C从哪里来？鲁超

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　　导读
　　有关生命骨架的选择题，答案都可以选C。
　　我们都是群星之子！
　　——卡尔萨根
　　大约在138亿年前，宇宙处于一种能量与密度极大，温度极高的状态。在大爆炸发生后，经过漫长的演化过程，便形成了今天我们见到的模样。
　　宇宙大爆炸只制造了三、四种化学元素（氢、氦和锂，可能还有铍），之后更＂重＂的化学元素都来自＂恒星元素加工厂＂。 一代、二代恒星通过核聚变、超新星爆炸将较轻的元素合成更重的元素。（也有重元素来自双中子星合并） 从这个角度出发，我们的太阳系、地球乃至地球生命的每个分子、每颗原子都来自它们的贡献，因此，＂我们都是群星之子＂。
　　我们都是群星之子（图片来源：wiki）
　　一开始的地球，其实很缺碳
　　根据目前的＂凝结模型＂理论，太阳系形成于约50亿年前的一团星云。由于地球距离太阳较近，属于一颗＂内行星＂，所以地球上较轻的物质都被太阳风＂吹散＂了。最终，地球表现为一颗岩石质的＂类地行星＂——以铁、氧、硅、镁四大元素为主，而氢、氦这两种宇宙间最常见的轻元素却很少。好在，氧元素帮我们在海洋里锁定了很多氢，才有了蓝色的海洋。否则，生命可能根本无从诞生了。
　　艺术想象图，太阳系形成之初的行星盘，地球正是诞生于此（图片来源：wiki）
　　碳虽然沸点很高，但它很容易形成甲烷、一氧化碳和二氧化碳等在常温常压下为气态的物质。研究发现， 在温度超过500K（约230℃）后，行星就难以束缚住碳元素，含碳气体开始大幅度向太空中散逸。（这就是下图中的黑色＂悬崖＂！） 在地球形成之初，内太阳系是一团炽热的＂汤＂，500K是一个很容易达到的温度。在这种情况下，地球上的碳显然有自己的想法——可以四处散逸、＂升华＂到太空里。
　　右上角灰色粗线为碳元素的升华序列，当原初星云温度达到约500 K时，它会急剧下降一个数量级以上。这体现为更多的碳都丢失了，导致行星＂碳贫乏＂。
　　（图片来源：science advances）
　　这一点也被铁陨石中金属核的碳元素含量所证实。
　　太阳系内，铁陨石大约形成于太阳系诞生后一百万年以内，因此，可将其视为原始地球化学成分的样品。明尼苏达州大学地球与环境科学教授赫希曼（Hirschmann）在《美国国家科学院院刊》上发表了文章，指出地球形成之初的碳含量可能只有140ppm（ppm即part per million，百万分之一）。
　　这实在是微乎其微，要知道，地壳里的碳元素含量都有300ppm左右呢。（其他说法有200-1700ppm不等，但都很少。）
　　原来，我们的地球在形成之初，就患上了＂碳贫乏＂综合症。据此，赫希曼说：＂这颠覆了以前的想法，行星在积聚过程中会损失掉很多碳。＂
　　明尼苏达州大学地球与环境科学教授赫希曼（Hirschmann）（图片来源：明尼苏达大学）
　　烟尘线是什么线
　　这一有趣的现象促使科学家对太阳系形成之初进行了深入研究，他们提出了一个叫做＂烟尘线＂的概念， 在＂烟尘线＂内（靠近太阳），碳元素几乎没有保留，而在＂烟尘线＂外，碳元素可以保留相当的量 。
　　经过计算，科学家们发现，在太阳形成之前，太阳系内主要以积聚为主，＂烟尘线＂相当远，地球也就根本无法保留下来多少碳元素。 而当太阳＂点亮＂之后，太阳系内主要以辐射为主，＂烟尘线＂也内移到地球轨道之内，地球上可以开始积累碳元素 。
　　＂烟尘线＂示意图：红线（烟尘线）以内，富碳物质很少。在以吸积为主的盘状阶段（下半部分），它离原始太阳很远。在一百万年后，过渡到以辐射为主的时代（上半部分），烟尘线迁移到地球的当前轨道以内。（图片来源：science advances）
　　碳元素在地壳、地幔里大多数以碳酸盐的形态存在，地核里才是碳元素的大本营，在那里存在着很多的碳化铁（Fe3C7）。针对这一现象，密歇根大学的李洁教授一锤定音——通过地震波研究地核里的化学组分，可得知碳元素约占据着整个地球质量的0.5%（前面提到的300ppm是地壳丰度），这个数字远远超过地球诞生之初。
　　C从哪里来？
　　问题来了，这么多的碳元素是从哪里来的呢？
　　密歇根大学地球与环境科学系的李洁教授（图片来源：密歇根大学）
　　李洁教授的团队推断， 地球上大部分的碳很可能直接从星际介质继承而来。在太阳系形成的最初一百万年内，会存在一系列的小行星，不断将＂烟尘线＂以外较远处的水和碳运送到地球 。
　　原来，在那个纷乱的时代，小行星这些＂不速之客＂的来袭，并不只是给地球带来一次次的撞击和灾难，更是带来了太阳系内宝贵的水和碳元素。（在这之前，已经有较确切的证据表明地球上的水主要来自小行星。）
　　地球刚形成时的第一个地质时代——冥古宙，到处都是陨石撞击。然而正是这些＂不速之客＂给我们送来了碳元素和水。（图片来源：wiki）
　　水是生命之源，碳是生命骨架，各种有机物质都是搭建在＂碳链＂这根神奇的骨架之上。所以，我们地球如今的生机盎然，关键时期都在于这一百万年内。
　　代表生物圈感谢星际介质（图片来源：wiki）
　　碳元素在行星上富集的过程很微妙。 一方面，碳元素特别容易形成气体物质，散逸到太空里。另一方面，二氧化碳又是一种最有名的温室气体，它会帮助星球锁定热量。如果地球上碳元素过多，就有可能像金星，温度长期处于460-480℃；而如果碳元素过少，就会类似火星，过于荒凉 。
　　从这个意义上来说， 地球的位置真是完美，这是造物主的安排，还是人择原理？（简而言之，人择原理意在说明，正是人类的存在，才能解释我们这个宇宙的种种特性）
　　基于这项研究，科学家们已经将视野推向遥远的深空，继续观测系外行星中的超级地球。在更多数据的支持下，现有理论将会受到更多挑战，也会更加令人信服。
　　金星和火星，恰好位于地球轨道的内部与外侧，正是两个极端（图片来源：宾夕法尼亚大学）
　　而对于这个课题的研究，也体现出交叉科学的必要性。一个鲜明的例子是，论文《由于不可逆升华引起的早期损失而导致的地球碳贫乏》（Earth’s carbon deficit caused by early loss through irreversible sublimation）的作者竟然来自这么多院校，覆盖了如此之多的专业。
　　论文《由于不可逆升华引起的早期损失而导致的地球碳贫乏》（Earth’s carbon deficit caused by early loss through irreversible sublimation）的作者列表，李洁教授是一作。
　　（图片来源：science advances）
　　芝加哥大学的地球物理学专业切斯拉教授（Ciesla）说：＂虽然研究人员在回答不同领域的方法和具体问题时会有所不同，但要建立一个连贯的故事，就需要确定共同感兴趣的主题，并找到弥合它们之间的知识鸿沟的方法。 这样做虽然具有挑战性，但这样的努力既使人鼓舞，又令人振奋。这是非常有益的。 ＂
　　芝加哥大学的地球物理学专业切斯拉教授（Ciesla）
　　（图片来源：芝加哥大学）
　　参考文献：
　　[1]  Science Advance：Earth’s carbon deficit caused by early loss through irreversible sublimation
　　Li, J., Bergin, E. A., Blake, G. A., Ciesla, F. J., & Hirschmann, M. M. (2021). Earth’s carbon deficit caused by early loss through irreversible sublimation. Science Advances, 7(14), eabd3632.
　　作者单位：江苏省科普作家协会科幻专业委员会
　　扩展阅读：
　　出格者弗雷德·霍伊尔 | 刘博洋
　　霍伊尔：错，不在星空，而在我们自己 | 袁岚峰
　　背景简介：   本文作者鲁超，江苏省科普作家协会科幻专业委员会副主任，江苏省科普作家协会会员。毕业于南京大学物理系，代表作品《鬼脸化学课——元素家族》，被列为中国化学会＂IYPT 2019·优秀科普图书＂书目，并获得第十届江苏省优秀科普作品一等奖。本文2021年5月7日发表于微信公众号 科学大院（C从哪里来？），风云之声获授权转载。