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下一站,行星!要進行太空移民會碰到哪些困難呢?──《人類大未來》

三采文化集團_96
・2018/11/16 ・3751字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 542 ・八年級

y編按:快問快答,你覺得未來是什麼樣子?我們都在前往未來的路上,前面的道路會如何開展?景色又如何呢?泛科學2018年11月選書《人類大未來:下一個五十年,科技如何讓人類更幸福?》邀請多位科學家以及研究學者,一起描述未來,探討那些關於能源、科技、太空、氣候變遷、生物醫學……的真實與想望,讓我們邊前進邊一起共譜未來吧!

想移民外太空?先搞定太空船吧!

我們打造的太空船越快、力量越大,抵達其他星體的機會就越高,最終目標就是建造一艘能以接近光速的速度載著船員飛向太空的飛船。

這有兩個明顯的優點,第一點顯而易見,這段旅程會耗時較少,只需幾年就能到達附近的行星。第二個優點是,如果你航行的速度是光速的百分之九十九點五,根據愛因斯坦的相對論,時間本身就會變慢為原來的十分之一。所以在橫越一百光年的星際旅程中,太空人只會老十歲。但缺點就是,當他們回到地球時,他認識的每個人都老了一百歲。

像這樣的船隻需要力量強大到難以置信的推進引擎,也需要極其堅實的護盾來保護船身,承受小行星和太空垃圾的高速撞擊。從另一個角度看,與其努力變得更快,或許我們可以放慢腳步,好好利用這趟旅程的時間。假設太空船以百分之零點二的光速前進,便能在一萬年之間抵達好幾個行星,而人類將會在這樣的「世代飛船」(Generation ship) 上繁衍一個又一個世代。

人類將會在這樣的「世代飛船」(Generation ship) 上繁衍一個又一個世代。
圖/Pixar Wiki

世代飛船要載著數千位乘客撐過數千年嚴苛的太空生活,不僅要夠堅固,還得完全自給自足。所有人類賴以維生的能量、食物、空氣、水,以及值得信賴的電腦系統,完全由船上的「居民」來維護。船員以家庭為基本單位,孩子會在船上出生並受訓,準備有一天接手他們父母和祖父母的工作,維護並駕駛太空船。除了要克服硬體設備的技術問題,這些人同樣要面對重大的生物、社會和道德困境,尤其是關於自我價值的實現或規劃— 開創世代將無法活著看到自己的任務完成,中間世代則註定在過渡狀態下度過一生,死前無法看到努力的實際成果。在「中間世代」出生的孩子要如何感覺並面對自己被迫在這樣一艘船上生活的事實?

要解決這個問題,也許另一個方法會是更好的選擇,那就是讓多數或所有船員在睡眠艙內進入冬眠或假死狀態。

這樣一來,所有人都能活到旅程的終點。或是設計某種攜帶胚胎的星際船,將冷凍或休眠狀態的人類胚胎或 DNA 運送到目的地。但是這個方法顯然有漏洞,抵達目的地之後,誰要來養育這些人類胚胎?所以果然還是航行時間與人類生命週期相當的太空船最恰當。

讓多數或所有船員在世代飛船的睡眠艙內進入冬眠或假死狀態,就能讓所有人都能活到旅程的終點。
圖/imgur

理論物理學家弗里曼.戴森 (Freeman Dyson) 就構想了這樣一艘船,他稱之為獵戶座計畫太空船 (Project Orionship),動力來自核融合或核分裂。或者,我們可以建造以太陽能為動力的太空船。由已逝世物理學家史蒂芬.霍金 (Stephen Hawking)、Facebook 創辦人馬克.祖克柏 (Mark Zuckerberg)、俄羅斯富商尤里.米爾納 (Yuri Milner) 與美國太空總署合作的「突破星擊」(Breakthrough Starshot) 任務,計畫打造一個由光能推動的迷你機器太空船原型機。

太空船的主體只有晶片大小,外接超薄太陽帆,速度可達光速的百分之二十,比現有的所有無人太空探測船都更快。研究團隊計畫在二十年內發射這艘太空船前往南門二星系,以這樣的速度來看,需要二十年才能抵達目的地。

或許等待科技趕上我們對宇宙的渴望不是唯一的選擇。說不定科幻小說已經找到答案了?我們可以追隨《接觸未來》(Contact) 與《星際效應》(Interstellar) 這些電影的旅行思維,「只要」找到蟲洞就好了。無論這聽來多麼不可能,但我們都無法完全否認透過蟲洞通道隨意跳躍宇宙的理論可能性。然而,就算我們確實發現了一個蟲洞,目前仍沒有證據證明這個方法確實有用,或是對人類這樣脆弱的生命體算不算得上安全。

只要找到蟲洞,或許可以解決我們對宇宙的渴望。
圖/pixabay

時間還不是最磨人的:煎熬的太空船生活

除了科學技術的發展與巨額的花費,人類的太空探索計畫還有另一項挑戰,亦即人類脆弱的身體是否能承受如此漫長的旅程。假如未來的太空旅行者必須長期或甚至無期地在太空中滯留並且求生,我們就得了解太空旅行對人類的生理系統會造成什麼樣的影響和衝擊。這需要在實際狀態下測試,而實驗對象就是暫時住在國際太空站上的太空人。

在國際太空站上的太空人。source:wikipedia

人類需要太空船上的人造維生系統提供空氣、水、食物,以及維持船艙內舒適的溫度與壓力,還需要厚實堅固的外殼抵禦宇宙輻射和直衝而來的小隕石及太空垃圾。儘管科幻小說描寫的太空站有堅固的旋轉結構能藉由離心效應來產生人造重力,但是這種太空船規模太大了,目前尚未能建造出來。所以,在太空中缺乏重力這件事,仍舊是太空人必須處理的首要健康問題。

人類身體對於失重狀態的適應能力其實相當不錯,但在太空中生活越久,失重對身體的影響就越深。在太空站上的太空人處於微重力 (Microgravity) 狀態,代表他們的身體不再需要努力對抗地球的重力,自然會變得放鬆,結果反而讓肌肉逐漸萎縮、鈣質隨著尿液流失而導致骨質疏鬆等。

在太空中漂浮看來很輕鬆、很有趣,但如果太空旅行者只是成天飄浮的話,最終會虛弱而亡。他的脊椎會因為在太空生活而被拉長(平均可以長高二點五公分),還會因為體液逆流而出現臉部浮腫,甚至擠壓到眼睛而產生問題。幸虧一旦回到地球、腳踏實地之後,這些症狀多半都能恢復。不過,萬一在漫長甚至跨越世代的太空旅程中沒有這個選項,或是未來定居的行星重力比地球更小,該怎麼辦?

人類需要太空船上的人造維生系統提供空氣、水、食物,以及維持船艙內舒適的溫度與壓力。圖/LAVANGUARDIA

另一項同樣重要的條件是心理健康。生活在宇宙中,第一個要面對的挑戰就是如何長時間生活在狹小的空間中。太空人要忍受孤獨、疏離、單調的作息、活動受限、睡眠受到干擾、個人衛生條件不佳,以及和同一群人每天面對面。個人空間和隱私在外太空可是很奢侈的。目前最佳也是唯一的典範就是國際太空站,其規模大概等於一間有五、六個臥室的房屋。要「關」在室內六個月或更久,不論心理或生理上都不容易調適。所以人們假設並且希望,未來任何長程太空任務所使用的飛船,都要比國際太空站的規模更大。太空生活每天都有風險,這樣的精神壓力可能造成憂鬱、失眠、焦慮、人際衝突,甚至精神疾病。然而太空人和跑遠洋的水手一樣,早已知道自己必須面對樣的情況,也會事先做些心理建設。

大家應該都能想像,一包包的脫水太空食物有多乏味,而且調味料只有胡椒。太空冰淇淋和真正的冰淇淋完全無法相比!糧食種類有限,每天吃的菜色都差不多,長期下來有可能導致太空人沒有胃口,食慾不振,攝取的熱量和營養太少,導致體重下降及營養不良。所以任何長程星際旅行都需要大量新鮮好吃的餐點選擇,這不僅僅是為了滿足口腹之慾而已。

太空人要面對的挑戰之一是如何長時間生活在狹小的空間中。
圖/LAVANGUARDIA

未來的居住地在哪裡?

讀到這裡,讓我們暫停腳步,體會一下人類朝著未知的未來至今已經走了多遠。

自從一九六一年尤里.加加林 (Yuri Gagarin) 首次進入太空,我們接著將人類送往月亮,將探測機器人送往金星與火星;我們檢視了最大型的小行星,拍攝了木星與其巨大衛星的特寫照片,飛越了土星環和土衛二 (Enceladus) 的冰冷噴流;我們拍攝了天王星和海王星的詳細照片,終於揭露冥王星真實冰凍的美;我們甚至跳上了移動中的彗星一探究竟。

我們對太陽系的探索讓我們做好準備,開始認真考慮在地球之外建立一座自給自足的聚落。但根據我們目前的科技,不論在太陽系何處建立新基地都會是巨大挑戰。要想讓數百甚至數千人在充滿威脅的環境中存活,就需要克服這些挑戰。


作者簡介:露易莎.普瑞斯頓 (Louisa Preston)

英國太空署 (UK Space Agency) 極光研究員,在倫敦大學伯貝克學院 (Birkbeck, University Of London) 研究天體生物學。她曾參與美國、加拿大、歐洲及英國太空署的研究計畫,研究地球上的生命體如何在極端嚴苛的環境中生存,作為外人生命形式的藍圖並模擬可能的棲息條件。她曾受邀至 2013 年 TED 大會和大家談論如何尋找火星生命。她的第一本書籍創作為 Goldilocks and the Water Bears: The Search for Life in the Universe

 

 

本文摘自《人類大未來:下一個五十年,科技如何讓人類更幸福?》,三采文化,2018  年 11 月出版。

相關標籤: 外太空 太空船
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三采文化集團_96
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閱讀在生活中不曾改變, 它讓我們看見一句話的力量,足以撼動你我的人生。而產生一本書的力量,更足以改變全世界


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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》