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地球磁場倒轉到底多快?洞穴石筍古地磁紀錄大解密

PanSci_96
・2018/08/22 ・2875字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 579 ・九年級
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  • 首圖說明:(A)利用華南石筍重建介於九萬八千到九萬六千年前的一個歷時兩千兩百年典型周氏震盪週期。地磁極從正向(現今地磁的南北方向)僅需 86-202 年之間,就快速倒轉到反向,隨後馬上反彈到中緯度區域;再歷經兩千年,才慢慢轉回高緯度的原正向位置。(B)計算出來的九萬八千年的地磁極快速倒轉飄移路徑,大約自現在磁北極的位置,向南漂移百年後,倒轉到接近南極的地點。

首次揭露地磁的「周氏震盪」以及百年倒轉事件

地球磁場阻擋著太陽風對地球的吹襲,保護地球上的生靈與萬物。根據科學研究發現,在過去一百五十年地磁場已經減少了百分之十到十五,若再持續削落,未來將有發生地磁倒轉的可能,造成磁爆,太陽風直接侵襲地球,將會對衛星通訊及自然生態,造成無法估計的損害。但地球磁場倒轉究竟會有多快?過程又是如何變化?從兩千年前人類發現地球具有磁性以來,直至今日這些問題依舊成謎。

地球磁場像一面隱形盾牌,阻擋太陽風對地球的直接侵襲。 圖/台灣大學提供

本論文的通訊作者,臺灣大學地質系沈川洲特聘教授,領導團隊測量華南地區洞穴石筍的超微量地磁訊號,並結合全球領先的精準鈾釷定年關鍵技術,成功重建解析度精準至僅幾十年,發生在十萬年前,歷時一萬六千年的珍貴地磁紀錄。

研究中最驚人的發現是,在九萬八千年前,地磁極最快可以在一百年內發生一次倒轉。

團隊同時發現,在地球磁場非常微弱的十萬年前,地磁極呈數百年到幾千年不等的特殊重現性不對稱南北飄移,稱之為周氏震盪。本研究首次揭露的周氏震盪以及百年倒轉事件,完全顛覆了過去對地球磁場的認知,是獨步全球的研究成果。這個重大發現,已在 8 月 20 日於國際頂尖期刊「美國國家科學院院刊」 《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》發表。

地球磁場的重要角色:保護地球生物及電子通訊

地球磁場已存在幾十億年,可將太陽風與帶電宇宙射線粒子偏轉遠離地球,像一面隱形盾牌保護大氣層免於在高速帶電粒子撞擊下而消失,同時也阻隔生物受到有害的宇宙射線影響,是維持地球生物蓬勃發展的關鍵因素。

假如將來發生了地球磁極快速倒轉的現象,磁北極先從北半球高緯度地區飄向低緯度,然後再飄往南半球高緯度地區;過程中,當磁極處於低緯度時,從太陽輻射出的高速帶電粒子流,將直接侵襲地球,破壞衛星、航空、通訊與電力系統,可能導致網路癱瘓,全球股市與金融的失序,對於現代文明,將是一大衝擊。至於候鳥、鮭魚等許多具有感應磁場能力的生物,可能會辨識錯亂,進而改變局部生態;大氣結構與水文氣候也將可能會有所改變。

突破的關鍵:帶磁的石筍與精確定年技術

研究人員進行洞穴探勘。 圖/台灣大學提供

1920 年代,科學家第一次在岩石中發現地磁倒轉事件。經過百年研究以來,大家已經都知道在過去地球歷史中,地球磁場會飄移,也會倒轉;但飄移的細微過程,以及地磁極倒轉的速度到底有多快,一直是科學界最艱鉅、難以回答的問題之一。其根本原因在於研究材料本身的限制與高解析定年的困難。

沈教授指出,火成岩、沉積岩與湖泊/海洋沉積物,是過去兩個世紀以來一直被廣泛利用來了解地磁紀錄與反轉事件時間的研究對象。火成岩具有強磁性且可以準確定年,但很難有連續紀錄。沉積岩與湖泊/海洋沉積物中含有的磁性礦物可以告訴我們連續的古地磁紀錄,但是高解析的定年則較為困難,而且沉積物總是容易被攪動混合,很難取得細緻的古地磁變化紀錄。

洞穴石筍可以被精確定年,生長時磁性礦物嵌埋在石筍中不被擾動,是提供連續原始古地磁紀錄的理想材料。雖然石筍在 1979 年第一次被用於古地磁研究,但由於石筍的成份幾乎全是碳酸鹽類,即使有磁性礦物存在,其含量還是非常少,古地磁訊號微弱,大概僅有相同體積火成岩中百萬分之一的強度,所以極難被測量。縱使重建了古地磁紀錄,解析度都很粗糙;於是往後的三十年,石筍很少再被應用於古地磁研究。

為了尋找含有足夠磁性礦物的洞穴石筍,研究團隊踏遍世界五大洲,終於在中國貴州找到。 圖/台灣大學提供

近年來,由於定年技術的躍進以及磁學儀器測量靈敏度的不斷提升,在 2012 年後,石筍又再次被應用於古地磁研究。縱使如此,但仍碰上關鍵瓶頸──含有足夠磁性礦物的石筍非常稀少,合適的研究材料猶如大海撈針,難以尋得。

沈教授表示,能夠完成不可能的任務,獲得突破性的成果,實屬不易。他自 2001 年返國服務,就有這個科學目標;在過去十幾年間,他帶領兩岸科學家,遍尋各大洲,以及中國大陸叢山峻嶺。團隊從找到具有磁性的石筍到成果發表,總共花了八年時間。

與沈教授長期合作的福建師範大學姜修洋教授,自 2010 年開始對華南貴州進行系統性調查,次年 11 月第三次探勘三星洞時,終於採到了含有磁鐵礦、長一公尺、直徑約八公分的石筍標本。

沈川洲教授與第一作者周祐民教授在野外合影。 圖/台灣大學提供

第一作者南方科技大學海洋科學與工程系周祐民助理教授,2012 臺大博士班畢業,自 2014 年起以博士後研究員身分,加入沈教授的研究室,使用臺大地質系領先世界的鈾釷定年技術,還有北京中科院的低溫超導測磁儀,進行實驗。本研究還與新竹國家同步輻射研究中心合作,利用高解析電子顯微鏡,鑑定石筍中磁性礦物。所有分析工作,前前後後共花了四年時間;最後取得 180 個古地磁資料以及 70 個定年點,成功重建了發生在十萬年前,具有史無前例的數十年精緻解析度,前後共一萬六千年的珍貴地磁紀錄。

獨步全球的研究成果:周氐震盪與百年地磁倒轉

研究發現,在十萬年前地球磁場很弱而且非常不穩定,石筍資料顯示出不斷重複發生、相似性極高的不對稱性地磁極南北飄移模式與週期。這種特殊的周氏震盪模式,地磁極首先從正向(現今地磁的南北方向)經一百到幾百年,就快速倒轉到反向,隨後馬上反彈,但並非轉回完全正向,而是先轉回到中低緯度區域,然後再歷經數百年到數千年才慢慢轉回高緯度的原正向位置。這種周氏震盪現象,其發生機制目前尚不清楚,但團隊相信應該與地球內部動力產生地球磁場的驅動作用有關。

研究中更驚人的發現是在九萬八千年前,地磁極僅需 86-202 年,即可以從正向(現今地球磁場的南北方向),快速地完全倒轉到反向。過去科學界普遍認為,磁極完全倒轉應該至少需要一千年;但此革新的研究告訴我們,磁極可能在百年內倒轉,遠比過去所估計的速度還快上 10 倍。

全文請參閱 8 月 20 日「美國國家科學院院刊」 《Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America》: August 2018, 201720404; DOI: 10.1073/pnas.1720404115. Multidecadally resolved polarity oscillations during a geomagnetic excursion

資助單位與研究團隊:

這項重大科學成果是由科技部卓越領航計畫、教育部深耕計畫、臺大前瞻領航計畫、與永續地球尖端科學研究中心共同資助,臺灣大學地質科學系沈川洲特聘教授領導完成,主要合作單位包含南方科技大學、國家同步輻射中心、福州師範大學、健行科技大學、中科院地質所與澳洲國立大學等等。

  • 本文編修自台灣大學新聞稿,原標題為〈地球磁場倒轉到底有多快?洞穴石筍古地磁紀錄大解密──臺灣大學研究團隊成果榮登《PNAS 美國國家科學院院刊》〉
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「癌症預防」更進一步:台灣光子源解出「肝癌衍生生長因子」誘發癌症機制
PanSci_96
・2018/03/08 ・1368字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 626 ・十年級
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國家同步輻射研究中心陳俊榮教授、陳俐穎博士生研究助理,以及國立中山大學生物醫學研究所戴明泓教授等人,耗時近五年首度解析出「肝癌衍生生長因子」(Hepatoma-Derived Growth Factor,HDGF)結合基因的三維結構,成為全球第一個從結構生物學角度,發現肝癌衍生生長因子誘發癌症機制的研究團隊。研究成果於 1 月 10 日登上國際期刊《科學報導》(Scientific Reports)。

從結構生物學角度解出肝癌衍生生長因子誘發癌症的機制

肝癌衍生生長因子是一種不好的蛋白質,起初是在人類肝癌細胞中被發現,它能與基因結合並啟動基因調控的功能,讓正常細胞轉變成癌細胞。研究顯示它與十大癌症的誘發有密切關聯,包含了非小細胞肺癌、肝癌、乳癌、口腔癌、前列腺癌、胃癌、胰臟癌、食道癌以及卵巢癌等。

陳俊榮教授說,過去無法直接觀察到肝癌衍生生長因子的「基因結合反應區」,所以不瞭解癌症誘發的機制。這個研究利用台灣光子源(Taiwan Photon Source,TPS)首度解出人類肝癌衍生生長因子的基因結合反應區,解析度達 0.28 奈米,相當於頭髮直徑的三十萬分之一,並發現此區會與基因結合且交換訊息,進而刺激細胞增生。根據這些訊息,未來將可望研發專一性藥物,從源頭阻止基因調控以直接抑制癌細胞生成。

台灣光子源讓過去看不見的東西被看見

台灣光子源。 圖/國家同步輻射研究中心

台灣光子源的亮度,是台灣光源(Taiwan Light Source,TLS)的一萬倍以上。這個研究初期使用台灣光源進行實驗,每個樣品至少耗費 1.5 小時才能取得數據,但由於樣品被 X光長時間照射後破壞,所得到的數據卻無法正確解出肝癌衍生生長因子的基因結合反應區結構,直到使用台灣光子源才迎刃而解,而台灣光子源只需 12 秒就能取得一個樣品的數據。

陳俊榮教授說,台灣光子源的超高亮度 X光,是解析結構的重要關鍵。因為樣品曝光時間大幅縮短 450 倍,所以樣品在遭受 X光破壞之前,就已經取得完整的數據。台灣光子源的優質光源,可運用在極為複雜的蛋白質結構解析,為生命科學研究開啟新契機。

陳俐穎表示,此研究最困難的關鍵技術之一,在於利用「蛋白質結晶學技術」培育高品質的蛋白質晶體,由於肝癌衍生生長因子的結構相當不穩定,所以培養晶體的難度極高,五年間培育並篩選了近千個晶體,再加上台灣光子源的加持,才有了重要突破。

從癌症治療進擊到癌症預防

肝癌衍生生長因子誘發癌症的機制。 圖/國家同步輻射研究中心

現階段對抗癌症的方法,都是在癌症發生之後,再以化療、標靶藥物或免疫療法等方式攻殺癌細胞。未來,根據肝癌衍生生長因子誘發癌症的機制,將可望發展專一性高、副作用低的藥物,以降低體內肝癌衍生生長因子的量,或抑制肝癌衍生生長因子之基因結合反應區的功能,就能有效減少癌細胞生成,從「癌症治療」進擊到「癌症預防」。

此外,肝癌衍生生長因子還可以作為癌症風險評估與早期偵測的重要指標,以期能在黃金治療期內發現癌症,並提高存活率。

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腸胃道微生物可能是引發帕金森氏症的元凶?
valerie hung
・2016/12/05 ・1166字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 588 ・九年級
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過去大家多半以為帕金森氏症(Parkinson’s disease)是發生在腦部的疾病,但現在美國加州的科學家透過動物實驗發現,這些症狀的源頭可能由腸胃道中的微生物所引起?

帕金森氏症是一種突觸核蛋白(synuclein)病變,在帕金森氏症患者腦神經細胞中,某種原因導致 α- 突觸核蛋白物質不正常的折疊且堆積。隨著腦神經元逐漸受損死亡,患者會出現無法控制的顫抖、肌肉僵硬與行動緩慢等幾大症狀。雖然目前有些藥物可以減緩症狀,但隨著病情加重,藥的效果也會逐漸變差。

而科學家發現抗生素療法在老鼠身上,能減少這些物質以及行動遲緩的狀況,然而把帕金森氏症患者的腸胃道細菌移植到老鼠身上,則會讓病症加劇。如果研究的方向正確,將開啟帕金森氏症治療法的全新策略,例如透過某些機制,避免病變擴散到腦部,對人口逐漸高齡化的國家來說都是好消息。

圖片來源:Sampson et al./Cell 2016
圖說:從左至右分別描述一般腸胃道微生物,除掉腸胃道細菌以及老鼠移植了帕金森氏患者的腸胃道細菌後對帕金森氏症的影響變化。圖片來源:加州理工學院研究團隊./Cell 2016

加州理工學院的研究團隊指出:他們先在老鼠的腸胃道中注入突觸核蛋白纖維,三周後,纖維出現在老鼠腦的底部,兩個月後這些纖維已抵達腦中控制行動的部位,老鼠的行動也變得遲緩,與帕金森氏症患者的症狀相似。這份研究先於神經科學 2016 年 11 月的年會上發表,然後刊登在 12 月 1 日的醫學期刊《細胞》(Cell

團隊成員提莫西.桑普森(Timothy R. Sampson)博士表示:「現在我們相當肯定,是腸胃道的細菌掌控了帕金森氏症的症狀。」他們推測是這些微生物釋放出某種化學物質,會過度刺激腦部的免疫細胞,最終導致腦部受損。

其實帕金森氏症是從腦以外的地方轉移過來的想法,也不完全無跡可循。十多年前,就有病理學家同時在確診為帕金森氏症,以及沒有發病但腦中有突觸核蛋白纖維的人的胃中也發現這些奇特的纖維,當時他們推測原因是某種毒素或微生物導致。另外一個線索就是,帕金森氏患者早期常有消化問題(如便祕)以及喪失嗅覺的情況,而胃和鼻子正好是兩個神經細胞都暴露在外的器官--都可能沾染到不知名的感染源。

既然科學家已發現帕金森氏患者腸胃道中的細菌和健康的人不同,研究似乎預言了抗生素或糞便移植(FMT)療法的可能性,但加州理工學院團隊也警告,目前就他們在研究中使用抗生素的方式來看,長期且高強度的抗生菌療法,可能會對人體的免疫與代謝系統造成危害。所以當務之急,還是找出究竟是那一種腸胃道微生物對帕金森氏症有正面影響或是負面影響。

 

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科技基本法修正:科研計畫預算應編列科普經費
廖英凱
・2016/12/29 ・1368字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 511 ・六年級
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2016年12月29日下午,於立法院第9屆第2會期教育及文化委員會第18次全體委員會議中,審議「科學技術基本法部分條文修正草案」。在今天的審議中,除了討論關於開放放寬公立大學教職人員可兼任業界董事等條文,由立法委員黃國書等19人所提案的「科學技術基本法第十三條」的「科普保障入法」相關條文,也在委員會中經過討論後修正通過,於科技基本法中宣示政府在科研經費編列上重視科普規劃的精神,也是科普首次入法的創舉。

科學技術基本法(簡稱:科技基本法)」訂定於民國八十七年,目的在確保提升科學技術以增強國家競爭力的法源依據。時至今日,中研院、國內各公私立大學與工研院等法人的研究經費,均來自此法的規範與保障。

然而,既有科技基本法的設計比較著重於研發層面的保障,雖然該法第22條明訂「為加強國民對科學技術知識之關心與認識,政府應持續推展學校與社會之科學技術教育,以提升國民科學技術之素養。」但實務上,在許多大學與機構中,科學普及或科學教育往往為一獨立部門或計畫,缺乏與科學研究者的密切合作。且仍無法解決縱然台灣的科學科技發展具有一定實力,但一般大眾普遍缺乏科學素養與基礎科學知識,在面對爭議議題及複雜事件時無法以科學作為判斷依據的情形。

而在其他國家,如中國大陸的「中华人民共和国科学技术普及法」,則宣揚科普是全體社會的共同責任,並明訂政府各級機關、學校與科研機構、媒體、企業與基層社團組織,均有發展科普的責任,並給予科普工作,法規與資源上的優惠保障

美國白宮發表的聯邦科學教育計畫中,預計在2017年挹注6300萬美元推動進階非正式科技學習計畫(Advancing Informal STEM Learning);提供美國國家太空總署2500萬美元設計適合各年齡層的科學教育方案;並支持國家海洋和大氣總署(NOAA)推動超過65項公民科學計畫

對此,在本日教育及文化委員會中,立法委員黃國書等19人提出了「科學技術基本法第十三條條文修正草案」,欲修訂科研計畫編列時,應納入科普規劃的法規設計。且針對預算破億的科研計畫,科普經費不得低於千分之五。其精神類似公共藝術經費編列應佔建物經費百分之一的概念。

立法委員黃國書等19人,針對科技基本法第十三條修正提案。
立法委員黃國書等19人,針對科技基本法第十三條修正提案。

最終經委員會審議討論後,決定新增修訂為:「前項基金運用,應編列一定比例之經費推廣科學知識普及化,其執行辦法由中央科技主管機關定之」,相信此法案的修訂,得以保障發展科普的資源,以提升國人科學素養的軟實力。

但除經費保障挹注外,科普的發展仍仰賴全體科學社群的協力,與公私部門合理合適的協作方式。中研院史語所王道還研究員認為:「科普是科學社群承擔社會責任的實踐」。期許本次的修法,能加速科學研究、科學普及與科學素養橫向聯繫的建立。

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