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天文學家發現高齡128億歲的古老行星系統

臺北天文館_96
・2012/04/07 ・1350字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 570 ・九年級

一組歐洲天文學家發現一個非常古老的行星系統,極可能是從130億年前宇宙極早時期就已形成並留存至今的。這個系統包含母星HIP 11952和兩顆行星,這兩顆行星的公轉週期分別為290天和7天。雖然行星通常在含有金屬元素(metal)比較多的雲氣中形成,HIP 11952卻鮮少含有金屬元素;因此HIP 11952行星系統的發現,顯示在早期宇宙金屬元素豐度仍很低的時期,就已經可以形成行星,和現今宇宙內如我們太陽系這樣的行星系統相當不同。

所謂的金屬元素,泛指除了氫與氦兩種宇宙誕生之初就有的元素以外的其他所有元素,又稱為「重元素」。

現行公認的行星形成理論認為行星是在年輕恆星周圍、由氣體和塵埃組成的拱星盤中形成的。但若要探討形成的細節,這個理論就會產生諸多問題,其中一個問題就是:致使氣體塵埃開始聚集形成行星的真正原因為何?

天文學家現在已經在太陽系以外的地方,至少確認750顆恆星擁有一顆以上的行星,且發現這些行星系統的環境差異頗大,但也存在某些特定趨勢,例如:經統計,含有較多金屬元素的恆星,較可能擁有行星。這個現象引出了一個關鍵問題:宇宙誕生之初幾乎不含有任何氫與氦以外的金屬元素,金屬元素是經由一代一代的恆星演化,經由恆星內部的核融合反應或是經由超新星爆炸而產生,之後再回歸到宇宙空間,成為下一代恆星的製作原料;因此愈古老的恆星金屬豐度愈少,愈靠近現今宇宙的恆星則含有比例較高的金屬元素。若按現行的行星形成理論,那麼在宇宙早期,幾乎沒有金屬元素的狀況下,是幾乎不可能形成行星?還是應該可以形成行星,所以下一步應該是要好好想想第一代行星會在何時形成?

德國普朗克天文研究所(Max-Planck-Institute for Astronomy)Johny Setiawan及慕尼黑天文臺(University Observatory Munich)Veronica Roccatagliata等天文學家從數年前開始進行一項研究計畫,搜尋貧金屬星(metal-poor star)可能含有的行星系統,結果發現其中一顆貧金屬星HIP 11952,擁有2顆氣體巨行星HIP 11952b和HIP 11952c。HIP 11952在鯨魚座方向,距離地球約375光年。這兩顆行星本身相當普通,與其他已知的氣體巨行星並無啥大不相同之處;它們的不平凡之處在於它們的母星是顆「極貧金屬星(extremely metal-poor star)」,換言之,是顆非常古老的恆星。

Roccatagliata等人其實在2010年時就發現一顆貧金屬星HIP 13044有行星系統,當時他們還覺得應該是特例。但在HIP 11952如此金屬豐度更貧乏的恆星周圍也發現行星之後,他們開始改觀,認為或許貧金屬星擁有行星是相當普遍的現象。HIP 13044之所以有名,是因為它是「從其他星系來的系外行星系統」,這顆星位在一道星流(stellar stream)中,而這道星流是約數十億年前被銀河系吞噬的另一星系的殘骸。(請參考天文新知2010-11-20 首度發現來自銀河系外的系外行星

和其他系外行星系統相較之下,HIP 11952不僅僅是極端缺乏金屬元素這項特點而已,還因為估計其年齡高達128億歲,成為目前已知年齡最大的行星系統;而我們宇宙的年齡,估計僅約137億年,所以這個行星系統應該在宇宙還處在幼兒期之時便已形成;而這也意味著,從宇宙誕生至今,任何時期都可能有行星系統形成。這就像在自家後院挖掘出重大考古遺跡一樣,讓眾人莫不興奮不已。這些天文學家打算繼續尋找並研究這類貧金屬恆星旁的行星系統,希望能讓行星形成理論更加完善,並能進一步瞭解生命的起源。

資料來源:A planetary system from the early Universe, [2012.03.27]

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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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》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》