自
循环：
◎ 吴溪与
封面故事ocean world
24 OCEAN WORLD 哲学家早有关于“物质运动和变化”的表述——日月更迭，寒暑交替，万物化
育，生生不息。要了解物质的流动性非常容易，以一个人类肉眼看不见的碳原子为例：这一刻，它是你头发中角蛋白的一个碳原子；前一刻，它可能属于一块蛋糕，你吃了蛋糕，于是碳原子便来到你身上；再向前追寻，这个碳原子很可能属于海洋中的某个碳酸氢根离子……如此，小小的碳原子流动起来。事实上，碳、氮、磷和水这些与生命活动相关的物质均以多种形式（生物或非生物的，原子、分子或生物大分子）存在于地球之上。这些物质时时处于流动状态，构成了生物地球化学循环——它们既进入了生物化学系统，又进入了地球化学系统。 在地球上，碳、氮、磷和水是许多生命活动的必需物质，它们都有一个非生物的“库”。例如，自然界中最大的“氮库”是大气中的氮气，但是氮气并不能直接被生物体所利用，必须通过固氮细菌将其转化为氨或硝酸盐后，才能被生物所利用。这个过程使“氮库”与生物圈联系起来，形成了氮的生物地球化学循环。同样，碳、磷和水的“非生物库”也以各自的方式与生物圈进行着密切的“交流”。 碳循环
碳是构成有机化合物的基础元素，地球上碳元素的分布非常广泛。所有的有机物都含有碳元素。碳以
它独特的方式，在它的生物库和非生物库中循环流动，构成了地球上的“碳循环”。在地球的大气圈(atmosphere)、水圈(hydrosphere)、岩石圈(geosphere)、生物圈(biosphere)中，碳元素以不同的形式存在。这四者是地球上碳的“贮存库”，存在于其中的碳时时处于运动之中，在不同的“贮存库”中进行循环流动。
大气圈中的碳
大气圈中碳的主要存在方式是二氧化碳。随着现代社会的发展，甲烷、氯氟烃等也成为大气中不可忽视的含碳气体。
碳以不同的方式、途径进入大气：植物和动物的呼吸作用——此过程消耗氧气，有机分子（如葡萄糖）被分解并释放出能量，产物则为二氧化碳；动植物尸体的腐败——动植物死亡后，细菌、真菌等微生物会将它们的尸体分解，其中的含碳化合物也发生降解，有氧条件下产生二氧化碳，无氧条件下产生甲烷；有机材料的燃烧——最值得关注的是煤、石油、天然气等化石燃料的燃烧，这个过程将曾经深埋于地下的化石燃料中的碳最终释放出来；海水中溶解的二氧化碳重新回到大气；火山活动等释放的气体，主要包括水蒸气、二氧化碳和二氧化硫。 另一方面，碳通过以下几种方式脱离大气：植物的光合作用——植物捕获和利用太阳能、将无机物（二氧化碳和水）合成为有机物（如葡萄糖）、释放氧气的过程；海洋对大气中二氧化碳的吸收——
在两极地区，因为海水的温度较低，吸收作用更为
显著；硅酸盐岩石的风化——碳酸（二氧化碳与水化合生成碳酸）与风化的岩石相互Array作用生成碳酸氢根离子，后者流入海洋，最终转化为海水中的碳酸盐。
尽管二氧化碳在大气中所占的比例非常小，却在地球上诸多生命过程中发挥了至
关重要的作用。作为“温室气体”的一员，二氧化碳更是受到了人类的密切关注。
水圈中的碳
大气中的二氧化碳溶解在水中生成碳酸，碳酸可进一步电离生成氢离子和碳酸氢
根离子。在广袤的海洋中，大部分碳以碳酸氢根离子的形式存在。大气和海洋中的碳
随时处于交换状态。溶解在海水中的二氧化碳可被海洋生物利用，进入生物圈；亦可
在一定条件下重返大气圈。
岩石圈中的碳
在岩石圈中，碳以碳酸钙的形式存在于石灰石、大理石、白垩等天然矿物中。
↑软体动物中，贝类的外壳和珍珠都是生物体自身形成的矿物。它们的形成过程复杂，但都是以海水中的碳酸氢根离
子为原料。矿物的主要成分都是碳酸钙。
生物圈中的碳
碳通过自养生物从其他非生物碳库流入生物圈。顾名思义，自养生物可以在营养
利用方面自给自足。它们仅依靠大气和水中的二氧化碳便可存活。为了完成必需的生
命活动，它们还需要从外界获得能量，几乎所有的自养生物都利用太阳能。绿植物
是最令人关注的自养生物。它们利用二氧化碳和水，不但制造了自身代谢所需要的物
质（葡萄糖），还为地球上的其他生命直接或间接地提供了食物。另一方面，碳也可
从生物圈进入岩石圈。比如，软体动物的贝壳（主要成分为碳酸钙），可以通过沉积
作用最终变成石灰石。
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封面故事ocean world 26
OCEAN WORLD ↑地球上的碳循环(carbon cycle)：植物的光合作用(photosynthesis)和海洋吸收(ocean uptake)消耗着大气中的二氧化碳，而动植物的呼吸作用(plant respiration, animal respiration)、尸体腐败(organisms decay)、工业废弃物的排放(factory emissions)成为大气中二氧化碳的主要来源。渐渐失衡的碳循环 碳循环过程复杂而周密，它保证了生物圈乃至整个地球的平衡发展。然而，事情并非如此简单。进入21世纪，大气中累积的二氧化碳让人类越发担心，它成为人类头顶挥之不去的“乌云”。大气中二氧化碳的增多究竟意味着什么？ 时间追溯到1771年，那时工业革命尚未蓬勃发展。一个叫做约瑟夫·普里斯特利的英国牧师设计了一个在当时看来是十分精巧的实验，从而到了碳循环的关键步骤：他将一只老鼠放在一个密封的玻璃罩中，结果老鼠在一段时间之后气绝身亡；用一支蜡烛代替老鼠进行同样的实验，一段时间之后，密封玻璃罩中的蜡烛熄灭了。普里斯特利认为，燃烧过程和动物的呼吸均使空气受到损伤而无法继续支持生命。然而，绿植物出现后，一切有了转机。普里斯特利将一棵薄荷放进了玻璃罩，和老鼠“共处一室”，这一次老鼠活得很好；同样，有植物在“身边”的蜡烛也继续燃烧、没有熄灭。普里斯特利在重复上述实验时，有时成功有时失败。他并不
知道为什么。直到10年后，一位荷兰的植物生理学家发现，密封玻璃罩只有在有光照射时，其中的植物才能支持老鼠的继续生存和蜡烛的继续燃烧。 当时的普里斯特利还不知道这些过程中产生的关键气体是什么。现在我们知道，动物的呼吸和蜡烛的燃烧均消耗氧气，释放二氧化碳；而绿植物在光合作用中消耗二氧化碳，释放氧气，正是氧气支持着燃烧和生物的呼吸作用。 普里斯特利实验阐述了一个非常浅显的道理：二氧化碳太多不是好事儿，它会让空气失去支持生命的能力。普里斯特利无法预见未来，他肯定不会想到，21世纪的人类会为二氧化碳发愁。发动汽车、打开电灯、调节游泳池的水温随便干点儿什么，你都会直接或间接地向大气中排放二氧化碳。比起自然界中的那些规模庞大的碳的循环交换（比如生物呼吸、尸体腐败与植物光合作用之间的循环），人类额外贡献给大气的二氧化碳似乎显得微不足道。然而，对于一个已经达到平衡状态的天平，用手指一碰它便会失去平衡。人类活动已使自然受到重创。现在，大气中二氧化碳的水平已经比普里斯特利的年代高出30%。煤、石油、天然气，这些化石燃料曾经带动世界经济的飞速发展；现
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