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和碳元素一起穿梭地球

植物 二氧化碳
三峡小微

碳,化学符号为C,是位于元素周期表第6位的非金属元素。

图片来源:图虫创意

它在我们的生活中几乎无处不在,至关重要——漫山遍野的动物和植物的躯体由它构成;

大兴安岭秋季山林 图片来源:图虫创意

令人叹为观止的岩溶地貌由它组成;

广西河池南丹喀斯特峰丛 图片来源:图虫创意

支撑了工业革命的化石燃料(煤、石油等)里也有它的身影;

远洋货船上装载的煤炭 图片来源:图虫创意

碳元素,以它独有的方式,在地球四大圈层生物圈、岩石圈、大气圈和水圈都留下了足迹,深刻影响了地球环境的方方面面。

一、从大气圈到生物圈

在植物出现之前,碳和两个氧原子(O)过从甚密,组成了名为二氧化碳(CO₂)的团体;

二氧化碳的分子模型 图片来源:视觉中国

植物出现之后,二氧化碳的命运发生了改变。

二氧化碳通过植物的气孔进入植物体内,在阳光的作用下,发生了人们所熟知的光合作用,包括两个阶段。

显微镜下的植物叶片的气孔 图片来源:视觉中国

第一个是光反应阶段,植物细胞的叶绿体中存在的光合色素吸收光能,激发了体内的高能电子,使其在体内传递,为内部水的光解提供能量,最终将光能转化为化学能,以ATP(腺嘌呤核苷三磷酸)和NADPH(还原型辅酶II)的形式储存,并产生氧气(O₂)释放到空气中。

植物叶绿体中发生的光合作用两阶段 绘图:何林

第二个是暗反应阶段,此时不需要光,但需要光反应中的生成物ATP以及NADPH,使二氧化碳还原为糖类物质。

通过植物的光合作用,原本让动物们窒息的二氧化碳却转换为动物们生存必不可少的氧气和能量来源(糖类)。

新疆伊犁喀拉峻草原风光(竖图,横屏观看) 图片来源:图虫创意

二氧化碳在植物体内转化为糖类物质后有了具体的身躯,但也只能在植物内部活动。当植物被食草动物啃食后,动物体内的有机物(多糖)被分解为单糖,单糖在氧气的作用下生成二氧化碳和水,以及可供动物使用的能量。

青藏高原上的兔鼠,以植物为食 图片来源:图虫创意

螳螂捕蝉,黄雀在后,自然界有着完整的食物链,食草动物在无忧无虑享受自助餐时,食肉动物躲在远方虎视眈眈,食草动物难逃被捕杀的命运,身体里的有机物和能量在捕食关系中转移到了后者体内。

藏狐正在捕食兔鼠 图片来源:图虫创意

这条食物链能量的起点是空气中的二氧化碳,终点也是二氧化碳,碳元素在生物圈完成了一次漫长的循环。

二、从生物圈到岩石圈

植物寿命有限,它从土里钻出,最后又埋藏到了地底,动物亦是如此。

动植物遗体中的碳元素,多以有机物形式存在。被微生物在好氧条件下彻底分解的话,会生成水和二氧化碳等无机物。

从树木“遗体”里长出的真菌群落 图片来源:图虫创意

腐化速度快的有机体几乎完全分解为无机物,变为了岩石;地壳运动将其碾压,地底深处极高的温度和压力使岩石融化为岩浆。

拉帕尔马岛火山喷发 图片来源:图虫创意

地壳运动活跃时,岩浆从地底喷发,碳元素随之开始了一轮新的循环。大规模的火山喷发能够贯通地球系统不同圈层(岩石圈、水圈、生物圈和大气圈等),促进地球圈层物质交换与循环作用,并将大量富含二氧化碳的火山气体输送到大气圈。

中国山东省潍坊市昌乐古火山口玄武岩柱状节理 图片来源:图虫创意

喷涌的岩浆给地球生物带来了灾难,所到之处寸草不生。但岩浆也带来了地壳中的大量矿物质,冷却后的岩浆将形成大量火山岩(如玄武岩)。火山岩在风化作用下后将会形成富含矿物质的土壤,十分有利于植物生长。

三、从岩石圈到大气圈

动植物遗体的分解并非完全好氧,埋藏于地底的部分微环境几乎都是缺氧的,很多分解过程都在厌氧条件下完成,这一过程比较缓慢,会产生很多有机酸、醇、醛等物质。

这些分解后的含碳有机物与泥沙或碳酸质沉淀物等物质混合组成沉积层,由于沉积物不断地堆积加厚,导致温度和压力上升,这种过程不断进行,沉积层变为沉积岩,进而形成沉积盆地,为化石能源(石油、煤炭、天然气)的生成提供了基本的地质环境。

煤层中的植物化石 图片来源:图虫创意

成为石油、煤炭、天然气的碳元素没有岩浆中的碳元素“性格激烈”,它们在地层中沉睡,直到人们将其开采利用。

美国加州中央河谷地区的几千口油井中的一个,石油开采工作正在进行 图片来源:视觉中国

化石能源的大量使用,产生的二氧化碳急剧增多,二氧化碳在地球顶端、大气层内部越积越多。

原本,二氧化碳在大气层中可吸收红外线辐射,地球得以为人类提供宜居的场所,这是“天然的温室效应”。

2012年6月22日,格陵兰岛西北部的彼得曼冰川分裂出一块冰山。图片来源:视觉中国

而进入工业时代后的人类对化石能源的大量使用则释放出了过量的二氧化碳,碳循环受到了干扰:更多红外线辐射被折返到地面上,“温室效应”加剧,它如多米诺骨牌一样,产生了一系列连锁效应:冰川消退、海平面上升、海浪来袭、庄稼淹没……

四、从大气圈到水圈

大气圈与水圈有着千丝万缕的联系,碳元素也在这里留下了痕迹。

在距今46-38亿年阶段,为原始火山大气层,其主要成分为水蒸气、二氧化碳以及强酸性气体,水圈还未出现;

原始地球想象示意图 图片来源:图虫创意

距今38-26亿年,水圈出现,为强酸性-还原性的海水,大气向二氧化碳还原性气圈演化,由于海水酸性过强,此时大气中的二氧化碳无法为水圈提供碳源;

距今26-18亿年,大气二氧化碳含量开始下降,海水以低pH值、低氧逸度的酸性-还原环境为特征,二氧化碳在强酸性液体环境溶解度较小,时刻都想逃逸出来,大气圈与水圈依旧无法“愉快相处”;

直至距今18-6亿年,地球环境出现重大变革,大气二氧化碳含量急剧下降,氧气开始聚集,海水pH、氧逸度增大,转变为弱酸性、弱氧化环境,大气圈与水圈开始建立起稳固的交互关系;

6亿年到距今1万年前,大气中的二氧化碳含量继续急剧下降,氧气含量波动上升,氮气含量不断聚集,直至现代水平,海水演变为弱碱性、强氧化环境,大气圈与水圈的碳元素可自由交互。

埃及的珊瑚礁 图片来源:Jonnysek/Adobe Stock/图虫创意

一场大雨落下,大气圈的二氧化碳被裹挟至水圈,雨水落到地面,岩石中的碳元素随之流入海洋,为珊瑚礁的形成提供了不可或缺的碳源,进而为以造礁珊瑚为基础的珊瑚生态系统的形成提供了可能。

我们把时间拉得再近一点,工业革命以来,人类活动致使大气中二氧化碳过剩,海水接纳着大量涌入的二氧化碳,导致其pH值下降,对海洋生态平衡产生一系列影响,例如对海洋生态系统至关重要的珊瑚,因其体内共生海藻的离开或死亡,珊瑚出现白化现象,最终失去营养供应而死。

珊瑚白化过程示意 制图:萧楚

2016年10月,澳大利亚大堡礁珊瑚白化。图片来源:视觉中国

成也二氧化碳,败也二氧化碳,碳元素的旅程还在无声地进行着……

地球若要重获生机,人类与环境尚需经历一场漫长的和解。

评论
无限探索者
少师级
来自浩瀚宇宙的碳元素,塑造了过去和现在地球的湛蓝、深邃、美丽。未来的地球将是何模样,需看我们如何科学地与这个碳的世界相处。
2022-11-19
科普科普知识的摇篮!
少傅级
认真科普碳元素的知识,它以独有的方式,在地球四大圈层生物圈、岩石圈、大气圈和水圈都留下了足迹,深刻影响了地球环境的方方面面。
2022-11-19
坦 荡 荡
庶吉士级
炭元素它在我们的生活中几乎无处不在,至关重要——漫山遍野的动物和植物的躯体由它构成。
2022-11-19