文章來源： Nature自然科研

原文作者：Chris Turney

碳-14是六號元素的放射性同位素，發現至今已近80年。由於它的衰變可以被用來追蹤時間的流逝，因此被廣泛應用於地球、環境、生物和考古學研究，在這些領域做出了大量貢獻。在精彩紛呈的《熱碳》一書中，海洋學家John Marra更加深入地講述了碳-14的故事，不僅探索了與其相關的科學，還解釋了我們爲什麼要重視它。

放射性碳是在上層大氣中由宇宙射線與氮的相互作用形成的，在自然界中非常稀有。它們會迅速轉化爲二氧化碳，進入生物圈和海洋的大量碳庫中。生物體生前不斷地吸收碳-14，在它們死亡後，碳-14以一種已知的速率衰變。通過測量碳基樣品中剩餘的碳-14的量，就有可能計算出樣品的年齡。

從20世紀40年代開始，這項技術被用來測定物質年代，最古老的可以推算到60，000年前。通過給骨骼、古老壁爐裏的木炭，一直到擁有超慢生長率、生活在南極大陸邊緣的苔蘚確定年齡，碳-14測年法能將從早期現代人類走出非洲開始所發生的一切都揭示出來。

在複述這些事實的過程中，Marra描繪了很多引人入勝的故事，都是關於偉大的研究者們的——或許他們中的許多人早已被遺忘，但他們的發現使現在我們視之爲理所當然的理論、實踐和更進一步的發現成爲了可能。書中的料絕對充足，絕對能滿足最好奇的讀者。

上圖所示爲一塊據信可追溯至中世紀的人類股骨，研究人員正在取樣做碳測年。 來源：James King-Holmes/Science Photo Library

《熱碳》以化學家Martin Kamen的傳奇故事開始。Kamen出生在加拿大，父母是俄羅斯移民。1940年2月，Kamen在加州大學伯克利輻射實驗室嘗試製造一種新的碳同位素。

他不眠不休，花了整整三個晚上才收集到了足夠量的輻照石墨來測量期望中的同位素。當他終於走出實驗室的時候，一副髒兮兮的樣子引起了警察的注意；更糟糕的是，他正好符合一個在逃的殺人狂魔的描述。於是，Kamen被抓到警察局，直到一名死裏逃生的倖存者證實他不是嫌疑人後，他才被釋放。

回到實驗室，Kamen發現他的同事Sam Ruben已經對他小心翼翼收集到的樣本進行了分析，並發現它具有可測量的放射性。由此，碳-14的故事以充滿戲劇性的一幕開始了。

這種重碳的半衰期原本預計只有幾分鐘或幾小時，而且被認爲沒有特別的研究價值。但是Kamen和Ruben的努力最終證明，它可以在長達幾千年的時間裏保持穩定，從而開闢了數量驚人的研究路徑（若干年後才確定碳-14的半衰期是5，730年）。作爲上世紀四五十年代美國反共熱潮的受害者，Kamen從未得到他應得的榮譽。而那些應用了Kamen之洞見的人，諸如化學家Willard Libby和Melvin Calvin，則收穫了科學上的回報。

我們沿着碳-14的軌跡，會穿越許多學科，可以瞭解到Calvin和他的團隊是如何使用它來追蹤植物將二氧化碳轉化爲糖的方式，從而揭示出光合作用背後的複雜過程。

我們可以看到放射性碳是如何爲英國、瑞士和美國的實驗室所用，將用來編織都靈裹屍布（據信曾包裹耶穌的屍體）的材料亞麻的年代推斷至1260年和1390年之間。放射性碳測年法顯示Ötzi（冰人奧茲）——1991年在奧地利和意大利邊境融化的高山冰雪中發現的一具屍體——已經有5000多年的歷史。

我們還發現，以碳-14標記候選藥物分子的特定位置，可以追蹤其經歷人體新陳代謝的各個階段，以此來檢測藥物的安全性和有效性。這樣的例子還有很多。例如，Marra解釋了在碳-14被發現後不久，海水中溶解的二氧化碳是如何被用來追蹤深海洋流的運動，從而揭示出了以前被認爲是高深莫測的海洋環流。

碳-14可稱得上是明星，而科學家、研究機構和偶然事件所扮演的配角也不容忽視。以Libby爲例，他因發明放射性碳測年法而榮獲1960年的諾貝爾化學獎。有一次，他的團隊進入馬里蘭州巴爾的摩市的下水道，收集人類排泄物產生的甲烷，以便明確證明這些甲烷所含的碳-14遠比考古樣本和一塊精確定年的紅杉心材所含的高出許多。

Marra還生動地描繪了早期研究人員爲獲取珍貴的浮游生物樣本所面臨的困難，這些樣本爲後來認識海洋生產力以及碳封存開闢了一個新的視角。他用自己在這一領域的親身經歷，展現了研究人員在面對惡劣環境、狹窄空間和暴脾氣的船長時所表現出來的進取精神。因爲研究人員堅韌不拔的毅力和堅定的信念，技術上的限制逐漸被克服，他們相信這項工作將幫助他們瞭解海洋將無機碳融入有機化合物中的潛力（這仍然是重要的研究焦點）。

地球科學中仍然存在一些謎團，比如碳循環的有效性以及人類活動（包括我們對化石燃料似乎永無止境的需求）的後果。重要的是，Marra展示瞭如何使用碳-14在一系列時間尺度上梳理清楚這些過程。他解釋了爲什麼南大洋是地球海洋環流的“看門人”，以及深水結構和上覆風帶位置的突然變化如何會驅動碳循環產生驚人改變。

發人深省的是，由於20世紀中期的核彈試驗，大氣中碳-14的濃度增加了一倍，這作爲一個峯值被保存於每年形成的自然檔案（包括樹木年輪）中。這個標誌可以用來刻畫一個新地質時代的開始：人類世。

《熱碳》適時地爲我們提供了一個視角，去了解我們的地球系統是如何緊密交織在一起的，以及碳-14將如何繼續發揮重要的作用，幫助我們瞭解未來。