自製煙圈螺旋空氣炮! Giant Smoke Rings

• 撰文｜許世穎

本文轉載自 CASE 科學報《整個宇宙，都是我的動物園——天文化學》

整個宇宙就像是一座「分子動物園」，藉由研究的分子光譜，我們可以得知這分子的分佈、溫度等性質；而由於不同的分子有著不同的「習性」，我們還可以得知孕育這些分子的星際環境。

天文化學是什麼？

天文學是研究宇宙間天體的自然科學，除了一般大眾較為知道的「天文物理學」以外，宇宙擁有很多的面向，其中一個就是本文的主題：「天文化學」。

同樣都是研究「物質」的科學，物理學與化學卻是以不太一樣的方式來觀察這個世界。天文化學著重那些宇宙間「不同天體環境中的原子、分子、離子」等，研究它們的形成、分布、彼此之間的交互作用，或是與環境的交互作用。（接下來為了方便起見，我們將分子、離子等統稱為分子。）

天文學雖然是最古早的科學之一，但是天文化學這個學門，則要到 20 世紀中期才開始慢慢出現。理由很簡單：因為分子看不到呀！星星那麼大一顆，用望遠鏡都不一定能看清楚了，更何況是擺在眼前都看不到的分子呢？

因此要研究宇宙中的分子，必須要靠特別的技術才行；其中，最重要的技術之一，就是「光譜學」。

光譜（spectrum）是將光依照波長或頻率排列出來的圖案，像「彩虹」就是一種光譜，是太陽光依照不同頻率分開來的圖案。而光的範疇除了可見光以外，還有很多肉眼看不到的波段，例如無線電波、紅外線、紫外線、Ｘ光……等。

每一種分子都有著屬於自己的光譜，在地球上的我們，如果想要知道分子的光譜長什麼樣子的話，除了可以做實驗量測以外，更多的是用電腦做精密的模擬計算來預測。分子的光譜就像它們的「指紋」，就像警察會將採集到的指紋與資料庫比對，來得知這枚指紋是哪個人留下來的，天文學家則是將觀測到的光譜與資料庫比對，來得知遙遠星際的另一端有哪些分子，甚至是它們的含量、溫度等（圖 1）。

想要了解更多天文學家如何使用光譜學，可以參考：＜把光拆開來看：天文學中的光譜＞。

為什麼宇宙是「分子動物園」？

動物們往往能反應出當地的環境，舉例來說，看到河馬就知道那邊是有水有草的環境；看到櫻花鉤吻鮭就知道有水溫偏低的溪流 ^[3]。將宇宙視為分子動物園也是一樣的，觀察分子的分佈、含量，也可以讓我們回推物理環境。目前，我們已從星際間，觀測到了約 200 多種分子，這裡就介紹幾種常見的星際分子吧！

氫分子（molecular hydrogen, H₂）

宇宙中含量最高的分子，也是「分子雲」的主要成分。分子雲中每一立方公分大約有一萬個氫分子（10⁴ cm^-3）。

分子雲是恆星、行星誕生的地方，所以了解氫分子的分佈，能幫助我們研究恆星形成。同時，氫分子能與較重的元素反應，是許多化學反應的催化劑，產生其他的分子如一氧化碳（CO）、二氧化碳（CO₂）、 氰基自由基（CN）等。

氫分子對天文化學來說相當重要，可惜在分子雲這種均溫只有零下 200 多度的環境，幾乎是不太可能觀測到（因為它是個對稱的分子，有興趣的讀者可以再進一步了解。）^[5][6]

一氧化碳（carbon monoxide, CO）

一氧化碳分佈在星際間低溫、高密度的區域。它是星際間含量第二高的分子。

比起氫分子，一氧化碳容易觀測太多了，所以天文學家更容易從一氧化碳的圖像，來得知分子雲的分佈。由於分子雲幾乎沒辦法用可見光直接觀測，早期的科學家根本不知道我們周邊有這麼多分子雲的存在，直到觀測了一氧化碳的圖像之後才大開眼界。 ^[5][6][7]

氨（ammonia, NH₃）

氨也是很容易被觀測到分子。歷史上第一個觀測到的分子是就是氨。氨有許多譜線，而這些譜線的強度對於環境變化非常敏感，能對應到很多種不同的星際環境。對氨的觀測能讓我們更精確地回推出該處的環境狀況 ^[8][9]。

宇宙中的環境變化太大了，不同的環境下化學反應可能會有很大的差異。宇宙間的發散星際雲（diffuse cloud）、密集分子雲（dense cloud）、恆星形成的熱原恆星核（hot core）等這些已經偵測到大量分子的區域，溫度分佈從 10 K～1000 K（約攝氏 -200 度到 +800 度）、密度從每立方公分一百顆粒子到十兆顆粒子（10² cm^-3～10¹³ cm^-3）都有！

這裡接著再介紹幾種分子含量高的星際環境。

恆星形成區域（star-forming region）

分子雲內部高密度、正在形成恆星的地方。獵戶座 KL 星雲（Orion KL）是獵戶座大分子雲中，恆星形成最活躍的區域。在這裡有許多的「複雜飽和有機分子」出現，如：甲醇（CH₃OH）、甲酸甲脂（HCOOCH₃）等，也有一些長鏈的碳分子，如：氰基乙炔（HCCCN）^[10]。

彗星 67P/Churyumov-Gerasimenko （comet 67P/C-G）

在近幾年的觀測資料中，科學家在這裡看到了含量極高的氧分子（molecular oxygen, O₂），這讓他們感到非常意外。因為氧分子在宇宙中很容易起反應、變成其它的分子，而在彗星這麼樣一個容易揮發的環境中，卻能有高含量的氧分子存在，代表這些氧分子很有可能是在彗星形成的時候，就已經存在周遭的環境中，並且冰封在彗星上 ^[11][12]。

天文化學所牽涉到的範圍很廣，橫跨了許多不同的領域。 整個宇宙就是一座「分子動物園」。天文學家觀察這些宇宙中的分子，來得知遙遠天體中具有什麼樣的環境。星際間也發現了許多有機分子，研究這些分子甚至能幫助我們理解生命的起源，這是現在天文化學研究的一個重點方向。

• [1] sci-news / Astronomers Detect Organic Molecules in Starless and Prestellar Regions of Nearby Stellar Nurser
• [2] ALMA / Forest of Molecular Signals in Star Forming Galaxy
• [3] 雪霸國家公園 / 鮭魚與水質
• [4] EAS / The molecular journey from stars to disks
• [5] wiki / Molecular cloud
• [6] COSMOS / Molecular Hydrogen
• [7] NRAO / The Cold Case of Carbon Monoxide
• [8] wiki / Ammonia
• [9] Ho, P. T. P.; Townes, C. H., Interstellar ammonia, Annual Rev. Astron. Astrophys., Vol. 21, p. 239-270 (1983)
• [10] wiki / Kleinmann–Low Nebula
• [11] ESA / Molecular oxygen detected at comet 67P/C-G – ROSINA mass spectrum
• [12] wiki / 67P/Churyumov–Gerasimenko

生物體中的蛋白質分子通常長得非常複雜，不是幾行化學式能解決的。如果想把它的分子結構鉅細靡遺的描繪出來，你有幾種選擇。

讓人類發現 DNA 雙股螺旋的 X 光晶體學

其中一個是 X 光晶體學，也就是讓許多蛋白質分子一同排列成整齊的晶體，接著將 X 光打進去，用繞射圖案進行分析。從 1950 年代以來，科學家便常常使用這種技術來探索分子結構。DNA 的雙股螺旋結構便是透過 X 光晶體學被發現。

不過這種方法有其根本上的限制。X 光晶體繞射後的強度很弱，必須藉由晶體內多個重複且整齊的晶格，進行同步繞射來增強訊號，因此沒辦法處理太大的蛋白質分子（單位體積內重複晶格太少），或是結構複雜的蛋白質（像是核糖體是由兩個次單元組成的），而且因為 X 光晶體學仰賴的是晶體結構的繞射，那些無法好好結晶的蛋白質，便不在它的防守範圍內，而細胞中許多的蛋白質都很難形成整齊的晶體。

另外，就算可以成功的結晶，被結晶的蛋白質分子也無法呈現出平常運作時的多種風貌，產生的影像也無法捕捉關於分子的任何動態資訊。

不斷跨越解析度門檻的低溫電子顯微技術

於是我們有另一個選項：低溫電子顯微技術 (cryo–electron microscopy) 。待觀察的分子被凍結在超低溫環境中，而研究人員用電子束轟炸分子，透過電子留下的影像來還原分子的立體結構。這種技術不需要蛋白質進行結晶，不過解析度普遍較差，最後的影像往往只能看出幾個模糊的團塊，因此通常只會用在大的蛋白質分子。

隨著相關領域人員的持續努力，低溫電子顯微的解析度已經大有進展。2017 年的諾貝爾化學獎便是頒給三位科學家在高解析度低溫電子顯微技術方面的突破。前一陣子的紀錄保持者是日本團隊對缺鐵基蛋白 (apoferritin) 的研究，解析度到達 1.53 埃。不過如果想要清楚的呈現個別原子，解析度差不多需要到達 1.5 埃，還差了一些。

在今年十月 Nature 期刊的一篇最新研究中，一個跨國研究團隊利用改良過的電子束與分析軟體，成功達到了 1.25 埃以上的解析率，足以清楚標示出每顆原子的位置。

聽起來很厲害，不過這代表的是什麼？

由於生物分子可以在行動中被降溫並「定格」，我們現在能夠清楚的看見蛋白質這類複雜的分子機械如何運作，清楚到每顆原子的動態都盡收眼底。毫無疑問地，這樣的技術將為分子與結構生物學帶來重要的進展。

目前，原子等級的解析度只適用於結構較堅硬的蛋白質分子。做為下一階段的目標，研究團隊希望能將同樣的技術運用在一般柔軟的大型蛋白質結構，並達到一樣好的解析度。在結構生物學的領域中，使用低溫電子顯微鏡的研究人口逐年成長，而這次的技術突破有望繼續加速這個趨勢。

1. Yip, K.M., Fischer, N., Paknia, E. et al. Atomic-resolution protein structure determination by cryo-EM. Nature 587, 157–161 (2020).
2. Cryo–electron microscopy breaks the atomic resolution barrier at last
3. X-光晶體繞射學與結構生物學

• 作者／史坦利．萊斯 (Stanley A. Rice)；譯者／李延輝

月亮上，全部都是黑色和白色。晚上是晚上，白天是白天，沒有灰色地帶。但在地球上，因為大氣層分散了日光，所以會出現晨光與暮光的灰色陰影。地球具有多樣性，科學也在研究多樣性，上述只是幾乎無數種呈現方式中的第一種。

但人類心靈並不是一直輕易就接受多樣性。人類心靈有二元偏見，我們看待事物非黑即白，但科學必須抗拒這種偏見，就像抗拒其他許多偏見一樣。

即使人類心靈並未以二元的方式看待世界，也會以分類的方式看待：即使現實往往包含連續體而非各自獨立的類別，我們仍喜歡將所有事物分類。二元思考是分類思考的兩類別子集合。想知道一些分類和連續思考的例子嗎？這就是本章涵蓋的內容。

分類思考就是只能分兩類？

或許人類偏向分類思考是因為我們是兩兩對稱的生物。我們有左右手、腳和很多其他東西，也有上和下、前和後。相較之下，水母就是放射對稱，它有前和後，但除此之外其他部分都從中心點放射而出對稱。假如水母可以思考，它可能會將世界看成充滿各種可能性，而不只是「這個」相對於「那個」。

動物和人類祖先必須迅速決定是否該採取行動，例如是否要逃離老虎，是否要吃某種食物，這可能是我們演化出二元思考的原因。生死交關的決定往往是二元對立的，甚至對水母來說也是如此。

一方面，人類往往會將世界視為非黑即白，不是這個就是那個，非左即右，不是這裡就是那裡，非上即下，不是我們就是他們。另一方面（延續我二元對立的隱喻），我們也承認有許多多樣性無法納入分類思考的框架中。（世界上有兩種人：會將事物分類的人和不會將事物分類的人。）人類常常努力在分類思考和連續思考間取得平衡，但這是假設我們能將所有思考分類為分類或連續思考。

再者，二元對立也符合我們的公平感。記者就有強烈的偏見要「平衡雙方報導」，即使有兩方以上或其中一方顯然行事荒唐也是如此。

微世界中的多樣性

在科學家研究的物理、化學、生物和人類世界中，少有事物在分類上是絕對的。極少數二元對立的事物之一就是原子粒子的電荷。電子具有負電荷，而質子具有正電荷。但連電荷都是一種夸克的衍生特性，而夸克就構成了電子和質子粒子。其他事物無論是可分類或連續的，都以許多不同可能性的形式存在。

元素符號都一樣，中子、電子數目不一樣

以原子為例，「原子」一詞代表不可分割的事物。原子會分裂，但一旦發生分裂，原子就會喪失其特性，所以「它們」不可能分裂但仍維持原樣。

我們可能會認為所有的碳原子都很類似，全都屬於一種類別。但並不是這樣。它們的原子核都有六個質子。大多數也會有六個中子（使它們成為 ¹²C 或碳-12）。但少數碳原子多了一個中子，重量更重（¹³C 或碳-13）。再更少數的碳原子多了兩個中子，原子核變得不穩定，因此具有放射性（¹⁴C 或碳-14）。不同元素的同位素具有相同數目的質子，但中子的數目不同。

同樣地，純粹的鐵原子具有 26 個質子和 26 個電子。但許多鐵原子已經失去了它們的電子。亞鐵離子失去了兩個電子，而三價鐵離子則失去了三個。這讓它們具有不同的電荷。同一元素的不同離子具有相同數目的質子，但電子數目則不同。因此，每一種元素組成的類型都不同。

拉著電子不放的氧，讓水分子也「黏」在一起

我們可能會想，在這些類別中，原子都很相似。但連這也不是完全正確，因為原子絕對不會獨立存在。

舉例來說，思考一下兩個氫原子和一個氧原子組成了水分子（H₂O）。分子內的原子都自由分享它們的電子，但也不能說完全自由。氧分子就是出了名的渴求電子。在水分子內，自由移動的電子時間大多花在氧原子上，而較少花在出了名軟弱的氫原子上。

水分子具有一個中性電荷，電荷中共有 18 個質子和 18 個電子，但它有三極：兩個正氫極和一個負氧極。一個水分子的正極會吸引其他水分子的負極，讓水分子稍微黏在一起。

水分子的黏性是造成冰會漂浮的重要特性，也會使液態水最後煮沸前保留許多熱度，並在蒸散作用時透過植物將水往上拉，還有其他許多事物，少了這些事物，生命就不可能存在。

這些「氫鍵」也將 DNA 的股鏈結合在一起，強韌到足以保存分子完整性，但又寬鬆到足以讓各股鏈分解再重新聚集。（DNA 是細胞內儲存遺傳訊息的分子。為了讓這些資訊可以供細胞使用或是傳給下一代，股鏈必須能夠彼此分離，顯示出其隱藏的訊息。）因此，一個原子的特性取決於哪個或哪些其他的原子與其結合。

壁虎不貼牆也能爬牆，也是原子搞的鬼？

一個原子或分子可以互相改變，甚至不必結合也可以做到。用個隱喻來說，一個分子的電子可以嚇跑其他鄰近分子的電子，造成電荷差異，讓分子可以互相吸引。

這種「凡得瓦力」（Van der Waals forces）也讓壁虎不用真的黏在牆上就可以爬上牆。2014 年，國防高等研究計畫局（Defense Advanced Research Projects Administration, DARPA）宣布要發展壁虎裝，使用這樣的力量讓軍人可以爬牆，就算不像壁虎一樣輕而易舉，也可以勝過其他軍人。在每個原子的離子或同位素類別中，有一整個可能特性的連續體，這取決於其他可能與其結合的原子，甚至是那些恰好接近它的原子。

向左旋，向右旋，性質大不同！

許多分子可以以一種以上的構造存在，例如就像彼此的鏡像一樣。（這種分子只有兩種可能的鏡像，這可能是宇宙中除了電荷外，少數二元對立的性質之一。）這會造成很大的差異。

「左旋」的胺基酸組成的蛋白質讓我們維持生命，「右旋」的蛋白質則常有毒。左旋和右旋的胺基酸混合起來造成不穩定的蛋白質。因此，自然淘汰已經排除任何結合左旋和右旋型態的蛋白質。地球上的生命恰好是以左旋胺基酸開始，右旋胺基酸只好扮演壞人的角色。在火星的生命非線性死亡之前，火星上如果有蛋白質，或許就是由右旋胺基酸組成。

溫度也來參一咖

變化越來越多了。想一下有一堆同樣種類的分子，電荷和左右旋都沒有差異。分子集合在一起會具有特定溫度。溫度來自於移動的能量，或分子的動能。但沒有任何兩個分子具有一模一樣的動能。每個分子都有自已獨特的能量狀態，有些移動得多，有些移動得少。你可以把溫度想成是分子的平均動能，但這不是嚴格數學定義下的平均。

水一煮沸，平均動能就足以造成分子在液體中不再彼此黏合，自由地以氣態移動飛散。但早在水煮沸之前，許多水分子就已有足夠的能量可以蒸發。連冰都有一些水分子，可以進入氣態，以美麗的科學術語來說，這種過程稱為昇華，但這種例子很罕見。所以甚至連一杯水裡的水分子也有多樣性，而且是連續的多樣性。分子並不是屬於動能的類別。

可能存在的分子種類數目理論上是無窮無盡。在真實世界中，這並非無窮無盡，但當然也超越人類心靈所能理解的範圍，至少我無法理解。1976 年，我在有機化學拿了 C，後來每況愈下。

所以這就是多樣性、多樣性、多樣性，且常是連續而非可分類——而且我們還只是在講分子而已。

——本文摘自泛科學 2020 年 5 月選書《像科學家一樣思考》，2020 年 4 月，商周出版。