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堆放蘋果(球體)的最佳方式

國科會 國際合作簡訊網
・2012/09/01 ・1406字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 579 ・九年級
圖片來源:rustman@Flickr,根據創用CC-By 2.0條款使用

為了將蘋果置於架上,水果攤販很「自然地」將蘋果擺成底部為三角形的標準金字塔。一個法德團隊日前證明,選擇這種擺放方式是基於力學穩定性。該團隊的參與者包括由巴黎第十一大學(UPS)與法國國家科學研究中心(CNRS)共組的固態物理學實驗室。研究成果已刊登在《物理評論快報》(PRL)的網站上,應該可用來設計有組織性的多孔材料。

堆放蘋果或珠子的最佳方式是疊成一層層的金字塔狀,才能將最大的球體擠入最小的空間內。目前已經有好幾種方式,可以將相同的球體與同樣的體積擺成最大的密度。其中兩種廣為人知的方式,一種稱為「面心立方」(FCC),底部必須是三角形,以便盡可能堆出最小的金字塔;另一種稱為「六方最密堆積」(HCP),要堆出最小的金字塔時,底部須為六角形。面心立方是在每一層中規律性地重複三個不同的位置,成為「ABCABC……」的模式;六方最密堆積則是規律性地重複兩個不同的位置,成為「ABABAB……」模式。1611 年,科學家克卜勒(Johannes Kepler)藉著觀察砲彈的堆積模式,得出面心立方乃是最佳的球體堆積方式,後來也被果菜商廣為應用。

「面心立方」(face centered cubic,FCC)的堆積方式。圖片來源:CNRS
「六方最密堆積」(hexagonal close-packed,HCP)的堆積方式。圖片來源:CNRS

面心立方是六方最密堆積隨時間逐漸演變而來,特別是同等體積的氣泡、水滴或固體顆粒自動形成的模式。為何這兩種具有同樣密度的結構,最後會產生這樣的偏好?目前,研究人員針對這個問題找到的解答是:這是一種紊亂現象,又稱為「熵」(entropie),這種現象在面心立方中,比在六方最密堆積中更常出現。但這樣的說法僅適用於極小的物體,例如奈米尺寸或者顯微鏡底下才可見的物件,卻不適用於氣泡或水滴等肉眼可見的物體。

研究人員針對不同尺寸(大於 10-6 公尺)且肉眼可見的球體,進行數據模擬與實驗。他們將球體放進盒子裡,觀察自然形成的堆積模式,再利用力學系統進行測試之後,確認面心立方與六方最密堆積的排列概率是一樣的。然而,加入新的球體後,由於六方最密堆積結構比較容易潰散,就自然轉變成較牢固的面心立方結構。研究員因而證實,就力學而言,面心立方比其他結構更為堅固,因為金字塔形的堆積平面缺乏左右側邊的支撐力。在面心立方堆法中,力量會以直線方向傳導,讓整體系統更為平衡。然而,在其他的堆法中,球體邊緣會出現一種向外的聚合力量,使得系統往周圍潰散。

如果這股力量沒有獲得重力或足夠摩擦力的補償,就會導致六方最密堆積結構坍塌。以六方最密堆積方式排列的四層金字塔,會因本身的重量而倒塌。相反地,我們卻可以在面心立方結構上無限堆積。外在現象如晃動、急速通過建築物旁的人群,都有可能造成六方最密堆積結構的不穩定,因此面心立方的排列方式較佳。科學家正在研究這個機制是否可應用於其他狀況,例如建築物的切口、軟質球體的使用等等。這項機制在規律網絡的有組織性多孔材料上,亦扮演重要的角色。

作者:駐法國代表處科技組
資料來源:Quelle est la meilleure manière de disposer des pommes?—法國國家科學研究中心 CNRS [2012-04-19]

* 編註:英譯請見 phys.org 的報導

轉載自國科會國際合作簡訊網 [2012-08-17]

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國科會 國際合作簡訊網
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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。

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