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有關生命骨架的選擇題，答案都可以選C。
我們都是群星之子！
——卡爾薩根
大約在138億年前，宇宙處于一種能量與密度極大，溫度極高的狀态。在大爆炸發生後，經過漫長的演化過程，便形成了今天我們見到的模樣。
宇宙大爆炸隻制造了三、四種化學元素（氫、氦和锂，可能還有铍），之後更“重”的化學元素都來自“恒星元素加工廠”。一代、二代恒星通過核聚變、超新星爆炸将較輕的元素合成更重的元素。（也有重元素來自雙中子星合并）從這個角度出發，我們的太陽系、地球乃至地球生命的每個分子、每顆原子都來自它們的貢獻，是以，“我們都是群星之子”。
我們都是群星之子（圖檔來源：wiki）
一開始的地球，其實很缺碳
根據目前的“凝結模型”理論，太陽系形成于約50億年前的一團星雲。由于地球距離太陽較近，屬于一顆“内行星”，是以地球上較輕的物質都被太陽風“吹散”了。最終，地球表現為一顆岩石質的“類地行星”——以鐵、氧、矽、鎂四大元素為主，而氫、氦這兩種宇宙間最常見的輕元素卻很少。好在，氧元素幫我們在海洋裡鎖定了很多氫，才有了藍色的海洋。否則，生命可能根本無從誕生了。
藝術想象圖，太陽系形成之初的行星盤，地球正是誕生于此（圖檔來源：wiki）
碳雖然沸點很高，但它很容易形成甲烷、一氧化碳和二氧化碳等在常溫常壓下為氣态的物質。研究發現，在溫度超過500K（約230℃）後，行星就難以束縛住碳元素，含碳氣體開始大幅度向太空中散逸。（這就是下圖中的黑色“懸崖”！）在地球形成之初，内太陽系是一團熾熱的“湯”，500K是一個很容易達到的溫度。在這種情況下，地球上的碳顯然有自己的想法——可以四處散逸、“升華”到太空裡。
右上角灰色粗線為碳元素的升華序列，當原初星雲溫度達到約500 K時，它會急劇下降一個數量級以上。這展現為更多的碳都丢失了，導緻行星“碳貧乏”。
（圖檔來源：science advances）
這一點也被鐵隕石中金屬核的碳元素含量所證明。
太陽系内，鐵隕石大約形成于太陽系誕生後一百萬年以内，是以，可将其視為原始地球化學成分的樣品。明尼蘇達州大學地球與環境科學教授赫希曼（Hirschmann）在《美國國家科學院院刊》上發表了文章，指出地球形成之初的碳含量可能隻有140ppm（ppm即part per million，百萬分之一）。
這實在是微乎其微，要知道，地殼裡的碳元素含量都有300ppm左右呢。（其他說法有200-1700ppm不等，但都很少。）
原來，我們的地球在形成之初，就患上了“碳貧乏”綜合症。據此，赫希曼說：“這颠覆了以前的想法，行星在積聚過程中會損失掉很多碳。”
明尼蘇達州大學地球與環境科學教授赫希曼（Hirschmann）（圖檔來源：明尼蘇達大學）
煙塵線是什麼線
這一有趣的現象促使科學家對太陽系形成之初進行了深入研究，他們提出了一個叫做“煙塵線”的概念，在“煙塵線”内（靠近太陽），碳元素幾乎沒有保留，而在“煙塵線”外，碳元素可以保留相當的量。
經過計算，科學家們發現，在太陽形成之前，太陽系内主要以積聚為主，“煙塵線”相當遠，地球也就根本無法保留下來多少碳元素。而當太陽“點亮”之後，太陽系内主要以輻射為主，“煙塵線”也内移到地球軌道之内，地球上可以開始積累碳元素。
“煙塵線”示意圖：紅線（煙塵線）以内，富碳物質很少。在以吸積為主的盤狀階段（下半部分），它離原始太陽很遠。在一百萬年後，過渡到以輻射為主的時代（上半部分），煙塵線遷移到地球的目前軌道以内。（圖檔來源：science advances）
碳元素在地殼、地幔裡大多數以碳酸鹽的形态存在，地核裡才是碳元素的大學營，在那裡存在着很多的碳化鐵（Fe3C7）。針對這一現象，密歇根大學的李潔教授一錘定音——通過地震波研究地核裡的化學組分，可得知碳元素約占據着整個地球品質的0.5%（前面提到的300ppm是地殼豐度），這個數字遠遠超過地球誕生之初。
C從哪裡來？
問題來了，這麼多的碳元素是從哪裡來的呢？
密歇根大學地球與環境科學系的李潔教授（圖檔來源：密歇根大學）
李潔教授的團隊推斷，地球上大部分的碳很可能直接從星際媒體繼承而來。在太陽系形成的最初一百萬年内，會存在一系列的小行星，不斷将“煙塵線”以外較遠處的水和碳運送到地球。
原來，在那個紛亂的時代，小行星這些“不速之客”的來襲，并不隻是給地球帶來一次次的撞擊和災難，更是帶來了太陽系内寶貴的水和碳元素。（在這之前，已經有較确切的證據表明地球上的水主要來自小行星。）
地球剛形成時的第一個地質時代——冥古宙，到處都是隕石撞擊。然而正是這些“不速之客”給我們送來了碳元素和水。（圖檔來源：wiki）
水是生命之源，碳是生命骨架，各種有機物質都是搭建在“碳鍊”這根神奇的骨架之上。是以，我們地球如今的生機盎然，關鍵時期都在于這一百萬年内。
代表生物圈感謝星際媒體（圖檔來源：wiki）
碳元素在行星上富集的過程很微妙。一方面，碳元素特别容易形成氣體物質，散逸到太空裡。另一方面，二氧化碳又是一種最有名的溫室氣體，它會幫助星球鎖定熱量。如果地球上碳元素過多，就有可能像金星，溫度長期處于460-480℃；而如果碳元素過少，就會類似火星，過于荒涼。
從這個意義上來說，地球的位置真是完美，這是造物主的安排，還是人擇原理？（簡而言之，人擇原理意在說明，正是人類的存在，才能解釋我們這個宇宙的種種特性）
基于這項研究，科學家們已經将視野推向遙遠的深空，繼續觀測系外行星中的超級地球。在更多資料的支援下，現有理論将會受到更多挑戰，也會更加令人信服。
金星和火星，恰好位于地球軌道的内部與外側，正是兩個極端（圖檔來源：賓夕法尼亞大學）
而對于這個課題的研究，也展現出交叉科學的必要性。一個鮮明的例子是，論文《由于不可逆升華引起的早期損失而導緻的地球碳貧乏》（Earth’s carbon deficit caused by early loss through irreversible sublimation）的作者竟然來自這麼多院校，覆寫了如此之多的專業。
論文《由于不可逆升華引起的早期損失而導緻的地球碳貧乏》（Earth’s carbon deficit caused by early loss through irreversible sublimation）的作者清單，李潔教授是一作。
芝加哥大學的地球實體學專業切斯拉教授（Ciesla）說：“雖然研究人員在回答不同領域的方法和具體問題時會有所不同，但要建立一個連貫的故事，就需要确定共同感興趣的主題，并找到彌合它們之間的知識鴻溝的方法。這樣做雖然具有挑戰性，但這樣的努力既使人鼓舞，又令人振奮。這是非常有益的。”
芝加哥大學的地球實體學專業切斯拉教授（Ciesla）
（圖檔來源：芝加哥大學）
參考文獻：
[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.
作者機關：江蘇省科普作家協會科幻專業委員會
擴充閱讀：
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背景簡介：本文作者魯超，江蘇省科普作家協會科幻專業委員會副主任，江蘇省科普作家協會會員。畢業于南京大學實體系，代表作品《鬼臉化學課——元素家族》，被列為中國化學會“IYPT 2019·優秀科普圖書”書目，并獲得第十屆江蘇省優秀科普作品一等獎。本文2021年5月7日發表于微信公衆号 科學大院（C從哪裡來？），風雲之聲獲授權轉載。
責任編輯：陳昕悅