Loading [MathJax]/extensions/tex2jax.js

0

28
2

文字

分享

0
28
2

人體基因編輯是在編什麼?五分鐘搞懂基因神剪 CRISPR

研之有物│中央研究院_96
・2019/04/24 ・3260字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 605 ・十年級

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

  • 採訪編輯|歐宇甜    美術編輯|林洵安

CRISPR 的原理與應用

2018 年 11 月,中國基因編輯寶寶引起舉世譁然!這個事件的前因,要追溯到 2012 年橫空出世的基因剪刀 CRISPR,讓人類從此可精準、快速、便宜的編輯 DNA。但這把剪刀目前還有技術瓶頸,只適合治療可拿出體外的免疫細胞。我們邀請中研院生物化學研究所、專研 CRISPR 的凌嘉鴻助研究員,介紹這項正在翻轉世界的基因神器。

編輯人體基因,就是修改人體 DNA,主要動機是根治基因突變引發的疾病。

「但是瑞凡,我們真的需要基因編輯來治病嗎?」

事情是這樣的:DNA 是生命的藍圖,指揮細胞生產蛋白質,維持人體的生長與運作。當 DNA 的重要位置發生突變,「細胞工廠」運作會失控,就可能造成生理失調,甚至像白血病等重大遺傳疾病。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

「生病了,可以吃藥。但基因突變造成的疾病,藥物只能控制病情。」凌嘉鴻繼續解釋:「因為從藍圖就錯了,細胞永遠只能製造錯誤的蛋白質。想要根治,最好直接更正藍圖,修改 DNA。」

基因編輯,可以從源頭下手,找到錯誤的 DNA 片段,用一把分子「剪刀」切開,剔除這個錯誤的基因,或是在缺口處「貼上」正確的 DNA 片段。

過去基因突變引發的疾病,藥物無法根治,必須終身吃藥。現代的基因編輯技術,可以徹底根治基因缺陷,就像用文書軟體修改錯誤一樣:找到錯字 (發現突變基因)、刪除錯字 (剪下突變基因)、補上正確的字 (貼上正確基因)。
圖說設計│黃曉君、林洵安 資料來源│凌嘉鴻

所以首先,必須要有一把精準、能夠剪開 DNA 雙螺旋的好剪刀,CRISPR 就是當前最好用的一把。有趣的是,它來自細菌的免疫系統。

細菌裡的基因剪刀

987 年,日本科學家在大腸桿菌的基因體發現一段古怪的規律序列,某一小段 DNA會一直重複(Repeat),重複片段之間又有一樣長的間隔 (Spacer),用途不明,科學家把這段序列叫做 CRISPR (clustered, regularly interspaced, short palindromic repeats)。後來發現,許多細菌都有 CRISPR,它是細菌免疫系統的一種機制,可以記憶曾經來犯的病毒。

想不到,這個看似不起眼的 DNA 片段,將會引爆基因編輯的大狂潮!

故事是這麼開始的:當病毒入侵細菌,會把自己的 DNA 注入到細菌中,企圖霸佔細菌工廠的資源,複製新病毒。但細菌也不會乖乖挨打,它們的免疫系統可以辨識、摧毀病毒的 DNA。這是一場微觀世界的閃電戰,細菌的反擊必須夠快、夠準,才有機會存活!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

有些細菌僥倖存活後,會挑選一段病毒的 DNA 碎片,插入自己的 CRISPR 序列 (增加一段 Spacer),就像為病毒建立「罪犯資料庫」。當病毒第二次入侵,細菌就能依靠 CRISPR 序列快速認出這種病毒,第一時間反殺,提高存活率。

細菌遇到病毒入侵,細菌的 Cas9 會剪下病毒的一段 DNA,插在自己的基因組上,就好像為病毒建立「罪犯資料庫」。
圖說設計│黃曉君、林洵安 資料來源│凌嘉鴻

細菌是如何認出病毒的呢?首先,細菌會用舊病毒的 DNA 片段 (Spacer) 當模板,打造一條互補的引導 RNA,例如病毒 DNA 的鹼基是 T、RNA 是 A,DNA 是 G、RNA 是 C,或是互相顛倒。引導 RNA 再利用這種互補關係,比對新病毒 DNA 片段,如果可以互補,表示新舊病毒相同。

然後,一種可以切割 DNA 的酵素 Cas9 (武裝警察),會抓著這段引導 RNA (嫌犯資料),前去「盤查」新病毒的 DNA,看看有沒有跟引導 RNA 互補的段落。這一次反過來,RNA 是 A,DNA 是 T;RNA 是 C,DNA 是 G,或是互相顛倒。

一旦找到了,Cas9 立刻剪開「被認出」的 DNA 片段。DNA 被剪斷摧毀,病毒就沒戲唱了。這種細菌的免疫機制,稱為 CRISPR-Cas9。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

基因神剪 CRISPR

這麼基礎的細菌免疫學,跟基因編輯有什麼關係呢?想想,基因編輯的關鍵是:找到一把可以切開 DNA,又不會隨便亂剪的分子級剪刀。細菌的 Cas9 酵素,憑著一段引導 RNA,就能精準「喀擦」鎖定的 DNA 片段。好剪刀,不用嗎?

實務上的操作方法很簡單:先將 Cas9 做好、放入冰箱,想要剪某段 DNA,就訂做一條互補的引導 RNA。然後將 Cas9 解凍、與引導 RNA 結合,再用電擊的方式進入細胞,讓它去剪下錯誤的基因。

壞基因剪下來了,怎麼貼上好的基因?因為細胞天生會自動修補受損的 DNA,只要把正確的基因送進細胞核,就有機會被細胞拿來修補 Cas9 剪下的斷口,完成基因編輯!

圖說設計│黃曉君、林洵安

基因編輯技術大躍進

CRISPR 不是第一把基因剪刀。早在 1990 年代,科學家就開發了許多種能「剪開」DNA 的酵素。每種酵素有自己的特殊結構,只能跟特定的 DNA 片段結合,藉此精準切割目標基因。只不過,如果研究者想剪開另一段 DNA,即使序列只有一點點差異,也要花費兩三個月重新設計、組裝全新的酵素,技術複雜、耗時又花錢。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

直到 2012 年,科學家找到 CRISPR 這把神剪!它不像過去的酵素剪刀:剪一種基因,設計組裝一把酵素剪刀。CRISPR 從頭到尾只用一把萬能酵素剪刀 Cas9,加上一條引導 RNA,就能切割所有的 DNA。目標基因換了,訂購一條 RNA 就好,不需要重新設計複雜的酵素,技術和價格門檻都非常低。

所以 CRISPR 一問世,立刻鋪天蓋地應用在細菌、真菌、動物、植物、人類醫學。2010 年 有關 CRISPR 的論文不到 50 篇,到了 2015 年,已暴增到 1100 篇。

基因編輯治療免疫疾病

「既然 CRISPR 這麼好用,是不是可以終結所有的遺傳疾病了?」可惜的是,這把剪刀還有很多技術上的瓶頸, 還不適合直接治療人體細胞。

「最重要的瓶頸之一:這把細菌的基因剪刀用在人體的 DNA,不是百分百準確。」凌嘉鴻慎重提醒。

Cas9 能辨認的序列是 23 個鹼基,但人體 DNA 鹼基序列有 65 億個,Cas9 想要找到正確的序列,宛如大海撈針!

以統計學方法來算,要從 65 億個鹼基序列裡找到一條獨一無二的序列,長度至少要 28 個,低於這個數字,找到的可能只是相似的序列,因此 Cas9 無法保證統統剪對位置。當 Cas9 切錯位置,可能造成難以想像的副作用。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

「目前比較安全的作法,是先從病人體內取出細胞修改,確定沒問題再放回體內。」凌嘉鴻說。不過,大部分細胞、組織都不可能任意取出,只有隨時懸浮在血液中的免疫細胞,抽血就能取得。 如果有人免疫細胞先天不足,可以先把它們取出體外,修改基因,例如把 T 細胞取出來,「教會」它們癌細胞長什麼樣子,再把「變聰明」的 T 細胞放回體內,找出癌細胞進行摧毀。

目前基因編輯還不適合直接編輯人體內的細胞,比較安全的做法是把細胞拿出,在體外編輯,例如:修正免疫細胞的基因,治療免疫疾病。
圖說設計│黃曉君、林洵安 圖片來源│凌嘉鴻

最近幾年,很多醫藥或癌症研究都轉向 CRISPR,像中國很早就開始將 CRISPR 搭配免疫療法,美國、歐洲也漸漸跟上。 CRISPR 還可用在幹細胞,先從病人身體取出幹細胞,先在體外進行基因編輯,再放回體內分化成各種健康細胞,更是潛力無窮!

想知道基因編輯寶寶現階段為什麼母湯?CRISPR 還要克服哪些技術難題,才能安全的編輯人體基因?到了那一天,人體基因編輯的界線又該劃在哪裡?請看下一篇專訪

延伸閱讀

本文轉載自中央研究院研之有物,原文為人體基因編輯是在編什麼?五分鐘搞懂基因神剪 CRISPR,泛科學為宣傳推廣執行單位

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度
研之有物│中央研究院_96
296 篇文章 ・ 3638 位粉絲
研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

0

2
1

文字

分享

0
2
1
上網也要有「技術」!從言論、隱私到國安,你我都該懂的界線
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/12/18 ・2366字 ・閱讀時間約 4 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

本文由 國家通訊傳播委員會 委託,泛科學企劃執行。 

以為鍵盤俠天下無敵?小心一個不留神就觸法!人們常忽略「網路並非法外之地」這個重要事實。不只現實生活中的法律同樣適用於網路空間,隨著科技發展,更多應網路特性而生的法律規範也相繼出現。從基本的言論自由到隱私權保護,從智慧財產權到國家安全,法律體系正全面性地回應數位時代的種種挑戰。

在臺灣,網路上的言論自由權利源自《憲法》第 11 條的明確規定:「人民有言論、講學、著作及出版之自由。」釋字第 509 號則指出,「國家應給予最大限度之維護,俾其實現自我、溝通意見、追求真理及監督各種政治或社會活動之功能得以發揮。」網路快速傳播的特性放大了言論的影響力,而大法官的解釋將言論自由的邊際刻畫得更明確,這在數位時代裡顯得格外重要。

網路與社群媒體的快速傳播,放大了言論的影響力。圖/unsplash

網路上的性、暴力與未成年保護

顯然言論自由並非是毫無限制,2023 年 11 月的一起案件就展現其中一種界線的樣貌。當時,一名 36 歲男子將他和網友在網咖的性愛影片上傳至推特,還寫下「《網咖包廂實戰計 1》我跟某公司 OL 戰鬥」等文字。這段影片一經發布,當事女子立即採取法律行動。最終,法院依其以網際網路「供人觀覽猥褻影像」的罪名,判處該名男子拘役 30 日,得易科罰金。這個判決清楚說明了,即便在虛擬空間,散布猥褻影像仍須承擔實質的法律責任。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

特別是在保護未成年人方面,法律的規範更加嚴格。《刑法》第 235 條明文禁止散布、播送或販賣猥褻物品,無論形式是圖文、聲音還是影像。而《兒童及少年性剝削防制條例》第 36 條更進一步禁止任何形式的兒童色情製品被製造、散布和持有。2019年彰化縣曾層發生過這樣一起案件:一名陳姓中年男子將9歲女童帶往居所,不僅強迫她觀看色情影片,還對她進行猥褻行為,甚至將過程上傳至 Google 雲端。儘管他後來試圖以資助女童就學表達悔意,法院仍以加重強制猥褻等罪,判處他 4 年 4 個月有期徒刑。

不實言論的散布同樣可能觸犯法律。2021 年 9 月爆發的「台大狼師案」就是一個警示。一名女大生在網路上指控教師誘騙她發生關係並傳染性病,幾個月後又指控對方對她進行強制性行為。當她提出告訴時,檢方卻查無性侵事實,加上她反覆的說詞,不僅性侵告訴失敗,還因誹謗罪反被加重判刑。

當駭客、間諜都轉戰網路戰場

2013 年,一名退役空軍上校赴陸經商時被情治單位吸收,返台後透過人脈網絡發展組織、刺探軍事機密,並以空殼公司掩護非法報酬,這個情報網持續運作了 8 年之久。

在涉及國家安全的議題上,法律的態度更是嚴厲。根據《國家安全法》第 2 條的規定,任何人都不得為境外敵對勢力及其控制的組織、機構進行資助、主持、操縱、指揮或發展組織,更不能洩漏、交付或傳遞公務機密,違反者將面臨嚴厲的刑事處罰。《刑法》規定,意圖破壞國體、竊據國土,或以非法方法變更國憲、顛覆政府者,處7年以上有期徒刑,首謀更要判處無期徒刑。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

抄襲與轉貼的邊界在哪裡?

在智慧財產權的保護上,臺灣也經歷了數位時代的轉變。台灣第一個網路著作權相關判決,就發生在傳統出版與數位平台的碰撞之中。南方社區文化網路負責人陳豐偉等三人在中山大學 BBS 上發表的文章,未經同意就被《光碟月刊》收錄在隨刊光碟中發行。三人向台北地檢署提告後,《光碟月刊》發行人兼總經理黃俊義被判處七個月有期徒刑,緩刑三年。這個判決為數位時代的著作權保護樹立了重要典範。

臺灣首例網路著作權案判決,為數位時代智慧財產權保護樹立典範。圖/envato

近年來,影音平台的著作權爭議更趨複雜。2022 年,知名 YouTube 頻道「觸電網」就因為片商車庫娛樂檢舉七十多支未經授權的影片,導致經營 12 年的頻道被迫下架。車庫娛樂透過律師聲明,這是針對「未經合法授權影音內容」的標準處理,並表明將追究民事與刑事責任。

受害了怎麼辦?申訴管道報你知

當我們在網路上的權利受到侵害時,可以根據侵害類型尋求不同的救濟管道。最基本的言論自由權利受到侵犯時,可以先向社群平台提出檢舉。若遇到更嚴重的情況,如散布猥褻影像、非法性私密影片等,除了平台檢舉外,還可以向警方提告,或是尋求衛福部「性影像處理中心」的協助。

在面對網路霸凌、不實言論時,可以向台灣事實查核中心、MyGoPen 等組織求助,協助澄清真相。若發現有害兒少身心健康的不當內容,則可以向 iWIN 網路內容防護機構提出申訴。這個由國家通訊傳播委員會支持的組織,會在受理後進行查核、轉介業者改善或依法處理。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

智慧財產權的侵害在網路時代極為常見,就像「觸電網」遭片商檢舉下架的案例。這類情況可以透過平台既有的著作權保護機制處理,情節嚴重者也可以提起民事訴訟要求賠償。若發現可疑的廣告或不公平交易行為,則可以向公平交易委員會檢舉;若是特定領域的違規內容,則應該向各該主管機關反映,例如藥品廣告歸衛福部管轄、證券期貨廣告則由金管會負責。

網路時代的法律規範正不斷演進,從個人隱私到國家安全,從言論自由到智慧財產權,每個面向都在尋求數位環境下的最佳平衡點。作為網路使用者,我們必須理解並遵守這些法律界線,同時也要懂得運用各種救濟管道保護自身權益。唯有每個人都清楚了解並遵守這些規範,才能共同營造一個更安全、更有序的網路環境。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度

討論功能關閉中。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
222 篇文章 ・ 313 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

0

1
0

文字

分享

0
1
0
當心網路陷阱!從媒體識讀、防詐騙到個資保護的安全守則
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/12/17 ・3006字 ・閱讀時間約 6 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

本文由 國家通訊傳播委員會 委託,泛科學企劃執行。 

網路已成為現代人生活中不可或缺的一部分,可伴隨著便利而來的,還有層出不窮的風險與威脅。從充斥網路的惡假害訊息,到日益精進的詐騙手法,再到個人隱私的安全隱憂,這些都是我們每天必須面對的潛在危機。2023 年網路購物詐欺案件達 4,600 起,較前一年多出 41%。這樣的數據背後,正反映出我們對網路安全意識的迫切需求⋯⋯

「第一手快訊」背後的騙局真相

在深入探討網路世界的風險之前,我們必須先理解「錯誤訊息」和「假訊息」的本質差異。錯誤訊息通常源於時效性考量下的查證不足或作業疏漏,屬於非刻意造假的不實資訊。相較之下,假訊息則帶有「惡、假、害」的特性,是出於惡意、虛偽假造且意圖造成危害的資訊。

2018 年的關西機場事件就是一個鮮明的例子。當時,燕子颱風重創日本關西機場,數千旅客受困其中。中國媒體隨即大肆宣傳他們的大使館如何派車前往營救中國旅客,這則未經證實的消息從微博開始蔓延,很快就擴散到各個內容農場。更令人遺憾的是,這則假訊息最終導致當時的外交部駐大阪辦事處處長蘇啟誠,因不堪輿論壓力而選擇結束生命。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

同年,另一則「5G 會抑制人體免疫系統」的不實訊息在網路上廣為流傳。這則訊息聲稱 5G 技術會影響人體免疫力、導致更容易感染疾病。儘管科學家多次出面澄清這完全是毫無根據的說法,但仍有許多人選擇相信並持續轉發。類似的例子還有 2018 年 2 月底 3 月初,因量販業者不當行銷與造謠漲價,加上媒體跟進報導,而導致民眾瘋狂搶購衛生紙的「安屎之亂」。這些案例都說明了假訊息對社會秩序的巨大衝擊。

提升媒體識讀能力,對抗錯假訊息

面對如此猖獗的假訊息,我們首要之務就是提升媒體識讀能力。每當接觸到訊息時,都應先評估發布該消息的媒體背景,包括其成立時間、背後所有者以及過往的報導記錄。知名度高、歷史悠久的主流媒體通常較為可靠,但仍然不能完全放下戒心。如果某則消息只出現在不知名的網站或社群媒體帳號上,而主流媒體卻未有相關報導,就更要多加留意了。

提升媒體識讀能力,檢視媒體背景,警惕來源不明的訊息。圖/envato

在實際的資訊查證過程中,我們還需要特別關注作者的身分背景。一篇可信的報導通常會具名,而且作者往往是該領域的資深記者或專家。我們可以搜索作者的其他作品,了解他們的專業背景和過往信譽。相對地,匿名或難以查證作者背景的文章,就需要更謹慎對待。同時,也要追溯消息的原始來源,確認報導是否明確指出消息從何而來,是一手資料還是二手轉述。留意發布日期也很重要,以免落入被重新包裝的舊聞陷阱。

這優惠好得太誇張?談網路詐騙與個資安全

除了假訊息的威脅,網路詐騙同樣令人憂心。從最基本的網路釣魚到複雜的身分盜用,詐騙手法不斷推陳出新。就拿網路釣魚來說,犯罪者通常會偽裝成合法機構的人員,透過電子郵件、電話或簡訊聯繫目標,企圖誘使當事人提供個人身分、銀行和信用卡詳細資料以及密碼等敏感資訊。這些資訊一旦落入歹徒手中,很可能被用來進行身分盜用和造成經濟損失。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
網路詐騙手法不斷進化,釣魚詐騙便常以偽裝合法機構誘取敏感資訊。圖/envato

資安業者趨勢科技的調查就發現,中國駭客組織「Earth Lusca」在 2023 年 12 月至隔年 1 月期間,利用談論兩岸地緣政治議題的文件,發起了一連串的網路釣魚攻擊。這些看似專業的政治分析文件,實際上是在臺灣總統大選投票日的兩天前才建立的誘餌,目的就是為了竊取資訊,企圖影響國家的政治情勢。

網路詐騙還有一些更常見的特徵。首先是那些好到令人難以置信的優惠,像是「中獎得到 iPhone 或其他奢侈品」的訊息。其次是製造緊迫感,這是詐騙集團最常用的策略之一,他們會要求受害者必須在極短時間內作出回應。此外,不尋常的寄件者與可疑的附件也都是警訊,一不小心可能就會點到含有勒索軟體或其他惡意程式的連結。

在個人隱私保護方面,社群媒體的普及更是帶來了新的挑戰。2020 年,一個發生在澳洲的案例就很具有警示意義。當時的澳洲前總理艾伯特在 Instagram 上分享了自己的登機證照片,結果一位網路安全服務公司主管僅憑這張圖片,就成功取得了艾伯特的電話與護照號碼等個人資料。雖然這位駭客最終選擇善意提醒而非惡意使用這些資訊,但這個事件仍然引發了對於在社群媒體上分享個人資訊安全性的廣泛討論。

安全防護一把罩!更新裝置、慎用 Wi-Fi、強化密碼管理

為了確保網路使用的安全,我們必須建立完整的防護網。首先是確保裝置和軟體都及時更新到最新版本,包括作業系統、瀏覽器、外掛程式和各類應用程式等。許多網路攻擊都是利用系統或軟體的既有弱點入侵,而這些更新往往包含了對已知安全漏洞的修補。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

在使用公共 Wi-Fi 時也要特別當心。許多公共 Wi-Fi 缺乏適當的加密和身分驗證機制,讓不法分子有機可乘,能夠輕易地攔截使用者的網路流量,竊取帳號密碼、信用卡資訊等敏感數據。因此,在咖啡廳、機場、車站等公共場所,都應該避免使用不明的免費 Wi-Fi 處理重要事務或進行線上購物。如果必須連上公用 Wi-Fi,也要記得停用裝置的檔案共享功能。

使用公共 Wi-Fi 時,避免處理敏感事務,因可能存在數據被攔截與盜取的風險。圖/envato

密碼管理同樣至關重要。我們應該為不同的帳戶設置獨特且具有高強度的密碼,結合大小寫字母、數字和符號,創造出難以被猜測的組合。密碼長度通常建議在 8~12 個字元之間,且要避免使用個人資訊相關的詞彙,如姓名、生日或電話號碼。定期更換密碼也是必要的,建議每 3~6 個月更換一次。研究顯示,在網路犯罪的受害者中,高達八成的案例都與密碼強度不足有關。

最後,我們還要特別注意社群媒體上的隱私設定。許多人在初次設定後就不再關心,但實際上我們都必須定期檢查並調整這些設定,確保自己清楚瞭解「誰可以查看你的貼文」。同時,也要謹慎管理好友名單,適時移除一些不再聯繫或根本不認識的人。在安裝新的應用程式時,也要仔細審視其要求的權限,只給予必要的存取權限。

提升網路安全基於習慣培養。辨識假訊息的特徵、防範詐騙的警覺心、保護個人隱私的方法⋯⋯每一個環節都不容忽視。唯有這樣,我們才能在享受網路帶來便利的同時,也確保自身的安全!

-----廣告,請繼續往下閱讀-----
文章難易度

討論功能關閉中。

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
222 篇文章 ・ 313 位粉絲
充滿能量的泛科學品牌合作帳號!相關行銷合作請洽:contact@pansci.asia

0

2
0

文字

分享

0
2
0
從門得列夫到 118 種元素:元素週期表是怎麼出現的?
F 編_96
・2025/01/04 ・2302字 ・閱讀時間約 4 分鐘

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

F 編按:本文編譯自 Live Science

「氫鋰鈉鉀銣銫砝、铍鎂鈣鍶鋇镭…」相信很多人離開高中很多年,都還朗朗上口。

列著 118 種已知化學元素的「元素週期表」(Periodic Table),雖然唸起來像咒文,但有了它之後便能夠快速查詢原子序(proton number)、價電子(valence electrons)數量,以及元素可能的化學性質,成為各領域科學家與工程師設計實驗、預測物質反應必不可少的工具。

有趣的是,元素週期表並非一蹴可及。縱觀歷史,化學家們歷經數世紀的摸索、爭論與資料整理,才在 19 世紀後半葉逐漸確立。

我們現在看到的元素週期表,是在 19 世紀後半才逐漸確定。 圖/unsplash

週期表之父:門得列夫的突破

19 世紀中葉,已知的化學元素約有 63 種,許多化學家嘗試找出元素間的共同點,卻苦無系統性整理。當時能區分「金屬」與「非金屬」,或利用價電子概念將一些元素歸類,但要涵蓋大多數元素仍顯不足。俄國化學家門得列夫在撰寫《化學原理》教科書時,因接觸各元素的資料而產生新思路。他索性把已知元素各種性質寫在紙卡上,再一一比對它們的原子量(類似當今的原子量或原子序概念)與化學性質。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

確切的靈光乍現時刻,如今已無從完全重現,但我們知道門得列夫最後觀察到:「如果按照原子量(或後來的原子序)由小到大排列,某些化學性質就會呈週期性重複。」進一步來看,元素的價電子數量通常也會對應到表格的「欄位」或「族群」。於是,在 1869 年,他將研究結果發表,提出了第一版週期表的雛形,更大膽預言了尚未被發現的元素「eka-aluminium」(後來證實即鎵 gallium)及其他四種元素的性質。

讀懂週期表:原子序、符號與原子量

今日的週期表之所以能快速讓人獲得豐富資訊,關鍵在於三個核心欄位:

  1. 原子序(Atomic Number)
    代表該元素核內所含質子數。如果一原子核有 6 顆質子,就必定是碳(C),無論其他中子或電子數如何。此序號由上而下、由左而右遞增,貫穿整張表格。
  2. 元素符號(Atomic Symbol)
    多為一至兩字母縮寫,如碳(C)、氫(H)、氧(O)。但也有如鎢(W,因「Wolfram」得名)或金(Au,取自拉丁文「Aurum」)等較不直覺的符號。
  3. 原子量(Atomic Mass)
    表示該元素在自然界中各同位素的加權平均值,故通常是帶小數的數字。對合成元素則標示最常見或最穩定同位素的質量,但由於這些元素壽命極短,數值往往會被不斷修正。

舉例來說,硒(Se)在週期表中顯示原子序 34,屬於第 4 週期、第 6A 族,表示它有四層電子軌域,其中最外層(價電子層)有 6 顆電子。有了這些資訊,科學家可快速判斷硒的化學傾向、可形成何種化合物,乃至於在生物或工業應用中可能扮演的角色。

週期表的內部結構:週期、族與軌域

門得列夫最初按照原子量遞增排列元素,現代則依靠原子序(即質子數)來分類。橫向稱為「週期」(Period),從第 1 週期到第 7 週期;縱向稱為「族」(Group),目前總共有 18 組。週期數量在於顯示該元素電子軌域有幾層;而同一族則代表外層價電子數相同,故有相似化學性質。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

例如,第 18 族常被稱作「貴氣體」或「惰性氣體」,如氦(He)、氖(Ne)、氬(Ar)等皆不易與其他元素起反應。另一個顯著群體是位於第一族的鹼金屬(Alkali Metals),如鋰(Li)、鈉(Na)等,因外層只有 1 顆電子,極容易失去該電子而形成帶 +1 價的陽離子,故與水猛烈反應。

此外,在表格中央有一塊「過渡元素」(Transition Metals)區域,包括鐵(Fe)、銅(Cu)、鎳(Ni)、金(Au)、銀(Ag)等。它們具有部分填充的 d 軌域,使得該區域的元素呈現多樣性質,例如具有金屬光澤、可塑性或導電性等,被廣泛應用於工業及工程領域。

同一族的外層價電子數相同,因此大多有著相似化學性質。圖/unsplash

再進化:從 63 種到 118 種

當門得列夫在 1869 年發表週期表時,已知元素只有 63 種,表格中甚至留有空白以預留「未來或存在尚未發現的元素」。他果然預測到了鎵(Ga)以及日後證實的日耳曼ium(Ge)等新元素性質,贏得舉世矚目。隨後,有越來越多元素透過科學發展,尤其是光譜分析與放射性研究而被發現,例如鐳(Ra)和氡(Rn)等。

到 20 世紀後期,隨著粒子加速器的誕生,人類可以合成更重的超鈾元素(Atomic Number > 92)。這些人工合成元素往往極度不穩定,壽命僅能以毫秒或微秒計,但仍證實存在、並填補週期表後段空白。如今,週期表已收錄到第 118 號元素「鿆(Og,Oganesson)」,但科學家預測或許還能繼續向上延伸;只要能合成更重、更穩定的原子核,我們就能拓展週期表的新邊境。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

一般認為,隨原子序遞增,原子核內部的質子數目激增,原子愈趨不穩,往往在極短時間內衰變成較輕元素。然而,一些理論物理學家提出「島狀穩定性」(Island of Stability)的概念:也許在某特定質子與中子數量組合下,能出現意外長壽的「穩定」重元素。

是否真能在表格上方再增添「第八週期」甚至更高週期的列,仍有待更多實驗來驗證。但無法否認的是,週期表一直是科學家檢驗自然規律的試驗場,也見證了人類探索未知的無盡熱情。

-----廣告,請繼續往下閱讀-----

討論功能關閉中。

F 編_96
21 篇文章 ・ 0 位粉絲
一個不小心闖入霍格華茲(科普)的麻瓜(文組).原泛科學編輯.現任家庭小精靈,至今仍潛伏在魔法世界中💃