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科学
人类诞生于一个巨大的“宇宙酒缸”之中!

本文由AI自动翻译。与韩语原文相比可能存在误差。  Read original in Korean →

[비즈한국] 炎炎夏日度假时,绝对少不了的一样东西就是酒。我们通常称酒为酒精。但从科学的角度来看,酒精不仅仅包含酒。我们喝的酒中所含的乙醇只是众多酒精中的一种。有一个著名的理科笑话是这样说的:乙醇的分子结构画出来像一只可爱的小狗。这不正是因为喝了酒之后会变得像“狗”一样(指醉酒后的言行)吗?

酒精是指碳原子上连接有–OH,即羟基的分子。简单来说,所有添加了氧的碳氢化合物统称为酒精。汽车防冻液中的甲醇也是酒精。希望大家不要将其与含有乙醇的酒搞混,毕竟甲醇是非常危险的。

那么,人类是从什么时候开始喝酒的呢?考古证据表明,人类早在公元前一万年就已经离不开酒了。甚至还有考古学家认为农业起源的原因就是酒。这并不是说人类在从事农业生产后才学会了酿酒,而是说为了能更经常喝到酒,人们才开始从事农业。但也有说法称,在人类出现之前,酒就已经存在了。这就是常说的“猿酒”,据说猴子们是因为捡到了掉在地上或石头缝里自然发酵的水果,从而先尝到了酒的味道。

然而,令人惊讶的是,酒的真正起源另有所在。在人类甚至猴子出现之前,宇宙中就已经存在酒精了。装点银河系的数百个分子云中,大部分都蕴含着酒气。甚至在我们银河系中心漂浮的分子云中也存在酒精。也许我们的银河系早在数十亿年前就已经是一个被浸泡在酒精里的世界了。

宇宙空间看起来空荡荡的,十分空旷。此外,到处都有散发着巨量X射线、伽马射线和紫外线的天体在闪耀。强能量的光会撕裂大分子。因此,人们一直认为宇宙空间是像酒精这样复杂的分子难以生存的严酷环境。但与我们的想法相反,复杂的分子在宇宙空间中依然顽强地生存着。到目前为止,在漂浮于宇宙空间的星云中发现的化学分子已多达270种!

特别是孕育新恒星的场所,是产生各种有机化合物和高分子的主要现场之一。恒星诞生的分子云温度相对较低,密度较高。灰尘以高密度聚集在这里,灰尘起到了增大分子体积的凝结核作用。云中散布着氢、氮、氧等轻气体原子。这些原子原本运动速度极快,但有时会附着在固体尘埃颗粒上。这样一来,原子的速度减慢,不同的原子开始在尘埃颗粒上相遇并结合。这些灰尘小到肉眼看不见,但它们却成为了宇宙炼金术的舞台,在其上诞生了新的化学分子。

罗塞塔任务曾经访问过的67P彗星。图片=ESA/Rosetta/NAVCAM
罗塞塔任务曾经访问过的67P彗星。图片=ESA/Rosetta/NAVCAM

自从射电天线开始指向宇宙以来,近50年的漫长岁月里,天文学家们一直在追踪一种最重要的成分,那就是氨基酸。氨基酸是地球生命最重要的构建模块。氨基酸是揭示复杂的有机生命如何诞生,以及地球之外是否存在其他生命可能性的重要线索。

氨基酸的存在已经在地球之外的彗星上得到了证实。曾探测过67P彗星的罗塞塔任务在其表面的冰层中发现了甘氨酸,这是构成地球生命最简单的氨基酸之一。由此,一种新的可能性打开了:地球生命的材料并不一定非要在地球上组合而成。也许是本来就存在于地球之外的材料偶然飞向了地球,成为了地球生命的种子。

蕴含酒精成分的银河系中心星云。图片=ESO/APEX & MSX/IPAC/NASA
蕴含酒精成分的银河系中心星云。图片=ESO/APEX & MSX/IPAC/NASA

现在,天文学家的目光已越过太阳系,投向了银河系。那么,在那无数的分子云中,是否还有其他地方蕴含着氨基酸呢?45亿年前发生在地球上的生命诞生史,是否正在其他地方重演?

遗憾的是,在太阳系外的星云和分子云中,尚未找到明确的证据。但通过反复探测,天文学家检测出了一种意外的成分,那就是酒精。典型的例子是位于天鹰座方向1万光年远的气体云G34.3。在这个体积达到太阳系1000倍的巨大气体云中,聚集着总计400万亿升的酒精。如果地球上的人要把这些酒精全部喝光,那么10亿年来,每个人每天都得喝掉17万升酒精。这简直是酒鬼们的最佳去处。不过,我不建议去喝,因为那里的酒精大部分不是乙醇,而是甲醇。

在一个意想不到的地方发现了蕴含大量酒精的惊人场所,那就是我们银河系的中心。20世纪70年代,天文学家开始了一场在漂浮于银河系中心、名为人马座B2的气体云中寻找氨基酸踪迹的旅程。遗憾的是,没有检测到期待中的氨基酸,却检测出了大量的酒精。这里存在乙醇、甲醇等多种成分。2009年,这里还检测出了少量的甲酸乙酯。有趣的是,这种成分正是制造覆盆子等水果香气的化学成分。如果能在银河系中心伸出舌头抿上一口,说不定会尝到带有覆盆子风味的朗姆酒味。

这是一个惊人的发现。银河系中心居住着高密度的重恒星。它们寿命短暂,频繁地随着超新星爆炸而消失。同时,新的恒星也不断地爆发式诞生。它们向银河系中心喷涌出大量的伽马射线等高能光线。实际上,如果我们用伽马射线太空望远镜观测银河系,会发现唯独在中心向上下方向散发出圆形的伽马射线气泡,推测这是因为银河系中心正在爆发式地诞生年轻恒星。此外,银河系中心还居住着一个质量为太阳400万倍的黑洞(虽然目前活动平息),这也使得银河系中心成为了高能环境。

正如前面所解释的,大型高分子对高能光线很脆弱,很容易被分解成更小的分子。然而,在银河系中心这种极端的环境中能大量检测出如此多样的有机化合物和复杂分子,可以认为是因为它们在宇宙中确实非常普遍。与以往的想法不同,制造生命所需的材料或许并不是什么珍贵的稀缺品,而是在宇宙任何地方都能轻易获得的常见材料。

甲酸乙酯对于寻找氨基酸的天文学家来说,是一个非常令人心动的发现。因为只需在这里将一个碳原子换成氮原子,就成了氨基酸之一的甘氨酸。虽然没有直接发现氨基酸本身,但存在像甲酸乙酯这样复杂的分子,意味着甘氨酸也很有可能存在。

更近一点,在人马座B2中又发现了另一种化合物,这甚至是一种许多人都亲自用手接触过的化合物,那就是异丙醇。这种成分常用于洗手液或杀菌剂。

得益于巨大的射电望远镜ALMA,现在天文学家即使只靠一台单盘天线,也能以更宽的视野观测人马座B2。在人马座B2云中新发现的成分包括:首先是异丙基氰,这是一种在坠落到地球的陨石中偶尔也能发现的成分,它是碳原子没有简单地连成直线,而是以环状连接的代表性分子。此外,还发现了尿素、N-甲基甲酰胺等成分。

最近检测出的丙醇是分子量超过60g/mol、体积相当大的酒精分子之一。这种成分存在构成原子相同但结构不同的异构体,天文学家确认这两种异构体共同存在。特别是光学异构体,就像在镜子中反射的分子一样。就像左手和右手的关系,分子量相同,化学性质也没有太大差异,只是分子的排列结构不同。因此,要区分这两者,需要非常灵敏的频率分辨率。多亏了ALMA巨大的“眼睛”和灵敏的光谱设备,才实现了这一惊人的观测。

异构体分子实际上由完全相同的原子组成,因此理所当然地认为两者会在相同的环境和条件下由偶然因素共同产生。在人马座B2气体云中同时检测出两种丙醇异构体是非常自然的事情。然而,代入地球生命的话,问题反而变得混乱了。因为我们的地球生命不知为何只消化其中一种异构体。典型的例子是属于糖类、葡萄糖的葡糖糖。

葡萄糖也有两种如镜中映象般的光学异构体。其中D-葡萄糖存在于自然界中,我们能食用和消化的糖就是这种成分。相反,形状反转的L-葡萄糖并不存在于自然界中,只能在实验室制造,我们吃了也完全无法将其用作营养。氨基酸以双螺旋结构编织而成的DNA也是如此。如果宇宙中两种异构体可以自然共存,为什么我们地球生命却成了只能消化其中一种的存在呢?这种偏向性是成为生命必不可少的性质吗?即使从分子层面来看,地球和生命也充满了无法理解的魅力。

知道了宇宙星云是蕴含如此多样且丰富酒精的“酒精云”这一事实后,宇宙看起来会完全不同。流经夜空的银河就像是看一条酒杯排成行流过的巨大“流觞曲水”。也许我们的银河系就是一个喷涌出浓郁酒精香气、在漩涡状中快速搅拌的巨大酒缸?那么,我们可能就是那酒在发酵过程中,不经意间在角落里产生并留下的酒渣、酒糟一般的存在。出生在一个巨大的酒缸里,我们爱上酒精或许正是宇宙的宿命。

作者Ji Ung-bae是谁?热爱猫咪和宇宙。童年时在看了《银河铁道999》后,立志要传达宇宙的美丽。目前在延世大学银河演化研究中心及近宇宙论实验室研究通过银河相互作用带来的演化,并进行演讲和写作等多种科学传播活动。著有《暧昧天文台》、《整天思考宇宙》、《星,光的科学》等书。

本文由AI自动翻译。与韩语原文相比可能存在误差。
지웅배 천문학자

고양이와 우주를 사랑한다. 어린 시절 ‘은하철도 999’를 보고 우주의 아름다움을 알리겠다는 꿈을 갖게 되었다. 현재 세종대학교 자유전공학부 조교수로 강연과 집필 등 다양한 과학 커뮤니케이션 활동을 함께 하고 있다. ‘천문학자의 쓸모없음에 관하여’, ‘우리는 모두 천문학자로 태어난다’, ‘우주를 보면 떠오르는 이상한 질문들’ 등의 책을 썼으며, ‘나는 어쩌다 명왕성을 죽였나’, ‘퀀텀 라이프’, ‘UFO’ 등을 번역했다.

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