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暗物質絲跡乍現

臺北天文館_96
・2012/07/16 ・1434字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 568 ・九年級

如果說宇宙是靠暗物質的框架撐起來的一個軀幹,那麼現在我們已經找到了其中的 –一根手指頭,或許最後這根手指還能為我們指向「星系是在哪裡成型」的終極答案!現在。研究人員已經直接偵測到橋接了兩星系團之間的一段細長狀的暗物質。而他們所運用的這種觀測技術,應該能幫助天文物理學家了解宇宙結構,並且可以辨認出一種神祕不可見、被稱為「暗物質」的物質。

根據宇宙學的標準模型,可見的恆星和星系是以一個通常我們以「宇宙網」稱之的模式,分布在整個天空中,最初,這個網是被暗物質所「蝕刻」出來的。一般認為,宇宙物質的80%由暗物質組成。德國慕尼黑大學觀測站的宇宙學者Jorg Dietrich在解釋本次研究內容時表示,話說在「大霹靂」後不久,有些較重的區域會把暗物質拉進去,它們彼此成「塊狀」聚集成團,並且最後塌縮成扁平狀的「鬆餅」,在「鬆餅」交會的區域裡,會有長條狀或是絲狀結構的暗物質。而這些絲狀結構交會的地區,也就是宇宙網中所謂的「節點」處,星系群,也就是在那裡形成。

暗物質的存在與否通常是以推估而得。推估的方式是,藉由很強的重力彎曲了位置在它背後的遙遠星系所發出的光的這種現象,去做進一步推算。從地球上的望遠鏡的角度看,強大的重力常會使遠方星系的形狀呈扭曲變形,不過,要是使用重力透鏡這種方式的話,那卻很難觀測到呈現於絲狀結構下的暗物質,因為,相對的,它的質量甚小。

研究員Dietrich領軍的這個團隊,靠觀測一個大質量絲狀結構的方式,閃過了這個觀測上的難題,因為這個連接在Abell 222和Abell 223這兩個星系群之間的這一條「絲」,長達18Mpc(百萬秒差距)。事實上,很幸運的是,這座暗物質「橋」的角度和位置都非常剛好,恰到好處地沿著適合從地球的角度去觀測的方式擺放在那裡,這使得重力透鏡獲得了強化的效果。在這個叫做「重力透鏡」的工具的幫忙下,研究人員一共檢視分析了4萬多個背景星系的變形資料,最後連絲狀結構的質量也推算出來:它大約有太陽質量的6.5 × 10^13倍到 9.8 × 10^13倍左右。

絲狀結構的電漿所發出的X射線資料,透過XMM-牛頓衛星觀測站可以獲得, 在加以計算後,於是研究人員得知:在這個絲狀結構中,熱氣體的質量佔不超過9%,而透過電腦模擬分析則是知道,其中,可見物質的恆星和星系等的比例也不超過10%,也就是說,絲狀結構中,大部份當然都是由暗物質所組成的。

來自美國MIT的天文學者Mark Bautz表示,目前為止,天文學家還不清楚可見物質會如何遵循暗物質所建立起來的路徑架構,所以,在這個不尋常的系統中,最令人感到振奮的部份就是在於,它是能同時繪製出暗物質和可見物質地圖的一個系統,如此一來,應能知這道兩者能如何沿著絲狀結構的路徑互相接連和進行演化。日本預定在2014年即將發射一座X射線太空望遠鏡”Astro-H”,屆時這座儀器將能進一步取得絲狀結構中電漿的電離態和溫度等等特性資料,更精確地辨別出這種絲狀結構如何形成,在不同模型間有哪些差異。

因為不同特性的粒子在絲狀結構中團結成塊的方式也有所不同,譬如說它的粒子特性是冷的(移動得慢)或者它像中子一樣,是溫的(移動得快),這些特性都有其意義,進一步將這種技術加以微調,將有助於描繪出暗物質的諸多細節和特性。預定2019年將發射的Euclid太空計劃,屆時也可以提供更多的重力透鏡資料。相對於以直接方式去搜尋暗物質的科學努力(譬如LHC,強子對撞器),重力透鏡技術具有其互補的價值。一位ETH Zurich的天文學者Alexandre Refregier作出以上表示。(Lauren 譯)

資料來源:中研院天文網[2012.07.09]

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》