網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策

0

0
1

文字

分享

0
0
1

南極望遠鏡的觀測數據有助於了解暗能量

國科會 國際合作簡訊網
・2012/06/28 ・2029字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 578 ・九年級

南極望遠鏡的資料支持愛因斯坦的宇宙常數

從 10 公尺的南極望遠鏡(South Pole Telescope, SPT)得到的數據分析對最廣為人們接受的暗能量(dark energy)解釋提供了新的支持。暗能量是負責加速宇宙膨脹的神秘力量來源。這些數據強烈支持愛因斯坦(Albert Einstein)的暗能量模型 ─ 宇宙常數(cosmological constant)。

圖片來源:McGill University

研究結果也開始把注意力放在微中子(neutrino)的質量上。微中子是宇宙中最豐富的粒子,直到最近被認為是不具質量的。一系列關於 SPT 發現的論文已經提交給天體物理學期刊(Astrophysical Journal)。

加拿大麥吉爾大學(McGill University)物理學教授 Gil Holder 表示,「最新發表的結果只是我們利用南極望遠鏡研究的開始,現在的分析只是根據我們目前所發現的 500 多個星系團(galaxy clusters)中的 100 個星系團。我們預期會有完整的資料集更嚴格限制在暗能量及微中子質量。

最近麥吉爾大學教授 Matt Dobb、博士後研究員 Keith Vanderlinde 與研究生 Tijmen de Haan 剛從南極回來,他們安裝了一個新的探測器讀出系統(detector readout system)到望遠鏡上。該系統是由唯一參與這項計畫的加拿大麥吉爾大學所開發並建造的。這項具備新檢測技術的電子系統將使望遠鏡能尋找大爆炸後的幾分之一秒所產生的特徵(signature),和改善測量物質和微中子性質的方法。

暗能量最廣為接受的特性是它造成在宇宙中一直無處不在的滲透力。這種力量可能是能量空間的結果,即使空間裡沒有物質和輻射。這種空洞空間的能量稱為宇宙常數,是由愛因斯坦提出的假設,用來解釋為什麼宇宙是靜止、而沒有瓦解。愛因斯坦後來知道宇宙不是靜止而是在擴大中的,他認為這是他最大的錯誤之一。

在 90 年代末期,天文學家發現宇宙的膨脹似乎在加速,根據爆炸恆星相對一致的亮度來測量宇宙距離(cosmic-distance)。在大爆炸後,重力應該已經減緩了宇宙的膨脹。

在愛因斯坦的年代,主流的觀點是宇宙是靜止的。為了適合靜止的宇宙,愛因斯坦把宇宙常數引入他的廣義相對論。但他的常數也適合加速中的宇宙環境,現在有無數的天文觀測支持。其他人假設重力可以在最大的宇宙產生不同的作用。在任一種情況下,天文測量都指向目前尚未了解的新物理。

SPT 是專門設計來解決暗能量之謎。10 公尺的望遠鏡在毫米波的運作下,產生了宇宙微波背景(cosmic microwave background, CMB)的高解析度圖像,CMB 是大爆炸後遺留下來的光。科學家們利用 CMB 來研究遙遠的大規模星系,可以用於確定微中子的質量和暗能量的性質。

美國芝加哥大學(University of Chicago)Kavli 宇宙物理學研究所博士後研究員 Bradford Benson 表示,「CMB 確實是宇宙只有 40 萬年時的圖像,在宇宙中第一個行星、恆星和星系形成以前。CMB 已經走遍整個可觀測的宇宙,將近 140 億年,在旅程中有關宇宙的內容和演化資訊都刻印在 CMB 上。」Benson 在 4 月 1 日於亞特蘭大(Atlanta)舉行的美國物理學會(American Physical Society)會議中發表了 SPT 合作的最新研究發現。

當 CMB 通過星系團時,星團有效地留下陰影,使天文學家能發現宇宙中最龐大的星團,幾乎與它們的距離無關。麥吉爾大學研究生 Tijmen de Haan 是提交利用 SPT 數據及 X 光衛星記錄的影像組合來分析星系團的論文給天體物理學期刊的主要作者之一。de Haan 解釋,「這些測量顯示在整個宇宙的歷史中有多少個星團形成。這些是宇宙中最大的重力坍塌物體。他們的增長速度對微中子質量以及暗能量對宇宙結構生長的影響很敏感。他們揭露了構成宇宙的基石。」

微中子的存在是在 1930 年提出的。25 年後才第一次偵測到微中子,但仍然不知道其確切的質量。如果他們太重,他們會顯著影響星系和星系團的形成。

現在 SPT 團隊已經嚴格限制微中子的質量,產生的數值接近粒子物理測量所產生的預測值。

SPT 的研究也正被用於繪製宇宙中物質分布的地圖,以過去無法達成的精確度來測量宇宙微波背景天空中明顯位置的微妙移動(shift)。麥吉爾大學研究生 Alex van Engelen 在他最近提交給天體物理學期刊的論文中,提出目前對這種影響最精確的測量,解釋這些移動是主要由暗物質組成的質量變動(mass fluctuations)引起的重力而造成的。」

這項南極望遠鏡合作計畫由芝加哥大學領導,其他研究團隊包括阿岡國家實驗室(Argonne National Laboratory)、英國卡迪夫大學(Cardiff University)、美國凱斯西儲大學(Case Western Reserve University)、哈佛大學(Harvard University)、慕尼黑大學(Ludwig-Maximilians-Universität)、麥吉爾大學、美國史密松天文台(Smithsonian Astrophysical Observatory)、加州大學柏克萊分校(University of California at Berkeley)、加州大學戴維斯分校(University of California at Davis)、科羅拉多大學博爾德分校(University of Colorado at Boulder)、密西根大學(University of Michigan),以及其他機構的科學家們。

參與南極望遠鏡計畫的麥吉爾大學研究人員包括教學人員 Matt Dobbs、Gil Holder、博士後研究員 Amy Bender 和 Keith Vanderlinde、研究員 Tijmen de Haan、Jon Dudley、Alex van Engelen 及 James Kennedy。

SPT 的經費主要來自於美國國家科學基金會(United States National Science Foundation)極地計畫辦公室(Office of Polar Programs)。另外部分來自於 NSF 資助的 KICP 物理尖端中心(Physics Frontier Center of the KICP)、Kavli 基金會、Gordon 和 Betty Moore 基金會的支持。加拿大團隊獲得加拿大自然科學暨工程研究委員會(Natural Sciences and Engineering Research Council)、加拿大進階研究所(Canadian Institute for Advanced Research)及加拿大研究講座(Canada Research Chairs)計畫的支持。

作者:駐加拿大台北經濟文化代表處科技組
資料來源:South Pole Telescope data shedding light on dark energy—McGill University [2012-04-02]

轉載自國科會國際合作簡訊網 [2012-05-21]

文章難易度
國科會 國際合作簡訊網
47 篇文章 ・ 2 位粉絲


0

11
5

文字

分享

0
11
5

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

文章難易度
科技魅癮_96
1 篇文章 ・ 2 位粉絲
《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》