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2018《Science》年度十大科學突破

活躍星系核_96
・2018/12/29 ・5818字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

  • 本文由旻諭、馨香共同寫作

每年《Science》的編輯和記者們都會選出「年度十大科學突破」,再讓大夥們一起投票選出當年度最最最重大的科學研究。當然,今年也不例外!廢話不多說,就讓我們直接從最受歡迎的票選冠軍談起吧!

圖/截圖自Video: 2018’s Breakthrough of the Year and runners-up

關鍵技術「三部曲」:追蹤受精卵裡的每、一、個細胞

你是否曾經疑惑過:人體的器官明明都是從同一顆受精卵不斷分裂而來,為甚麼卻可以長出心臟、肺臟、頭腦、手腳等等不同的器官跟組織?

其實這個問題也困擾生物學家很久了,從古希臘時代的醫生希波克拉底開始,生物學家一直很想了解:人類如何從單一細胞,發育成一個具有不同器官和數十億細胞的個體?

現在,出現了新的技術,讓我們很可能即將解開這個秘密!只要透過結合三個關鍵技術(合稱為 Single-cell RNA-seq),就能以「單一細胞」的超細微尺度,來追蹤每個細胞如何分化。這個技術組合可以大大促進基礎研究和藥物研究的發展,因此榮登 2018 年度最重大的科學突破!

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如何進行呢?

  1. 從活體中分離出上千個完整細胞
  2. 為每一個細胞進行基因定序,得到每個細胞的基因表達情形
  3. 以電腦模擬或標籤 (labeling) 細胞的方式,重建細胞之間的時間與空間關係
透過結合三個關鍵技術(合稱為 Single-cell RNA-seq),就能以「單一細胞」的超細微尺度,來追蹤每個細胞如何分化。圖/NIH Image Gallery @flickr

從上千個細胞的基因定序結果,研究人員可以一窺個別細胞在特定時間點有製造哪些 RNA ,對應到細胞的最終分化型態,藉以了解對某種細胞而言,哪些基因表現是重要的。如此一來,我們可以便能了解器官與組織的發育過程,也能研究畸形或是特定疾病的發生,究竟是在發育過程的哪一步出了差錯。

來自遙遠星系的好消息:成功定位微中子

電磁波、重力波等訊號,就像是由遠~方捎來消息的信使,讓科學家得以理解億萬光年外的宇宙發生了什麼事。在今年,科學家首度成功定位出高能微中子的來源,讓微中子也加入了信使的行列。

位於南極冰川底下深約 1.5-2.5 公里處的「冰立方」(IceCube),是由 5160 個光感測器組成的微中子觀測站,總體積大約有一立方公里。2017 年 9 月,冰立方偵測到一顆撞擊冰分子的高能微中子,透過分析反推出微中子的入射方向,並即時向全球天文台發出通告。數天後,NASA 的費米伽瑪射線太空望遠鏡團隊指出,他們日前觀測到一顆正處於活耀期的耀變體 (blazar),其方位和冰立方指出的高能微中子來源是相符的。

今年 7 月,數千位研究者共同發表了正式報告,確定此高能微中子就是來自這一顆距離地球 57 億光年遠、正在發出強光的耀變體。耀變體會製造伽瑪射線和微中子,也很有可能噴射如質子、氦原子核等其他高能粒子,這表示,每天轟炸地球的宇宙射線有可能就是來自那裡。

南極的「冰立方(IceCube)」微中子天文台。圖/截圖自 youtube

以電子束掃描,快速鑑定分子結構

以前,想要確認有機化合物分子結構,可能要花上個好幾天、好幾週,甚至好幾個月。不過,就在今年 10 月,剛好有兩個研究團隊同時發表論文,這個新的掃描方法只要花短短幾分鐘就能確定小型有機化合物分子結構!

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過去幾十年來,科學家們都是用「X 射線晶體學」的方法來確認分子的結構:將一個個分子排排站形成一個 3D 晶體結構之後,以各種角度發射 X 射線,再從 X 射線繞射的結果來推估電子密度分布,最後依這個電子密度分布解讀判定分子結構。

過去我們都是用「X 射線晶體學」的方法來定義分子的結構。圖/By Thomas Splettstoesser @wikimedia commons

但要讓目標的物質(通常是蛋白質)形成足夠大的晶體並不是那麼容易的事,因此往往成為確認晶體結構最大的門檻。新方法以「電子束」取代 前述方法中的「X 射線」,對著 3D 結構的晶體發射電子束,追蹤每一個微小角度變化的電子束繞射結果,就能在幾分鐘內推敲出分子結構。而更重要的則是,這個新方法所需的晶體大小僅需舊方法的十億分之一!

  • 編按:原版誤植所須晶體大小比例,2017/12/31修正。

能夠確認分子結構,可以幫助科學家更了解該分子的特性,這對新藥合成、分子探針設計和疾病追蹤等都有很深遠的影響。

發現格陵蘭冰川下的巨大火山坑

今年十一月,科學家透過飛機雷達發現,在一萬三千年前,有顆小行星砸在格陵蘭島西北部的海華沙冰川 (Hiawatha Glacier) ,不僅立刻蒸發了岩石,還在北極上空發出衝擊波,產生一個寬 31 公里的隕石坑(幾乎跟臺北市一樣大)。

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海華沙隕石坑 (Hiawatha crater) 長年深埋在一公里厚的冰川之下,是地球上最大的 25 個隕石坑之一。雖然這次隕石撞擊地球的影響程度,沒有 6600 萬年前造成恐龍滅絕那次來得可怕,但海華沙隕石坑的形成可能對全球氣候產生巨大影響:當小行星撞擊海華沙冰川,其產生的衝擊導致融水湧入北大西洋,可能阻礙了通往歐洲西北部的暖流,使得溫度驟降。這項發現或許可以解釋具爭議性的新仙女木事件 (Younger Dryas)。

#MeToo STEM 運動發燒!拒絕科學界性騷擾

「我們必須改變這個繼續允許性騷擾的文化和環境。」──美國國家醫學院主席 Victor Dzau @華盛頓「預防性騷擾工作坊」(2018.11)

一直以來,科學界的性騷擾一直被低估、忽視。不過在今年六月,美國國家科學院、工程和醫學院發布了一份關於科學、工程學和醫學領域女性遭性騷擾的關鍵報告。報告指出,超過 50% 的女教職員工以及 20%-50% 的學生皆曾遭受性騷擾,其中最常見的形式包含語言及非語言的性別歧視。

今年,幾個機構開始採取行動,如美國科學促進會 (AAAS) 在九月通過了一項相關政策,說明美國科學促進會研究員一旦被確認是性騷擾者,將遭到終生剝奪名譽。美國國家學院主席也在五月承諾研究人員若被確定為性騷擾者,將從榮譽排行榜中被剔除。

幾位評論家認為改變的速度可能還不夠快。美國田納西州范德比大學的神經科學家 BethAnn McLaughlin 在今年成立倡導組織 #metooSTEM,她特別提到美國衛生研究院 (NIH) 並沒有通過任何防治性騷擾的政策或採取任何相關行動。McLaughlin 以 46 秒的沉默作為公開談話的開場,她說:「每一秒代表美國衛生研究院提供資金、卻不過問研究員是否違反性擾法規的每一年。」(1 second for every year that NIH has given money to scientists and doctors and not asked if they have violated Title IX)

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  • 註:Title IX 第九條是 1972 年美國禁止對學生進行性騷擾的法規。
超過 50% 的女教職員工以及 20%-50% 的學生皆曾遭受性騷擾,其中最常見的形式包含語言及非語言的性別歧視。圖/surdumihail @pixabay

發現擁有尼安德塔媽媽、丹尼索瓦爸爸的混血中二少女

2012 年,研究人員在西伯利亞的一個洞穴中找到一塊來自五萬多年前女性的骨頭碎片,並從 DNA 的比對結果發現,她居然是尼安德塔媽媽與丹尼索瓦爸爸愛的結晶!這件出土的化石被命名為「Denisova 11」,長度 2.47 公分,且從皮質骨密度推估她去世時至少已有 13 歲(因此叫她中二少女應該不過份(笑)。

這塊骨頭的基因定序結果,顯示其 X 染色體片段數目與體染色體一樣多,表示她是女生。(不論男女,一對體染色體都是兩條,而性染色體女性有兩條 X,男性只有一條 X。)且她的粒線體 DNA,也就是完全遺傳於母親的 DNA 是尼安德塔型,因此可以確定母親為尼安德塔人,爸爸為丹尼索瓦人。如果細看她的基因體,可以發現她爸其實本來就混了一些尼安德塔血統。

在這之前,研究人員知道尼安德特人、丹尼索瓦人和現代人類,偶爾會在冰河時代的歐洲和亞洲進行雜交,卻未曾確切發現過他們的後代。

這次的發現還帶來了另一個驚人的研究結果:尼媽的血緣比較接近克羅埃西亞的人類,而和同在丹尼索瓦洞穴的同類血緣比較疏遠,代表尼媽這群尼安德塔人時常遷徙於歐洲和西伯利亞兩地之間。這項研究成果可說是提供更多人類的演化史線索!

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Credit: Thomas Higham/University of Oxford

偵破懸案新星:「鑑識系譜學」時代來臨

今年四月,美國警方宣布他們成功破解了史上最撲朔迷離的懸案──金州殺人案 (Golden State Killer) ,逮捕了其中一位嫌疑人。

  • 註:金州殺人案是 1970 到 1980 年代在加州的一系列強姦與謀殺案。

警方利用從犯罪現場蒐集到的 DNA 樣本,比對公共家譜 DNA 資料庫 (public genealogy DNA database),進而鎖定嫌疑人的家屬。執法單位已經利用「鑑識系譜學 (Forensic genealogy)」成功偵破其他 20 件懸案,讓鑑識系譜學成為當代功不可沒的鑑識界新星。

在金州殺人案中,當局使用一個叫「GEDMatch」的公共線上 DNA 資料庫。GEDMatch 資料庫是由兩位德克薩斯州和弗羅里達州的業餘系譜學家負責經營,每個人都可以提交自己的 DNA 定序結果到這個資料庫中。調查人員把從犯罪現場蒐集到的 DNA 樣本資訊,上傳到 GEDMatch 資料庫之後,便可找到嫌疑犯的遠房親戚,進而確定嫌疑犯身分。

藥品新招!RNAi 藥物在歐美獲准上市

核糖核酸干擾 (RNA interference, RNAi) 是一種可以讓基因沉默(或者說把某個基因「關掉」) 的技術。理論上透過這個技術,我們可以用 RNA 分子「關掉壞基因」、讓疾病不會發生。RNAi 這項技術早在 20 多年前就已經發明,但因為 RNA 分子實在太脆弱,很難讓 RNA 分子在抵達正確的組織前不受破壞,因此這項技術一直都無法實際應用於藥物設計。

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直到 2008 年,這項難題終於有解方!美國麻薩諸塞州劍橋市的 Alnylam Pharmaceuticals 公司提出解套方法:利用一種「脂質奈米顆粒」來保護基因沉默 RNA (gene-silencing RNA),確保這段 RNA 可以成功被送達目的地。

Alnylam 設計出的 RNAi 藥物「Onpattro」可用來治療遺傳性轉甲狀腺素介導的類澱粉變性 (hereditary transthyretin-mediated amyloidosis, hATTR) 所引起的多發性神經病變 (polyneuropathy)。當「Onpattro」和脂質奈米顆粒結合,並運送至肝臟之後,可以阻止摺疊錯誤的蛋白質產生,也就能避免因為蛋白持累積形成的心臟與神經損傷。

RNAi 藥物「Onpattro」在今年 8 月通過美國食品和藥物管理局 (FDA) 和歐洲藥品管理局的批准,並以每年 45 萬美元的定價進入市場。

從分子痕跡一窺五億年前的世界:世上最早的動物在這裡!

今年科學家偵測到了來自超過五億年前生物的分子痕跡,讓人們對於地球早期的動物有更進一步的了解。

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九月,位於坎培拉的澳洲國立大學研究團隊試圖從一些特殊的古老化石上找尋有機分子。這些來自俄羅斯白海懸崖邊的化石,沒有經過高溫高壓,且上面有一層看起來由有機物質構成薄膜。研究團隊猜想或許能找到未被摧殘的有機分子,因此他們取下化石上的薄膜、溶解它,並以氣相層析法和質譜法分析。研究結果發現,他們在埃迪卡拉紀(據今 5.42 億至 6.35 億年前)的狄更遜水母 (Dickinsonia) 化石中找到類膽固醇的分子,由於類膽固醇分子是動物的象徵,代表某些埃迪卡拉紀生物很可能是地球上最早的動物之一。

狄更遜水母 (Dickinsonia) 化石。圖/wikipedia

而在今年十月,另一個研究團隊從距今 6.6 億到6.35億年前的岩層裡,發現一種只有海綿動物會製造的分子。這代表「海綿」這種型態的動物,可能比目前已知最古老的化石還早出現了一億年。

維持細胞運作的秘訣:形成「液滴」

細胞內的眾多蛋白質、RNA 是如何在茫茫大海中找到彼此,在正確的時間與地點行使功能呢?近年來,科學家逐漸理解到,答案在於這些物質形成的「液滴」(liquid droplets) 結構。

自 2009 年開始,研究者發現很多蛋白質可以分離、聚集形成一顆顆液滴。此現象類似於「液-液相分離」(liquid-liquid phase separation),如同水和油是分離的,在水中的兩顆油滴碰在一起時,可自然融合為一。愈來愈多證據顯示,細胞內蛋白質、RNA 構成的液滴是生化反應的關鍵,組織了維持細胞運作的工作秩序。

2017 年有研究發現,細胞核中有液滴會幫助染色質濃縮,使位於該區域的基因無法表現。今年,有三篇刊登於《科學》期刊的論文指出,促進 DNA 轉錄為 RNA 的蛋白質,會聚集成液滴附著在 DNA 上。雖然運作的細節還有待繼續研究,然而 DNA 轉錄為 RNA 是製造新蛋白質的第一步,這些研究透露了液相分離在「如何選擇性地表達基因」這個生命的重要謎團扮演一定的角色。

  • 如果想了解更多,歡迎參閱《Science》精心製作的影片

參考資料:

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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侏羅紀公園的場景可能真實發生?生物複製技術有哪些發展?複製人要出現了嗎?
PanSci_96
・2024/06/15 ・5062字 ・閱讀時間約 10 分鐘

如果用我們的基因製造複製人,可以代替我們上班上課嗎?想像一下,如果世界上每個人都有一個雙胞胎分身?或者,如果我們可以克隆出已故的名人?甚至複製已故的寵物或親人?

當然,這些都是幻想,但複製生物技術的發展正在讓這個幻想漸漸變為現實⋯⋯

科幻小說的故事照進現實,在技術層面上有哪些困難?道德上又會引發哪些問題呢?

讓我們一起探索這項驚人技術的曲折歷程吧!

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今天的文章將會回答以下問題:

  1. 複製生物技術的早期實驗有哪些?又帶來什麼影響?
  2. 基因複製技術最大的困難是什麼?
  3. 複製技術面臨哪些主要挑戰和倫理道德問題呢?
  4. 複製生物技術除了複製生物還能有哪些應用?

克隆實驗早期的探索與突破?

複製生物技術的發展是一個漫長而曲折的過程,從 19 世紀末的早期實驗,到 20 世紀中葉的技術突破,再到 21 世紀的應用與挑戰。

胚胎實驗的歷史可以追溯到 19 世紀末,當時德國生物學家杜里舒(Hans Driesch,1867-1941)進行了一項開創性的實驗。他通過搖晃的方式將四個海膽胚胎細胞分離,並觀察到每個分離的細胞都能發育成完整的幼體,儘管體型較小。這一實驗證明了早期胚胎細胞具有全能性(totipotency),即早期胚胎的每個細胞都能發展成完整個體,這為後來的細胞核移植技術奠定了基礎。

圖/giphy

在 20 世紀初,植物學家發現通過嫁接和分裂植物組織可以產生與母體相同的植物。奧地利植物學家戈特利・哈伯蘭特(Gottlieb Haberlandt,1854-1945)提出了「植物細胞全能性」(totipotency)的概念,即每個植物細胞都具有發育成完整植物的潛力。哈伯蘭特的實驗主要是通過無菌技術培養植物細胞,雖然當時他並未成功培育出完整的植物,但他的理論和研究為後來的植物組織培養和克隆技術奠定了基礎。

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1914 年,德國生物學家漢斯・斯佩(Hans Speman,1869-1941)進行了另一個具有里程碑意義的實驗。他利用了一根嬰兒頭髮製作的環狀結,將其繫在受精的蠑螈卵細胞上,並將細胞核推到一側。當細胞核所在的一側開始分裂成多個細胞後,他鬆開結讓一個細胞核滑回未分裂的細胞一側,從而產生了兩個獨立的細胞群,這些細胞群最後發育成了兩個完整的胚胎。這是最早的核移植(nuclear transfer)實驗,顯示了細胞核在胚胎發育中的重要性​。

20 世紀中葉,科學家們進一步推動了克隆技術的發展。1952 年,美國科學家羅伯特・布里格斯(Robert Briggs,1911-1983)和湯瑪斯・金恩(Thomas Joseph King,1921-2000)首次成功地將青蛙胚胎細胞的細胞核移植到去核的卵細胞中,並培育出蝌蚪,雖然這些克隆青蛙無法存活至成年,但這實驗證明了細胞核可以在去核卵母細胞中重新編程,進而發育成新個體。

圖/giphy

桃莉羊的誕生:克隆技術的重要里程碑

克隆技術的重大突破出現在 1996 年,當時英國羅斯林研究所的伊恩・威爾穆特(Ian Wilmut,1944-2023)和基思·坎貝爾(Keith Campbell,1954-2012)成功地克隆了第一個成年哺乳動物,也就是廣為人知的——桃莉羊(Dolly)。他們使用的是一隻成年綿羊的乳腺細胞核,將其移植到一個去核的卵細胞中,最終培育出桃莉。這一成就震驚了全世界,因為它證明了成體細胞的基因信息可以被重置為胚胎狀態,並成功發育成為一個完整的生物體,標誌著克隆技術的一個重要里程碑​。

1996 年,成功地克隆了第一個成年哺乳動物,也就是廣為人知的——桃莉羊(Dolly)。圖/wikipedia

桃莉羊的誕生引發了廣泛的科學和倫理討論。一方面,科學家看到了複製技術在醫學研究、保護瀕危物種以及農業中的潛力。另一方面,社會各界對複製技術的倫理問題表示擔憂,特別是人類複製的可能性。

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桃莉羊的成功開啟了克隆技術的新篇章,此後,小鼠、牛、山羊等多種哺乳動物相繼被成功複製,展示了這一技術的廣泛應用潛力。同時,科學家們將目光投向了更為複雜的靈長類動物。

靈長類動物的複製技術在 21 世紀取得了進一步的突破。2018年,中國科學家成功利用與桃莉羊相同的「體細胞核轉植」技術複製出兩隻有相同基因的長尾彌猴「中中」和「華華」,標誌著克隆技術的又一個突破​。2020年中國又成功複製了恆河猴,並取名為「ReTro」,不同於印象中印象中複製動物壽命都很短或是飽受疾病之苦,ReTro 在今年(2024年)已經要滿四歲了,是首隻平安長大成年的複製恆河猴。

複製技術的挑戰?

儘管克隆技術在基因層面上已經相對成熟,但要複製出健康的個體仍然面臨巨大挑戰。許多克隆動物都表現出健康問題,如免疫系統缺陷、心血管問題、早衰、壽命縮短或在在肝、腎、肺、大腦、關節等地方產生發育上的缺陷,也有部分出現體型異常巨大的問題​​。例如綿羊的正常壽命約在 12 年左右,但桃莉羊在 6 歲時,就因關節炎與肺部感染而去世。

這主要是因為,細胞核在卵細胞中的重新啟動過程容易出現問題,導致克隆個體可能存在基因表達異常。即便是中國科學院成功複製的 ReTro 也只是難得成功的個案。

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基因複製出的人類會和本人完全一模一樣嗎?

克隆技術,特別是克隆人類,涉及複雜的倫理和道德問題。一方面,克隆技術可能會被用來治療某些疾病,或是用於治療遺傳疾病和器官移植,甚至延長壽命;但另一方面,它也可能被濫用,導致倫理危機。例如,克隆人類可能引發身份認同問題,並挑戰現有的社會和家庭結構​,反對者擔心擔心這樣的技術會對社會和人類本質造成不可預見的影響。

如果突破細胞核重新啟動的困境,複製出來的克隆人會和本人完全一樣嗎?

答案是:「不會」。

圖/imdb

美國演化生物學家阿亞拉(Francisco J. Ayala,1934-2023)在《美國國家科學院院刊》上提出,我們目前進行的生物複製實驗複製的只是「基因型」而非「表現型」。基因型指的是基因組成;而表現型指的是包含個體外表、解剖結構、生理機能以及智力、道德觀、審美、宗教價值觀等行為傾向和屬性,還有透過經驗、模仿、學習所獲得的特徵。表現型是基因與環境間複雜作用下的產物。基因型的複製就像是同卵雙胞胎,就算長得再像,他們怎麼樣都不會是「同一個人」。透過生物複製技術基因複製出的克隆人,其實也只不過是跟你擁有相同基因的雙胞胎而已。

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不過目前世界上也存在一種能複製表現型的技術,那就是——「AI」。

隨著人工智能技術的進步,模擬人類個性和行為變得越來越現實。例如,AI 可以通過學習大量數據來模擬特定個體的行為模式,甚至在某些情況下,AI 克隆可能會比生物克隆更具實用性。然而,這也帶來了新的風險,包括隱私泄露、數據濫用等​​。

複製技術在生物醫學領域來能有哪些應用?

複製技術的應用範圍廣泛,涵蓋了醫學研究、農業、生態保護等多個領域。

複製技術在生物醫學領域具有巨大的潛力。幹細胞治療可以利用克隆技術培育出患者自身的幹細胞,從而避免免疫排斥反應。製藥公司可以利用克隆動物來進行藥物測試,提高藥物研發的效率和準確性​。科學家也可以生產出大量具有相同基因組的細胞,用於研究疾病機制和開發新藥。克隆技術被用於創建動物模型,這些模型有助於研究人類疾病的機制和治療方法。例如,科學家利用克隆技術創建了患有阿爾茨海默症和帕金森症的動物模型,這些模型為藥物開發和治療策略的研究提供了重要的工具。

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在農業領域,複製技術被用於繁殖優良品種,增加牲畜的生產力和抗病能力。通過克隆優秀的畜禽個體,農民可以提高產量,降低疾病風險,從而提高農業生產的效益。

此外,複製技術在生態保護方面也有重要的應用。許多瀕危物種由於種群數量減少,面臨滅絕的危險。科學家們利用複製技術試圖保護這些物種,例如,已經有研究成功克隆了瀕危的野生動物,為保護生物多樣性提供了新的方法。

圖/imdb

結論

總結而言,複製生物技術的發展歷程充滿了挑戰和機遇。從早期的胚胎細胞分離實驗,到 20 世紀中葉的核移植技術,再到 1996 年桃莉羊的成功,科學家們在不斷探索和突破。儘管技術上取得了許多進展,但複製健康個體的挑戰仍然存在。此外,倫理和道德問題也不容忽視。未來,隨著技術的不斷進步,克隆技術在生物醫學領域的應用將更加廣泛,但我們也必須謹慎對待其可能帶來的社會和倫理影響,我們需要謹慎管理這項強大的技術,在發揮其潛力的同時,避免可能帶來的社會和倫理風險。

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參考資料

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PanSci_96
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和外星人的第五類接觸!《三體》中的微中子通訊是真的?
PanSci_96
・2024/04/08 ・6799字 ・閱讀時間約 14 分鐘

不要回答!不要回答!不要回答!

Netflix 版「三體」終於上線了,你覺得與外星人接觸是安全的,還是冒險的?

其實啊,人類早就多次嘗試與外星文明接觸,三體中的「那個」技術,甚至也已經驗證成功了?到底誰能先與外星人取得聯繫?是中國還是美國?

接下來的討論可能會暴雷原版小說的設定,但應該不會暴雷 Netflix 版的劇情。

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如果你也有一點想跟外星人接觸,那就來看看人類到底已經跟外星人搭訕到什麼程度了吧!

我們與外星文明接觸過了嗎?

對於是否要與外星文明接觸,每個人都有不同想法。三體小說作者劉慈欣在小說中提出一種觀點,那就是人類太弱小,最好避免與外星文明接觸,以免招致不必要的風險。

但是回到現實世界,如果我們真的身處在三體的世界的話,那人類可真的是不停作死啊。早在 1974 年,科學家就利用阿雷西博天文台,向武仙座的 M13 球狀星團發射了一條著名的訊息,也就是「阿雷西博訊息」。這個目標距離地球不算遠,星星又多,被認為是潛在的外星文明所在。阿雷西博訊息中,則包含人類的 DNA 結構、太陽與九大行星、人類的姿態等資訊。每次想到總覺得是新開的炸雞排在發傳單攬客。

航海家金唱片。圖/wikimedia

除了無實體的電波訊息,人類還向太空中發送了實體的「信件」。1977 年,航海家探測器載著「航海家金唱片」進入太空。唱片中收錄了包含台語在內,55 種語言的問候語、大自然與鳥獸的聲音、115 張圖像、還用 14 顆銀河系內已知的脈衝星來標示出太陽系的位置。是一封向宇宙表達人類文明與友好意圖的信件。恩,如果接收到這個訊息的外星人不是很友善的話,那麼……。

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好吧,就算現在說應該要謹慎考慮接觸外星文明的風險,或許已經來不及了。對方是善還是惡,怎麼定義善或惡,會不會突然對我們發動攻擊,我們也只能聽天由命了。

反過來說,過了這麼久,我們收到外星文明的來信了嗎?

要確定有沒有外星文明,接收訊號當然跟發送訊號同等重要甚至更重要。1960 年,天文學家法蘭克.德雷克,就曾通過奧茲瑪計畫,使用直徑 26 公尺的電波望遠鏡,觀察可能有外星文明的天苑四和天倉五兩個恆星系統,標誌著「尋找外星智慧計畫」(the Search for Extraterrestrial Intelligence, SETI)的誕生。可惜,累積了超過 150 小時的訊息,都沒有搜尋到可辨識的訊號。

比較近的則是 1995 年的鳳凰計畫,要研究來自太陽附近一千個恆星所發出的一千兩百到三千百萬赫的無線電波。由於有經費支持,SETI 每年可以花五百萬美元,掃描一千多個恆星,但是目前還沒有任何發現。

中間有一個小插曲是,1967 年 10 月,英國劍橋大學的研究生喬絲琳.貝爾發現無線電望遠鏡收到了一個非常規律的脈衝訊號,訊號周期約為 1.34 秒,每次脈衝持續時間 0.04 秒。因為有可能是來自外星文明的訊號,因此訊號被開玩笑地取為 Little Green Man 1(LGM-1 號)。但後來他們又發現了多個類似的脈衝信號,最後證實這些脈衝是來自高速自轉的中子星,而非某個文明正在傳遞訊息。

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貴州天眼望遠鏡。圖/FAST

在中國也有探索外星生命的計畫,大家最關注的貴州天眼望遠鏡,直徑達五百公尺,是地球上最大的單一口徑電波望遠鏡。天眼望遠鏡在探索外星生命這件事,並不只是傳聞而已。2016 年 9 月天眼正式啟用後,也宣布加入 SETI 計畫。現在貴州天眼的六大任務之一,就包含探測星際通訊,希望能捕捉到來自其他星際文明的訊號。

而背負著地球最大單一口徑望遠鏡的名號,自然也引起不少關注。從 2016 年啟用到現在,就陸續出現不少檢測到可疑訊號的新聞。然而,這些訊號還需要經過檢驗,確定不是其他來自地面或地球附近的干擾源,或是我們過去難以發現的輻射源。可以確定的是,目前官方還未正式聲明找到外星文明訊號。

會不會是我們的通訊方法都選擇錯誤了?

即使電磁波用光速傳遞訊息,太陽系的直徑約 2 光年、銀河系直徑約 10 萬光年。或許我們的訊息還需要花很多時間才回得來,更別提那些被拋入太空的實體信件。航海家 1 號曾是世界上移動速度最快的人造物,現在仍以大約時速 6 萬公里的速度遠離地球,大約只有光速的一萬八千分之一倍。就算朝著最近的恆星——比鄰星飛去,最少也需要大約 7 萬 6 千年的時間才會到。

如果用電磁波傳遞訊息,又容易因為穿越星塵、行星、恆星等天體而被阻擋或吸收。不論是人類還是外星文明,都必須找到一個既快速,又不容易衰退的訊號,最好就是能以光速穿越任何障礙物的方式。

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在三體小說中,就給出了一個關鍵方法:微中子通訊。

微中子通訊是什麼?

微中子(Neutrino),中國通常翻譯為中微子,是一種基本粒子。也就是說它是物質的最基本組成單位,無法被進一步分割。這種粒子引起了廣泛關注,因為它與其他物質的交互作用極弱,並且以極高的速度運動。微中子能夠輕易穿過大部分物質,通過時幾乎不受阻礙,因此難以檢測。

在宇宙中,微中子的數量僅次於光子,是宇宙中第二多的粒子。有多多呢?地球上面向太陽的方向,每平方公分的面積,大約是你的手指指尖,每秒鐘都會被大約 650 億個來自太陽的微中子穿過,就是這麼多。但是因為微中子與物質的反應真的是太弱了,例如在純水中,它們平均需要向前走 250 光年,才會與水產生一次交互作用,以至於我們幾乎不會發現它們的存在。

藉由微中子撞擊氣泡室中氫原子裡的質子,進行微中子觀測,照片右方三條軌跡的匯集之處便是帶電粒子撞擊發生處。圖/wikimedia

但是對物理學家來說,更特別的是微中子展示出三種不同的「味」(flavor),也就是三種樣貌,電子微中子,渺子微中子和濤微中子,分別對應到不同的物理特性。 在粒子物理學裏,有個「標準模型」來描述強力、弱力及電磁力這三種基本力,以及所有基本粒子。在這個標準模型中,微中子是不具備質量的。 然而,當科學家發現微中子竟然有三種味,而且能透過微中子振盪,在三種「味」之間相互轉換,證明了微中子必須具有質量,推翻了標準模型中預測微中子是無質量的假設,表示標準模型還不完備。

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微中子在物理界是個非常有研究價值的對象,值得我們花上一整集來好好介紹,這邊就先點到為止。如果你對微中子或其他基本粒子很感興趣,歡迎在留言催促我們。

我們現在只要知道,微中子不僅推翻了標準模型。宇宙中含量第二多的粒子竟然有質量這件事情,更可能更新我們對宇宙的理解,以及增加對暗物質的了解。

但回到我們的問題,如果微中子幾乎不與其他粒子交互作用,我們要怎麼接收來自外星文明的微中子通訊呢?

要如何接收微中子?

Netflix 版《三體》預告片中,這個一閃而過,充滿金色圓球,帶有點宗教與科幻風格的大水缸,就是其中的關鍵。

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這個小說中沒有特別提到,但相信觀眾中也有人一眼就看出來。這就是位在日本岐阜縣飛驒市,地表 1,000 公尺之下,由廢棄礦坑改建而成的大型微中子探測器「神岡探測器」。

由廢棄砷礦坑改建而成,深達千米的神岡探測器。圖/Super-Kamiokande Construction

探測器的主要結構是一個高 41.4 米、直徑 39.3 米的巨大圓柱形的容器。容器的內壁上安裝有 11200 個光電倍增管,用於捕捉微小的訊號。水缸中則需灌滿 5 萬噸的超純水。捕捉微中子的方式是等待微中子穿過整座探測器時,微中子和水中的氫原子和氧原子發生交互作用,產生淡藍色的光芒。這與我們在核電系列中提到,核燃料池中會發出淡藍色光芒的原理一樣,是當粒子在水中超越介質光速時,產生類似音爆的「契忍可夫輻射」。

填水的神岡探測器。圖/Super-Kamiokande

也就是說,科學家準備一個超大的水缸來與微中子產生反應,並且用超過一萬個光電倍增管,來捕捉微小的契忍可夫輻射訊號。

但這樣的設計十分值得,前面提到的微中子可以在三種「味」中互相轉換,就是在這個水槽中被證實的。

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這座「神岡探測器」在建成後 40 幾年來,讓日本孕育出了 5 位的諾貝爾物理獎得主。

三體影集選在這邊拍攝,真的要說,選得好啊。

話說回來,有了微中子的捕捉方法之後,現實中還真的有人研究起了微中子通訊!

微中子通訊是怎麼做到的?

來自羅徹斯特大學與北卡羅來納州立大學的團隊,在 2012 年發表了一篇文章,說明它們已成功使用微中子,以接近光速的速度將訊息穿過 1 公里的距離,其中有 240 公尺是堅硬的岩石。訊息的內容是「Neutrino」,也就是微中子。

這套設備準備起來也不簡單,用來發射微中子的,是一部強大的粒子加速器 NuMI。質子在加速繞行一個周長 3.3 公里的軌道之後,與一個碳標靶相撞,發出高強度的微中子射束。

用磁場將微中子聚集成束的 NuMI。圖/Fermilab

用來接收微中子的則是邊長約 1.7 公尺,長 5 公尺的六角柱探測器 MINERvA,一樣身處於地底 100 公尺的洞穴中。

當然,這兩套設備的重點都是拿來研究微中子特性,而不是為了通訊設計的。團隊只是趁著主要任務之間的空檔,花了兩小時驗證通訊的可能性。

但微中子那麼難測量,要怎麼拿來通訊呢?團隊換了一個思維,目標只要能傳出0跟1就好,而這裡的0就是沒有發射微中子,而1則是發出微中子,而且是一大堆微中子。多到即使每百億個微中子只有一個會被 MINERvA 偵測到,只要靠著數量暴力,探測器就一定能接收到微中子。最後的實驗結果,平均一秒可以傳 0.1 個位元的訊息,錯誤率 1%。

MINERvA 實驗中的中微子偵測器示意圖。圖/wikimedia

看起來效率並不實用,卻是一個好的開始。

因為微中子「幾乎能穿透所有物體」的特性,即便我們還沒有其他外星文明可以通訊,或許還是有其他作用。例如潛水艇的通訊、或是與礦坑深處的通訊。進一步說,他幾乎可以在地球上的任一兩點建立點對點的直線通訊,完全不用擔心中間的阻礙。而對於現在最夯的太空競賽來說,月球背面的通訊問題,微中子也可以完美解決。

那麼,在微中子的研究上,各國的進度如何了呢?

除了前面提到的超級神岡,世界上還有幾個有趣的微中子探測器,例如位於加拿大的薩德伯里微中子觀測站(SNO),它有特殊的球體設計並且改為填充重水,專門用來觀測來自太陽的微中子。

薩德伯里中微子探測器。圖/wikimedia

而位於南極的冰立方微中子觀測站,則是將探測器直接埋在南極 1450 到 2450 公尺的冰層底下,將上方的冰層直接作為捕捉微中子的水。非常聰明的設計,這也讓冰立方成為地球上最大的微中子探測器。

除了已經在使用的這幾個探測器之外,美、中、日也即將打造更先進、更強大的探測器。

預計在美國打造的國際計畫——地下深處微中子實驗(Deep Underground Neutrino Experiment),預計成為世界上最大的低溫粒子偵測器。接收器位於南達科他州的地底一公里深處,用作研究的微中子訊號源則來自 1300 公里外的費米實驗室,百萬瓦等級的質子加速器,將產生有史以來最強的微中子束。這台地下深處微中子實驗(Deep Underground Neutrino Experiment)的縮寫非常有趣,就是 DUNE,沙丘。

中國呢,則預計在廣東的江門市,用 2 萬支 51 公分光電倍增管和 2 萬 5000 支 7.6 公分光電倍增管,在地底 700 公尺深處,打造巨大球形的微中子探測器-江門中微子實驗室,內部可以填充兩萬噸的純水。最新的消息是預計 2024 年就能啟用。

最後,經典的超級神岡探測器也不會就此原地踏步,日本預計打造更大的超巨型神岡探測器。容積將提升 5.2 倍、光電管從 11200 個變成 4 萬個,進一步研究微中子與反微中子之間的震盪。

超巨型神岡探測器設計圖。圖/Hyper-Kamiokande

結論

這些微中子探測器的研究目標必然是微中子本身的特性。但既然微中子通訊是有可能的,在任務之餘研究一下這個可能性,也不是說不行吧。

雖然我們現在還沒連繫上我們的好鄰居,但很難說明天就有哪個外星文明終於接收到我們對外宣傳的訊息,發出微中子通訊問候,甚至按圖索驥跑來地球。

至於那時我們應該怎麼辦呢?我們的網站上有幾篇文章,包括介紹黑暗森林法則,以及從《異星入境》看我們要如何與語言不通的外星文明溝通。有興趣的朋友,可以點擊資訊欄的連結觀看。在外星人降臨之前,也不妨參考我們的科學小物哦。

最後問問大家,你覺得我們應該主動聯繫外星文明嗎?

  1. 當然要,我相信探索一定是好的,我覺得引力波通訊更有機會!
  2. 先不要,我已經可以想像被外星文明奴役的未來了!
  3. 為了維繫美中之間的平衡,由台灣來率先接觸外星人,當仁不讓啊!

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延伸閱讀

參考資料

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胚胎發育必不可少的兩位舞者:胚胎幹細胞與滋養層幹細胞——《生命之舞》
商周出版_96
・2023/10/22 ・2668字 ・閱讀時間約 5 分鐘

細胞工程如何進行?

如果我們真的要進行細胞工程的話,我們就得要以孩童拼樂高積木的方式,一次一個地將細胞組合成胚胎。但我們並沒有經由口吸管的方式(請參考第五章)來這樣做,而是把一切都留給機率來決定。

我們在培養皿中混合了不同濃度的兩種細胞,並讓它們自由接觸。我們在第二天透過顯微鏡看到,有些細胞確實開始相互作用並形成結構。但為數不多,因為這取決於無法預測的機率。不過當胚胎幹細胞與滋養層幹細胞結合時,它們就會以驚人的方式進行自我建構,它們好像知道自己要做什麼,也有個目標。

胚胎發育過程經歷了什麼?

我們在實驗室暗房的顯微鏡下,看到許多胚胎發育的基本過程。我們首先看到細胞極化。接著幹細胞會自我建構,胚胎幹細胞會聚集在一端,而滋養層幹細胞則聚集在另一端。由於胚胎幹細胞衍生出的胚胎部分與滋養層幹細胞衍生出的胚外部分會進行對話,所以在每個細胞群中的空腔後續會打開並創造出三維的 8 字形。我們發現這涉及到一個名為 Nodal 的蛋白所傳送的訊號。這兩個空腔之後會融為一體,最終形成一個對胚胎發育至關重要的大型羊膜腔。這種體腔形成的過程似乎就跟真正胚胎在著床不久後會發生的情況一樣。我們看見了自我建構的驚人創舉。

不過,我們當然總是想要更進一步,讓合成胚胎中胚胎幹細胞所衍生部位裡的那些類胚胎細胞,能夠適當地打破對稱性。我們的意思是讓這些細胞設法進行原腸化,也就是提供未來身體體制基礎的關鍵步驟。
我們發現若是可以讓胚胎幹細胞與滋養層幹細胞結構再發育久一點,它們確實會打破對稱性。

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像 Brachyury 這類基因就會在胚胎與胚外部位之間開始表現,就跟真正胚胎的情況一樣。Brachyury 基因至關重要,因為它會影響中胚層的形成與前後軸線。 這個發現不但讓我的心跳差點停止,也讓實驗室中的每個人都大為驚奇。

這些類胚胎結構與正常胚胎結構非常相像,足以用於揭開在母體著床時期的某些發育謎團。很明顯地,胚胎幹細胞與滋養層幹細胞一同建造的結構所模擬出的胚胎形態與結構模式,要比只使用胚胎幹細胞要來得精確許多——這是更值得信賴的發育模型。

圖/unsplash

感覺起來,這兩種幹細胞就好像兩名舞者彼此都告訴對方,自己在胚胎中的所在位置。沒有這場雙人舞,正確形狀與形式的發育以及關鍵生物機制的適時運作就不會適當發生。我們也發現這個結構模式的發育,得仰賴 Wnt 與骨成形性蛋白質(bone morphogenetic protein, BMP)的訊號路徑,這與真正胚胎的發育情況一樣。

投稿論文的種種阻力與助力

我們將這篇論文投稿至《自然》。由於許多論文在初始階段就會被退回,所以我們知道編輯將稿子送去審閱時,士氣不由得為之一振。編輯們的知識淵博,經驗也豐富,能走到這一步就是一種重要的認可,所以我們有場小小的慶祝活動,因為即使是小小的成功也能做出改變。

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不過最終他們沒有接受我們的論文,除非得像一位審稿人要求的那樣,提供合成胚胎在自我建構時所用基因的詳細資料,以及這些基因的表現模式在自我建構的每個階段是如何變化的。這將會是一件大工程。然而這彷彿算不上是什麼壞消息,因為我的實驗室中並沒有技術可以研究這些基因所運用的轉變形態模式。我需要尋求經費來購買我負擔不起的設備,我們也需要找到合作夥伴。

我受邀到澳洲獵人谷為歐洲分子生物學組織大會進行講座。那時正值學校放假,所以我帶著賽門一起踏上這次的冒險旅途。我們在香港轉機,順便停留一天拜訪當時的行政長官梁振英,他是我最好的前博士生之一梁傳昕的父親。

圖/unsplash

我的演講是由小鼠發育生物學家譚秉亮(Patrick Tam)開場,我感到非常榮幸,因為我向來就對譚秉亮的研究極為崇拜。賽門與我加入譚秉亮與他太太伊莉莎白(Elizabeth)的行列,一起到雪梨的海邊走走,一路上譚秉亮告訴我有關他與上海生命科學研究院景乃禾(Naihe Jing)的合作,景乃禾利用雷射切割胚胎,揭露了胚胎基因的表現模式。我非常幸運,因為在我回到劍橋不久後,景乃禾就到劍橋來拜訪,所以我能夠親自與他見上一面。我們同意一起合作揭開我們類胚胎結構中基因表現的模式。景乃禾團隊的貢獻將是我下一章故事的重心。那時我們才意識到,可能要花上一年的時間才有辧法確實做到這一點,而我也不確定我們是否願意為了讓《自然》的編輯滿意(或者還是不滿意,誰知道呢)而等這麼久。

那時,莎拉與柏娜已經累積了更多的數據,所以我們決定將研究結果投稿到我比較不熟悉的《科學》。事實證明這是正確的選擇。跟過往一樣,審稿人要求我們再多做一點實驗。但這次的要求還做得到,只是我們就得在 2016 年的聖誕節假期長時間的工作,以便在新學期開始前完成手稿。大衛也一起下來幫忙,他成為這篇論文的共同作者。

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為「類胚胎模型」命名也是一門大學問

命名很重要,因為「珠子」那個命名的前車之鑑,所以我們對於要怎麼為我們的類胚胎模型命名進行了漫長的討論。這些模型讓我們知道胚胎結構是如何從幹細胞自我建構而成,所以我們想要給它們取個特別的名字。但是我們最後沒有得到共識。

圖/imdb

《科學》的編輯不喜歡「合成」類胚胎結構這個名字。我在期中假期得知這個消息,那時我正與家人及朋友滑雪度假中,所以我請他們一起來想想其他的名字。這或許就是為何我們會想到「ETs」這個名字的原因之一。史蒂芬.史匹柏有部科幻電影講述到從異世界來的訪客,而從幹細胞自我建構出的第一個類胚胎結構似乎也帶給我們這樣的感受。不過這個 E 不是代表「另外(extra)」的意思,而 T 也不是「地球人(terrestrials)」的意思。E 代表的是胚胎幹細胞(ES),而 T 代表的則是滋養層細胞(TS)。

——本文摘自《生命之舞》,2023 年 9 月,出版,未經同意請勿轉載。

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