhì)。

通過植物的光合作用，原本讓動物們窒息的二氧化碳卻轉換為動物們生存必不可少的氧氣和能量來源（糖類）。

新疆伊犁喀拉峻草原風光（豎圖，橫屏觀看） 圖片來源：圖蟲創(chuàng)意

二氧化碳在植物體內(nèi)轉化為糖類物質(zhì)后有了具體的身軀，但也只能在植物內(nèi)部活動。當植物被食草動物啃食后，動物體內(nèi)的有機物（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，以及可供動物使用的能量。

青藏高原上的兔鼠，以植物為食 圖片來源：圖蟲創(chuàng)意

螳螂捕蟬，黃雀在后，自然界有著完整的食物鏈，食草動物在無憂無慮享受自助餐時，食肉動物躲在遠方虎視眈眈，食草動物難逃被捕殺的命運，身體里的有機物和能量在捕食關系中轉移到了后者體內(nèi)。

藏狐正在捕食兔鼠 圖片來源：圖蟲創(chuàng)意

這條食物鏈能量的起點是空氣中的二氧化碳，終點也是二氧化碳，碳元素在生物圈完成了一次漫長的循環(huán)。

二、從生物圈到巖石圈

植物壽命有限，它從土里鉆出，最后又埋藏到了地底，動物亦是如此。

動植物遺體中的碳元素，多以有機物形式存在。被微生物在好氧條件下徹底分解的話，會生成水和二氧化碳等無機物。

從樹木“遺體”里長出的真菌群落 圖片來源：圖蟲創(chuàng)意

腐化速度快的有機體幾乎完全分解為無機物，變?yōu)榱藥r石；地殼運動將其碾壓，地底深處極高的溫度和壓力使巖石融化為巖漿。

拉帕爾馬島火山噴發(fā) 圖片來源：圖蟲創(chuàng)意

地殼運動活躍時，巖漿從地底噴發(fā)，碳元素隨之開始了一輪新的循環(huán)。大規(guī)模的火山噴發(fā)能夠貫通地球系統(tǒng)不同圈層（巖石圈、水圈、生物圈和大氣圈等），促進地球圈層物質(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。

中國山東省濰坊市昌樂古火山口玄武巖柱狀節(jié)理 圖片來源：圖蟲創(chuàng)意

噴涌的巖漿給地球生物帶來了災難，所到之處寸草不生。但巖漿也帶來了地殼中的大量礦物質(zhì)，冷卻后的巖漿將形成大量火山巖（如玄武巖）?；鹕綆r在風化作用下后將會形成富含礦物質(zhì)的土壤，十分有利于植物生長。

三、從巖石圈到大氣圈

動植物遺體的分解并非完全好氧，埋藏于地底的部分微環(huán)境幾乎都是缺氧的，很多分解過程都在厭氧條件下完成，這一過程比較緩慢，會產(chǎn)生很多有機酸、醇、醛等物質(zhì)。

這些分解后的含碳有機物與泥沙或碳酸質(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，導致溫度和壓力上升，這種過程不斷進行，沉積層變?yōu)槌练e巖，進而形成沉積盆地，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。

煤層中的植物化石 圖片來源：圖蟲創(chuàng)意

成為石油、煤炭、天然氣的碳元素沒有巖漿中的碳元素“性格激烈”，它們在地層中沉睡，直到人們將其開采利用。

美國加州中央河谷地區(qū)的幾千口油井中的一個，石油開采工作正在進行 圖片來源：視覺中國

化石能源的大量使用，產(chǎn)生的二氧化碳急劇增多，二氧化碳在地球頂端、大氣層內(nèi)部越積越多。

原本，二氧化碳在大氣層中可吸收紅外線輻射，地球得以為人類提供宜居的場所，這是“天然的溫室效應”。

2012年6月22日，格陵蘭島西北部的彼得曼冰川分裂出一塊冰山。圖片來源：視覺中國

而進入工業(yè)時代后的人類對化石能源的大量使用則釋放出了過量的二氧化碳，碳循環(huán)受到了干擾：更多紅外線輻射被折返到地面上，“溫室效應”加劇，它如多米諾骨牌一樣，產(chǎn)生了一系列連鎖效應：冰川消退、海平面上升、海浪來襲、莊稼淹沒……

四、從大氣圈到水圈

大氣圈與水圈有著千絲萬縷的聯(lián)系，碳元素也在這里留下了痕跡。

在距今46-38億年階段，為原始火山大氣層，其主要成分為水蒸氣、二氧化碳以及強酸性氣體，水圈還未出現(xiàn)；

原始地球想象示意圖 圖片來源：圖蟲創(chuàng)意

距今38-26億年，水圈出現(xiàn)，為強酸性-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，此時大氣中的二氧化碳無法為水圈提供碳源；

距今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，二氧化碳在強酸性液體環(huán)境溶解度較小，時刻都想逃逸出來，大氣圈與水圈依舊無法“愉快相處”；

直至距今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)固的交互關系；

6億年到距今1萬年前，大氣中的二氧化碳含量繼續(xù)急劇下降，氧氣含量波動上升，氮氣含量不斷聚集，直至現(xiàn)代水平，海水演變?yōu)槿鯄A性、強氧化環(huán)境，大氣圈與水圈的碳元素可自由交互。

埃及的珊瑚礁 圖片來源：Jonnysek/Adobe Stock/圖蟲創(chuàng)意

一場大雨落下，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，為珊瑚礁的形成提供了不可或缺的碳源，進而為以造礁珊瑚為基礎的珊瑚生態(tài)系統(tǒng)的形成提供了可能。

我們把時間拉得再近一點，工業(yè)革命以來，人類活動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，導致其pH值下降，對海洋生態(tài)平衡產(chǎn)生一系列影響，例如對海洋生態(tài)系統(tǒng)至關重要的珊瑚，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)供應而死。

珊瑚白化過程示意 制圖：蕭楚

2016年10月，澳大利亞大堡礁珊瑚白化。圖片來源：視覺中國

成也二氧化碳，敗也二氧化碳，碳元素的旅程還在無聲地進行著……

地球若要重獲生機，人類與環(huán)境尚需經(jīng)歷一場漫長的和解。