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发表于 2020-6-15 07:35:54
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下面的资料解释了氧和碳的关系。" Z! y( _5 y; _) f) `# y: w
简单讲，植物体的增量就是“固碳”。
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《地球上的氧和碳》- j8 O0 \1 I6 B- b4 k, \
作者：@张博然: G M; d9 p; r+ E$ @
Y% ^( ]/ ~7 u4 t4 ^8 y0 {今天看到Peter Brannen写了一个很好的问题。虽然我们喜欢说亚马逊雨林是“地球之肺”，亚马逊的火灾也确实是生态和人道的双重灾难，但是如果它烧没了，我们并不会因为缺氧而憋死。, ~, T ~$ O' E k" L% c, q! _) S
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有一个经常引用的数据是亚马逊产出了地球氧气的20%，但它是双重的不准确。一，亚马逊每天产出的氧气实际上是地球上所有活体生物光合作用产氧总量的6%；二，地球上绝大部分氧气，并不是现在活着的生命造出来的。
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光合作用吸收二氧化碳放出氧气，这基本上是地球氧气的唯一来源。每一个大气氧分子，都对应着存储在某个地方的一个碳原子。假设一株植物不再继续长大，那么它体内的碳就是一个定量，它给大气的氧气总贡献也会维持定量。换言之，它的光合作用和呼吸作用会相互抵消，不会固定更多碳，也不会放出额外氧。
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' v$ c' o9 V, G' D6 n同样道理，如果亚马逊是一片成熟稳定的理想雨林，生物量不变，不扩大也不缩小，那么它所储存的碳也是一个定量，它里面的所有生物光合作用与呼吸作用也会抵消。它会产出6%的氧气，也会消耗6%的氧气，收支平衡。如果这样一个亚马逊凭空消失，并不会改变地球的大气组成。
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7 d+ Q+ l/ ]0 m1 o1 _当然，此刻的亚马逊并不是在凭空消失，而是在燃烧。燃烧过程会夺取大气的氧，释放出二氧化碳。 d" J6 ?$ ]: O, ?$ @- k0 d
- t0 N9 |8 y" p0 A2 B5 H可是地质学家Shanan Peters计算过，如果我们把地球上每一个活细胞都给烧掉——不光是亚马逊，还有所有的森林，所有的动物，所有的海洋藻类，所有的细菌——只剩下人类的话，那么大气氧含量会从20.9%降到20.4%，二氧化碳会从400ppm增加到900ppm。这都不如最坏场景下2100年地球因为人类碳排放而得到的二氧化碳那么多。: {$ w. t2 s3 y: u
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把一切生命都烧掉，居然还剩下那么多的氧。但是之前我们说过，氧原则上应该是对应于碳的。这剩下的氧是从哪里来的呢？2 L, M- \9 l) {6 ]( w$ @4 W
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来自历史上的植物，或者说，来自埋在地里的碳。% S6 F7 h) d Y1 G5 F" ]
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刚才我们说，理想情况下的雨林，生物量和总碳量应该是不变的。但是现实中因为种种原因，总会有一点点死掉的植物没有回归生物圈，而是在腐烂之前就被埋了起来。这时候，森林就不再是自给自足的平衡体系了，而是不断向地下输送新的碳，同时向空气里输送新的氧。
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本来，光合作用和呼吸作用的循环应该是完美的，一株植物花了一辈子时间把碳储存在自己体内，并把氧气释放到大气层中；等它死了，被动物吃掉、被细菌分解，正好又把这些碳都释放掉，把氧气都用完。假如是这样的话，那么大气层里的氧气就只有一点点，和生物里的碳完美对应。（其实，因为氧气还会和别的东西反应，所以连这个对应的量都不够。）6 d9 }- C8 R; K! V
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但因为有微乎其微的一点碳被地球藏了起来，一切都变了。碳逐渐积累，大气的氧也逐渐积累。氧气增加的速度有时快，有时慢，有时还会倒退，最近1000万年属于很缓慢的时段；但根本上正是因为这一积累的存在，才让我们拥有了氧含量高达20.9%的大气层，才让需要高浓度氧气的复杂生命得以诞生。这些氧绝大部分都是历史积累的产物，就算把今天的生物全都烧掉，也不会动摇。- s8 t6 X) K0 E4 d6 V9 k( \
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然而这些氧并非牢不可破。它来自历史，也可以被历史摧毁；因为那些被藏起来的碳，也没有凭空消失。大部分这样的碳都太分散了，不会被人注意到；但有少量的碳集中在一起，几百年前就被人发现，并且开采出来了。$ V0 r, v3 b9 D0 e5 E
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这些碳有很多不同的名字，比如煤，又比如石油。
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- W7 q' t8 ~0 t! o0 Y我们会把它们统称为“化石燃料”，因为它们正是远古的生物以化石形态储存下来的碳。我们大气里的氧气，也和这些碳有着对应关系，烧掉它们，就是逆转亿万年前的碳储存，就是把久远过去释放入大气里的氧收回来，重新变为二氧化碳。. z( X' ^$ A2 s: B' }+ c+ t( z
; u4 W0 N: [& }; C' f8 g当然，可开采的化石燃料里的碳，终究还是所有曾储存的碳的一小部分，不足以把大气的氧耗尽。但是，它确实足以改变大气里二氧化碳的含量，足以压倒亚马逊的大火。甚至如我们刚刚说过的，按照最坏场景估算，100年之内，燃烧它释放的碳，就会压倒全世界所有生物都一把火烧掉所能释放的碳。
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1 S& R) B4 {* s4 R* U3 m因为化石燃料这场火，和所有的森林火灾都不同。它烧掉的是我们星球的历史。它是把几亿年的大火集中在了一瞬间。
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9 m% h; [8 c. e7 ?8 u/ T 《地球上的氧和碳2》
3 B' w4 t9 X- t& F在原子级别上，光合作用是利用光的能量劈开了水分子，扔出氧气，剩下的氢用来还原二氧化碳，把它变成有机碳。这件事情很了不起，在我翻译的《生命的跃升》里用了一整章去讲，欢迎大家去看。
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" `6 v6 z1 y) j4 f1 q8 p可是，因此推导出“地球上有这么多氧是因为有这么多水”，是个有点奇怪的论点。% A0 e: r' x4 `. E6 y7 }/ q
- z. N! I8 Y+ Y. A) d; J* f& _& |因为，对于光合作用而言，水是反应物，氧气是生成物。二者当下的存量没有绑定关系。一个星球可以有很多水，但没有光合作用所以没有丝毫的氧气。一个星球也可以到处都是氧气，但是没有水，因为水都用完了。
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2 B% C) N# r: O1 ?) m1 A$ ?可以把它修改成“地球现在有很多氧，因为过去有很多水”。这个观点是成立的，不过和现在讨论的问题没什么关系了。) K& M5 N/ [ i1 B0 v$ Z( u$ r! B
/ T4 g6 M9 ^2 w) f: i& a. W1 z但是，碳就不一样了。光合作用所产出的有机碳原子和氧气，都是生成物。地球上光合作用其实有好几种，但产氧光合是压倒性的绝对优势，所以产出碳原子和产出氧气，是对应的。 X( k: z s1 z+ Y+ y
& x d4 O: z0 m' s6 o1 B更好的事情是，有机碳的消耗方式，大部分来自呼吸作用，少量来自燃烧，但结果是一样的。换言之，地球级别来看，有机碳如果重入大气，几乎都是变回二氧化碳，变成其他形态的微乎其微。（甲烷稍微值得注意一下，但甲烷的厉害在于它当温室气体效率高，真算质量的话还是微乎其微。）
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( W# G, A3 t9 V6 G) E4 \+ @' C所以能从定量角度，找到这样一个对应：每产出一个有机碳，就伴随产出一个氧分子。虽然氧分子会因为别的原因消耗掉（氧化别的东西），但是有机碳消耗掉的话，都是要把当时产出的那么多氧给拿回来的。
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因为地球上光合作用产氧和产有机碳都是压倒性的，其他渠道都是零头，所以本来二者应该抵消。现在我们发现，大气里的氧把所有能氧化的东西都氧化之后，居然还剩那么多，唯一的原因，就是此刻还有海量的碳藏在地下，没有和氧抵消掉。这和水的情况不一样。氧的存在不依赖此刻有没有水，但绝对依赖此刻的碳。的确，这些碳如果氧化，拿回来的并不是当年的那些氧原子。但是，它拿回来的量，是不变的。
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这个就是谈论地球的时候，采用的地球化学视角，和普通的生化视角的差异。对于生化来说，此氧非彼氧是重要的。但对地球化学而言，氧存量和有机碳存量之间的关联，才是需要在乎的问题。 |
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楼主: 微观识木
