本文发表于《大众科学》的前博客网络，反映作者的观点，不一定代表《大众科学》的观点
罗伯特·哈森是《大众科学》2020年3月美洲175周年纪念航程的五位专家演讲者之一。有关我们175周年纪念航程的更多信息，包括详细的行程、研讨会说明和演讲者简介，请点击这里。
看看你周围。碳无处不在：每本书的纸张，书页上的墨水和粘合它们的胶水；你的鞋子的鞋底和皮革，你衣服的合成纤维和彩色染料，以及固定它们的特氟龙拉链和魔术贴；你吃的每一口食物，啤酒和烈酒，气泡水和起泡酒；你地板上的地毯，墙上的油漆和天花板上的瓷砖；从天然气到汽油到蜡烛蜡的燃料；坚固的木材和抛光的大理石；每种粘合剂和每种润滑剂；铅笔的铅和戒指的钻石；阿司匹林和尼古丁，可待因和咖啡因，以及你服用过的每一种其他药物；从购物袋到自行车头盔，廉价家具到名牌太阳镜的每一种塑料。从你第一件婴儿装到你丝绸内衬的棺材，碳原子包围着你。
碳是生命的给予者：你的皮肤和头发，血液和骨骼，肌肉和筋腱都依赖于碳。树皮，叶子，根和花；水果和坚果；花粉和花蜜；蜜蜂和蝴蝶；杜宾犬和恐龙——都含有必需的碳。你身体中的每个细胞——实际上，每个细胞的每个部分——都依赖于坚固的碳骨架。母亲乳汁中的碳变成了她孩子跳动的心脏中的碳。碳是你爱人的眼睛、手、嘴唇和大脑的化学本质。当你呼吸时，你会呼出碳；当你接吻时，碳原子会拥抱。
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你更容易列出你接触到的所有缺乏碳的东西——冰箱里的铝罐、iPhone里的硅微芯片、牙齿里的金补牙物，以及其他奇怪的东西——而不是列举你生活中哪怕10%的含碳物体。我们生活在一个碳行星上，我们是碳生命。
每一种化学元素都是特殊的，但有些元素比其他元素更特殊。在所有元素周期表丰富多样的居民中，第六元素碳对我们的生活的影响是独一无二的。碳不仅仅是“物质”的静态元素。碳提供了跨越广阔空间和时间的最关键的化学联系——理解宇宙演化的关键。在近140亿年的过程中，宇宙不断演化，变得复杂化，并以看似无穷无尽的迷人而古怪的行为变得越来越丰富多彩。
碳位于这种演化的核心——编排着行星、生命和我们自身的出现。而且，与任何其他成分相比，碳促进了新技术的快速出现，从工业革命的蒸汽机到我们现代的“塑料时代”，即使它加速了行星尺度上环境和气候的前所未有的变化。
所以这里有一些关于碳的思考——宇宙中最重要的元素。
钻石！
在所有含碳矿物的各种高压形式中，包括已知和尚未发现的晶体形式，钻石将永远占据首要地位。钻石占据了稀缺和罕见之间的理想位置：它足够丰富，几乎每个人都可以拥有一颗，但又足够罕见，可以为具有新闻价值的大型宝石开出数百万美元的价格。已经开采了数亿颗足够用于戒指或项链的宝石，但数亿消费者想要拥有一颗或多颗。钻石的吸引力延伸到它们的科学价值；我们研究的这些来自地球深处的几乎纯净的碳碎片越多，我们对我们星球的历史和动态的了解就越多。
长期以来，钻石因其稀有、美丽和完美而备受珍视，但越来越多的科学界正在找到新的理由来重视钻石高于其他所有宝石。这一代新的钻石寻觅者并不渴望高端订婚戒指和网球手链的完美无瑕的钻石。相反，他们最看重的是微小矿物包裹体形式的不完美——难看的黑色、红色、绿色和棕色矿物斑点以及深部流体和气体的微观口袋。这些瑕疵通常在切割珍贵宝石时被切除并抛在一边，它们通常代表着地球深处的原始碎片——很久以前，在我们星球阳光照射的表面以下很远的地方起源的碎片，当生长中的钻石吞噬它们时，它们被捕获并密封起来。
他们讲述的故事！钻石及其包裹体有可能揭示钻石生长有多深，多久以前，以及在什么环境中生长。考虑一下世界最大的宝石现在正在揭示的秘密。在丰富的钻石传说中，巨大的宝石脱颖而出：2006年出土的603克拉莱索托承诺，被誉为新世纪最伟大的发现；几个世纪前在印度发现的传奇的793克拉光明之山钻石，现在在英国王太后的王冠上；2016年以创纪录的6300万美元在拍卖会上售出的813克拉星座钻石；以及其中最大的一颗宝藏，3106克拉的库里南钻石，它于1905年在南非的普雷米尔2号矿山被发现，是必须是更大的石头残存的碎片。事实证明，所有这些巨型宝石都具有共同的、意想不到的起源。
几个世纪以来，人们一直认为如此壮观的宝石只是更常见、更小的宝石的大型版本。并非如此。不同的起源的暗示来自光学研究。大多数钻石，尽管对可见光具有惊人的透明度，但由于原子尺度的杂质而吸收红外线和紫外线的波长。氮原子是最常见的罪魁祸首。在“I型”钻石中，氮通常取代大约每1000个碳原子中的一个。当这些氮原子聚集到小簇中时，它们可能会赋予宝石黄色或棕色。其余的钻石，不到所有开采宝石的百分之二，是“II型”。II型钻石以其对可见光和紫外线的无与伦比的透明度而著称，它们没有明显的氮杂质，并且往往更大且光学上更完美——这些特征导致一些科学家认为其结晶环境更慢、更深。尽管如此，II型钻石的确切起源仍然是一个谜。
在2016年一项引人注目的发现中，一个由纽约美国宝石学院（GIA）领导的国际科学家团队表明，II型钻石，包括地球上许多最大的宝石，都拥有一套独特而奇特的包裹体：银色的铁镍金属斑点，与它们的较小同类的普通氧化物和硅酸盐矿物包裹体截然不同。
这项研究在社会学和科学方面都取得了成功。矿主、宝石切割师和收藏家都嫉妒地守护着他们的宝藏；钻石越大，就越难获得科学研究的机会。对于大多数科学家来说，赢得机会对一两颗大钻石的包裹体进行哪怕是粗略的检查，也将是一份意外的惊喜。那些尝试过的人，那些瞥见大石头中银色包裹体的人，错误地认为它们是常见的矿物石墨——这个结果并没有什么特别的新闻价值。GIA与来自美国、欧洲和非洲的其他钻石专家合作，为更大规模的研究奠定了基础。纽约的非营利组织GIA的任务是认证各种钻石：称重、分级、弄清它们的原产国，并不断设计新的测试来清除下一代狡猾的合成仿制品或非法“冲突钻石”。
GIA认证是钻石的通用卓越标准。通过他们在矿山和博物馆的众多联系，他们能够组装并详细探测来自53颗大型II型钻石的惊人宝石和切割碎片。他们甚至重新切割和抛光了其中的五个碎片，以便将银色包裹体暴露在先进分析仪器的细致探测之下。
第一个惊喜来自成分研究。富含金属的包裹体不含氧，地幔中最丰富的化学元素，但它们富含碳和硫——这些是明显的杂质，表明金属在钻石形成时一定处于熔融状态。值得注意的是，金属包裹体指向我们星球深处，其成分与地球无法接近的地核相似，那里有致密的液态铁和镍的海洋围绕着直径1520英里的更致密的结晶铁和镍合金内球。
推论：大型钻石在地下数百英里的富含金属液体的孤立地幔袋中生长。钻石在这样的环境中很容易生长，因为铁金属具有吸收大量碳原子的不寻常能力。在足够的压力和温度下，钻石成核并生长，移动的碳原子很容易穿过金属熔体，为潜在的巨大晶体添加一层又一层。对于科学家来说，一些钻石以这种金属介导的方式形成并不完全令人惊讶；自20世纪50年代初以来，金属溶剂已被用于合成钻石业务中生长大型晶体。但是没有人意识到大自然在数十亿年前就学会了同样的技巧。
这一发现的含义，即大型钻石有其特殊的来源，远远超出了对花式宝石的追求。这种独特的II型钻石种群揭示了地幔中以前未记录的异质性。人们可能会认为地幔的高温，加上数十亿年的对流混合，会将地幔混合成类似冰沙的均匀性。现在，由于大型钻石及其明显的包裹体，我们有明确的证据表明地幔更像是一个水果蛋糕，其中有一些相对均匀的区域，但也有新奇的漩涡和许多水果和坚果（读取金属和钻石）。
更重要的是，地幔岩石和矿物的这些局部变化指向具有截然不同化学环境的深部区域。我们长期以来一直认为地幔几乎完全由富氧矿物组成。这通常是我们在被称为金伯利岩的火山岩中看到的，它们将其钻石宝石的宝藏输送到地表并拥有世界上最富有的钻石矿山。但金属包裹体指向其他缺乏氧气的地幔带——这些区域可以发生不同的化学过程。
正如地球演化的许多方面一样，我们看得越仔细，收集的数据越多，故事就越复杂和引人入胜。
碳与全球变化
我们不应回避碳及其在气候变化中的作用。有四个事实是无可争议的。
事实一：二氧化碳和甲烷是强效温室气体。它们的分子会捕获太阳辐射，减少辐射到太空的能量。大气中较高浓度的二氧化碳和甲烷意味着捕获更多的太阳能。
事实二： 地球大气中二氧化碳和甲烷的含量正在迅速增加。
事实三： 人类活动，主要是每年燃烧数十亿吨富含碳的燃料，正在驱动大气成分的几乎所有变化。
事实四： 地球变暖已经持续了一个多世纪。
几乎每一位研究过这些令人信服且无可辩驳的事实的科学家都得出了相同明确的结论。人类活动正在导致地球升温。 这个结论不是观点或猜测。它不是由政治或经济驱动的。它不是研究人员为了获得更多资金，或环保主义者为了沉溺于夸张的新闻报道而使用的手段。
关于地球的一些事情是真实的，而这正是其中之一。
碳与交响乐
碳化学渗透到我们的生活中。我们看到的几乎每一个物体，我们购买的每一件商品，我们吃的每一口食物，都以第六元素为基础。每一个活动都受到碳的影响——工作和运动，睡觉和醒来，出生和死亡。
那么其他的追求呢？音乐呢？一个交响乐团——每一个乐器组，每一个乐器——都在唱着一首碳之歌。弦乐组——小提琴和大提琴，中提琴和低音提琴——几乎完全由碳化合物组成：木制的琴腹、指板、音柱、琴栓和琴尾；肠弦、马尾弓和塑料腮托。弦乐器还依赖于用于琴栓的润滑脂和用于琴弓的粘性松香。
管乐组呢？这个名字已经说明了一切——木材构成了双簧管、单簧管和巴松管的管体。竹子提供它们的簧片；软木塞是它们优雅的接合管体的衬里。即使是金属长笛也依赖于润滑油和密封的皮革垫来控制其令人惊叹的各种按键。
打击乐组在碳的喧嚣中敲击：白蜡木鼓槌和牛皮鼓面，柚木木琴和黑檀木钢琴键，响板和铃鼓，木鱼和梆子，沙锤和马林巴琴，康加鼓和邦戈鼓。
钢琴也大同小异，木制的框架，毛毡衬里的琴槌和橡胶止音器，都隐藏在一个曲线优美的琴壳中，用碳基油漆、染色剂和清漆精美地装饰。而且，曾经，每架钢琴的88个琴键都覆盖着坚固的象牙饰面——一种昂贵的装饰品，导致每年有数千头大象被屠杀。一颗象牙可以提供足够的材料用于 45 个键盘；薄板，每个键三个矩形，被精心切割，然后在阳光下放置数周，以达到所需的“白色”琴键色调。如今，坚韧的塑料——象牙色的聚合物，模拟被禁止的碳基生物材料——提供了一种良性的合成替代品。
啊，您说，但是铜管乐器家族呢——长号和圆号，长号和低音号肯定不需要碳。镀银的吹嘴，铜制的导管，钢制的阀门，黄铜管，U 形调音滑管和喇叭口，都是用实心金属制成的。但是，如果您没有给阀门上油或给滑管涂上润滑脂，那么在一周之内，您所拥有的只是一块毫无用处的冻结金属。
没有碳，一切都将是寂静。
生命：为什么是碳？
碳是晶体、循环和物质的元素。碳，以无数种固态、液态和气态形式存在，在化学领域发挥着无数作用，触及我们生活的方方面面。但是，对于生物体来说，它们所展示的结构和功能比自然界或工业界的任何无生命物质都复杂得多，那么是什么元素将提供生命的关键火花呢？
对于一种对生命起源至关重要的化学元素来说，它最好符合一些基本期望。毫无疑问，任何对生命至关重要的元素都必须相当丰富，在地球地壳、海洋或大气中广泛存在。该元素必须具有发生大量化学反应的潜力；它不能太惰性，以至于只是呆在那里什么也不做。另一方面，生命的核心元素也不能过于活跃；它不能在最轻微的化学刺激下就燃烧或爆炸。而且，即使一种元素在化学反应性方面找到了一个快乐的中间地带，即在爆炸性和死寂之间理想的领域，它也必须做的不只是一个化学技巧。它必须擅长形成坚固而稳定的结构膜和纤维——生命的砖瓦。它必须能够存储、复制和解释信息。
并且，这种特殊的元素，与其他普遍存在的元素构建材料结合，必须找到一种方法来利用其他化学物质组合或可能来自太阳充足的光线的能量。元素巧妙的组合必须将能量以方便的化学形式存储起来，就像电池一样，然后在需要时随时随地释放受控的能量脉冲。生命的必需元素必须是多任务的。
在这种限制性背景下，考虑许多元素的替代品。宇宙中最常见的元素是氢和氦，元素周期表的第一和第二位，即整个第一行，但它们永远无法作为生物圈的基础。氢一次只能与另一个原子牢固结合，因此无法通过通用性测试。氢并非不重要，请注意。它通过“氢键”（一种分子胶）帮助塑造许多生命分子，同时它在水中与氧气共同发挥着至关重要的作用，水是所有已知生命形式的介质。但是，第一元素无法为生命提供通用的化学基础。
元素周期表中的第二个元素氦，毫无用处——非常惰性，一种高傲的“惰性气体”，拒绝与任何物质结合，甚至拒绝与自身结合。
扫描整个元素周期表，第三到第五种元素（锂、铍和硼）太稀少，无法建立生物圈。在地壳中的浓度为百万分之几原子，甚至在海洋和大气中的浓度更低，您可以安全地将它们从潜在的生命组成成分列表中划掉。
碳，第六元素，是生物学的化学英雄；我们稍后会回到它。
第七种元素氮，是一个有趣的案例。氮在地表环境中含量丰富，约占大气层的 80%。它以 N2 的形式成对与自身结合，这是一种无反应的分子，构成了我们呼吸的大部分气体。氮也与许多其他元素结合——其中有氢、氧和碳——形成各种与生物化学相关的有趣的化学物质。蛋白质是由氨基酸长链制成的，每个氨基酸都至少包含一个氮原子。重要的遗传分子 DNA 和 RNA 也将氮掺入其结构单元中，即所谓的“碱基”，它们定义了遗传字母表——A、T、G 和 C。但是氮，它距离魔术数字 10 还差三个电子，最终会变得对电子有点贪婪——它的化学反应有点过于剧烈，而且产生的键有点过于僵硬，无法发挥主要角色的多方面作用。因此，我们可以将氮从竞争中淘汰。
为什么不是氧气？毕竟，氧气是地球地壳和地幔中原子含量最多的元素，占大多数岩石和矿物中原子的一半以上。在长石矿物组中，占地球各种大陆和海洋地壳体积的 60% 之多，氧原子的数量比其他原子多八分之五。普遍存在的辉石组以三比二的比例混合了氧与常见的金属元素，如镁、铁和钙。而石英，大多数沙滩最常见的矿物，是 SiO2。想到当您躺在海滩上，沐浴阳光时，支撑您身体的三分之二都是氧原子，这真是非凡的事情。
因此，氧气在地壳中的原子浓度比碳高约一千倍。但是，氧气尽管数量众多，但在化学上却很无趣。一个孤立的氧原子开始时只有八个电子，比它想要的少了两个电子，因此它会不加选择地与几乎任何可以弥补赤字的原子结合。的确，氧气对于各种生物至关重要的化学物质（糖、碱基、氨基酸，当然还有水）绝对必不可少。然而，氧气无法形成对于生命复杂结构至关重要的必要链条、环和分支几何结构。因此，我们可以将含量丰富的氧气从生命最关键的原子构件的简短列表中划掉。
氟，占据元素周期表的第九位，情况更糟，因为它只比所需的 10 个电子少一个电子。氟几乎从任何其他元素中贪婪地吸取电子。反应性氟会腐蚀金属、蚀刻玻璃，并与水接触时会爆炸。吸入充满氟气的肺部，您将遭受可怕的痛苦而死亡，因为您的肺部会被化学灼伤起泡。
以此类推。第 10 和 18 号元素，氖和氩，都是惰性气体，因此不再考虑它们。钠、镁和铝（第 11 到 13 号元素）太急于放弃电子，而磷、硫和氯（第 15 到 17 号元素）太急于接受它们。当我们深入研究元素周期表时，元素变得越来越少见，而生命核心化学的可能性也在减少。
一个例外可能存在于丰富的元素硅中，它位于元素周期表第三行的中间。硅是第 14 号元素，占据了碳正下方的重要位置。在元素周期表中共享一列的元素通常具有相似的属性，因此也许硅是碳的可行的生物备用元素？科幻小说作家不止一次地抓住了这个选择。
我清楚地记得经典电视剧《星际迷航》第一季的一集——由威廉·夏特纳饰演詹姆斯·T·柯克上尉，伦纳德·尼莫伊饰演斯波克先生的原始剧集——其中《进取号》的船员发现了一个由岩石形状构成的、有智能且具有潜在危险的硅基生命形式种族。该剧的概念很有趣，尤其是随着岩石和人类学会相处而令人满意的和平结局。但是矿物学前提是有缺陷的；硅是生物学的死胡同。地球表面的硅只有一个结合要务——找到四个氧原子并形成一个晶体。一旦形成，这些硅-氧键就太强且太不灵活，无法进行有趣的化学反应。您根本无法将生物圈建立在像硅这样专一的元素之上。
继续探索，但你将徒劳地寻找其他有希望的元素选择。的确，你的目光可能会落在铁元素上，第26号元素，在地壳中含量第四丰富的元素，仅次于氧、硅和镁。为什么不选择铁呢？铁喜欢结合，并且在选择方面很灵活。与氧结合？当然，形成具有离子键的红色铁锈。与硫结合？当然，形成具有共价键的金色、有光泽的金属黄铁矿（恰如其分地称为“愚人金”）。铁与砷和锑、氯和氟、氮和磷结合，甚至与碳结合形成各种碳化铁矿物。如果没有其他元素可用，铁也会愉快地与自身结合形成金属铁。如此多样化的结合方式似乎非常适合作为生命的核心元素。但是铁有一个缺陷。它很容易形成具有大晶体的矿物，但它不擅长制造小分子。生命需要各种各样的分子，具有链、环、分支和笼状结构——铁很少尝试的技巧。
因此，我们最终选择了碳，这种最通用、最适应、最有用的元素。碳是生命的元素。
尾声
在进化的进程中，在这伟大的碳交响曲中，我们的角色是什么？人类既普通又独特。一方面，我们只是一个四十亿年故事中的另一个进化步骤，这个故事很可能会在我们血统灭绝或演变成某种新物种之后继续下去。有些人认为，只有我们才有能力彻底改变地球的气候和环境，但产生氧气的光合微生物以及随后的各种绿色植物，已经以比任何人类行为更深刻的方式改变了地球近地表的生存环境。
另一些人则指出人类通过建造城市、道路、矿山和农场对各大洲的全球影响，但树木和草地对景观的影响远远超过了我们。有些人说我们的物种在“毁灭地球”方面是独一无二的，但小行星的反复灾难性撞击和超级火山的爆炸性喷发造成的破坏性后果远远大于人类发明的任何武器。
与此同时，我们人类确实拥有前所未有的能力。在生命史上，我们在技术上的精湛技艺是独一无二的，我们能够在局部到全球范围内适应和改变我们的环境。我们在发明性地利用其他物种（动物、植物和微生物）方面是独一无二的。我们渴望和有能力探索我们世界之外的地方，甚至最终殖民其他行星和卫星，这方面也是独一无二的。而且，我们在影响地球的碳循环方面是独一无二的——碳循环深刻地影响着我们星球的方方面面——土地、空气、火和水。
人类在生命形式中是独一无二的，因为我们施加的变化步伐非常快。我们改变地球的速度比以往任何物种都要快得多——其速度只被火山爆发和天体坠落带来的突然灾难所超越。微生物花了数亿年时间使大气含氧，又花了大约十亿年时间使海洋含氧。多细胞生命在最早的尝试性入侵之后，花了数千万年的时间才在陆地上定居下来。
这些变化是深刻的，但它们发生在使生命和岩石能够逐渐共同进化的地质时间尺度上。地球的生态系统具有显著的弹性，但它们需要几代人的时间才能转变、进化并重新适应新的环境条件。如果人类像一些学者担心的那样对地球构成独特的威胁，那么对生物圈造成最大损害风险的，就是前所未有的环境变化速度。
即便如此，岩石和生活在其中的各种微生物，无论我们对家园造成什么伤害，以及无意中对我们自身物种造成什么伤害，它们都会安然无恙。地球将继续存在，生命将继续存在，自然选择的强大进化过程将确保新的生物继续在地球上的每个角落安家落户。
碳的宏伟、永恒的交响曲统一了所有元素——土、气、火、水。没有什么是孤立存在的；一切都是整体的重要组成部分。地球生长出坚固的碳晶体——陆地和海洋坚实的地基。空气中含有拥抱我们所有人的碳分子——永远循环，保护和维持生命。火，由碳而生，为世界提供能量，同时也为物质世界和生命世界提供无与伦比的分子多样性。水，孕育了碳生命，在碳生命进化并辐射到全球各个角落时滋养着它。在优美的和谐和复杂对位的渐强中，碳的每一种本质都会相互庆祝，并受到其他本质的庆祝。
人类已经学会将自己紧迫的主题和不断加速的节奏强加给这古老的乐谱。我们剥夺地球的矿物质。我们用废物充斥空气。我们利用火来满足我们的欲望和需求。我们剥削充满生机的活水世界，常常不顾哪些物种生存或死亡。
我们每个人都必须从我们欲望的紧迫性中退后一步，将我们珍贵的行星家园视为一个独特但脆弱的住所。如果我们足够明智，如果我们能用重新燃起的敬畏和惊奇之感来缓和我们的欲望，如果我们能学会珍惜我们如诗如画的美丽富碳世界，因为它迫切值得我们珍惜，那么我们就有希望为我们的孩子、他们的孩子和所有未来的世代留下一份无与伦比的、无价的遗产。
本文摘自并改编自：C调交响曲：碳与（几乎）一切的进化（W.W. Norton & Co.，纽约，2019年），作者：Robert M. Hazen。