和碳元素一起穿梭地球

碳，化學(xué)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(guān)重要——漫山遍野的動物和植物的軀體由它構(gòu)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(yuǎn)洋貨船上裝載的煤炭 圖片來源：圖蟲創(chuàng)意

碳元素，以它獨(dú)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(tuán)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(yùn)發(fā)生了改變。

二氧化碳通過植物的氣孔進(jìn)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(yīng)階段，植物細(xì)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(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(yīng)階段，此時不需要光，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)。

通過植物的光合作用，原本讓動物們窒息的二氧化碳卻轉(zhuǎn)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(fēng)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(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。當(dāng)植物被食草動物啃食后，動物體內(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(yuǎn)方虎視眈眈，食草動物難逃被捕殺的命運(yùn)，身體里的有機(jī)物和能量在捕食關(guān)系中轉(zhuǎn)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(diǎn)是空氣中的二氧化碳，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)。

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(jī)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(jī)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(jī)體幾乎完全分解為無機(jī)物，變?yōu)榱藥r石；地殼運(yùn)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(yùn)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(jìn)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(zāi)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(fēng)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(jī)酸、醇、醛等物質(zhì)。

這些分解后的含碳有機(jī)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(dǎo)致溫度和壓力上升，這種過程不斷進(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。

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(jìn)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(yīng)”。

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(jìn)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(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……

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(qiáng)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(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(qiáng)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(zhuǎn)變?yōu)槿跛嵝?、弱氧化環(huán)境，大氣圈與水圈開始建立起穩(wěn)固的交互關(guān)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?dú)夂坎粩嗑奂?，直至現(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。

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(jìn)而為以造礁珊瑚為基礎(chǔ)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(diǎn)，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(dǎo)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(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。

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(jìn)行著……

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