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2016《自然》精選八大科學事件:除了重力波,還有什麼?

陳柏成 (Po Cheng Chen)
・2016/12/28 ・4013字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 574 ・九年級

編譯/Nihil

從今年美國的總統大選,到太空中所發生的災難性技術故障,對於科學研究者來說,2016 年似乎是個動盪的一年。然而與此同時,科學家們也宣佈了諸多令人矚目的科學成果,例如觀測重力波、DNA 來自三個人的嬰兒以及人工智慧打敗李世乭等。在這歲末時分,就讓我們與您分享,來自《自然》(Nature)期刊精選出 2016 年的八大科學新聞。

重力波,I got you!

相鄰黑洞的靠近引發重力波的漣漪。圖/Public Domain
相鄰黑洞的靠近引發重力波的漣漪。圖/Public Domain

在今年 2 月 11 日,研究者們宣稱,他們在太空中找到了重力波(gravitational wave)的證據,方式為透過雷射干涉重力波天文台(Laser Interferometer Gravitational Wave Observatory, LIGO)的探測器,在 2015 年 9 月偵測到來自 10 億年前,兩個黑洞碰撞所產生重力波的訊號。

這項觀測的重要性在於,它進一步證實了愛因斯坦在廣義相對論的預言,認為大質量的天體相互碰撞,或是超新星爆發等天文事件,都可能引發波的漣漪;同時這項觀測也再次為黑洞的存在提供證據。就在 LIGO 宣稱結果的數週後,歐洲太空總署的雷射干涉太空天線開路者號(LISA Pathfinder)任務,針對新的技術進行了相關測試。該技術將有機會比 LIGO 觀測到更大、且更遠的天體所產生的重力波信號。

新世界秩序的誕生!

川普在2016年當選美國總統。圖/By Gage Skidmore, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=51041412
川普在2016年當選美國總統。圖/By Gage Skidmore, CC BY-SA 3.0, wikimedia commons.

紛亂的 2016 年美國總統大選,就在唐納.川普(Donald Trump)於眾人跌破眼鏡的勝利中劃下句點。對於科學研究者來說,最關注的在於成為總統後的川普,在政策上將會如何對待科學。事實上,從川普的競選過程中可以發現,其並未凸顯出科學的重要性。另外川普的一些觀點是顯而易見的,例如他認為氣候變遷(climate change)本身是場由中國主導的騙局,並由此做出承諾美國將會退出巴黎氣候變遷協議;順帶一提的是,他還認為孤獨症和童年時期注射疫苗有所關聯。

當川普的政府開始成形之際,科學家們針對新總統對科學的漠不關心提出反對。在今年 11 月尾,包含 22 名諾貝爾得主在內的 2300 位科學家聯合提交給川普一封信,希望能「堅持科學的誠信與獨立性的高標準,以用來因應當前公共衛生及環境健康的威脅」。另外,如果各位還記得,今年 6 月 23 日英國宣佈脫離歐盟,這件事同時也震驚了當地的科學界。對於科學家來說,他們擔心這將會使他們失去每年來自歐盟的補助,以及和其他歐盟國家之間的交流。但略感欣慰的是,英國表示,政府仍將會持續提供科學家研究經費直到 2020 年。

大膽前進太空吧!

被陽光照射一部份的木星。圖/NASA/JPL-Caltech/SwRI/MSSS/Mai
被陽光照射一部份的木星。圖/NASA

在 2016 年,不時出現一些太空任務未盡理想的消息。今年 3 月,日本宇宙航空研究開發機構(Japan Aerospace Exploration Agency,JAXA)所研製的 X-ray 天文衛星「瞳」(Hitomi)在發射一週後失敗了。根據研究人員推論,失敗的理由在於軟體上的失誤,進而造成太空飛行器的旋轉超出控制。7 月的時候,美國國家太空總署(National Aeronautics and Space Administration, NASA)的探測器「Juno」抵達木星,然而由於主引擎的問題,造成火箭升空的延遲,使得運行的橢圓軌道更加接近星球。雖然這樣的結果使得比原定計劃還要緩慢,不過「Juno」仍持續收集木星的大氣及磁層的數據。另一方面,歐洲太空總署在今年 10 月時,作為 ExoMars 任務的其中一項環節──Schiaparelli著陸器出現問題,原因在於測量上的失誤,導致降落傘在不對的時間點開啟。

以上各種失敗雖讓人有些氣餒,但對太空學界而言,2016 年還是有一些令人振奮的成果。中國在今年 8 月時,發射了第一顆量子衛星(quantum satellite),目標在於進行太空中相關安全量子通訊的測試。而在 9 月時,中國也在貴州完成了世界最大的單口徑電波望遠鏡。到了 11 月,中國發射了長征五號,並且在 10 月及 11 月期間送了兩名太空人在天宮二號太空實驗室生活了一個月,這些都創下了過去的紀錄。

CRISPR的爭議

基因編輯技術在 2016 年獲得唐獎,也有更多的研究者開始針對人類胚胎使用CRISPR-Cas9技術。圖/NIH Image Gallery@flickr
基因編輯技術在 2016 年獲得唐獎,也有更多的研究者開始針對人類胚胎使用 CRISPR-Cas9技術。圖/NIH Image Gallery@flickr

CRISPR-Cas9 是一個至今仍持續發展的新基因編輯工具。在今年 10 月 28 日,一名在中國成都華西醫院的肺癌患者,成為了史上第一位進行CRISPR-Cas9技術的人。在臨床試驗中,研究者會試圖讓一些原控制免疫系統的細胞失去作用,並讓已編輯的基因增加免疫效果,用以對抗癌症。然而關於這種技術的商業前景仍有不確定性。美國專利與商標局宣稱將「干預」兩個研究團隊的訴訟時,關於基因編輯技術的專利權爭論可說達到了最高峰。

另一方面自今年起,有更多的研究者開始針對人類胚胎使用 CRISPR-Cas9 技術。當然,這樣的方式引起不少關於該研究領域的爭議,理由在於設計嬰兒的可能性。話雖如此,目前仍有國家允許這樣的研究,其中包含了中國、英國以及瑞典。他們認為透過這樣的技術,將可幫助人類未來的發展。

氣候危機的到來

綠色的艾菲爾鐵塔,象徵巴黎協議的通過。圖/usa.gov@flickr
綠色的艾菲爾鐵塔,象徵巴黎協議的通過。圖/usa.gov@flickr

來自 174 個國家及歐盟的代表們,在 4 月 22 日地球日這天共同簽署了巴黎氣候協定。不過事實上若要讓協定生效,需要超過 55 個國家、並且其加總的溫室氣體排放量要超過全球 55% 才能成功。而最大的進步莫過於在今年 9 月,佔據全球共 38% 溫室氣體的兩個國家—美國和中國,正式加入巴黎協定。在一週後,巴西及其他 30 多個國家也陸續加入,最後由歐盟在 10 月 5 日正式底定這場協議,並在 11 月 4 日生效。

不過,以上這些並非是唯一為氣候變遷所做的努力。在今年 10 月 6 日,聯合國的國際民用航空組織(International Civil Aviation Organization)決定將針對國際航班減少碳排放量。而在 10 月 15 日,共有 197 個國家同意修改蒙特婁議定書(Montreal Protocol),藉由逐步淘汰氫氟碳化物等溫室氣體來達到保護臭氧層的目標。在 10 月 28 日,相關國家也打破長達 4 年的僵局,在南極洲旁的 Ross 海成立了世界最大的海洋保護區。

茲卡病毒的肆虐

巴西因茲卡病毒爆發而導致的相關先天缺陷例如小頭症案例,已成為全球公共衛生的重大議題。圖/Centers for Disease Control and Prevention - http://www.cdc.gov/ncbddd/birthdefects/images/microcephaly-comparison-500px.jpg, Public Domain, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=46674502
巴西因茲卡病毒爆發而導致的相關先天缺陷例如小頭症案例,已成為全球公共衛生的重大議題。圖/Centers for Disease Control and Prevention, Public Domain, wikimedia commons.

今年 2 月,世界衛生組織(World Health Organization, WHO)聲明,巴西那些因茲卡病毒爆發而導致的相關先天缺陷案例,已成為全球公共衛生的重大議題。這些先天缺陷包含小頭症(microcephaly),意為新生兒擁有比一般正常嬰兒更小尺寸的頭腦。然而縱使茲卡病毒在美洲肆虐,事實上並沒有造成想像中大規模的小頭症及其他茲卡所導致的先天缺陷案例。即使在巴西,高比例的小頭症患者也只存在於東北部,因此研究人員開始猜想,這種疾病的背後,可能同時存在多種因素的影響

到了 11 月 18 日,世界衛生組織宣佈茲卡病毒與先天缺陷之間的相關案例不再是公共衛生的重大事件,但會持續研究茲卡病毒傳染造成的影響,並發展疫苗。許多國際研究單位也將繼續為相關問題提出解答,例如受感染的孕婦,會有多少比例生出具有先天缺陷的嬰兒。

鬥智遊戲的頂尖對決!

圖/Prachatai@flickr
圖/Prachatai@flickr

今年 3 月,來自 Google 旗下公司「DeepMind」所研發的人工智慧 AlphaGo,在圍棋比賽上擊敗了世界知名棋手李世石。而在 10 月時,研究者揭示了另一項人工智慧產品,它能在不需預先擁有相關知識的條件下,了解倫敦地鐵複雜的路線分佈。這些複雜的程序結合記憶與從經驗學習的能力,將人工智慧又更進一步的朝人類邁進。

除了讓人工智慧做以上這些事外,透過大量的深度學習(deep learning),它同時也能降低 60% 由機器進行語言翻譯所造成的失誤,並幫助物理學家尋找新的材料

來自三人的DNA

藉由替換缺陷的DNA,避免母親的下一代遺傳到相關疾病。圖/ZEISS Microscopy@flickr
藉由替換缺陷的DNA,避免母親的下一代遺傳到相關疾病。圖/ZEISS Microscopy@flickr

經過十多年的研究,透過輔助生殖技術(Assisted-Reproductive Technology),進而達到結合三個人的 DNA 研究已取得突破。這些研究的目的之一,在於避免孩子從上一代的粒線體中遺傳到疾病。今年 9 月,研究人員在墨西哥診所宣佈第一個利用此技術的嬰兒誕生了

另外,就在今年 12 月 15 日,根據科學家們建議,英國的人類生殖及胚胎學管理局(Human Fertilisation and Embryology Authority)允許了該項技術在臨床上的使用,並將在 2017 年開始上路。

以上,為本年度《自然》(Nature)期刊精選的八大科學新聞,其中醫學相關領域就佔了三項,包含茲卡病毒、基因編輯以輔助生殖技術,可謂豐收的一年;另外,雖然本次人工智慧領域只佔一項,但筆者相信,假以時日,一旦 AI 領域有更大突破,當「科學研究」本身都能藉更臻於完美的人工智慧之手操刀時,在往後的年度科學新聞中,它將會是顆耀眼的巨星。

原始來源:


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文章難易度
陳柏成 (Po Cheng Chen)
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熱愛自然科學,曾擔任PanSci實習編輯,現於美國夏威夷大學就讀博士班。如有任何問題,歡迎來信:consciencecpc@gmail.com


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控制進食時間與熱量,小鼠可以更長命?

台灣科技媒體中心_96
・2022/05/22 ・2156字 ・閱讀時間約 4 分鐘

目前越來越多動物實驗的研究結果顯示,「特定時段禁食」在延緩老化或延長壽命上的效果,不比「限制總熱量攝取」差,甚至效果更好。

圖/envato elements

控制吃飯時間,可以延長壽命?

美國德克薩斯大學西南醫學中心的小彼得.奧唐納腦研究所 (Peter O’donnell Jr. Brain Institute) 研究團隊,今(2022)年 5 月 5 日在國際期刊《科學》(Science)公開研究論文,使用小鼠為實驗對象,研究進食熱量與進食時間,與小鼠壽命之間的關係。

團隊先讓小鼠自由的取食飼料 6 週後,再分成 5 個不同組別,分別是:

  1. 只能在日間每隔 90 分鐘進食、
  2. 只能在晚間每隔 90 分鐘進食、
  3. 只能在日間開始兩小時內進食、
  4. 只能在晚間開始兩小時內進食、
  5. 全天內每隔 160 分鐘允許進食。

這 5 組小鼠被限制攝取的熱量相同,實驗過後,再和完全自由取食且沒有限制熱量攝取的小鼠比較。

研究結果顯示,與完全自由進食的小鼠相比,有限制進食時間的小鼠平均壽命較長,其中第 2.4 組(只能在晚間每隔 90 分鐘進食,以及只能在晚間開始兩小時內進食)延長壽命的效果最好,平均可延長 35% 壽命;而只能在日間進食的兩組小鼠,平均可延長20%壽命。

與完全自由進食的小鼠相比,有限制進食時間的小鼠平均壽命較長。示意圖/envato elements

研究也觀察到其它有趣結論:

  • 隨著年齡增長,五組小鼠的體重,都比自由進食的小鼠更輕,且在非主要活動的時間(白天)進食的小鼠,白天的活動變多了。
  • 在完全自由取食的小鼠肝臟中,原本與老化相關的基因表現隨年齡增長而改變,有些基因表現降低,有些增加,且基因表現的晝夜節律性也隨老化而降低。但在只能晚間進食的兩組小鼠身上,這些因老化而造成的改變較少。

作者根據研究結果指出,僅僅限制熱量攝取而不在特定時間禁食,可以延長小鼠的壽命,禁食可以對延長壽命效果有加分的作用,而不是主要造成效果的原因。

研究凸顯了「晝夜節律」的重要性

國立陽明交通大學生化暨分子生物研究所教授 許翺麟 表示,目前越來越多,動物實驗的研究結果顯示,「特定時段禁食」在延緩老化或延長壽命上的效果,不比「限制總熱量攝取」差,甚至效果更好。

特定時段禁食,有可能比限制總熱量更能延緩老化。圖/envato elements

過去研究飲食中,熱量限制對老化與壽命的影響時,常常無法分辨原因到底是因為「總卡路里攝取較少」還是「固定且有規律的長時間禁食」。最近幾年,科學家開始針對此一問題進行更深入的研究。

去年一項使用小鼠的研究顯示,限制飲食的熱量可延緩老化的效果,可能大部分來自於長時間且有規律的禁食[1]。此外,另一項在果蠅的研究中也指出,不但是要有規律的禁食,何時禁食也同樣重要。最有效延緩老化的方式,要與動物本身的生理時鐘配合,在本來就比較少進食的時候進行禁食[2]

  • 編註:小鼠是夜行性動物,上述文字中的「日間」指的是白天光線照射,對小鼠而言是休息和睡眠的時段,「晚間」沒有光照,才是小鼠活動和主要進食的時段。

這次的研究中更進一步證實,單純只是限制總熱量攝取,只能提供很少的延長壽命效果,反而熱量限制並配合生理時鐘進行間歇性禁食的效果最好。小鼠是夜行性動物,日間禁食對延長壽命的效果,遠比夜間禁食的效果更加顯著,至於每日禁食 12 小時或 22 小時則差異不大。此外本研究也顯示,調控生理時鐘的基因在調控老化上的重要性。

配合生理時鐘進食很重要。圖/envato elements

人類比照辦理也會有用嗎?

許翺麟教授 說明,本研究最大的限制來自於其僅用單一品系、單一性別的小鼠來進行研究。從過去其他研究已知,飲食限制對不同品系與不同性別的動物,效果不盡相同。因此本研究雖然頗具參考價值,但是能否推論到其他品系的小鼠,甚至其他物種與人類,仍有待未來更多研究來支持。

雖說人類遠比實驗動物複雜,會影響老化的因素也不僅止於飲食,然而維持平衡且有規律的飲食習慣,加上適當的限制進食時間,也許是一種相對可行,且有效促進健康老化的方式。也期待未來更多相關研究,能協助我們進一步釐清這些結果在人類中是否相同。

參考文獻


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