為什麼是碳？碳文明與碳毀滅

名人推薦：本書佳如潮：

以輕快的活力與熱情，羅斯頓探究碳讓人敬畏的豐富角色，從宇宙之大到分子之小，從氣候到癌症。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　──諾貝爾化學獎得主　赫許巴哈

讀這本書可以輕易理解我們今日面對氣候變化的可怕風險，而且本書趣味十足。我打算再讀一遍。

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　──耶魯大學森林學與環境研究學院院長　史佩斯

第二章　碳和生命起源

　　大家只因為不了解癲癇，就認為這種毛病是神聖的。但如果他們把所有自己不懂的事情都視為神聖之物，唉，那神聖之物可就沒完沒了了。
　　　　　　　　　　　　──希波克拉底

　　從人類圍爐說故事以來，生命的起源就一直是神話跟宗教的主題。但直到近五十年來，科學家才有辦法執行精確的實驗，測試早年地球可能有的那些條件，會以何種方式拼合生物化學的優雅拼圖。生命起源研究者「追隨碳的腳步」，從地球形成期間碳的登陸開始、追到束縛基因密碼的原子，測試地球化學可能讓生物化學萌芽的潛在路徑。

　　所有生命都是一種經過統合的化學現象。然而生命如何變得有別於地球化學現象，幾乎可說是次要的問題。首先，光是要描述生命是什麼，就已經帶給科學家夠多麻煩了。人類就跟其他生命體一樣的弔詭矛盾。每個活生生在呼吸的人都有數不盡的數兆個細胞，每個細胞都有數不清的上兆個分子構成繁複細膩的舞步；而每個分子都有一個徹底無生命的化學結構，而且光靠自己就什麼都做不了，只能被沖走或者在陽光下衰頹。我們視為「生命」的特徵，是從這些分子的複雜物理交互作用中浮現的；這些作用的驅動力，則是來自分子從周遭環境中持續取得並釋放的能量及營養。

　　關於生命的極簡版敘述，通常包括同樣的一小撮特徵。生命是由包裹在生物體膜中的化學物質，以及永續運作的化學變化所構成的系統。這些以碳為基礎的化學物質，跟水之間有種愛恨交加的關係。生命會利用地球上的能量來源，幾乎是哪裡有就拿來用。而生命的多樣性之所以浮現，是因為基因編碼中的隨機突變，經歷了達爾文式的自然選擇。

　　生命起源研究需要橫跨多種專門學科的專業知識，從鑽研地球形成過程的地球物理學家，到範圍龐大又日益膨脹的基因研究領域中正時興的分子生物學家，都包括在內。起源研究是一門全球共同合作的活動，被放在「天體生物學」這個比較寬廣的名稱之下，是對宇宙間種種生物的「起源、演化、生物分布及未來」所做的研究。這一章將會通盤審視，來自各種不同學科的科學家如何收集證據（而且在缺乏證據時還經常彼此辯論），證明有生命的物體如何從初始的化學物質發展出來。

　　許多實驗科學家和理論家都企圖了解，生命的各種成分如何聚集起來成為最早的細胞。他們的工作有時候會區分成「由下而上」與「由上而下」兩種研究路線。前者考慮的是地球早期可能有的環境條件，從大氣到深海火山口都包括在內，並且嘗試辨識出沒有生命的物質可能怎麼樣發展成活細胞。這種「由下而上」的途徑碰到了限制。至今沒有一個朝生物化學方向研究地球化學活動的實驗室，能夠在合理的條件下，合成任何一種跟基因密碼基礎成分一樣複雜的東西；這種基礎成分稱為核甘酸。每個核甘酸都是由三個部分組成的。「含氮鹼基」實際上是碳與氮構成的環。碳環在自然界無所不在，碳原子被認定包含在其中；這些碳環也因為含有氮而別具特色，因此強調「含氮」。這些有側基作為裝飾的鹼基跟五碳糖連結在一起，再加上一個磷氧化合分子，就可形成完整的核甘酸。科學家碰上一個「黑盒子」，在知識範圍中有一塊他們無法描述的空白，雖然他們或多或少了解其中填入了什麼東西、又有什麼從中發展出來。

　　傾向於採取「由上而下」路線的科學家，把對於生命通用的基因學及代謝作用研究，比擬成解讀羊皮紙上的原始文獻；羊皮紙是一種古代的卷軸，會反覆塗寫數次。採取這種路線的人也從另一個方向碰到了黑盒子。史瓦茲曾說：「在你對問題是否能解答產生疑惑的時候，你就是碰到關鍵時刻了。」從任何一種實質意義上來說，這類問題並不需要馬上就有解。這些問題只要「有趣」就好；「有趣」一詞在現代標準英語中，因為過度濫用而漸失意義，但科學論文中卻還經常認真地使用這個字，意思就是值得花費力氣、時間與金錢。因此，黑盒子每年都在縮小。

　　這種由上而下的研究路線提供了一個簡單的架構，可用來思考世界從不毛狀態到有第一批細胞居住之間的模糊狀態。演化生物學理論家薩斯馬利運用先前的研究成果，提出生命的三前提：一個關於設計資訊的基因密碼，或可說是「模版」；一個代謝系統，可以把消化的能量跟營養轉化成必要的生物分子；還有一層細胞膜，或可稱為「邊界」，用以集中細胞內部的化學作用，並控制從外在環境中跨入的物質。薩斯馬利論證生命必須具備全部三種性質，但達爾文式的演化（不完全複製與自然選擇），可能只靠兩種性質就能運作。

　　生物體之中，從最小的奈米細菌到藍鯨，全都吸收碳來為這三個連鎖系統提供燃料與建材。生物體的代謝系統把富含碳的「食物」，烹調成維持生命所需的分子。碳跟氦、氧、氮及磷結合形成DNA，就質量上來說大部分是碳。碳也束縛著把生物體內化學物質與外在世界區隔開來的細胞膜或皮膚。

　　有一個主題會貫串第一部剩下的章節：當生命變得更多樣化，而且世界上的生物數量大增的時候，生命演化的過程就會影響全球的碳循環，全球碳循環同時也反過來影響生命演化過程。從一開始，生物就已經幫忙調節了碳在大氣、海洋與陸地中的總量，這些條件反過來影響演化。地球在本質上是一個封閉的物質系統；碳、水和其他物質的總量，可能就跟這個星球剛形成時的數量差不多。由此看來，演化對碳穿越地球體系的路徑而言，具備伸縮調節的作用，重設了地球化學循環（大氣、海洋和陸地）之中的無數條回路。這種觀察將有助於鋪陳背景脈絡，說明人類發展以及人造（人為）氣候變化的獨特性；第二部的內容就以人為氣候變化的大事記貫穿。

　　在我們人類和火出現之前，在動物、植物和微生物出現之前，甚至在基因、代謝系統和細胞膜出現之前，地球上要有生命的第一個先決條件，就是先要有地球。這個星球是在暴力之中出現的。在此沒有用羅馬數字雕上日期的奠基石，只有隕石和地球上最古老的鉛礦，藏著這個星球在超過四十五億年前誕生的證據。地球和隕石兩者──多年來，這些隕石已經在星球表面留下痕跡──共同形成了一定數量的放射性元素鈾。經歷一段時間之後，大部分的鈾衰變成鉛的同位素。物理學家知道鈾衰變得有多快，也知道哪些鈾同位素會衰變成哪些鉛同位素。藉由衡量鉛同位素現在所占的比例，他們可以往回推算出地球上還沒有鈾、隕石也還沒衰變成鉛的時間點──這座星球的誕生。

　　要是當時有核子彈，破壞力也及不上撞進地球的隕石、小行星和彗星，甚至在地球帶著初生的領土主權出現之後就開始了。這些星體對著地球砲火齊射了好幾億年。大得跟山一樣的隕石，每過個幾千年就如雨似地落下，讓這座行星亮得像個光芒微弱的恆星。地球上大多數的碳，可能是以碳化物的形式抵達的；也就是說，是碳與一種金屬構成的分子。這種物質會在熔化的鐵中熔解，其中的碳會以氣態二氧化碳的形式逃逸到表面。這種轟炸釋出的能量，遠超過太陽所提供的。我們的恆星很年輕，而正因如此，沒那麼明亮。

　　地球接受了高溫的殺菌加消毒，又被灑上揮發性化學物質，接著又有外力搖晃把這些東西全攪拌在一起，就在這種情況下加入了行星之列。原料彼此分離開來，這個粗暴的過程把這座行星從裡到外烤透透。鐵從岩漿中滲出，沉到地心。放射性元素開啟了一座天然的核融合反應爐，加熱地球的內部，而且從那時開始讓陸地板塊在這座行星的地殼上滑動。氧與矽占了地球質量的大部分，分別構成其中的百分之四十六和百分之二十八，其中有許多是以矽酸鹽的形式束縛在一起，就像是橄欖石；這種礦石包含了鎂、鐵、矽和氧。排在這些物質之後，是數量較少的鈾、鉛、鈣、鈉以及微量的其他元素。就算從原子的標準來看，氫原子的質量都算是很小，這讓氫的普遍性與影響力變得比較不明確。在地球上的元素之中，碳上不了前十名的名單，然而在超過三千三百萬種已知的各式物質之中，只有大約十萬種不包含碳。碳的分布太廣了，所以化學家甚至不會在化學結構圖上特別用C來標示碳。在分子結構圖裡，那些沒有標記的端點就是碳原子。

　　地質學家把地球歷史最初的五億年稱為冥古代，冥王正是專司地府與死後的希臘神祇。這個名稱有點怪，因為這個冥古代很可能早於生命出現的時期，跟神話中冥王的管轄範圍（在人死後迎接靈魂）不同。生命跟太陽能、地熱、大陸板塊移動、海洋流動以及地球系統的其他特徵之間，關係錯綜複雜。而地質狀況必須在生命出現以前確定下來。除了太陽以外，板塊構造是支撐生命存續最重要的部分。板塊抬起又夷平山岳，吞食海床，打開或合上水道，並且更新溫室氣體的原料以及對生命重要的原子。

　　陽光以及地球表面岩石的持續循環再生，重要性超過所有其他對演化改變有影響的因素，只有一些例外：偶爾出現的隕石衝擊，還有地質學上的獨特案例：人為的全球暖化。太陽、這個行星的內部、酸鹼性的變化度以及輻射，都為地球提供了豐富的能量來源。生命的出現可能就像是一種化學蒸汽活門，幫助地球有效地分解並釋放這種能量。

　　在行星形成過程中較具災難性的階段式微之後，火流星（這是一個科學名詞，用以形容撞擊地球的巨型物體）為這個成長中的星球增添了額外的質量。彗星從分子雲那裡送來冰和有機原料。在撞擊的時候，冰與有機物質會蒸發，並且把二氧化碳和水提供給地球剛形成的大氣。隕石的轟炸在年輕的地球上戳出許多洞穴，對於當時處於地下的二氧化碳來說，就是逃生活門；二氧化碳幾乎從地球初生之時，就給地球一個能夠保住熱度的大氣。

　　雖然「溫室效應」有時似乎跟人為的全球暖化緊密糾纏在一起，這卻是個普遍的現象，能夠解釋地球如何在幾乎才剛形成的時候，就保持液態水所需的足夠溫度。二氧化碳對於生物圈來說是很關鍵性的。作為大氣中的一種氣體，二氧化碳吸收熱，並阻止熱逃回太空中。熱會給予分子能量，讓分子到處搖晃、扭轉和翻動。溫室依據同樣的原則運作，讓天文學家能夠偵測分子雲中的分子。二氧化碳吸收的波長，比那些分子雲中的波能量更高，但原則還是一樣的。氣態的分子就像無線電天線。每個「收發站」（分子），都接收一種精確的頻率。在大氣中，二氧化碳接收的是一種紅外線頻率。二氧化碳是一種線型分子，一個碳原子嵌入兩個氧原子之間。美國太空總署把他們的二氧化碳監控衛星命名為OCO任務，其實就是個「三」關語。官方名稱OCO的意思是「排碳量觀測台」（Orbiting Carbon Observatory），但OCO實際上也可視為二氧化碳分子的結構圖；而對於通曉多國語言的天文學家來說，oko也表示波蘭文裡的「眼睛」。

　　地球很幸運處於一個好位置，還有一個好溫室。現在地球的溫度平均值約為十四度，而且在預測中在本世紀末會升高三．五度到四度，足以讓這個星球改頭換面到難以辨認的地步。少了溫室效應，溫度可能直線下跌到零下十九度。對在年輕太陽的微弱光熱之下，要讓海洋維持液態，大氣必定曾經提供一個很強勁的溫室；如果發生在現在，就會把相當大比例的物種活活煎到絕種。地球開始時處於一種精巧的平衡狀態，距離年輕的太陽夠遠，所以不會像金星那樣整個沸騰，然而又夠近（又有個夠強大的大氣），所以不至於像火星那樣結凍。於是，我們到頭來有了濱水的住宅區。

　　隕石轟炸的速度減緩了。雨從天空傾盆而下，並且沖入最早的海洋裡。有證據顯示，溫度在隕石轟炸之後涼了下來，所以這幕場景才有可能發生。在澳洲的傑克山發現了顯微鏡才看得見的鋯石結晶，形成年代早在距今四十四億或四十三億年前。地質學家是以地球上最古老的時鐘：鈾變成鉛的衰變率，來判斷這些鋯石結晶的年齡。溫度讀數則是來自鄰接岩石的氧同位素，這表示這些岩石成形時曾接觸過液態水。這樣古老的岩石是很罕見的殘留物。地球的第一個岩漿海或者大陸，早早就已經沉回地殼底下，不只被抽走也改變了形狀，這種改變可能已經有好幾次了。當時的環境條件穩定了很長一段時間，可能有四億年之久，雖然有過一波較晚發生的隕石衝擊。

　　不管大氣的組成成分如何，無論這些事件是發生在海空交界、海陸交界、陸空交界還是前述各項的混合，或者是在地球較下層的火熱地殼深處，總之在無由得知的過去，在某個地方，碳原子以某種方式第一次跟氦、氮、磷、硫及氧一起安頓在「某個溫暖的小池塘裡」。達爾文在一封一八七一年的信件裡，為他的朋友胡克變魔術似地喚出這一幕場景，這個段落可能是史上最常被複製引用的私人通信內容：

但是，如果（喔，這是多麼大膽的一個「如果」啊！）我們可以設想有某個溫暖的小池塘，裡面有各種的氨、磷灰鹽、光、熱、電以及其他物質；在池塘裡，有個蛋白質複合物在化學上成形之後，準備經歷更複雜的變化；在現在，這樣的物質會瞬間就被吸收掉，但在生物被發現前，不會發生這種狀況。

　　達爾文在信中引進的許多要素，至今仍然驅動大部分現代的生命起源研究；氨基酸、磷酸鹽、熱、光，「以及其他物質」。這種池塘的意象生了根，而且到最後慢慢燉成了「原始湯」假說。達爾文是如此優異的作家，又有這麼大的個人權威，所以這個問題很值得順便一問：這個隱喻變成標準說法，到底是因為達爾文這麼寫，還是因為他實際上真的說中了什麼。在物理層面上來看，這件事還能怎麼樣發生？

　　時間遮掩著生命的起源。碳原子如何把自己和其他元素迅速地轉變成多樣化的簡單分子，這點是很清楚的。某些對生命來說必要的碳分子聚合得很容易，一起在不同的條件下發生。碳化學作用也會出現在太陽系的其他地方。土星最大的衛星泰坦，就有甲烷雲跟碳氫化合物海灣。一直都有含碳塵埃落到地球上，一天有大約一百到一千公噸之間，雖然說其中只有百分之一以下的碳塵埃，在落地時的數量大到可供分析。隕石帶來了大量的各式氨基酸，對於生物中總共才二十種的必要氨基酸清單來說，是很陌生的。在太陽系中有這麼多碳氫化合物及富含碳的物質，足以讓許多科學家相信，在地球的石油和天然氣中，有一些可能是由無生命的地質力量所製造出來的，而不是由生物造就出來的。所以，並不是所有石油都是地球壓力鍋燉煮已故生物體而得來的「化石」燃料。

　　大學跟國家級實驗室可以這麼輕鬆地在模擬條件下，製造出生物出現前的分子，所以乍看之下，讓生命啟動一定易如反掌。聖地牙哥沙克研究所的知名生命起源科學家歐蓋爾，給了如下的解釋：「製造有機化合物的方法很多，所以真正的問題不在於我們怎麼做得出來；問題反而是我們竟然知道這麼多製造方法。真正的問題在於有哪些重要方法可以彼此相輔相成，我們對此還不清楚。很不幸的是，這件事發生在三十五億年前，所以很難知道哪些方式是最重要的。」

　　在某種程度上，要指出哪些方式到現在還很重要，是很有挑戰性的。科學家才剛開始研究「深層碳循環」，其中包含的問題，跟地球下地殼、地幔、地核中的碳有關──探究在那裡有些什麼，有多大數量，還有碳在那裡有何作用。一組陣容龐大的跨領域科學家小組，在接下來幾年裡會追問地球的內層是否還有原始的碳，微生物對於較深層的碳活動到底有多深的滲透與影響，還有：「鑽石如何形成？對於深層碳的來源與輸送過程，鑽石揭露了哪些事情？」

　　在二十世紀的前半有兩位科學家，俄國的歐帕林和英國的霍爾丹，分別在地球化學原則的架構之下，獨立琢磨出他們對生命起源的推測。兩人都假定，生命一定是在能量豐富的氣體所形成的大氣中浮現的。他們表現出求知慾，並且利用外推法將已觀察到的地球化學現象轉換成有憑有據的推測，替許多未來的工作奠定了基礎……

第二章　碳和生命起源　　大家只因為不了解癲癇，就認為這種毛病是神聖的。但如果他們把所有自己不懂的事情都視為神聖之物，唉，那神聖之物可就沒完沒了了。　　　　　　　　　　　　──希波克拉底　　從人類圍爐說故事以來，生命的起源就一直是神話跟宗教的主題。但直到近五十年來，科學家才有辦法執行精確的實驗，測試早年地球可能有的那些條件，會以何種方式拼合生物化學的優雅拼圖。生命起源研究者「追隨碳的腳步」，從地球形成期間碳的登陸開始、追到束縛基因密碼的原子，測試地球化學可能讓生物化學萌芽的潛在路徑。　　所有生命都...