我们都是碳基生命
如果说哪一种元素对我们人类来说最亲密、最重要、最值得关心，那一定是碳(化学符号C)。可以说，碳是地球生命的基石，也是我们最早学会利用的元素之一。
文明的伙伴
一道闪电，或是干燥的气候，都可能成为点燃大自然的一把火。而当人类学会收集和保存自然中的火种时，就开始了与碳的接触——植物在经过燃烧以后，会留下木炭，而构成木炭的最主要元素就是碳。
恩格斯说：“摩擦生火第一次使人支配了一种自然力，从而最终把人同动物界分开。”人类在学会了利用碳元素以后(尽管那时候他们并不知道它)，就开始摆脱茹毛饮血的黑暗时代——一方面用火加热的食物更容易消化吸收，大大提高了食物的利用率和卫生程度；另一方面人类对夜晚的适应能力大大提高了。
人类祖先对碳的利用，带来了文明的萌芽。后来人类利用墨水书写，碳元素又为记录文明发挥了重要作用。第一次工业革命时期，燃烧煤炭的蒸汽机的普及，更是让人类开启了机器代替手工劳动的时代。
无处不在的碳
碳元素既不像锂元素那样活泼，也不像氦元素那样懒惰。它能在自然界中以多种单质的形态独立存在，比如常见的金刚石、石墨等，也能与其他元素一起构成千万种化合物。
不难发现，碳元素对于我们的生活至关重要，无法想象，如果离开了碳元素，世界和生命将会是什么模样?
奇妙的碳单质
1772年，现代化学之父拉瓦锡通过点燃金刚石和煤的样品，发现它们燃烧都不生成水，而相同质量的金刚石和煤产生的二氧化碳量是相等的。他由此推断，金刚石和煤的成分是基本一致的。多年以后，拉瓦锡在他的教科书中将碳列入了元素表中。
1786年，另一名法国化学家贝托莱将石墨用同样的方法燃烧，证明了石墨也几乎全部由碳组成。
虽然金刚石和石墨的成分都是碳单质，但性质上却截然相反。前者无色透明、坚硬无比，还不导电；后者呈黑色粉末状，柔软丝滑，有良好的导电性。这种由同一元素构成的不同单质，在化学中被称为“同素异形体”。
会交朋友的碳
单从元素含量来说，宇宙中的碳非常丰富，能排到第四位，而地球上的碳元素含量一般，连前十都排不上。但如果我们把地球上的化合物做一个统计，会发现其中绝大多数都含有碳元素。这是为什么呢?原因要从碳元素的结构说起。
碳原子由核心的6个质子和环绕的6个电子构成，其中2个电子排在内层，4个电子排在外层。最外层的4个电子不是特别多，也不是特别少，因此既不容易失去电子，也不容易抢夺别的元素的电子，处于一种模棱两可的状态，反倒拥有了无限可能。这4个电子就像积木的4个接口，可以与其他的元素组合出千变万化的物质。
地球上的生物包括我们自己，为什么会被称为“碳基生物”呢?因为生命的基本单元——氨基酸、核苷酸等是以碳元素做骨架形成的。可以说，没有碳，就没有我们熟知的地球生命形态。
碳的循环
地球上的碳就像水一样，在各种有机物中不停地循环。
藏着历史的碳-14
碳的同位素共有15种，在自然界中，碳-12占据主要地位，含量有98.93%。碳的其他同位素中，碳-14因为其特殊本领——年代测定，而获得了存在感。
当太阳辐射中的高能粒子到达地球后，会在大气层中产生碳-14这种碳的同位素。它们会形成二氧化碳，进入世界上的碳循环中。无论动物还是植物，都会通过呼吸吸收积累碳-14，当生物死去后呼吸停止，体内的碳-14便不会再获得补充。
碳-14的结构不稳定，会随着时间流逝而缓慢衰变，半衰期长达5730年。因此，考古学家可以通过检测化石中的碳-14的含量比例，来估算生物生存的大致年代，这就是“碳-14测年法”。
李启翔 摘自《科学少年》2023.12
