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羅伯特·哈森是《大眾科學》2020年3月美洲175週年紀念航程的五位專家演講者之一。有關我們175週年紀念航程的更多資訊，包括詳細的行程、研討會說明和演講者簡介，請點選這裡。
看看你周圍。碳無處不在：每本書的紙張，書頁上的墨水和粘合它們的膠水；你的鞋子的鞋底和皮革，你衣服的合成纖維和彩色染料，以及固定它們的特氟龍拉鍊和魔術貼；你吃的每一口食物，啤酒和烈酒，氣泡水和起泡酒；你地板上的地毯，牆上的油漆和天花板上的瓷磚；從天然氣到汽油到蠟燭蠟的燃料；堅固的木材和拋光的大理石；每種粘合劑和每種潤滑劑；鉛筆的鉛和戒指的鑽石；阿司匹林和尼古丁，可待因和咖啡因，以及你服用過的每一種其他藥物；從購物袋到腳踏車頭盔，廉價傢俱到名牌太陽鏡的每一種塑膠。從你第一件嬰兒裝到你絲綢內襯的棺材，碳原子包圍著你。
碳是生命的給予者：你的皮膚和頭髮，血液和骨骼，肌肉和筋腱都依賴於碳。樹皮，葉子，根和花；水果和堅果；花粉和花蜜；蜜蜂和蝴蝶；杜賓犬和恐龍——都含有必需的碳。你身體中的每個細胞——實際上，每個細胞的每個部分——都依賴於堅固的碳骨架。母親乳汁中的碳變成了她孩子跳動的心臟中的碳。碳是你愛人的眼睛、手、嘴唇和大腦的化學本質。當你呼吸時，你會撥出碳；當你接吻時，碳原子會擁抱。
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你更容易列出你接觸到的所有缺乏碳的東西——冰箱裡的鋁罐、iPhone裡的矽微晶片、牙齒裡的金補牙物，以及其他奇怪的東西——而不是列舉你生活中哪怕10%的含碳物體。我們生活在一個碳行星上，我們是碳生命。
每一種化學元素都是特殊的，但有些元素比其他元素更特殊。在所有元素週期表豐富多樣的居民中，第六元素碳對我們的生活的影響是獨一無二的。碳不僅僅是“物質”的靜態元素。碳提供了跨越廣闊空間和時間的最關鍵的化學聯絡——理解宇宙演化的關鍵。在近140億年的過程中，宇宙不斷演化，變得複雜化，並以看似無窮無盡的迷人而古怪的行為變得越來越豐富多彩。
碳位於這種演化的核心——編排著行星、生命和我們自身的出現。而且，與任何其他成分相比，碳促進了新技術的快速出現，從工業革命的蒸汽機到我們現代的“塑膠時代”，即使它加速了行星尺度上環境和氣候的前所未有的變化。
所以這裡有一些關於碳的思考——宇宙中最重要的元素。
鑽石！
在所有含碳礦物的各種高壓形式中，包括已知和尚未發現的晶體形式，鑽石將永遠佔據首要地位。鑽石佔據了稀缺和罕見之間的理想位置：它足夠豐富，幾乎每個人都可以擁有一顆，但又足夠罕見，可以為具有新聞價值的大型寶石開出數百萬美元的價格。已經開採了數億顆足夠用於戒指或項鍊的寶石，但數億消費者想要擁有一顆或多顆。鑽石的吸引力延伸到它們的科學價值；我們研究的這些來自地球深處的幾乎純淨的碳碎片越多，我們對我們星球的歷史和動態的瞭解就越多。
長期以來，鑽石因其稀有、美麗和完美而備受珍視，但越來越多的科學界正在找到新的理由來重視鑽石高於其他所有寶石。這一代新的鑽石尋覓者並不渴望高階訂婚戒指和網球手鍊的完美無瑕的鑽石。相反，他們最看重的是微小礦物包裹體形式的不完美——難看的黑色、紅色、綠色和棕色礦物斑點以及深部流體和氣體的微觀口袋。這些瑕疵通常在切割珍貴寶石時被切除並拋在一邊，它們通常代表著地球深處的原始碎片——很久以前，在我們星球陽光照射的表面以下很遠的地方起源的碎片，當生長中的鑽石吞噬它們時，它們被捕獲並密封起來。
他們講述的故事！鑽石及其包裹體有可能揭示鑽石生長有多深，多久以前，以及在什麼環境中生長。考慮一下世界最大的寶石現在正在揭示的秘密。在豐富的鑽石傳說中，巨大的寶石脫穎而出：2006年出土的603克拉賴索托承諾，被譽為新世紀最偉大的發現；幾個世紀前在印度發現的傳奇的793克拉光明之山鑽石，現在在英國王太后的王冠上；2016年以創紀錄的6300萬美元在拍賣會上售出的813克拉星座鑽石；以及其中最大的一顆寶藏，3106克拉的庫裡南鑽石，它於1905年在南非的普雷米爾2號礦山被發現，是必須是更大的石頭殘存的碎片。事實證明，所有這些巨型寶石都具有共同的、意想不到的起源。
幾個世紀以來，人們一直認為如此壯觀的寶石只是更常見、更小的寶石的大型版本。並非如此。不同的起源的暗示來自光學研究。大多數鑽石，儘管對可見光具有驚人的透明度，但由於原子尺度的雜質而吸收紅外線和紫外線的波長。氮原子是最常見的罪魁禍首。在“I型”鑽石中，氮通常取代大約每1000個碳原子中的一個。當這些氮原子聚集到小簇中時，它們可能會賦予寶石黃色或棕色。其餘的鑽石，不到所有開採寶石的百分之二，是“II型”。II型鑽石以其對可見光和紫外線的無與倫比的透明度而著稱，它們沒有明顯的氮雜質，並且往往更大且光學上更完美——這些特徵導致一些科學家認為其結晶環境更慢、更深。儘管如此，II型鑽石的確切起源仍然是一個謎。
在2016年一項引人注目的發現中，一個由紐約美國寶石學院（GIA）領導的國際科學家團隊表明，II型鑽石，包括地球上許多最大的寶石，都擁有一套獨特而奇特的包裹體：銀色的鐵鎳金屬斑點，與它們的較小同類的普通氧化物和矽酸鹽礦物包裹體截然不同。
這項研究在社會學和科學方面都取得了成功。礦主、寶石切割師和收藏家都嫉妒地守護著他們的寶藏；鑽石越大，就越難獲得科學研究的機會。對於大多數科學家來說，贏得機會對一兩顆大鑽石的包裹體進行哪怕是粗略的檢查，也將是一份意外的驚喜。那些嘗試過的人，那些瞥見大石頭中銀色包裹體的人，錯誤地認為它們是常見的礦物石墨——這個結果並沒有什麼特別的新聞價值。GIA與來自美國、歐洲和非洲的其他鑽石專家合作，為更大規模的研究奠定了基礎。紐約的非營利組織GIA的任務是認證各種鑽石：稱重、分級、弄清它們的原產國，並不斷設計新的測試來清除下一代狡猾的合成仿製品或非法“衝突鑽石”。
GIA認證是鑽石的通用卓越標準。透過他們在礦山和博物館的眾多聯絡，他們能夠組裝並詳細探測來自53顆大型II型鑽石的驚人寶石和切割碎片。他們甚至重新切割和拋光了其中的五個碎片，以便將銀色包裹體暴露在先進分析儀器的細緻探測之下。
第一個驚喜來自成分研究。富含金屬的包裹體不含氧，地幔中最豐富的化學元素，但它們富含碳和硫——這些是明顯的雜質，表明金屬在鑽石形成時一定處於熔融狀態。值得注意的是，金屬包裹體指向我們星球深處，其成分與地球無法接近的地核相似，那裡有致密的液態鐵和鎳的海洋圍繞著直徑1520英里的更緻密的結晶鐵和鎳合金內球。
推論：大型鑽石在地下數百英里的富含金屬液體的孤立地幔袋中生長。鑽石在這樣的環境中很容易生長，因為鐵金屬具有吸收大量碳原子的不尋常能力。在足夠的壓力和溫度下，鑽石成核並生長，移動的碳原子很容易穿過金屬熔體，為潛在的巨大晶體新增一層又一層。對於科學家來說，一些鑽石以這種金屬介導的方式形成並不完全令人驚訝；自20世紀50年代初以來，金屬溶劑已被用於合成鑽石業務中生長大型晶體。但是沒有人意識到大自然在數十億年前就學會了同樣的技巧。
這一發現的含義，即大型鑽石有其特殊的來源，遠遠超出了對花式寶石的追求。這種獨特的II型鑽石種群揭示了地幔中以前未記錄的異質性。人們可能會認為地幔的高溫，加上數十億年的對流混合，會將地幔混合成類似冰沙的均勻性。現在，由於大型鑽石及其明顯的包裹體，我們有明確的證據表明地幔更像是一個水果蛋糕，其中有一些相對均勻的區域，但也有新奇的漩渦和許多水果和堅果（讀取金屬和鑽石）。
更重要的是，地幔岩石和礦物的這些區域性變化指向具有截然不同化學環境的深部區域。我們長期以來一直認為地幔幾乎完全由富氧礦物組成。這通常是我們在被稱為金伯利岩的火山岩中看到的，它們將其鑽石寶石的寶藏輸送到地表並擁有世界上最富有的鑽石礦山。但金屬包裹體指向其他缺乏氧氣的地幔帶——這些區域可以發生不同的化學過程。
正如地球演化的許多方面一樣，我們看得越仔細，收集的資料越多，故事就越複雜和引人入勝。
碳與全球變化
我們不應迴避碳及其在氣候變化中的作用。有四個事實是無可爭議的。
事實一：二氧化碳和甲烷是強效溫室氣體。它們的分子會捕獲太陽輻射，減少輻射到太空的能量。大氣中較高濃度的二氧化碳和甲烷意味著捕獲更多的太陽能。
事實二： 地球大氣中二氧化碳和甲烷的含量正在迅速增加。
事實三： 人類活動，主要是每年燃燒數十億噸富含碳的燃料，正在驅動大氣成分的幾乎所有變化。
事實四： 地球變暖已經持續了一個多世紀。
幾乎每一位研究過這些令人信服且無可辯駁的事實的科學家都得出了相同明確的結論。人類活動正在導致地球升溫。 這個結論不是觀點或猜測。它不是由政治或經濟驅動的。它不是研究人員為了獲得更多資金，或環保主義者為了沉溺於誇張的新聞報道而使用的手段。
關於地球的一些事情是真實的，而這正是其中之一。
碳與交響樂
碳化學滲透到我們的生活中。我們看到的幾乎每一個物體，我們購買的每一件商品，我們吃的每一口食物，都以第六元素為基礎。每一個活動都受到碳的影響——工作和運動，睡覺和醒來，出生和死亡。
那麼其他的追求呢？音樂呢？一個交響樂團——每一個樂器組，每一個樂器——都在唱著一首碳之歌。絃樂組——小提琴和大提琴，中提琴和低音提琴——幾乎完全由碳化合物組成：木製的琴腹、指板、音柱、琴栓和琴尾；腸弦、馬尾弓和塑膠腮托。絃樂器還依賴於用於琴栓的潤滑脂和用於琴弓的粘性松香。
管樂組呢？這個名字已經說明了一切——木材構成了雙簧管、單簧管和巴松管的管體。竹子提供它們的簧片；軟木塞是它們優雅的接合管體的襯裡。即使是金屬長笛也依賴於潤滑油和密封的皮革墊來控制其令人驚歎的各種按鍵。
打擊樂組在碳的喧囂中敲擊：白蠟木鼓槌和牛皮鼓面，柚木木琴和黑檀木鋼琴鍵，響板和鈴鼓，木魚和梆子，沙錘和馬林巴琴，康加鼓和邦戈鼓。
鋼琴也大同小異，木製的框架，毛氈襯裡的琴槌和橡膠止音器，都隱藏在一個曲線優美的琴殼中，用碳基油漆、染色劑和清漆精美地裝飾。而且，曾經，每架鋼琴的88個琴鍵都覆蓋著堅固的象牙飾面——一種昂貴的裝飾品，導致每年有數千頭大象被屠殺。一顆象牙可以提供足夠的材料用於 45 個鍵盤；薄板，每個鍵三個矩形，被精心切割，然後在陽光下放置數週，以達到所需的“白色”琴鍵色調。如今，堅韌的塑膠——象牙色的聚合物，模擬被禁止的碳基生物材料——提供了一種良性的合成替代品。
啊，您說，但是銅管樂器家族呢——長號和圓號，長號和低音號肯定不需要碳。鍍銀的吹嘴，銅製的導管，鋼製的閥門，黃銅管，U 形調音滑管和喇叭口，都是用實心金屬製成的。但是，如果您沒有給閥門上油或給滑管塗上潤滑脂，那麼在一週之內，您所擁有的只是一塊毫無用處的凍結金屬。
沒有碳，一切都將是寂靜。
生命：為什麼是碳？
碳是晶體、迴圈和物質的元素。碳，以無數種固態、液態和氣態形式存在，在化學領域發揮著無數作用，觸及我們生活的方方面面。但是，對於生物體來說，它們所展示的結構和功能比自然界或工業界的任何無生命物質都複雜得多，那麼是什麼元素將提供生命的關鍵火花呢？
對於一種對生命起源至關重要的化學元素來說，它最好符合一些基本期望。毫無疑問，任何對生命至關重要的元素都必須相當豐富，在地球地殼、海洋或大氣中廣泛存在。該元素必須具有發生大量化學反應的潛力；它不能太惰性，以至於只是呆在那裡什麼也不做。另一方面，生命的核心元素也不能過於活躍；它不能在最輕微的化學刺激下就燃燒或爆炸。而且，即使一種元素在化學反應性方面找到了一個快樂的中間地帶，即在爆炸性和死寂之間理想的領域，它也必須做的不只是一個化學技巧。它必須擅長形成堅固而穩定的結構膜和纖維——生命的磚瓦。它必須能夠儲存、複製和解釋資訊。
並且，這種特殊的元素，與其他普遍存在的元素構建材料結合，必須找到一種方法來利用其他化學物質組合或可能來自太陽充足的光線的能量。元素巧妙的組合必須將能量以方便的化學形式儲存起來，就像電池一樣，然後在需要時隨時隨地釋放受控的能量脈衝。生命的必需元素必須是多工的。
在這種限制性背景下，考慮許多元素的替代品。宇宙中最常見的元素是氫和氦，元素週期表的第一和第二位，即整個第一行，但它們永遠無法作為生物圈的基礎。氫一次只能與另一個原子牢固結合，因此無法透過通用性測試。氫並非不重要，請注意。它透過“氫鍵”（一種分子膠）幫助塑造許多生命分子，同時它在水中與氧氣共同發揮著至關重要的作用，水是所有已知生命形式的介質。但是，第一元素無法為生命提供通用的化學基礎。
元素週期表中的第二個元素氦，毫無用處——非常惰性，一種高傲的“惰性氣體”，拒絕與任何物質結合，甚至拒絕與自身結合。
掃描整個元素週期表，第三到第五種元素（鋰、鈹和硼）太稀少，無法建立生物圈。在地殼中的濃度為百萬分之幾原子，甚至在海洋和大氣中的濃度更低，您可以安全地將它們從潛在的生命組成成分列表中劃掉。
碳，第六元素，是生物學的化學英雄；我們稍後會回到它。
第七種元素氮，是一個有趣的案例。氮在地表環境中含量豐富，約佔大氣層的 80%。它以 N2 的形式成對與自身結合，這是一種無反應的分子，構成了我們呼吸的大部分氣體。氮也與許多其他元素結合——其中有氫、氧和碳——形成各種與生物化學相關的有趣的化學物質。蛋白質是由氨基酸長鏈製成的，每個氨基酸都至少包含一個氮原子。重要的遺傳分子 DNA 和 RNA 也將氮摻入其結構單元中，即所謂的“鹼基”，它們定義了遺傳字母表——A、T、G 和 C。但是氮，它距離魔術數字 10 還差三個電子，最終會變得對電子有點貪婪——它的化學反應有點過於劇烈，而且產生的鍵有點過於僵硬，無法發揮主要角色的多方面作用。因此，我們可以將氮從競爭中淘汰。
為什麼不是氧氣？畢竟，氧氣是地球地殼和地幔中原子含量最多的元素，佔大多數岩石和礦物中原子的一半以上。在長石礦物組中，佔地球各種大陸和海洋地殼體積的 60% 之多，氧原子的數量比其他原子多八分之五。普遍存在的輝石組以三比二的比例混合了氧與常見的金屬元素，如鎂、鐵和鈣。而石英，大多數沙灘最常見的礦物，是 SiO2。想到當您躺在海灘上，沐浴陽光時，支撐您身體的三分之二都是氧原子，這真是非凡的事情。
因此，氧氣在地殼中的原子濃度比碳高約一千倍。但是，氧氣盡管數量眾多，但在化學上卻很無趣。一個孤立的氧原子開始時只有八個電子，比它想要的少了兩個電子，因此它會不加選擇地與幾乎任何可以彌補赤字的原子結合。的確，氧氣對於各種生物至關重要的化學物質（糖、鹼基、氨基酸，當然還有水）絕對必不可少。然而，氧氣無法形成對於生命複雜結構至關重要的必要鏈條、環和分支幾何結構。因此，我們可以將含量豐富的氧氣從生命最關鍵的原子構件的簡短列表中劃掉。
氟，佔據元素週期表的第九位，情況更糟，因為它只比所需的 10 個電子少一個電子。氟幾乎從任何其他元素中貪婪地吸取電子。反應性氟會腐蝕金屬、蝕刻玻璃，並與水接觸時會爆炸。吸入充滿氟氣的肺部，您將遭受可怕的痛苦而死亡，因為您的肺部會被化學灼傷起泡。
以此類推。第 10 和 18 號元素，氖和氬，都是惰性氣體，因此不再考慮它們。鈉、鎂和鋁（第 11 到 13 號元素）太急於放棄電子，而磷、硫和氯（第 15 到 17 號元素）太急於接受它們。當我們深入研究元素週期表時，元素變得越來越少見，而生命核心化學的可能性也在減少。
一個例外可能存在於豐富的元素矽中，它位於元素週期表第三行的中間。矽是第 14 號元素，佔據了碳正下方的重要位置。在元素週期表中共享一列的元素通常具有相似的屬性，因此也許矽是碳的可行的生物備用元素？科幻小說作家不止一次地抓住了這個選擇。
我清楚地記得經典電視劇《星際迷航》第一季的一集——由威廉·夏特納飾演詹姆斯·T·柯克上尉，倫納德·尼莫伊飾演斯波克先生的原始劇集——其中《進取號》的船員發現了一個由岩石形狀構成的、有智慧且具有潛在危險的矽基生命形式種族。該劇的概念很有趣，尤其是隨著岩石和人類學會相處而令人滿意的和平結局。但是礦物學前提是有缺陷的；矽是生物學的死衚衕。地球表面的矽只有一個結合要務——找到四個氧原子並形成一個晶體。一旦形成，這些矽-氧鍵就太強且太不靈活，無法進行有趣的化學反應。您根本無法將生物圈建立在像矽這樣專一的元素之上。
繼續探索，但你將徒勞地尋找其他有希望的元素選擇。的確，你的目光可能會落在鐵元素上，第26號元素，在地殼中含量第四豐富的元素，僅次於氧、矽和鎂。為什麼不選擇鐵呢？鐵喜歡結合，並且在選擇方面很靈活。與氧結合？當然，形成具有離子鍵的紅色鐵鏽。與硫結合？當然，形成具有共價鍵的金色、有光澤的金屬黃鐵礦（恰如其分地稱為“愚人金”）。鐵與砷和銻、氯和氟、氮和磷結合，甚至與碳結合形成各種碳化鐵礦物。如果沒有其他元素可用，鐵也會愉快地與自身結合形成金屬鐵。如此多樣化的結合方式似乎非常適合作為生命的核心元素。但是鐵有一個缺陷。它很容易形成具有大晶體的礦物，但它不擅長製造小分子。生命需要各種各樣的分子，具有鏈、環、分支和籠狀結構——鐵很少嘗試的技巧。
因此，我們最終選擇了碳，這種最通用、最適應、最有用的元素。碳是生命的元素。
尾聲
在進化的程序中，在這偉大的碳交響曲中，我們的角色是什麼？人類既普通又獨特。一方面，我們只是一個四十億年故事中的另一個進化步驟，這個故事很可能會在我們血統滅絕或演變成某種新物種之後繼續下去。有些人認為，只有我們才有能力徹底改變地球的氣候和環境，但產生氧氣的光合微生物以及隨後的各種綠色植物，已經以比任何人類行為更深刻的方式改變了地球近地表的生存環境。
另一些人則指出人類透過建造城市、道路、礦山和農場對各大洲的全球影響，但樹木和草地對景觀的影響遠遠超過了我們。有些人說我們的物種在“毀滅地球”方面是獨一無二的，但小行星的反覆災難性撞擊和超級火山的爆炸性噴發造成的破壞性後果遠遠大於人類發明的任何武器。
與此同時，我們人類確實擁有前所未有的能力。在生命史上，我們在技術上的精湛技藝是獨一無二的，我們能夠在區域性到全球範圍內適應和改變我們的環境。我們在發明性地利用其他物種（動物、植物和微生物）方面是獨一無二的。我們渴望和有能力探索我們世界之外的地方，甚至最終殖民其他行星和衛星，這方面也是獨一無二的。而且，我們在影響地球的碳迴圈方面是獨一無二的——碳迴圈深刻地影響著我們星球的方方面面——土地、空氣、火和水。
人類在生命形式中是獨一無二的，因為我們施加的變化步伐非常快。我們改變地球的速度比以往任何物種都要快得多——其速度只被火山爆發和天體墜落帶來的突然災難所超越。微生物花了數億年時間使大氣含氧，又花了大約十億年時間使海洋含氧。多細胞生命在最早的嘗試性入侵之後，花了數千萬年的時間才在陸地上定居下來。
這些變化是深刻的，但它們發生在使生命和岩石能夠逐漸共同進化的地質時間尺度上。地球的生態系統具有顯著的彈性，但它們需要幾代人的時間才能轉變、進化並重新適應新的環境條件。如果人類像一些學者擔心的那樣對地球構成獨特的威脅，那麼對生物圈造成最大損害風險的，就是前所未有的環境變化速度。
即便如此，岩石和生活在其中的各種微生物，無論我們對家園造成什麼傷害，以及無意中對我們自身物種造成什麼傷害，它們都會安然無恙。地球將繼續存在，生命將繼續存在，自然選擇的強大進化過程將確保新的生物繼續在地球上的每個角落安家落戶。
碳的宏偉、永恆的交響曲統一了所有元素——土、氣、火、水。沒有什麼是孤立存在的；一切都是整體的重要組成部分。地球生長出堅固的碳晶體——陸地和海洋堅實的地基。空氣中含有擁抱我們所有人的碳分子——永遠迴圈，保護和維持生命。火，由碳而生，為世界提供能量，同時也為物質世界和生命世界提供無與倫比的分子多樣性。水，孕育了碳生命，在碳生命進化並輻射到全球各個角落時滋養著它。在優美的和諧和複雜對位的漸強中，碳的每一種本質都會相互慶祝，並受到其他本質的慶祝。
人類已經學會將自己緊迫的主題和不斷加速的節奏強加給這古老的樂譜。我們剝奪地球的礦物質。我們用廢物充斥空氣。我們利用火來滿足我們的慾望和需求。我們剝削充滿生機的活水世界，常常不顧哪些物種生存或死亡。
我們每個人都必須從我們慾望的緊迫性中退後一步，將我們珍貴的行星家園視為一個獨特但脆弱的住所。如果我們足夠明智，如果我們能用重新燃起的敬畏和驚奇之感來緩和我們的慾望，如果我們能學會珍惜我們如詩如畫的美麗富碳世界，因為它迫切值得我們珍惜，那麼我們就有希望為我們的孩子、他們的孩子和所有未來的世代留下一份無與倫比的、無價的遺產。
本文摘自並改編自：C調交響曲：碳與（幾乎）一切的進化（W.W. Norton & Co.，紐約，2019年），作者：Robert M. Hazen。