碳紀元——地球文明的誕生與毀滅

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整個地球文明就是一個碳基文明。碳並非地球製造的元素，碳是歷經數十億年宇宙恆星的生生滅滅，才終於誕生的化學元素。從碳元素的形成到地球文明的誕生，這中間實在是經過了一段千古神秘的機緣。碳造就了地球的生命基礎，也是人類文明大躍進的重要元素，從遠古的普通燃料到新近的石墨烯技術，沒有碳，就沒有我們今日的文明。然而，這造就我們文明的元素，卻也威脅著我們的生存。地球經過40億年才形成的碳循環方式和速度，被幾百年來的人類工業化進程所破壞，等待我們的可能是一場毀滅性的災難……

*以下文位元組選自《碳時代：文明與毀滅》（新知文庫73，三聯書店2017年1月刊行）「前言」。文章版權所有，轉載請與微信後台聯繫。

碳是生命中無所不在的建築設計師

文 | [美]埃里克·羅斯頓

譯 | 吳妍儀

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當我告訴你，碳的這種奇妙表現具有怎樣的意義時，你會大吃一驚。

——邁克爾·法拉第（Michael Faraday）

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歡迎來到碳紀元。

這年頭我們常在報紙頭條標題里看到「碳」這個字眼，卻幾乎不太了解碳是什麼。碳是製造一波波危機的罪犯，二氧化碳的排放導致氣候變暖，情勢一觸即發的中東炸掉了他們儲存的揮發性碳氫化合物——又名石油。碳水化合物受歡迎的程度，隨著節食熱潮時起時落。經常要靠以石油為基礎的原料來製作的藥物，索價越來越高昂。美國軍隊需要碳纖維來做防彈衣和運輸工具防護用品，這讓航天工業與運動用品製造商提高了商品售價，因為他們也要用同樣的材料，製作從機翼到網球拍在內的一切產品。少有人談到那個聯結一切的「結締組織」：碳把這些次要情節聯結成一個大架構的故事，一首動態的史詩，內容包括這個元素如何流過生命與工業，把演化和地球的無生命力量、空氣、海洋、岩石，以及人類的基礎結構緊密地交織在一起。

每年都有許多書籍和文章在警告我們，碳循環（碳的全球性流動）已遭破壞。這些危機有時候牽涉到生死攸關的議題，需要大眾的持續監督。而這種循環應當怎麼運作，就是較少被人談論的問題了。

我們可能會抱持這種合理的期待：92種自然元素平均地混合與搭配，創造出豐富的生命以及讓這些生命得以成長的地球。但事實不然。宇宙是合理的，但不是「那麼」合理。碳是宇宙中第四多的元素，卻不是地球上第四多的元素；這個星球大體上是由氧與硅構成的球體。地球上的碳，甚至還排不上地球上豐富元素的前十名；然而碳構成了所有生命的結構和燃料。碳是元素中的平民國王，在自然界中扮演從瑣碎到超凡的各種角色，在這麼做的同時，也控制了我們以及生命的樣貌。彼得·阿特金斯（Peter Atkins）就寫道：「碳這種元素的王者性質，乃是源於其平凡：碳做了大部分的事情，又不走極端，藉助這種節制的本質，碳主宰了自然。」為什麼會是這樣？

碳是生命中無所不在的建築設計師、工人兼最基本的建築原料。每種生物都是以碳作為分子鷹架。碳是生命的舵手，把儲存的能量傳遞到各個細胞。每種生物都以同一種語言儲存自身的基因信息：一種用碳字體寫下的化學字母。就質量而言，碳在精緻的DNA中，是最大的組成成分。大約20種元素就創造出所有的生物，然而有96%的生物軀體，卻只用四種元素（碳、氧、氫與氮）構成，而且大多數的氧與氫是以水的形式存在的。碳就是黏合、釋放和重造生命分子的魔術貼。我們毛髮中的油脂，還有內臟、皮膚和其他組織中的脂肪，本質上是碳氫化合物，也就是插入氫的碳結構。糖中則含有碳、氫和氧，而且包括了從蔗糖（餅乾的甜味由此而來）到脫氧核糖（束縛住DNA雙螺旋的物質）在內的每樣東西。氨基酸都是圍繞著單一碳原子建造起來的，其中至少包括生命中最豐富的那四種元素。各種氨基酸是「自然界的機器人」蛋白質的基礎建材，蛋白質則建造細胞，並且執行它們的工作。

碳不只是生命的總建築師。文明建築在碳的基礎之上，這種基礎遠比全球燃燒化石燃料要更寬廣得多。生物跟無生物之間的相似性，比外表乍看之下要高。舉例來說，塑膠不只是汽水瓶的原料而已。塑膠屬於聚合物，也就是重複單位構成的鏈狀物——不管是在龜殼裡還是在玳瑁的太陽鏡框里，在活雞或者塑膠小雞身上，發現的都是這種鏈狀物。化學家指出，尼龍是一種聚醯胺，就像蛋白質一樣，卻是由單一重複的合成氨基酸組成。某位研究塑性破壞的專家，有一次這麼寫道：「所有人都是天然塑膠工廠。」他妻子罹患的癌症，迫使他看出化學性劣化與疾病之間悲劇性的相似點。

如果碳對生命有這麼強的工具性（而且一向如此），我們很想這麼說：從混沌太初開始，每個年代都是碳紀元。然而只有一個年代真正掛上了這個名號。涵蓋範圍從3.59億年前到2.99億年前的石炭紀，因掩埋了大量能形成煤炭的有機碳而得名。在那段時期，大氣中的氧大量積聚。在石炭紀，茂密多葉的樹木生長得欣欣向榮；樹木的根部改變了土地，也加速了岩石被侵蝕，把碳跟礦物質掃進大海，讓海洋生物吸收了一部分。某些碳最後固定在海床上。當侵蝕作用把陸地的某些碳抽走以後，植物和樹木繼續換取從水中來的氧（O2），然後以空氣中傳播的二氧化碳（CO2）作為回報。葉片呈鱗片狀的高大樹木漸漸變老以後倒在沼澤里，把體內的碳埋藏到地下，然後就留在那裡，直到距今約300年前，煤炭工業才開始把碳挖出來。從地質學的時間尺度來看，300年就像幾秒鐘。

碳建立生命架構，氧則點燃生命。演化在石炭紀進入了一段實驗期，造就出高達53.3米、垂著長長葉片的蕨類植物，還有兩翼寬達76厘米的蜻蜓，我們可能只會把這樣的世界當成科幻小說來看待。現在的碳紀元則是倒過來的石炭紀——煤炭火力發電廠把長期埋藏的碳又燒回大氣之中，把碳跟氧重新結合成二氧化碳。你的車也在做同樣的事。汽油是從石油中煉製出來的，石油則是從比石炭紀更「晚近」的生油岩中過濾出來的。大多數的石油，在距今9000萬年才被困在地下洞穴里。跟全球暖化有關的二氧化碳上升現象，也伴隨著（沒有威脅性的）大氣氧含量下降，這點毫不令人意外。

我們人類最近變得特別在意碳，試圖測量出我們的「碳腳印」，就好像那是鞋子尺寸似的。時機正好，因為我們現在正打算用一種前所未有的方式來管理碳——這正是過去管理不當的直接後果。我們的碳紀元最明顯的標記，就是在工業界連續兩世紀燃燒碳氫化合礦物之後，人類出於理性，付出種種努力，要把地球的地質化學周期從垂危邊緣扭轉回來。

……

人類讓全球碳循環加速到正常狀況的100倍以上，把這個世界改造成另一個樣子，到最後我們自己可能都認不出。突然的氣候變化以前也出現過，最近一次是距今1.2萬年前，但科學家在記錄中找不到類似的狀況，能夠顯示未來將產生什麼樣的巨變，或者這樣的變化可能有多「突然」。人類造成的全球變暖是一種地質學上的脫軌現象，速度快得驚人。

智人不是所有生物中蹣跚跋涉過一段穩定時期的第一個物種。但是看一眼地球如何運作，就會導向這個結論：我們改變地球的速度比過去更快，這種速度是前所未有的。科學家在短期與長期的碳循環之間做出區別。短期循環延續幾小時、幾年或者幾百萬年，並且描述了碳穿越生命、水域、土壤和空氣的路徑。長期碳循環則補充了這條路徑的另一段：地殼。當原料沉澱在地面或海床上，然後留在那裡的時候，碳的旅程可能暫停個千百萬年。碳可以一直待在地下，時間長達兩三億年或更久，直到陸地或海中的火山再把碳噴回地表系統（大部分是以二氧化碳的形式出現）。作為一種地質現象，人類文明讓長期與短期的碳循環短路了。

地球上的水域、岩石和大氣，就是大規模「洗碳」行動的場所。就像碳原子流經活體細胞中的正常化學循環，這些碳也在自然界大規模的地質化學循環中流動。地質學家一再估算後得知，地球的碳存量多達75京噸（京是兆的一萬倍），大多數埋藏在石灰岩、白雲石以及稱為油母質的鈣化油渣、煤炭、石油和天然氣中。這是碳從地球初始到現在的估計總量。地球上保持能量守恆，沒有創造也沒有毀滅，只是循環。大氣中夾帶了9000億噸的碳，比地面上的植物中所含的6000億噸碳更多。土壤中則吸收了自身三倍的量。雖然大氣中的碳含量對地球的可居住性質有不成比例的重大影響，這些碳或許只是地球總儲存量的十萬分之一。可開採的化石燃料中，可能含有5.5兆～11兆噸的碳。大多數的短期循環碳跟著海洋流動，海中約帶有42兆噸的碳——可能多達大氣含量的50倍，這些碳大多數埋藏在中間地帶或者深海里。海洋中吸收了大約一半由人類排放的化石燃料，但這種趨勢並不會永遠維持，目前已經出現減緩的跡象。

在碳循環中，風與水、細菌、植物和動物永恆地彼此纏繞著。碳原子懸浮在大氣中達一世紀或更久，兩旁伴隨著氧原子，以二氧化碳的形式出現。二氧化碳分子彈開其他的空氣分子，碰撞、振動，然後翻轉著穿越大氣。植物從空氣中吸進這種「原子三人組」，然後暫時儲存在葉片中。一隻長頸龍經過，吃掉那些樹葉。一隻暴龍跳出來吃掉了長頸龍。這隻暴龍活到大約28歲，然後吐出肺里最後一口二氧化碳。食腐動物跟細菌分解了它的屍身，變成了更多的二氧化碳、氮以及其他元素，先前這隻暴龍在不知不覺中帶著這些元素到處跑。雨把屍體上的某些腐化物質洗刷掉，流入大海，暴龍身上的碳，在那裡可以花上10萬年的時間循環。在碳循環中，萬物各有其位，直到找到下一個位置為止。

這不只是東方神秘主義者和西方心靈大師在傳道，萬事萬物都處在即將變成其他東西的準備狀態下。就化學和生物學上來說，這是真的。生命、大氣、海洋與陸地在一支有數十億年歷史的舞蹈之中緊緊相連，這支舞會一直跳下去，直到地球的內部熔岩熄滅，或者太陽燒盡（不管哪個先發生）。在此之前，能量在地球系統之中的流動，會驅使原子跟分子進入越來越複雜的狀態。

在我們的碳紀元里，經濟活動讓地質時間崩解成只有人的一生的長度。這本書的前半部分會探索碳和生命的源頭，還有演化上的新事物在某些情況下如何重新引導碳循環流經大氣、海洋與陸地。後半部分所包含的內容只涉及最近這150年，並且解釋科學家、工業家跟消費者如何製造出整體的工業性碳循環——把百萬年的地質沉積物沖回大氣中。第二篇的章節跟第一篇的章節互相對應，用來比較演化與人類科技是如何解決相同的問題，還有科技在演化中的地位，同時也展現這個碳世界的基本運作方式。

《碳時代：文明與毀滅》（新知文庫73）[美]埃里克·羅斯頓 著 吳妍儀 譯

生活·讀書·新知三聯書店 2017-01

ISBN: 9787108057105 定價：42.00

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