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古柏帶20週年:改變太陽系認知的發現

臺北天文館_96
・2012/08/29 ・1685字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 507 ・六年級

古柏帶(Kuiper Belt)是指海王星軌道以外的小行星帶。天文學家於1992年發現第一顆古柏帶天體(Kuiper Belt Object,KBO)迄今已20年,已知的KBO多達1,000顆以上。這些KBO的發現,改變了天文學家眼中的太陽系風貌。

事實上,第一顆古柏帶天體的發現應該溯及1930年,也就是原為行星、現為矮行星的冥王星,第二顆發現的KBO則是1978年發現的冥王星衛星—凱倫(或稱冥衛一,Charon)。而「古柏帶」這個名詞,來自著名的行星科學家Gerard Kuiper及後繼的其他行星科學家於1930~1950年代提出的各種假設理論;然而一直到1992年,偵測技術才足以發現海王星軌道以外的其他古柏帶天體。

左圖是迄今已知的古柏帶天體分佈圖,橫軸為與太陽的距離,縱軸為數量。不過,這些已知的古柏帶天體大概僅佔了所有KBO的一小部分而已。這是因為天文學家只搜尋了天空的一小部分,還未展開全天搜尋的工作。天文學家估計,直徑約100公里以上的KBO數量很可能超過10萬顆,而直徑在100公里以下到1~2公里左右的小型KBO數量更可能高達數十億顆。冥王星和這些典型KBO相較之下算是龐然大物的,因為它的直徑幾近2400公里,不過這樣的大小,開車繞冥王星赤道一周,只相當於地球上從美國曼哈頓到莫斯科的距離而已。大小差異立見。

絕大部分已知KBO的直徑大約在100~300公里左右,約為冥王星直徑的1/10。但也有些已知KBO的直徑在100公里以下,有些則在300公里以上。事實上,KBO的差異度非常大,例如:

  • 有些是紅色的,有些是灰色的。
  • 有些表面覆滿水冰,但其他的(如冥王星)卻是某些特異的易揮發物質所凝結而成的冰,如甲烷或氮等。
  • 許多KBO擁有衛星,不過都沒冥王星擁有5顆這麼多。
  • 有些KBO的表面反照率非常高(如冥王星),其他的則多半昏暗。
  • 由冥王星的密度推斷,它內部約有70%為岩石。而有些KBO的密度遠比冥王星還低,顯示它們主要由冰構成。少數幾顆KBO的密度比冥王星還大,顯示它們的組成中岩石所佔的比例更多。

如上圖,幾個KBO天體的比較,其中鬩神星(Eris)原本以為比冥王星大,但經過數度測量後,發現它實際上比冥王星小一點點。

新視界號(New Horizons)計畫主持人Alan Stern表示:關於KBO的這些分類,雖非對太陽系認知最重要的新發現,但是仍有其重要之處。他認為關於KBO對認識太陽系有3個最重要的地方:

  1. 我們的行星系統遠比之前認為的還大許多。事實上,直到發現古柏帶之後,天文學家才瞭解到這是太陽系中最龐大的結構。在1992年之前對太陽系的認識,就像是少繪製了太平洋的地球地圖一樣。
  2. 太陽系和其他系外行星系統中的行星位置、軌道橢圓率和傾角等,都會隨時間改變,某些狀況下甚至會成群遷移。科學家有確切證據證明含冥王星在內的許多KBO是在離太陽比較近、現在被那些木星、土星等氣體巨行星所佔據的地方誕生的。
  3. 最後一點可能是讓人最驚奇的一項:我們太陽系,很可能還有許多其他的系外行星系統,都比較善於製造小一點的行星;換言之,小一點的行星或天體是太陽系或這些系外行星系統中數量最多的族群。現今太陽系中的矮行星數量超過一打(雖然已正式命名的只有5顆),數量已超過4顆氣體巨行星加上4顆岩質行星的數量。但科學家估計在古柏帶中或古柏帶以外的太陽系外側,應該存有的矮行星數量還遠不只如此,可能超過10,000顆以上。

從上述這些狀況來看,要不是發現了古柏帶,人們還不知道原來他們錯過了這麼大一片太陽系領土,不知道原來矮行星很可能是太陽系最大的行星級天體族群,甚至很可能是銀河系中最大的行星級天體族群,不知道原來太陽系裡的行星和矮行星們顏色、表面反射率、軌道和表面組成差異度這麼大,也不會知道絕大部分的行星目前所在的位置其實不是原來誕生的位置。

新視界號太空船目前已在24AU遠處,預定將在2015年飛掠冥王星系統,之後變朝太陽系更深處去探索。藉由這艘太空船和其他大型地面望遠鏡、太空望遠鏡的輔助,或許再一個20年,人們對太陽系的認識又有一番天翻地覆的改變也說不定。

資料來源:The Kuiper Belt at 20: Paradigm Changes in Our Knowledge of the Solar System. JHU/APL [August 24, 2012]

轉載自 網路天文館

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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》