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全新發現的形狀「scutoid」,竟然就藏在你我身上?

Peggy Sha
・2018/08/24 ・2254字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 483 ・五年級

文章正式開始前,讓我們花個 30 秒來回憶一下你這輩子學到過的所有形狀:圓形、正方形、長方形、三角形、菱形、梯形、正五邊形、正六邊形……也別忘了立體的形狀:正四面體、圓錐體、球體……

你能想到多少形狀呢?圖/By Cris DiNoto @Unsplash

在這段時間中,你可以想出多少形狀呢?我們的生活中隨處可見不同的形狀,對我們而言,所謂「形狀」實在是非常稀鬆平常的概念。但是,就在不久之前,居然有個全新的形狀被發現命名了!

今年 7 月,一份發表在《自然通訊期刊》(Nature Communications)的研究提出了一個過去未曾被討論過的新形狀,並將它取名為「scutoid」。

你一定很好奇,究竟這個全新的形狀長得什麼模樣,咱們二話不說先上張圖:

這就是新發現的形狀「scutoid」。圖/研究圖片

我們可以從上圖看出來,它的一個底面是五邊形、另一個底面是六邊形,而為了將兩個底面接起來,它有一突出的三角形切面。有趣的是,只要將這種特別的形狀上下翻轉,它們就能完美地嵌合在一起,是非常適合開發成積木的形狀呢!

將兩個「scutoid」拼在一起,它們會非常緊密地貼合。圖/研究圖片

熟悉又陌生的神祕新形狀

這麼詭異的形狀到底會在哪裡出現啊?難不成我們發現了什麼火星異形嗎?

才不是呢,這個有趣的形狀其實就藏在你我身上(沒錯,它真的到處都是 XD),只是直到現在才被確定而已。

這種形狀其實出現在我們的上皮組織中。如果你翻開以前的教科書,上面可能會告訴你,上皮組織會覆蓋所有身體的表面、體腔及管道,而上皮細胞是棱柱 (prism) 狀的,但是,來自西班牙賽維利亞大學的研究團隊在運用電腦模擬時,發現到上皮細胞的形狀可能遠比我們以為的更加複雜。

不同類型的上皮組織。圖/By BruceBlaus, CC BY 3.0 @wikimedia  commons

根據電腦的模擬,這種方式能讓細胞緊密而有效率地結合在一起。而為了驗證模擬的結果,科學家研究了果蠅的唾腺和胚胎,發現到細胞組織還真的長這樣。

恭喜老爺賀喜夫人,我們終於發現新形狀了,接下來就得幫它取個名字對吧,這可不是件容易事呢!經過討論,科學家最終決定以金龜子背上的小盾片 (scutellum) 當作參考,為它取名。

仔細瞧瞧下面這隻白點花金龜屬 (Protaetia) 的甲蟲 ,白線標出的部分是不是跟這個新形狀有些相似呢?

這是白點花金龜屬的甲蟲「Protaetia speciose」。圖/研究圖片

等等!形狀也會有「新」的?

不過,大自然無奇不有,存在的形狀自然也有成千上萬種,如果我們停下來想一下,你或許就會感到疑惑:這世界照理來說應當有無限種形狀,這個研究憑什麼說自己發現了「新」形狀呢?

聖母大學 (University of Notre Dame) 的數學教授 Matthew Gursky 認為,雖然這種形狀早已存在,但這些學者仍會稱它為「新」,是因為在過去從來沒有用數學的方式去描述和研究它。另一方面,對一個領域來說是新的東西,可能在另一個領域中早已人盡皆知。「舉例來說,拿來描述肥皂泡形狀的公式也能拿來描述黑洞的形狀。」Gursky 說。

對此,身為研究作者之一的 Javier Buceta 表示,「形狀的確無限多種」但這些形狀中,有些的確有實際的用途。以此研究而言,發現這個形狀解決了細胞排列的核心問題。

舉例來說,雖然「圓的周長除以直徑的『那個比值』約是 3.14159……」這個概念原本就存在,但當我們需要討論它、研究它的時候,為它取個名字(也就是「圓周率」或是 π)、給個定義就顯得非常重要了。

當我們要研究 π 的時候,總不能叫它 3.1415926……吧 XD 圖/maxpixel

既然如此,那我們大費周章為這種新形狀取名字,表示它肯定挺厲害的囉?

沒錯!研究者認為,藉由運用這樣的形狀,細胞可以減少消耗的能量,並使得整個組織的排列更加穩定。他們相信,藉由相關研究,能對未來的人工組織研發提供很大的助力。

參考資料:

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你是國中生或家有國中生或正在教國中生?
科學生跟著課程進度每週更新科學文章並搭配測驗。來科學生陪你一起唸科學!

文章難易度
Peggy Sha
60 篇文章 ・ 378 位粉絲
曾經是泛科的 S 編,來自可愛的教育系,是一位正努力成為科青的女子,永遠都想要知道更多新的事情,好奇心怎樣都不嫌多。


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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科技魅癮_96
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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》