明明是氣候變遷關鍵，地球上的碳居然少得驚人

在蓋帝圖像的一張經典照片中，滿身煤塵的煤礦工人展示了人類與煤炭的緊密連結。我們現在經常擔心碳排放對地球氣候造成的巨大打擊，但事實上，我們的地球其實正面臨著嚴重的碳缺乏問題。

美國華盛頓大學名譽教授唐・布朗里，在二○二四年由普林斯頓大學出版社出版的著作中提到了這個觀點。這本與美國科羅拉多大學波德分校名譽教授西奧多・斯諾合著的「第六元素：碳如何塑造我們的世界」（The Sixth Element: How Carbon Shapes Our World）指出，碳在地球上其實只是極微量元素，甚至在太陽裡也僅僅是微量元素。

這兩位學者在書中特別指出，雖然人類在使用含有碳的化石燃料時帶來了許多棘手的問題，但我們整個人類的生存與存在，其實完全建立在碳這種元素引發多樣化學反應的能力之上。如果沒有這些化學反應，我們熟知的生命世界根本無法維持下去。

布朗里在接受採訪的電子郵件中提到，地球上的碳總量其實少得令人吃驚，大約只占了百萬分之幾，也就是幾百個ppm而已。儘管比例低得不可思議，他依然肯定地表示，碳絕對是地球上促成複雜分子進化、並開闢出生命誕生化學路徑的決定性關鍵妙藥。

布朗里與斯諾的這本著作中還分享了一個有趣的發現，那就是太陽系中碳含量最豐富的天體，居然不是太陽或各大行星，而是彗星和小行星這些較小的天體。這些小天體其實是當年形成行星時剩下的原材料殘餘物，它們在過去四十多億年的歲月裡，幸運地躲過了與行星的撞擊，也沒有被踢出太陽軌道。

雖然地球整體的碳含量非常稀少，但這個在化學週期表上排在第六位的元素，依然廣泛分布在地球的各個角落。在擁有層狀構造的地球裡，從最外圍的大氣圈最上層，一直到最深處的內部地核，每一個階層中都有它的蹤跡。

這就讓人好奇，為什麼地球會如此缺乏碳呢。布朗里對此解釋說，雖然地球是在太陽的適居帶中形成的，但因為在這個區域內，固態的碳也就是碳冰無法高效率地聚集形成。因此，與那些在遠離太陽的地方形成、保存了固體行星原始材料的典型小行星或彗星相比，地球上的碳元素其實被嚴重稀釋且極度匱乏。

不過，這種不可或缺的元素有時候也會給我們帶來不小的麻煩。布朗里開玩笑似地提到，碳是目前化學週期表上唯一被課徵專門稅收，也就是碳稅的化學元素。為了研究如何應對碳的影響，世界各國已經花費了數十億美元，而人類使用碳的行為正在破壞地球的說法也一直甚囂塵上。雖然開採化石燃料是自然界送給人類的禮物，但這些燃料所引發的地球暖化，確實也給各個地區帶來了許多嚴重的後果。

談到未來的挑戰，布朗里認為，大氣中二氧化碳的累積會導致氣溫上升，進而引發海平面上升，並改變農作物的種植區域以及全球異常氣候的模式。他在郵件中特別說道，光憑人類目前所能做到的事情，其實還不足以徹底毀滅整個地球。這番話在大家普遍擔憂氣候變遷的當下，倒是給了我們一絲冷靜思考的空間。

話說回來，我們人類今天之所以能坐在這裡討論這些問題，很可能就是因為碳元素擁有與各種元素結合、並創造出近乎無限種化合物的獨特本領。這不禁讓人聯想到另一個科幻般的問題，如果在當初的太陽系中，生命演化的方向走偏了，那麼有沒有可能誕生出不是以碳、而是以矽等其他元素為基礎的生命體呢。

布朗里和斯諾在書中指出，雖然矽在宇宙中並不是什麼稀有元素，它是銀河系中含量第七多的元素，但碳的含量依然比它高出大約四倍。如果光看我們所在的地球，情況卻截然相反，矽在地球上的含量遠遠高於碳，質量佔比達到了百分之二十六左右。

那麼，在我們太陽系之內，有沒有可能找到以矽為基礎的生命體呢。布朗里回顧了太陽系的歷史，指出在最初的幾百萬年裡，一些富含矽的原始隕石母天體曾經被加熱，並維持過一段「溫暖且潮濕」的時期。可惜的是，科學家在調查了大量的月球樣本、隕石以及彗星樣本後，發現這些數十億年前的物質中，沒有任何證據顯示矽曾參與過任何可以被視為生命的過程。

如果把目光投向太陽系之外，那裡會有以矽為基礎的生命嗎。布朗里搖搖頭表示，即便我們未來能獲取非常完美的太陽系外行星光譜，也很難從中找到矽基生命的線索，因為這類行星的大氣中幾乎不可能存在含有矽的氣體。相較之下，地球上的碳基生命製造出了由氮氣、氧氣和二氧化碳組成的奇妙大氣，這種光憑自然化學反應無法產生的成分，讓外星人反而能輕而易舉地偵測到地球生命的存在。

那麼，碳在整個銀河系中又是如何分布的呢。布朗里推測，如果一顆行星想要孕育出生命，應該會存在一個最完美的碳含量黃金比例，只是目前還沒有人知道那個數字是多少。如果碳太多了，可能就會像金星那樣形成有毒且致命的大氣層；而如果太少，又會因為缺乏足夠的原料而無法誕生任何生命。

科學界至今依然面臨著一些未解決的根本性問題，其中一個就是，固態的類地行星到底是如何把碳元素納入自己身體裡的。布朗里指出，在初期的太陽系與太陽中，碳雖然是僅次於氫、氦、氧的第四大元素，但當地球以固體形式凝聚時，當時絕大部份的碳原子其實都處於氣態的一氧化碳狀態。這些氣體到底是如何變成地球內部物質的一部分，至今依然是宇宙留給我們的一大謎題，也讓人不禁感嘆大自然的奧妙與巧合。

Author : 伴書僮

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