欢迎来到碳纪元。
这年头我们常在报纸头条标题里看到“碳”这个字眼，却几乎不太了解碳是什么。碳是制造一波波危机的罪犯，二氧化碳的排放导致气候变暖，情势一触即发的中东炸掉了他们储存的挥发性碳氢化合物——又名石油。碳水化合物受欢迎的程度，随着节食热潮时起时落。经常要靠以石油为基础的原料来制作的药物，索价越来越高昂。美国军队需要碳纤维来做防弹衣和运输工具防护用品，这让航天工业与运动用品制造商提高了商品售价，因为他们也要用同样的材料，制作从机翼到网球拍在内的一切产品。少有人谈到那个联结一切的“结缔组织”：碳把这些次要情节联结成一个大架构的故事，一首动态的史诗，内容包括这个元素如何流过生命与工业，把演化和地球的无生命力量、空气、海洋、岩石，以及人类的基础结构紧密地交织在一起。
每年都有许多书籍和文章在警告我们，碳循环（碳的全球性流动）已遭破坏。这些危机有时候牵涉到生死攸关的议题，需要大众的持续监督。而这种循环应当怎么运作，就是较少被人谈论的问题了。
我们可能会抱持这种合理的期待：92种自然元素平均地混合与搭配，创造出丰富的生命以及让这些生命得以成长的地球。但事实不然。宇宙是合理的，但不是“那么”合理。碳是宇宙中第四多的元素，却不是地球上第四多的元素；这个星球大体上是由氧与硅构成的球体。地球上的碳，甚至还排不上地球上丰富元素的前十名；然而碳构成了所有生命的结构和燃料。碳是元素中的平民国王，在自然界中扮演从琐碎到超凡的各种角色，在这么做的同时，也控制了我们以及生命的样貌。彼得·阿特金斯（Peter Atkins）就写道：“碳这种元素的王者性质，乃是源于其平凡：碳做了大部分的事情，又不走极端，借助这种节制的本质，碳主宰了自然。”为什么会是这样？
碳是生命中无所不在的建筑设计师、工人兼最基本的建筑原料。每种生物都是以碳作为分子鹰架。碳是生命的舵手，把储存的能量传递到各个细胞。每种生物都以同一种语言储存自身的基因信息：一种用碳字体写下的化学字母。就质量而言，碳在精致的DNA中，是最大的组成成分。大约20种元素就创造出所有的生物，然而有96%的生物躯体，却只用四种元素（碳、氧、氢与氮）构成，而且大多数的氧与氢是以水的形式存在的。碳就是黏合、释放和重造生命分子的魔术贴。我们毛发中的油脂，还有内脏、皮肤和其他组织中的脂肪，本质上是碳氢化合物，也就是插入氢的碳结构。糖中则含有碳、氢和氧，而且包括了从蔗糖（饼干的甜味由此而来）到脱氧核糖（束缚住DNA双螺旋的物质）在内的每样东西。氨基酸都是围绕着单一碳原子建造起来的，其中至少包括生命中最丰富的那四种元素。各种氨基酸是“自然界的机器人”蛋白质的基础建材，蛋白质则建造细胞，并且执行它们的工作。
碳不只是生命的总建筑师。文明建筑在碳的基础之上，这种基础远比全球燃烧化石燃料要更宽广得多。生物跟无生物之间的相似性，比外表乍看之下要高。举例来说，塑胶不只是汽水瓶的原料而已。塑胶属于聚合物，也就是重复单位构成的链状物——不管是在龟壳里还是在玳瑁的太阳镜框里，在活鸡或者塑胶小鸡身上，发现的都是这种链状物。化学家指出，尼龙是一种聚酰胺，就像蛋白质一样，却是由单一重复的合成氨基酸组成。某位研究塑性破坏的专家，有一次这么写道：“所有人都是天然塑胶工厂。”他妻子罹患的癌症，迫使他看出化学性劣化与疾病之间悲剧性的相似点。
如果碳对生命有这么强的工具性（而且一向如此），我们很想这么说：从混沌太初开始，每个年代都是碳纪元。然而只有一个年代真正挂上了这个名号。涵盖范围从3.59亿年前到2.99亿年前的石炭纪，因掩埋了大量能形成煤炭的有机碳而得名。在那段时期，大气中的氧大量积聚。在石炭纪，茂密多叶的树木生长得欣欣向荣；树木的根部改变了土地，也加速了岩石被侵蚀，把碳跟矿物质扫进大海，让海洋生物吸收了一部分。某些碳最后固定在海床上。当侵蚀作用把陆地的某些碳抽走以后，植物和树木继续换取从水中来的氧（O2），然后以空气中传播的二氧化碳（CO2）作为回报。叶片呈鳞片状的高大树木渐渐变老以后倒在沼泽里，把体内的碳埋藏到地下，然后就留在那里，直到距今约300年前，煤炭工业才开始把碳挖出来。从地质学的时间尺度来看，300年就像几秒钟。
碳建立生命架构，氧则点燃生命。演化在石炭纪进入了一段实验期，造就出高达53.3米、垂着长长叶片的蕨类植物，还有两翼宽达76厘米的蜻蜓，我们可能只会把这样的世界当成科幻小说来看待。现在的碳纪元则是倒过来的石炭纪——煤炭火力发电厂把长期埋藏的碳又烧回大气之中，把碳跟氧重新结合成二氧化碳。你的车也在做同样的事。汽油是从石油中炼制出来的，石油则是从比石炭纪更“晚近”的生油岩中过滤出来的。大多数的石油，在距今9000万年才被困在地下洞穴里。跟全球暖化有关的二氧化碳上升现象，也伴随着（没有威胁性的）大气氧含量下降，这点毫不令人意外。
我们人类最近变得特别在意碳，试图测量出我们的“碳脚印”，就好像那是鞋子尺寸似的。时机正好，因为我们现在正打算用一种前所未有的方式来管理碳——这正是过去管理不当的直接后果。我们的碳纪元最明显的标记，就是在工业界连续两世纪燃烧碳氢化合矿物之后，人类出于理性，付出种种努力，要把地球的地质化学周期从垂危边缘扭转回来。
……
人类让全球碳循环加速到正常状况的100倍以上，把这个世界改造成另一个样子，到最后我们自己可能都认不出。突然的气候变化以前也出现过，最近一次是距今1.2万年前，但科学家在记录中找不到类似的状况，能够显示未来将产生什么样的巨变，或者这样的变化可能有多“突然”。人类造成的全球变暖是一种地质学上的脱轨现象，速度快得惊人。
智人不是所有生物中蹒跚跋涉过一段稳定时期的第一个物种。但是看一眼地球如何运作，就会导向这个结论：我们改变地球的速度比过去更快，这种速度是前所未有的。科学家在短期与长期的碳循环之间做出区别。短期循环延续几小时、几年或者几百万年，并且描述了碳穿越生命、水域、土壤和空气的路径。长期碳循环则补充了这条路径的另一段：地壳。当原料沉淀在地面或海床上，然后留在那里的时候，碳的旅程可能暂停个千百万年。碳可以一直待在地下，时间长达两三亿年或更久，直到陆地或海中的火山再把碳喷回地表系统（大部分是以二氧化碳的形式出现）。作为一种地质现象，人类文明让长期与短期的碳循环短路了。
地球上的水域、岩石和大气，就是大规模“洗碳”行动的场所。就像碳原子流经活体细胞中的正常化学循环，这些碳也在自然界大规模的地质化学循环中流动。地质学家一再估算后得知，地球的碳存量多达75京吨（京是兆的一万倍），大多数埋藏在石灰岩、白云石以及称为油母质的钙化油渣、煤炭、石油和天然气中。这是碳从地球初始到现在的估计总量。地球上保持能量守恒，没有创造也没有毁灭，只是循环。大气中夹带了9000亿吨的碳，比地面上的植物中所含的6000亿吨碳更多。土壤中则吸收了自身三倍的量。虽然大气中的碳含量对地球的可居住性质有不成比例的重大影响，这些碳或许只是地球总储存量的十万分之一。可开采的化石燃料中，可能含有5.5兆～11兆吨的碳。大多数的短期循环碳跟着海洋流动，海中约带有42兆吨的碳——可能多达大气含量的50倍，这些碳大多数埋藏在中间地带或者深海里。海洋中吸收了大约一半由人类排放的化石燃料，但这种趋势并不会永远维持，目前已经出现减缓的迹象。
在碳循环中，风与水、细菌、植物和动物永恒地彼此缠绕着。碳原子悬浮在大气中达一世纪或更久，两旁伴随着氧原子，以二氧化碳的形式出现。二氧化碳分子弹开其他的空气分子，碰撞、振动，然后翻转着穿越大气。植物从空气中吸进这种“原子三人组”，然后暂时储存在叶片中。一只长颈龙经过，吃掉那些树叶。一只暴龙跳出来吃掉了长颈龙。这只暴龙活到大约28岁，然后吐出肺里最后一口二氧化碳。食腐动物跟细菌分解了它的尸身，变成了更多的二氧化碳、氮以及其他元素，先前这只暴龙在不知不觉中带着这些元素到处跑。雨把尸体上的某些腐化物质洗刷掉，流入大海，暴龙身上的碳，在那里可以花上10万年的时间循环。在碳循环中，万物各有其位，直到找到下一个位置为止。
这不只是东方神秘主义者和西方心灵大师在传道，万事万物都处在即将变成其他东西的准备状态下。就化学和生物学上来说，这是真的。生命、大气、海洋与陆地在一支有数十亿年历史的舞蹈之中紧紧相连，这支舞会一直跳下去，直到地球的内部熔岩熄灭，或者太阳烧尽（不管哪个先发生）。在此之前，能量在地球系统之中的流动，会驱使原子跟分子进入越来越复杂的状态。
在我们的碳纪元里，经济活动让地质时间崩解成只有人的一生的长度。这本书的前半部分会探索碳和生命的源头，还有演化上的新事物在某些情况下如何重新引导碳循环流经大气、海洋与陆地。后半部分所包含的内容只涉及最近这150年，并且解释科学家、工业家跟消费者如何制造出整体的工业性碳循环——把百万年的地质沉积物冲回大气中。第二篇的章节跟第一篇的章节互相对应，用来比较演化与人类科技是如何解决相同的问题，还有科技在演化中的地位，同时也展现这个碳世界的基本运作方式。
（以上文字节选自由三联书店出版的《碳时代：文明与毁灭》一书前言部分，经公众号三联书店三联书情授权刊载）
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