地球起源于46亿年前原始星云，碳是形成地球宇宙微粒的主要构成元素之一。随着地球的演化，碳在地球的不同圈层内也在不断地变动和演化。地球中重元素较多，从地表到往下16公里的地层，包括大气层和水圈在内，碳的质量分数仅为0.08%，其丰富程度仅列第14位，远低于氧、硅、铝、铁等元素。但是，碳却是存在形式最复杂的元素。基于碳的极高成键能力和独特的性能，唯有碳，才能够成为太阳能的主要化学能源载体；也只有碳，才能成为构成地球上各种生物体的骨架元素。地球上的碳，除了大部分演化为碳酸盐和化石燃料外,也有极少量在各种特殊条件下转化为单质碳，如石墨和金刚石，甚至还有天然富勒烯和纳米碳管。

在各种特殊条件下，碳在宇宙和地球上演化为众多的有机分子(如碳水化合物、氨基酸、蛋白质、核酸等)，进而发展成能自我重构的大分子，即有遗传信息的原始基因片段。这些原始基因片段利用自身及周围材料，在光能等作用下通过生物化学反应重构自己的躯体,在不同的条件下经过长时间的进化发展，在地球上终于形成了当今包括人类在内、各种动植物繁衍的大千世界。

地球上所有的“能”均来自太阳。物质可以循环，但能量消耗转化后却不能再生。自养型植物可通过其体内的叶绿素吸收太阳能使低能量的二氧化碳（CO₂）和水转化为高化学能的糖类贮存于体内，而异养型动物则要通过食物链由植物或其它动物取得能量来保持自身的机能。生物通过有控制的呼吸作用缓慢地燃烧糖类释放出CO₂，同时产生能量供生物体维持其生命。这一新陈代谢是生命的基本特征，是生物体与外界环境之间物质和能量的交换过程，而正是碳在这一演化过程中起关键作用，也只有碳才能完成这一重大使命。

佛教认为人可以转世，既有我这辈子必然有上辈子，并且认为转世的不是肉体，而是灵魂。然而，从科学角度看，人体中可转世轮回的只有身体中的碳，它既有今生，还有前世。任何人身体中的碳无不来自亿万年前恒星的热核反应。人和其他动物一样，每天通过食物输入新的含碳有机物，以提供维持生存的能量，同时又通过呼出CO₂及排泄出残余含碳废物，进行体内碳原子的不断代谢更新。人在百年之后，整个躯体中含有的碳物质将飞灰烟灭，在细菌及氧的作用下完全分解成CO₂，如果这些CO₂与日常呼出的CO₂被植物吸收就又有可能再次轮回到下一代的人体中。说不定你身体中的某一碳原子几千年前曾在秦始皇身上呆过，也可能上辈子曾在牛马体内停留，各种几率都有，但是因为碳原子的数量实在太多，每一种情况的单一可能性又极低极低。

地球上贮存碳的最大两个碳库是岩石圈和化石燃料，其总含碳量约占地球上碳总量的99.9％。地球上还有另外三个碳库：即大气圈，水圈和生物圈。这三个库中的碳在生物和无机环境中不停地交换。岩石圈中碳主要以碳酸盐形式存在总量为6×10¹⁶吨，大气圈以CO₂和一氧化碳形成存在，总量为7.2×10¹¹吨，水圈中以多种形式存在，生物库则主要以有机物存在，海洋中含碳量是大气中含碳量的50倍，为3.84×10¹³吨。

释放CO₂的库，称为“源”（Source）；吸收为CO₂的库，称为汇(Sink)。岩石圈中的碳借助于岩石的风化和溶解，化石燃料的燃烧以及火山爆发等可重返大气圈和水圈。贮存在动植物体内的碳也可因燃烧死亡后细菌分解等途径转化，将CO₂释放于大气中。陆地生态系统也与大气迅速交换CO₂，但其循环周期要数十年。地球早期陆地未被现代大气CO₂饱和，故当大气CO₂增加时，陆地植物是人为碳的潜在碳汇。大气中CO₂不断在海洋表面与之交换CO₂，但海洋表面吸收CO₂的能力却随大气中CO₂的浓度增加而降低。

地球上碳的循环

温室效应是大气吸收太阳热的一种效应，起主要作用的是大气中被称为温室气体的微量气体，包括CO₂、甲烷、水蒸气、氯氟烃等，它们比其它气体传递红外辐射的效率更差，使能量在对流层中积累，这些气体浓度的增加将使气候变暖。人类的生存通过人体的新陈代谢燃烧各种含碳有机食物所积累的太阳能而得以维持，同样人们的生活也是依靠含碳的煤炭、石油、天然气等化石燃料的燃烧，释放所积蓄的太阳能来提供衣食住行各方面所需的能量。随人类繁衍增多以及生活水平的提高，所消耗的能量也与日俱增，碳的消耗量也大大增加。1850年到1950年的100年间，从化石燃料计算全球所消耗的碳仅600亿吨，而目前每一年的量就达到80-90亿吨碳。按1吨碳燃烧后将放出4吨CO₂计算，一年就有约350亿吨CO₂排放到大气中。事实上，全球大气中CO₂含量已由1800年的280 ppmv增至目前的380 ppmv。而1860年以来,地球表面平均温度也增加了0.6±0.2℃。工业革命后的近200年来，人类活动已大大地改变了地球上碳的循环。全球变暖将进一步加剧海洋、土壤中储存的碳以CO₂形式释放，冰山和积雪的减少将严重影响世界1/6人水的供求。由于海平面将升高，估计到2100年海平面可能上升15-90 cm，若在50 cm左右就将有900万人直接受到影响。气温的提高也将带来气候异常、物种消失、空气湿度的进一步上升。

正是由于碳作为能量载体的循环所带来温室效应等问题，需要人们对当前的生产和生活方式进行深刻的反思。从世界范围来看，全球气候变化正在推动世界向低碳经济发展，朝节能减排方向转变，也更要求“低碳”成为人们日常生活的一种习惯，养成自然而然地节约身边各种各样的资源。倡导低碳生活，呵护我们赖以生存的地球。

值得提醒的是，这里所谓“低碳”的“碳”是CO₂的简称。实际上，人类将碳元素作为材料的开发和利用正欣欣向荣，日新月异，各种碳质材料正在提高和改变着我们的生活。更多利用“材料碳”，就会更少使用“能源碳”，排出的CO₂也将更少。详情请看研炭翁说碳（八）碳作为材料的开发。

本文来自王茂章科学网博客。

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