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地球缺水46億年前已注定

臺北天文館_96
・2012/08/12 ・2243字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 511 ・六年級

既有大片的海洋,又有蜿蜒數百公里的大河,南北兩極還有巨型冰河,地球看起來太不像一個缺水的星球了。但其實不然,我們這個星球的質量僅只有不到1%是水,多虧了有些彗星和小行星在地球剛形成後不久便投奔向地球的懷抱中,地球上質量不到1%的一丁點水,恐怕還是彗星和小行星為我們帶來的伴手禮。

地球缺水的事實一直令天文學家費疑猜。按照過去標準模型的解釋,數十億年前,太陽系由一個以太陽為中心而繞行的原行星盤所形成,原行星盤由氣體和塵埃組成,在這個標準模型裡也同樣預估:我們的地球應該是個水成分很高的水世界。因為圍繞在太陽四周圍有一塊溫度夠低的區域,在那兒盤面上的一些東西因為冷凝結成冰,而地球的位置,不但就應該在那區塊中,形成地球的材質也應該是冰顆粒。換句話說,地球應該富含水。到底為什麼?我們的星球其實是這麼乾巴巴的呢?

地球為什麼比這個模型所預期的乾了那麼多呢?太空望遠鏡科學實驗室(STSI)的Rebecca Martin和Mario Livio兩位天文學家所率領的團隊最近將環繞在太陽周圍的一圈形成行星的殘骸物質吸積盤模型,重新做了一個新分析,提出了一個相當令人滿意的解釋。他們獲得的結果是,我們的地球是在所謂的「雪線」以內、一塊更乾更熱的區域裡、以岩質材料形成。今天,太陽系裡所謂的雪線的位置是在小行星帶中央,在火星和木星之間、一圈很像「碎石集中場」的地方,而超過所謂的「雪線」以外,陽光相對變弱,便不再能溶化原行星盤所殘餘的冰顆粒了。先前的吸積盤模型認為,45億年前,也就是最早地球成形的那時,雪線離太陽非常近。然而Rebecca Martin和Mario Livio的分析結果卻是:「雪線從來沒有遷徙到小於地球軌道裡面過」,這和標準吸積盤模型主張的結果不同不打緊,甚至研究員還認為雪線應該停留在離太陽遠遠的地方-遠到超過地球軌道以外,這才能合理解釋地球為什麼是一顆水不多的乾行星。事實上,新的模型還認為,包括水星、金星和火星這幾顆太陽系的內行星在內,同樣也都該是質地乾燥的行星才對。

這項研究已獲刊載於皇家天文學會月訊期刊。

讓我們再回到傳統模型的假設,在那裡:圍繞在太陽四周的原行星盤是處於完全電離的狀態(電離的意思是原子裡的電子被剝離),不斷地朝它的母恆星成漏斗狀輸送物質,盤的溫度會因此升高。雪線起初位在遠離恆星的地方,大約16億公里遠,經過一段時間,盤面物質告罄,溫度冷卻下來,將雪線朝向內側漸漸地吸引拖拉,在地球取得足夠物質並形成為一顆行星以前,雪線的遷徙足跡由外向內跨過地球軌道,跑到小於地球軌道以內的地方。

不過問題是,如果地球生成的時候,雪線的位置在地球軌道以內,換言之,地球是位在雪線外圈,那麼地球應該是一顆多冰的天體,就像天王星及海王星這些形成於雪線外的行星一樣,組成成分有百分之好幾十都是水。但是地球的水卻不多,這個麻煩很難解釋。

事實上新的突破成果正是因為這兩位研究員找上了傳統雪線遷徙模型的一個麻煩,研究才有了開始。因為他們想「環繞在年輕恆星四周的吸積盤應該是不會完全電離的才對,它們不應該和傳統的原行星盤模型一模一樣,因為它們的熱度和輻射都不足以電離整個行星盤。」

譬如像是白矮星和X射線源等這些天體,因為非常熱,它們可以釋放充分的能量來電離吸積盤,但是事實上年輕恆星卻既沒有足夠的輻射,而那些朝它不斷下落的物質,能量也不夠多到可以供應電離整個吸積盤所需的重量級「拳打腳踢」。

所以,要是吸積盤沒有被電離,物質被吸引穿過重重區域而朝向恆星遷徙的機制就不存在,這導致的結果是,環繞在恆星太陽四周的氣體和塵埃,既然不會向內移動,它們便在吸積盤上形成死亡區,一個典型的死亡區的範圍大約有0.1到好幾個AU大小(AU是地球和太陽間的距離,約等於1.5億公里,是一個基本的天文距離單位),它像栓塞一樣攔阻物質朝著靠近太陽的遷徙之路繼續前進,物質會在死亡區裡囤積,死亡區的密度也會漸漸增加,比方說,就好像演唱會時在等候進場管制的門打開之前,人潮塞爆了出入口處,是一樣的道理。

物質的密度藉由重力壓縮開始升溫,過程中,栓塞區的四周也受到加熱,含冰物質的水分因此被蒸發掉而變得很乾燥。地球就是生成在這個註定很乾的區域裡。原本謎題待解的標準模型在這樣的變動調整下,也就變得能夠清楚解釋地球為何並未形成一顆富含水分的星球了。

關於新模型,最後研究員附加了一條但書說明:改版的模型也許未必適用於所有年輕恆星的吸積盤。吸積盤的條件因恆星各種不同而有所差異,這就和世上許多其他事情一樣,如何拍板決定地球形成的最終結果?全由當時的各種機會決定了。(Lauren譯)

圖說:

這張鳥瞰圖用兩個盤狀圖說明46億年前原行星盤有著一個以初誕生的太陽為中心的結構。在盤中,太陽系大家庭的各個行星們因黏聚塵埃和冰粒而聚結成塊。

左右兩個模型之間的主要區別在於所謂雪線的位置,雪線是個分隔島,分出兩個性質互異的區域,一個溫暖乾燥,另一個冰冷而紊亂。

左側是原來標準的磁盤模型,地球形成於雪線外的冰冷區。根據這個模型,地球應該含有大量的水,因為形成地球的主要成分應該會是冰。然而,據估計,地球的水質量只有不到1%,向來令科學家百思不得解。

右圖這個原始行星盤中畫出了一個新模式,地球形成於雪線內一個乾燥的地區,雪線離太陽遠得多了。而這個模型也能夠解釋為什麼地球的屬性應該是乾燥的。右方這個模型所提供的新見解在我們前往銀河系去尋找類地行星而需要豐度估計時,可以好好派上用場。

資料來源:中研院天文網[2012.08.03]

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》