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現實中的「沙丘行星」:為何火星上有颳不完的塵暴?——《穿越 4.7 億公里的拜訪》

三民書局_96
・2021/11/27 ・3042字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 作者/前NASA太空任務科學家 李傑信

從南極巨大冰帽逃逸出來的大量氣體,在日夜劇烈溫差的牽動下,經常引起大規模的塵暴,情況嚴重時,可覆蓋火星全球,掩遮一切地表,就如「水手九號」初臨火星時一樣,塵暴肆虐,地表深藏,一兩個月後才得平息。

塵暴來襲時,能見度極低,難以觀察地貌。圖/Pixabay

當火星塵埃滿天時,大氣吸熱能力增加,可提高火星大氣溫度攝氏 20~30 度。揚起灰塵的總量,有 7 億多立方公尺,可覆蓋火星全球地表 1/10 頭髮厚度。在地面望遠鏡觀測時代,常看到火星隔夜「山河變色」,都是因為塵暴攜帶大量灰塵所致。塵暴平息後,灰塵重新分布,大規模改變了地表顏色,面積有時可達半個美國大陸的大小。

塵暴的另一巨大功能,是對地表進行風蝕作用。「維京人號」登陸之時,科學家不但要憂慮高低不平的隕石坑,和經隕石撞擊而散落在各處的岩塊,還要憂慮火星亙古的風蝕作用,可能已把所有岩石揉成細沙,甚或流沙,可能會將登陸艇吞沒。

所以,當「維京人號」安全落地,發現腳下是堅實的土地,並還有許多大小不一的岩塊樣品留下時,對我們來說,是一個意外的驚喜。

「維京人一號」軌道衛星,在 1976 年為「維京人二號」登陸小艇尋找登陸地點時,在北半球攝得一張所謂「火星人面像」(Face on Mars,圖 6-1)。照片中央的人面約 1,500 公尺大小,太陽由左上方以20度角射入。其他各類散布的岩塊,都有明顯風化跡象。「火星人面像」可能就是由塵暴「雕塑」成的。

圖 6-1:1976 年由「維京人一號」軌道衛星攝得之「火星人面像」。圖/NASA

「火星人面像」公布後,引起「八卦族」密切關懷,認為是「火星人」的藝術作品,對美國航太總署不肯說「實話」公布「詳情」大表不滿,紛紛提出媒體控訴,熱鬧了好一陣子。

「火星人面像」被媒體炒作 30 年後,美國航太總署在 2007 年,特別以新一代「火星勘測軌道飛行器」(Mars Reconnaissance Orbiter, MRO) 上的「高解析度成像科學設備」(High Resolution Imaging Science Experiment, HiRISE),取得一張解析度為 90 公分的高鑑別率照片(圖 6-2),秋毫畢露地呈現出「火星人面像」的確是由塵暴「雕塑」而成的礫丘。美國航太總署耐心地等候了 30 餘年的時間,認真處理了一般老百姓熱衷的火星八卦事件,「火星人面像」至此完全謝幕。

圖 6-2:美國航太總署在 2007 年 4 月 5 日取得一張高鑑別率「火星人面像」。圖/NASA

火星塵暴的確產生了大規模的風化作用,造成了包圍在北極四周的巨大沙漠和零星散布在各地的沙丘區 (sand dunes field)。比較起來,北半球受風蝕情況較為嚴重,沙礫常將隕石坑埋住,形成平坦的地表。南半球隕石坑滿布,銳利鮮明,似乎沒受到什麼塵暴的蹂躪,間或,一些構造特殊的沙丘零散其間。

1999 年 5 月 5 日,「火星全球勘測衛星」在赫歇爾隕石坑(Herschel Crater,南緯 15 度,西經 229 度)內東側,發現一類奇怪的沙丘(圖 6-3)。沙丘中夾雜著一些深刻的紋路 (grooved),紋路中的沙子好像被強風吹走,沙丘表面猶如被膠水黏住,很像是水滲透沙丘後整體被凝固造成的效果,但真實原因仍不清楚。

圖 6-3:火星塵暴產生了大規模的沙丘。圖/Malin Space Science Systems,NASA

基準面

火星沒有海洋,沒有海平面,地勢起伏以人為規定的基準面 (Datum Surface) 為準。基準面是火星地表大氣壓為 610.7 帕的高度,在這個氣壓下,水的沸點為攝氏 0 度。火星高地,氣壓比基準面低;火星盆地、窪地,氣壓則比基準面高,概念上與地球以一大氣壓(1.013×105 帕)為海平面高度類似。

宏觀上,火星南半球地勢比基準面高,尤其在南緯 25~75 度之間,可高出基準面 2.5 公里至 6.5 公里不等;相反地,北半球地勢低窪,平均在基準面下 2 公里多,唯有連綿 4,000 公里的塔西斯高地高出基準面有 5 公里之多。

但沒人知道火星的南、北兩半球地勢差形成的原因。

塔西斯高地,包括西北方的奧林帕斯山,組成了太陽系第一火山群奇觀。發育不良的火星可謂卯足了勁,噴出了太陽系最偉大的火山,爭取到人類對它的尊敬和讚嘆。

從塔西斯高地往東南方望過去,在赤道南邊,有一條 4,500 公里長、寬 250 公里、深 8 公里的水手號谷。在地球上,美國大峽谷長 450 公里、寬 25 公里、深 1.5 公里,可輕易裝入水手號谷支谷裡。東非大裂谷,長可略比,但寬、深不及。從火星軌道上觀看,水手號谷像是被刀子刮出一道深深的傷痕,中間寬,近圓形,兩邊以錐形向東、西方向射出。小個兒火星,又創出另一個太陽系奇觀。除搶眼的水手號谷和巨大的火山口外,圖 6-4上還有一條由南向北長達 4,000 多公里的凱西谷 (Kasei Valles),構成塔西斯高地的東緣,如地球的長江大河,清晰可見,是火星上最大的一條乾涸河道。

圖 6-4:火星赤道南邊的水手號谷。圖/NASA,USGS

雖然地質學家目前還搞不清楚塔西斯高地形成的原因,但水手號谷可能是它闖出的禍。原因是造高地需要材料,從地下吸,會引起在水手號谷處塌方。另一個理論認為,水手號谷是火星初期的板塊運動撕出的裂谷,但火星比地球小很多,散熱快,內部熔融的地函迅速凝固,板塊運動早已胎死腹中,未能繼續發展。

在多次去加州噴射推進實驗室出差期間,有一張奇特的水手號谷照片引起了作者極大的興趣。這是一張由東(南緯 12 度,西經 65 度)朝西向水手號谷中央(南緯 8 度,西經 75 度)望去,非常接近火星地表的俯瞰圖片(圖 6-5),谷壁結構清晰,支谷錯綜複雜,天地交接處,谷景開闊,氣勢磅礴。谷外地形平坦,隕石坑零星分布。這張照片有很多標題,作者最喜歡的是:「如身臨其境」(The next best thing to being there.)。

圖 6-5:由東朝西向水手號谷中央望去的俯瞰圖片。圖/NASA/JPL/ USGS/ 李佩芸

作者託同事打聽,找到了這張照片的作者,是當今在噴射推進實驗室工作的李佩芸,加州理工學院電腦博士,是一位傑出的電腦模擬科技領導人才。她和她的工作小組成員使用「維京人號」原始高空照片,在電腦上轉換成低角度俯視,並增加谷深 5 倍,共用了 842 百萬位元組。這些成果被美國地質觀測所 (U.S. Geological Survey, USGS) 採納,製成低空飛越水手號谷的錄影帶,供大眾觀賞。

「火星全球勘測衛星」於 1998 年 1 月 1 日傍晚,在繞火星第 80 圈時,攝得一幅鑑別率高達 6 公尺的水手號谷中一個小谷脊照片,涵蓋了 9.8 公里×17.3公里的面積(圖 6-6)。照片中央為平坦的小谷脊,最寬處近 6 公里,兩邊斜坡陡峻,呈束狀,向北(圖上方)、南(圖下方)兩方向滑去。岩石結構多層次,由數公尺到數十公尺不等。在地球上,這類地形可能由沉積而成,如亞利桑那州的大峽谷,或由火山形成,如夏威夷考艾島(Kauai)上的威美亞山谷 (Waimea Canyon)。這些層次分明、厚實的岩石結構,說明了火星地質成因有著豐富和活躍的歷史背景。

若由水手號谷大膽朝南方高緯度方向邁出,最終會抵達南極。

圖 6-6:水手號谷中一個高鑑別率的小谷脊照片。圖/NASA,USGS

——本文摘自《穿越4.7億公里的拜訪:追尋跟著水走的火星生命》,2021 年 7 月,三民

 

文章難易度
三民書局_96
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創立於1953年,為了「傳播學術思想,延續文化發展」,60年來默默耕耘著書的園地。從早期的法政大學用書、三民文庫、古籍今注新譯叢書、《大辭典》,到各式英漢字典及兒童、青少年讀物,成立至今已出版了一萬多種優良圖書。不僅讀者佳評如潮,更贏得金鼎獎、小太陽獎、好書大家讀等諸多獎項的肯定。在見證半個世紀的社會與時代變遷後,三民書局已轉型為多元、綜合、全方位的出版機構。


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天文影像工具也能找腫瘤?——臺灣首創 3D 數位病理影像暨 AI 分析平臺

科技大觀園_96
・2022/01/23 ・2878字 ・閱讀時間約 5 分鐘

攝影師運用影像,留存許多珍貴的記錄,講述不少精彩的故事。但影像的力量,可不僅限於此。科學家和醫生也拍照錄像,只不過對象不是一般人事物,而是遙遠的星辰,或微小的組織細胞。而臺灣的科研團隊,更成功讓傳統病理影像突破 2D 平面限制,完整展現 3D 全貌,幫助我們看清病魔的真面目,奪得搶救性命的機會。

為什麽癌症大魔王如此棘手?

在臺灣十大死因排行榜上,癌症已蟬聯榜首將近四十年。原本安分工作的人體細胞,可能受到細菌或病毒的感染、環境中的重金屬、放射線等致癌因子的影響,走上叛變、不正常增生一途,變成惡性腫瘤——也就是癌症。癌細胞會破壞各種重要臟器,掠奪體内大部分營養,最終可能造成人體因器官衰竭、營養不良、併發症而死亡。

十大死因
109 年國人十大死因。(資料來源:衛生福利部

癌症療法中,化療是以化學藥物來毒殺癌細胞,卻因為專一性低,讓病患往往傷敵一千,自損八百。後來發展出的標靶藥物療法,雖然不會無差別攻擊,但治療效果有限,有些種類的癌症更可能出現抗藥性。狡猾的癌細胞,還會產生抑制免疫細胞活性的蛋白質,來避開免疫系統的偵察和追擊。而 2018 年獲得諾貝爾生理醫學獎的「免疫療法」,就是以投放癌細胞表現的蛋白質之阻斷劑,來維持免疫細胞的戰鬥力的突破性療法。

然而,癌細胞也不是省油的燈。它們會與周圍細胞,如血管、纖維母細胞、免疫細胞等打成一片,藉由分泌各式細胞因子,創造利於自己生長的小天地,即腫瘤微環境(Tumor microenvironment)。例如,癌細胞會在微環境促進血管新生,且具備免疫抑制能力,讓免疫細胞鎩羽而歸。這麽一來,即使是副作用較低的免疫療法,也可能無用武之地。

當醫學邂逅天文學,跨領域碰撞出新解方

目前,癌症的診斷與療程的決定,主要還是仰賴切片檢測所得到的影像。所謂的切片檢測,就像到腫瘤細胞大本營去刺探敵情,醫生藉由手術開刀、内視鏡或針筒取得檢體組織,透過這第一手的情報,來判識腫瘤型態和病情嚴重程度,才能擬定對抗癌細胞的有效戰略。

麻煩的是,顯微鏡下的切片樣本只能看見同一平面上的細胞間交互作用,組織上還有用來標示特定蛋白質活細胞的螢光染劑。要把有著會互相干擾螢光訊號的樣本影像,拼接成可以觀察細胞交互作用的三維影像,可讓腫瘤學家傷透了腦筋。不過這個難題的解方,就剛好掌握在以望遠鏡觀察無數星星的天文學家手中!

有著不同特徵的衆多天體,就像是組織中發出不同螢光訊號、數百萬計的細胞。天體在宇宙中的相對位置與相互關係,也類比於細胞間的交互作用。這般異曲同工之妙,讓美國約翰 · 霍普金斯大學的腫瘤學家和天文學家決定並肩作戰,利用天文學的影像處理工具,來建立分析腫瘤切片影像的模型,這個跨領域碰撞的研究成果——AstroPath,更在今年 6 月登上 Science 期刊。

天體
有著不同特徵的衆多天體,就像是組織中發出不同螢光訊號、數百萬計的細胞。圖/pixabaywikipedia

臺灣打造全球第一個 3D 數位病理檢驗暨 AI 分析平臺!

腫瘤學家和天文學家的跨界合作,大大提高了組織切片影像分析的效率,表現令人贊嘆。不過臺灣研究團隊跑得更前面,直接突破傳統薄切片的限制,以獨家專利取得組織完整的立體影像,還進一步藉助人工智能之力,創立全世界首個 3D 數位病理檢驗暨 AI 分析平臺!

這個實現 Taiwan No.1 的團隊,緣起於國立清華大學生科系的楊嘉鈴教授研究團隊,邀請清華大學腦科學中心江安世院士團隊、分子與細胞生物所張大慈教授團隊及清華大學腦科學中心林彥穎研究員,携手合作克服過去 3D 組織影像的技術瓶頸。透過科技部價創計劃的輔導,承接了光電、生醫、影像及 AI 各領域最先進技術的捷絡生物科技股份有限公司 (JelloX Biotech Inc.) 在 2018 年成立。

捷絡生技獨步全球的病理檢驗平臺,包含了關鍵的三大部分:(1)快速組織澄清、(2)高速影像擷取及(3)3D 人工影像智慧分析。

流程示意圖
3D 人工智慧影像分析流程示意圖。圖/捷絡生技公司

過去 3D 組織影像無法實現,最大的難點,在於無法突破組織的透光障礙。捷絡生技專利化的光學組織澄清技術,最厲害之處是讓檢體樣本不被破壞就可以「變透明」,達到清水般的穿透率。傳統樣本處理,會經過物理切片及脫水,組織結構發生形變無可避免,讓病理全貌難以被量化和標準化來進行評估。但這項獨家的組織澄清處理技術,可最大程度保存樣本原來的面貌,還能讓樣本進行重複染色,再利用於各式生物檢驗。更重要的是,不再是單一切面的樣本,讓全自動影像掃描擷取,從不可能變得可能。

把檢體樣本透明化之後,研究團隊接著以高速鐳射顯微鏡,對樣本進行全身掃描後,數位縫合平行多叠影像。只要搭配適當的染色技術,就可迅速取得比傳統檢測還多百倍資訊量的高精度 3D 腫瘤影像。這些病理組織樣本的全景 3D 細節,讓醫生可以更清楚判別癌細胞的型態、分佈與周圍細胞的交互作用。

研究團隊也沒有停留在 3D 影像產製的完善,更抓緊大數據、巨量分析的趨勢,目標是要提供 AI 自動化病理組織影像分析。研究團隊建立不同癌症的 3D 數位病理影像資料庫,讓電腦進行機器學習,透過癌組織的特徵辨識訓練,目前已可得到超過 90 % 的準確度。AI 自動化分析能克服傳統人工判讀模式潛藏的誤差(如不同判讀者的差異、視覺疲勞與檢體採樣量不足等問題),大大減輕臨床病理醫師的工作負擔,加快診斷的效率。癌症的治療,就像與死神賽跑,所以盡速決定對風險最小、成效最佳的療法,對提高病患的存活率至關重要。

未來,捷絡生技這個領先全球的 3D 數位病理檢驗暨 AI 分析平臺,預期可實際應用在檢測藥物的穿透性、篩選適合免疫療法的病患、分析腫瘤微環境等方向。不管是從美國或是臺灣的例子,都讓我們看見不同領域相互激蕩的成果,並非止步於學術象牙塔的研究,而是可以被實際應用在日常生活中的技術。

參考資料

 

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科技大觀園_96
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