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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!

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!

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)。

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)

  • 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!

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。

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。

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
752 篇文章 ・ 114 位粉絲
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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2022 年《Science》年度十大科學突破(上):持續進化的 AI 與韋伯太空望遠鏡
PanSci_96
・2022/12/30 ・3733字 ・閱讀時間約 7 分鐘

回顧 2022 年,有沒有讓你印象特別深刻的科學新聞呢?約莫兩星期前,《Science》雜誌公布了今年的十大科學突破,從農業到藝術、從細菌到宇宙、從百萬年前的生態到人類的未來,每一項突破都和我們的日常生活息息相關。

好啦,廢話不多說,現在就來揭曉答案吧!

十大突破之首——遙望宇宙的韋伯太空望遠鏡

今年,韋伯太空望遠鏡(JWST)帶來的震撼,相信你我都印象深刻。

韋伯發布的第一批照片拍到了 SMACS 0723 星系團。圖/Science

早在 1990 年,哈伯太空望遠鏡發射升空後,科學家就開始規劃下一步。他們不只想看見更遙遠的宇宙,也想透過不同的波長,分析地外生命存在的可能性。

哈伯望遠鏡的觀測波段以可見光為主。確實,紫外線和可見光波長最有利於觀測誕生不久的新星,但隨著數十億年過去,這些新星發出的光,穿過不斷膨脹的宇宙,來到地球,被拉伸到更長的紅外線波長後,哈伯就沒輒了⋯⋯

韋伯望遠鏡可以清楚看見狼蛛星雲的塵埃、氣體雲和碳氫化合物。圖/Science

那麼,要怎麼看見更遙遠的宇宙呢?去年底,歷時 20 年建造、造價 100 億美元的「韋伯太空望遠鏡」順利升空,開啟 150 萬公里的長征。韋伯搭載的科學儀器可以觀測紅外線波段,包括來自宇宙第一批恆星和星系發出的光。

韋伯利用四種不同的紅外線波段觀測系外行星 HIP 65426 b。圖/Science

今年 6 月底,韋伯開始收集數據,三星期後就傳回了第一批深空照片,讓科學家看見了更遙遠、更古老的新星系,徹底改寫我們對宇宙的認識。對於天文學界來說,這是一個充滿奇蹟的時代,韋伯望遠鏡也因此榮登 2022 年最重要的科學突破。

2022 年十大科學突破之首:韋伯太空望遠鏡。影/Science

研發多年生水稻 PR23,減輕農民耕作負擔

盤點世界上最主要的糧食作物,水稻肯定有一席之地!現今,大部分水稻都是一年二至三穫,每年收穫後都得重新種植,對農民來說是非常耗時、費力的工作。

今年 11 月,中國雲南大學農學院的研究團隊在《Nature Sustainability》發表他們十餘年來嘔心瀝血的研究成果——多年生水稻「PR23」。這是長雄野生稻和 RD23 栽培稻的雜交種,不但可以達到和傳統水稻相仿的產量,還可以省下農民的大把時間、精力與成本。

PR23 第一年的稻作成本與傳統水稻差不多,但從第二年開始,農民就可以跳過育秧、犁田、移栽幼苗的步驟,降低約 50% 的人力成本,到了第五年才需要重新種植。

在中國,PR23 的種植面積超過了 15,000 公頃,平均產量則是每公頃 6.8 噸,略高於傳統水稻。根據非洲和東南亞的試驗數據,PR23 還可以改善土壤結構、增加有機質含量、減少梯田和高地的水土流失。

與此同時,科學家也正在觀察兩個潛在問題:一、雜草和病原體是否會積累在田地中,導致 PR23 需要更多除草劑,二、是否會排放更多的一氧化二氮,加劇溫室效應。但目前不可否認的是,多年生水稻有助於降低成本、提高收益,確實是一項重要的突破。

有了多年生水稻,農民每年都能省下好幾週的工作量。圖/Science

誰說 AI 沒創意?AI 的創造力可是超乎想像呢!

說到 AI,有沒有讓你想起去年的十大科學突破呢?沒錯,去年的十大突破之首就是預測蛋白質 3D 結構的 DeepMind 團隊,而在今年,他們著手設計全新的蛋白質,用來開發疫苗、建築材料和奈米機器。

與此同時,DeepMind 發布了 AlphaTensor,用來找出更有效率的矩陣乘法演算法。高中就學過的矩陣是代數中最簡單的運算之一,可以用來壓縮網路資料、辨識語音指令、模擬與預測天氣、生成電腦遊戲圖形等。

另外,DeepMind 還發布了可以自主編寫程式、解決問題的 AlphaCode。在程式解題競賽網站 Codeforces 定期舉辦的比賽中,AlphaCode 甚至打敗了過半的參賽者,取得排名前 54% 的成績,跌破創辦人的眼鏡。

除了科學、數學、程式設計之外,AI 在藝術領域更是大放異彩。

繼 OpenAI 去年發布繪圖軟體 DALL-E 後,今年 4 月發布了進化版的 DALL-E 2,只要輸入幾個字詞,AI 模型就能自動生成圖像。在 9 月,有一位藝術家利用類似的 AI 繪圖工具 Midjourney 奪下美國科羅拉多州博覽會首獎。

此舉在藝術界掀起一股旋風,卻也引來了哲學辯論和道德抨擊,但毫無疑問的是,人類可以借助逐年進化的 AI 拓展創造力,開發出更多、更好的工具。

使用 Midjourney 創作的科羅拉多州博覽會首獎作品。圖/Science

超級華麗的大~大~大細菌!

在你的印象中,細菌是不是都很小、不用顯微鏡就看不見呢?今年 2 月,科學家在法屬西印度群島發現一種肉眼可見的巨無霸細菌——華麗硫珠菌(Thiomargarita magnifica),震驚了生物學界。

一般來說,細菌沒有細胞核和膜狀胞器,遺傳物質都在細胞中自由漂浮,但華麗硫珠菌真的很華麗,不只可以長到 2 公分,比多數細菌大上 5000 倍,而且還有隔間可以容納 1200 萬個基因組——這大概是多數細菌基因總量的 3 倍。

身為一種不應該有膜的原核生物,華麗硫珠菌的結構或許即將改寫原核生物和真核生物的定義,甚至有機會成為一塊拼圖,補足細胞進化過程中缺失的環節。

華麗硫珠菌挑戰了「細菌」的傳統定義。圖/Science

開發新疫苗,呼吸道合胞病毒治療現曙光

在這 COVID-19 肆虐之年,美國感染呼吸道合胞病毒(RSV)的病例數也急遽上升。呼吸道合胞病毒傳染性極強,通常只會引起類似感冒的輕微症狀,但在嬰幼兒身上,這種病毒會使肺部發炎,而在老年人身上,會使既有的心肺疾病惡化。

早在 50 多年前,就有科學家試圖開發呼吸道合胞病毒的疫苗,但在臨床試驗導致 80% 的接種者住院、2 名兒童死亡後,開發就此中斷。後來,科學家發現敗筆在於這種殺死病毒後製成的「滅活疫苗」所引發的抗體較弱,不只殺不掉活生生的病毒,還能反過來幫助病毒破壞氣管。

如今,莫爾豪斯醫學院(Morehouse School of Medicine)開發了能夠引發強效抗體的新疫苗。在輝瑞(Pfizer)和葛蘭素史克藥廠(GSK)進行臨床試驗後,證實這兩種新疫苗可以保護嬰兒和老年人,不會引起嚴重副作用,而在孕婦注射後,也能將抗體傳給胎兒。

雖然過往的失敗讓開發團隊心存疑慮,但目前沒有任何數據顯示疫苗不安全,其中幾種候選疫苗也可能將在明年獲得監管機構批准上市。

RSV 疫苗證實能有效保護易受感染的嬰幼兒和老年人。圖/Science

好啦~這篇到這裡,先介紹前五項突破就好!因為《Science》今年提供的內容實在是太精彩了,為了避免讀者一次閱讀太多字很累,只好拆成上下兩篇⋯⋯看完這篇後,如果你好奇另外五項突破是何方神聖,就來看第二篇吧!

接續下篇:2022 年《Science》年度十大科學突破(下):EBV 病毒與發燒的地球

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宇宙學的最大謎團!有超過90%的世界都是暗物質和暗能量,但,它們究竟是什麼?──《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》
台灣東販
・2022/08/08 ・3400字 ・閱讀時間約 7 分鐘

觀測星系時,科學家發現了「看不見的物質」

我們現在所看到的人類、太陽、星系以及星系群等等,所有東西都是由物質構成。「物質構成了宇宙的全部」這個概念長年以來深植於人類心中。

宇宙是由物質構成的,但究竟是由甚麼物質構成的呢?圖 / twenty20photos

不過,後來我們了解到,宇宙中存在著許多我們人類看不到的物質,那就是「暗物質(dark matter)」。這個名稱聽起來很像科幻作品中的虛構物質,卻實際存在於宇宙中,而且暗物質在宇宙中的含量,遠多於我們看得到的「物質」

1934 年,瑞士的天文學家茲威基(Fritz Zwicky,1898~1974)觀測「后髮座星系團」時,發現周圍星系的旋轉速度所對應的中心質量,與透過光學觀測結果推算的中心質量不符。

周圍星系的轉速明顯過快,推測存在 400 倍以上的重力缺損(missing mass)。

在這之後,美國天文學家魯賓(Vera Rubin,1928~2016)於 1970 年代觀測仙女座星系時,發現周圍與中心部分的旋轉速度幾乎沒什麼差別,並推論仙女座的真正質量,是以光學觀測結果推算出之質量的 10 倍左右。

到了 1986 年,科學家們觀測到了宇宙中的大規模結構,發現星系的分布就像是泡泡般的結構。若要形成這種結構,僅靠觀測到的質量是不夠的。

為了補充質量的不足,科學家們假設宇宙中存在「看不見的物質=暗物質」。

看不到卻存在?暗物質究竟是什麼?

既然看不到,那我們怎麼確定暗物質真的存在?圖 / twenty20photos

前面提到我們看不見暗物質,而且不只用可見光看不到,就連用無線電波、X 射線也不行,任何電磁波都無法檢測出這種物質(它們不帶電荷,交互作用極其微弱)。

因為用肉眼、X 射線,或者其他方法都看不到它們,所以稱其為「暗」物質。

不過,從星系的運動看來,可以確定「那裡確實存在眼見所及之上的重力(質量)」。這就是由暗物質造成的重力。

看不到的能量:暗能量

事實上,科學家們也逐漸了解到,宇宙中除了暗物質之外,還存在「看不見的能量」。

原本科學家們認為,宇宙膨脹速度應該會愈來愈慢才對,不過,1998 年觀測 Ⅰa 型超新星(可精確估計距離)時,發現宇宙的膨脹正在加速中。這個結果證明宇宙充滿了我們看不到的能量「暗能量(dark energy)」。而且,暗能量的量應該比暗物質還要更多。

我們過去所知道的「物質」,以及暗物質、暗能量在宇宙中的估計比例,如下圖所示。 這項估計是基於 WMAP 衛星(美國)於 2003 年起觀測的宇宙微波背景輻射(CMB),計算出來的結果。

圖/台灣東販

後來,普朗克衛星(歐洲太空總署)於 2013 年起開始觀測宇宙,並發表了更為精準的數值。

  • 什麼是「普朗克衛星」?

歐洲太空總署(ESA)為了觀測距離我們 138 億光年的宇宙微波背景輻射(CMB)而發射至宇宙的觀測裝置(人造衛星)。可與 NASA 發射,廣視角、低感度的 WMAP 衛星互相對照。由 WMAP 衛星製成的 CMB 地圖,計算出宇宙年齡應為 137 億年左右,誤差在正負 2 億年內;普朗克衛星則製作出了更為詳細的 CMB 地圖,並以此推論出宇宙年齡應為 138 億年左右,誤差在正負 6000 萬年內,數字更為精準。

歐洲太空總署(ESA)為了觀測距離我們 138 億光年的宇宙微波背景輻射(CMB)而發射至宇宙的觀測裝置(人造衛星)。可與 NASA 發射,廣視角、低感度的 WMAP 衛星互相對照。由 WMAP 衛星製成的 CMB 地圖,計算出宇宙年齡應為 137 億年左右,誤差在正負 2 億年內;普朗克衛星則製作出了更為詳細的 CMB 地圖,並以此推論出宇宙年齡應為 138 億年左右,誤差在正負 6000 萬年內,數字更為精準。  

暗物質的真面目,究竟是什麼?微中子嗎?

既然暗物質有質量,那會不會是由某種基本粒子構成的呢?也有人認為暗物質是在宇宙初期誕生的迷你黑洞(原始黑洞),而我也致力於這些研究,不過相關說明不在此贅述。

已知的基本粒子(共 17 種)以及其他未知粒子,都有可能是暗物質,在這些粒子當中最被看好的是微中子。

因為暗物質不帶電荷,不與其他物質產生交互作用,會輕易穿過其他物質。這些暗物質的特徵與微中子幾乎相同。而且,宇宙中也確實充滿了微中子。因此,微中子很可能是暗物質的真面目。

不過,目前的物理學得出的結論卻是「微中子不可能是暗物質的主要成分」。

NASA 曾經想透過星系團的碰撞來了解暗物質的特性。圖/NASA

為什麼微中子被撇除了呢?

這是因為,雖然微中子大量存在於宇宙中,質量卻太輕了。雖然科學家們現在還不確定微中子的精準質量是多少,不過依照目前的宇宙論,3 個世代的微中子總質量上限應為 0.3eV。如果暗物質是微中子,那麼 3 個世代的微中子總質量應高達 9eV 才對,兩者相差過大。

另一方面,暗物質中的冷暗物質(cold dark matter)的速度應該會非常慢才對。

宇宙暴脹時期會產生密度的擾動,進而產生暗物質的擾動(空間的擾動應與觀測到的 CMB 擾動相同),這種微妙的重力偏差,會讓周圍的暗物質聚集,提升重力,進一步吸引更多原子聚集,最後形成我們現在看到的星系。

相較於此,微中子過輕(屬於熱暗物質,hot dark matter),會以高速飛行。微中子無法固定在一處,這樣就無法聚集起周圍的原子,自然也無法形成星系。

暗物質、暗能量的真相究竟是甚麼?仍然是宇宙學中最大的謎團!

熱暗物質、冷暗物質

這裡要介紹的是熱暗物質與冷暗物質。所謂的「熱暗物質」,指的是由像微中子那樣「以接近光速的速度飛行」的粒子組成暗物質的形式。

宇宙微波背景輻射(CMB)可顯示出宇宙初期的溫度起伏,因而得知存在相當微小,卻十分明顯的擾動,此擾動與暗物質的擾動相同。擾動中,物質會往較濃的部分聚集,並形成星系或星系團等大規模結構。

不過,如同我們前面提到的,科學家們認為以接近光速的速度運動的微中子,在程度那麼微弱的宇宙初期擾動下,很難形成現今的星系團。

於是,科學家們假設宇宙中還存在著速度非常慢的未知粒子「冷暗物質」。

冷暗物質的候選者包括「超對稱粒子(SUSY 粒子)」當中光的超伴子——超中性子(neutralino)、名為軸子(axion)的假設粒子;另外,也有人認為原始黑洞可能是「冷暗物質的候選者」,雖然黑洞並不是基本粒子。

在討論暗物質時,即使不假設這些未知粒子的存在,在標準模型的範圍內,微中子也是呼聲很高的候選者。

如同在討論熱暗物質時提到的,當我們認為微中子應該不是主要暗物質時,就表示基本粒子物理學需要一個超越標準理論的新理論,這點十分重要。

宇宙微波背景(CMB)是宇宙大霹靂後遺留下來的熱輻射,充滿了整個宇宙。圖 / 台灣東販

那麼,微中子真的完全不可能是暗物質嗎?

倒也並非如此。如果存在右旋的微中子,由於我們還不曉得它的質量以及存在量,所以「微中子是暗物質」的可能性還沒完全消失。不過,這樣就必須引入超越標準理論的理論才行。

在目前只有發現左旋、符合標準理論的微中子的情況下,一切都還未知。關於這點,我們將在《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》第 6 章第 7 節詳細說明。

——本文摘自《大人的宇宙學教室:透過微中子與重力波解密宇宙起源》,2022 年 6 月,台灣東販,未經同意請勿轉載。

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2021 年《Science》年度十大科學突破
PanSci_96
・2021/12/29 ・5289字 ・閱讀時間約 11 分鐘

轉眼就來到 2021 年的尾聲。今年,《Science》雜誌評選的「年度十大科學突破」橫跨眾多領域,包括 AI、天文、物理、生物、醫學,以及備受矚目的能源議題,趕快來看看究竟是哪十項突破吧!

十大突破之首——利用 AI 預測蛋白質結構

AI 預測兩種蛋白質如何在酵母菌中形成參與修復 DNA 的複合物。圖/SCIENCE

蛋白質是組成生物體不可或缺的分子。在 1950 年代,科學家透過分析 X 射線繪製蛋白質結構。然而,既有的方法在繪製成本上過於高昂,往往得耗費數年時間,因此在 1970 年代,科學家開始運用計算機建模,預測蛋白質的折疊方式。直到 2018 年,Google 旗下的 DeepMind 團隊開發了 AI 軟體「阿爾法摺疊」(AlphaFold),使得該領域研究取得突破性進展。

多虧這項 AI 技術,科學家得以精準、快速、大量繪製蛋白質結構。今年 7 月,DeepMind 團隊宣布他們成功分析了 350,000 種人體蛋白質,佔所有已知人體蛋白質的 44%,更預計在明年發布所有已知物種的蛋白質結構,約莫 1 億個。團隊也正在進行更進一步的研究,預測這些蛋白質如何在生物體內相互作用,用來製作新型抗病毒藥物。

在這 COVID-19 肆虐的大疫之年,科學家更利用阿爾法摺疊模擬 Omicron 變種病毒,研究棘蛋白突變帶來的影響,試圖找出中和抗體失效的原因。AI 預測蛋白質結構的技術不僅徹底革新分子生物學領域,也勢必在醫學領域大放異彩!

探勘古代洞穴,解鎖 DNA 寶庫

在墨西哥 Chiquihuite 洞穴記錄沉積物樣本的研究員。圖/SCIENCE

誰說沒有化石就不能研究古生物?科學家今年踏足古代洞穴,採集土壤裡的人類細胞核 DNA,藉此重建古代生態系,釐清世界各地穴居人的身份。在美國,Satsurblia 洞穴存有尼安德塔人未知譜系的女性 DNA;在西班牙,Estatuas 洞穴中的土壤 DNA 揭露 8 萬至 11.3 萬年前人類的遺傳特徵,證實在 10 萬年前的冰河時期結束後,某個尼安德塔人譜系取代了其他眾多人類譜系。

除了人類以外,這種研究方法還可以運用在其他生物上,比如在墨西哥 Chiquihuite 洞穴中,有研究員採集到 1.2 萬年前的黑熊 DNA。與現代熊 DNA 比對後,科學家發現黑熊在上個冰河時期結束後,向北遷徙到阿拉斯加。

「核融合反應」的歷史性突破

192 道雷射光聚在微小的燃料芯塊周圍,準備進行融合反應。圖/SCIENCE

太陽之所以能發光發熱,供給地球能量,都要歸功於太陽內部不斷進行著的核融合反應。長期以來,科學家為了解決地球能源不足的問題,不斷嘗試人工進行核融合反應,可是要達到足夠產生融合反應的壓力和溫度非常困難(請參考:融合能量增益因子/維基百科)。今年,美國國家點火設施(NIF)運用 1.9 兆焦耳的雷射脈衝,壓縮胡椒粒大小的氘(氫的同位素),產出 1.35 兆焦耳的能量,遠高於先前實驗獲得的 17 萬焦耳。

目前,NIF 仍持續進行實驗,試圖藉由更換燃料或調整雷射脈衝數值來提高能量產出,找出能夠最大化能量轉換比例的組合。未來,或許融合反應能夠成為供給地球能源的主流方法!

COVID-19 口服藥「莫納皮拉韋」問世

默克藥廠研發的 COVID-19 口服藥「莫納皮拉韋」。圖/SCIENCE

COVID-19 口服藥終於問世啦!今年秋季,美國默克(Merck)藥廠發布數據,證明其研發的 COVID-19 口服藥「莫納皮拉韋」(Molnupiravir)可將未接種疫苗者的重症和死亡率降低 30%;如果在出現症狀的 3 日內服用輝瑞開發的口服藥 PF-07321332,則可降低 89% 住院率。

雖然口服藥無法取代疫苗接種,卻扮演非常關鍵的角色。若是 Omicron 變異株造成大量突破性感染,或許口服藥就能接棒,防堵病毒擴散。

創傷後壓力症候群的新興療法——搖頭丸

正在進行 MDMA 治療的創傷後壓力症候群患者。圖/SCIENCE

什麼?搖頭丸還能治病?沒錯!這份發表在《Nature Medicine》的研究證實搖頭丸的主要成分「3,4-亞甲基二氧基甲基苯丙胺」(MDMA)可以減輕創傷後壓力症候群(PTSD)患者的症狀,而且效果十分顯著。該研究將 76 名受試者分成 MDMA 組和安慰劑組,接受 3 次療程,發現 MDMA 組有 67% 的病患試後不再符合 PTSD 的診斷標準,而安慰劑組僅有 32%。

可是這項結果也引起了對於雙盲實驗的質疑,因為試後有高達 90% 的受試者表示他們其實知道自己的組別,這可能大幅影響症狀改善的機率。目前正在進行更大型的實驗,若實驗結果確定 MDMA 能治療 PTSD,預計將在 2023 年提交美國食品藥物管理局(FDA)批准上市。

開發單株抗體,對抗各類傳染性疾病

單株抗體(紅色和藍色)對抗 COVID-19 病毒(紫色球狀物)假想圖。圖/SCIENCE

單株抗體(mAb,簡稱單抗)是融合腫瘤細胞與免疫細胞製造而成的人工抗體,不但有腫瘤細胞不斷分裂的能力,也有免疫細胞產生抗體的能力——簡單來說,單抗可以大量製造相同的抗體,更有效地打擊病毒。除了往年的伊波拉病毒、炭疽病、狂犬病單抗以外,今年也順利合成了瘧疾、愛滋病和呼吸道合胞病毒(RSV)的單抗。目前,科學家正在積極開發更多種類的單抗,首要目標是打擊流感、茲卡病毒和巨細胞病毒(CMV),使得這項新技術有望成為打擊傳染病的「標配」。

「洞察號」揭密火星內部結構

地震波顯示火星有一層薄薄的地殼、地函和液態核心。圖/SCIENCE

自 2018 年「洞察號」(InSight)登陸火星至今,科學家蒐集 35 筆地震數據,藉以估計火星的地殼厚度、地函結構和地核大小。今年的數據分析結果出爐後,發現這顆紅色行星的平均地殼厚度不到 40 公里,地函非常淺,而且只有一層(不像地球有上、下兩層地函),地核特別巨大,佔了火星體積一半,主要組成元素是低密度的液態鐵和液態鎳,以及硫、氧、碳和氫等較輕元素。這是人類首次使用地震數據探測其他行星的內部結構,也是探索神秘火星的一大步。

改寫粒子物理學模型的繆子實驗

繆子在美國費米實驗室的磁場中旋轉。圖/SCIENCE

在 1960 年代,粒子物理學家提出理論解釋強核力、弱核力和電磁力,這三種理論被稱為標準模型。然而,科學家今年發現「繆子」(Muon)——一種比電子更重、更不穩定的粒子——其實際測得的 g 值(自旋角動量與磁性大小之間的關係)比標準模型所預測的還要大,且兩者的誤差範圍沒有交集。

目前,眾多科學家正在美國費米實驗室(FNAL)進一步分析實驗數據。假如繆子實驗沒有任何閃失,這樣的結果將撼動物理學界,徹底改寫擁有 50 年歷史的標準模型。

CRISPR 基因編輯——確實能在體內發揮療效!

RNA(藍色)將 DNA 切割酶(白色)引導至目標(橙色)。圖/SCIENCE

去年,科學家運用 CRISPR 基因編輯技術,在實驗室修改造血幹細胞,治癒鐮刀型貧血和乙型(β 型)地中海貧血。今年,科學家更大膽了,直接在人體內部署 CRISPR!研究結果顯示,這種基因編輯技術可以有效減少一種有毒的肝臟蛋白質數量,甚至改善遺傳性失明患者的視力,讓兩名幾乎完全失明的患者能夠感覺到光線,並且在昏暗的光線下避開障礙物。

體外胚胎培養——研究生命體早期發育歷程

在罐中成長的小鼠胚胎可以幫助科學家更了解人類發育的早期階段。圖/SCIENCE

透過研究胚胎,科學家得以找出先天性缺陷和流產的原因,但礙於倫理學和法律規範,目前對於體外胚胎培養的了解並不多。今年,有團隊利用誘導性多能幹細胞(Induced pluripotent stem cell,簡稱 iPS 細胞)成功複製人類的囊胚(受精後準備孵化及著床的胚胎),另外有團隊發現皮膚細胞經 iPS 細胞誘導、轉化後,也可以產生類似囊胚的結構,作為體外胚胎實驗的替代品。

除了十大科學突破以外……

《SCIENCE》今年也特別列出三項影響科學發展的重大阻礙,包括難解的氣候議題、備受爭議的癌症新藥,以及在疫情之下遭受猛烈砲火抨擊的科學家。

越來越熱!減碳目標恐難以達成

這座位於德國博克斯貝格(Boxberg)的燃煤電廠預計 2038 年才會關閉。圖/SCIENCE

自從工業革命以來,全球氣溫升幅達到了 1.2°C,近年極端氣候事件更是層出不窮。對此,今年的聯合國氣候變遷大會(COP26)達成多項協議,包括將全球氣溫升幅限制在 1.5°C 以內、確立碳交易市場架構,以及減少碳排放量。然而,全球經濟現在依然大幅仰賴化石燃料,況且聯合國協議不具約束力,是否能達成減碳目標,必須取決於各國政策制訂。

充滿爭議的阿茲海默症新藥「Aduhelm」

正子斷層掃描(PET)顯示 Aduhelm 能有效清除 β 類澱粉蛋白斑塊。圖/SCIENCE

美國食品藥物管理局(FDA)近 20 年來首次核准阿茲海默症藥物,即百健(Biogen)藥廠開發的 Aduhelm。經臨床實驗證實,這種藥物能清除異常堆積在患者腦內的「β 類澱粉蛋白斑塊」,也就是失智症發病和惡化的原因。照理說,這是患者和家屬期盼以久的好消息,卻被不少大型醫院和醫學中心拒絕採用,因為在兩項大型臨床實驗中,只有一項實驗證明其改善認知功能的療效勝過安慰劑,卻沒有證據顯示 Aduhelm 有顯著的改善效果。

當疫情碰上政治形態——夾縫中求生存的科學家

比利時病毒學家範蘭斯特(Marc Van Ranst)收到來自極右派狙擊手柯寧斯(Jürgen Conings)的死亡威脅後躲避自保。圖/SCIENCE

長期以來,科學家遭受攻擊的事件層出不窮,但在今年,對於 COVID-19 的政治分歧引發大眾對科學家前所未有的敵意,包括各種形式的恐嚇、抗議和死亡威脅。遭受威脅的有美國首席防疫專家佛奇(Anthony Fauci)、英國首席醫療官惠提(Chris Whitty),以及世界各地的學者和防疫工作者。

《Nature》訪問 321 名研究人員,發現有超過 50% 的人信譽受到攻擊,15% 的人收到死亡威脅,甚至有許多人從此辭去他們熱愛的研究工作。

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PanSci_96
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