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太陽系如何形成、如何演化?就讓「靈神星」來解答!

EASY天文地科小站_96
・2023/04/12 ・2962字 ・閱讀時間約 6 分鐘

  • 文/黃子權|掉入岩石堆中的研究生,現就讀台大地質所
  • 文/林彥興|現就讀清大天文所,努力在陰溝中仰望繁星

M 型小行星與行星的誕生

了解太陽系的形成歷史與演化,是行星科學最重要的使命之一。然而,身在太陽系形成後 46 億年的我們所看到的行星,都是經過漫長演化後的結果。它們的表面特性、內部結構,早已與剛形成時大相逕庭。

因此,想要研究太陽系的形成與演化,小行星是相當重要的目標。由於小行星質量小、冷卻快,更不會有複雜的風化和地質運動,因此它們從太陽系形成之初到現在都沒有什麼改變,就像活化石一般。而過去幾十年,人類也確實對小行星進行了廣泛而詳細的研究,比如拍攝照片計算它們的軌道,用光譜分析化學組成,甚至派遣太空船(如 JAXA 的隼鳥一號、隼鳥二號、NASA 的 OSIRIS-REx)直接前往小行星,將樣本採回地球分析。

而在太陽系目前已知的一百多萬顆小行星中,有一個相當特殊的族群,它們大多具有較大的密度和較高的雷達反照率,同時在光譜上缺乏特徵。基於上述特點,科學家們認為它們的組成中有含有不少金屬,因此稱之為 M 型小行星。

根據目前天文學家對行星形成的理解,原行星盤(protoplanetary disk)中的金屬元素分布理應相當分散,因此能夠自然產生元素分異並聚集大量金屬的地方,只有足夠大、足夠熱的原行星(protoplanet)的行星核。所以傳統上,M 型小行星被視為受到撞擊後裸露的行星核,同時也是鐵隕石的來源之一。但截至目前,仍未有探測器直接造訪 M 型小行星,確認這個假說是否正確。

近期,新的觀測資料更顯示,某些 M 型小行星似乎比人們預想的還輕,各種特徵也和人們對行星核的認知不盡相同(例如,在表面觀測到含水礦物的訊號)。這表示傳統的行星形成與演化模型,也許不盡正確。換個角度看,這也代表對 M 型小行星的研究,也許將能幫助我們揭開行星演化理論中的盲區。

M 型小行星是由什麼構成的?它們的演化歷史又是如何?苦於距離遙遠,過去人們對這些問題往往只能止於粗略的推測。但隨著靈神星號任務逐漸上軌,我們離解答這些問題(的一部分)只有一步之遙了。

靈神星號探測器。圖/NASA/JPL-Caltech/ASU

靈神星探索任務

靈神星探索任務(Psyche)是 NASA 發現計畫(Discovery Program)的一部分。發現計畫始於 1989 年,每隔幾年就會向全美國徵求任務提案,經過重重篩選後,最具有科學價值且最可行的團隊,就可以獲得 NASA 提供的經費,將他們的構想付諸實行。從 1996 年的 NEAR 任務開始,發現計畫已經為十幾個重要的太陽系探索任務提供機會,包含近期因太陽能板發電量降低而終止的火星「洞察號(InSight)」任務。2014 年,第 13、14 次發現計畫徵選開始,最後脫穎而出的其中一個計畫,正是靈神星探索任務。

而計畫要觀測的目標靈神星(16 Psyche)於 1852 年被義大利天文學家加斯帕里斯(Annibale de Gasparis)發現,並以希臘神話中靈魂之神「賽姬」命名。祂是第 16 個被發現的小行星,雖然不是最大的小行星(平均寬度約 220 公里)但卻是目前已知小行星中第 10 重的,其質量佔小行星帶總質量的 1%。根據估算,靈神星的密度大約為 3.9 g/cm3,遠低於鐵鎳隕石的 7.9 g/cm3,因此靈神星不太可能真的完全由金屬構成,比較可能是類似石鐵隕石那樣,由金屬與岩石共同組成。

科學家對靈神星的想像。圖/ NASA/JPL

作為發現計畫的一員,靈神星計畫切實地反映了該系列任務的宗旨:便宜、快速的解答重要的疑問。M 型小行星是行星形成與演化中相當重要的一片拼圖,而靈神星又是體積最大的 M 型小行星,其重要性不言而喻。對靈神星的探測,勢必能更加推進人們對行星演化的認知。

靈神星號的科學目標及預期解答的問題為:

  1. 靈神星是行星核還是未熔結物質?
  2. 靈神星表面的相對年齡為何?
  3. 小型金屬天體是否含有和高壓地核同比例的輕金屬?
  4. 靈神星形成環境的氧化還原性?
  5. 靈神星地表及撞擊坑特徵?

為了達到這些目標,靈神星號上搭載了以下儀器:

  • 多光譜成像儀 (Multispectral Imager)
  • 伽馬射線/中子光譜儀 (Gamma-Ray and Neutron Spectrometer, GRNS)
  • 通量閘磁強計 (Fluxgate Magnetometer)
  • X頻無線電實驗 (Radio Science (X-band))

整體而言,靈神星號的載酬相當簡要,科研儀器加總起來只占約 30 公斤,且每項儀器都是經過「實戰」驗證過的:多光譜成像儀來自火星好奇號探測車,GRNS 來自水星的信使號任務、磁強計參與了洞察號任務、X 頻無線電實驗(利用通訊時訊號的都卜勒效應測量重力強度變化)更是有多項成功紀錄。使用這些驗證過的儀器不僅能減少任務風險,同時能省下不少研發經費,提高任務的 CP 值。另外,靈神星號同時也會為深空網路(Deep Space Network, DSN)測試全新的「深空光學通訊(Deep Space Optical Communication, DSOC)」系統,利用雷射作為資料載體進行傳輸,科學家估計 DSOC 的資料傳輸速度,將比過去使用無線電的 DSN 快 10 到 100 倍。

靈神星號各項儀器位置圖。圖/修改自NASA/JPL-Caltech/ASU
靈神星號的伽馬射線光譜儀及中子光譜儀。圖/Johns Hopkins APL/Ed Whitman

另外,隨著科技進步,太空探索不再是國家機構的天下,各種商業公司紛紛加入了衛星製造的行列。因此重視任務 CP 值的靈神星號,從設計初期,科學家們便決定向商業公司尋求成熟、有發射紀錄且搭載了離子推進系統的衛星載具。最終他們選定了 Maxar 旗下的 Space Systems/Loral(SSL)公司的 1300 系列框架作為靈神星號的主體,並由噴氣推進實驗室(JPL)整合飛行系統(包含指令及資料處理系統)。靈神星號的推進系統是一具 SPT-140 霍爾效應推進器(Hall effect thruster),藉由游離氙氣並透過磁場將其加速噴出以獲得推力。搭配發電量達 20 千瓦的太陽能板及 922 公斤的氙氣,足夠支持靈神星號走完將近六年的航程。

抵達靈神星後,探測器將嵌入軌道開始環繞靈神星。科學家為靈神星號安排了四個逐漸降低的軌道(A 到 D),每個軌道都有各自主要的研究目標:

  1. 最高也是最初始的軌道 A 半徑約 700 公里,靈神新號將會在這裡測量靈神星的磁場。
  2. 56 天後,探測器將降至軌道 B(半徑 290 公里)並且開始對靈神星的地貌進行調查。
  3. 76 天後,靈神星將下降至半徑 170 公里的軌道 C,這是最小的穩定繞極軌道,同時也是最適合用來探測靈神星重力場的高度。
  4. 100 天後靈神星號將會降至最後、最低的軌道 D,軌道半徑僅 85 公里,在這探測器將利用 GRNS 調查靈神星表面的元素分布。
靈神星號任務示意圖。圖/修改自 NASA/JPL-Caltech

靈神星號原訂的發射日期為 2022 年 9 月。然而在飛行前的測試中,任務團隊發現飛行軟體異常,導致它錯過了 2022 年的發射窗口。經過幾個月的調查和調整,目前 NASA 公布的下個發射窗口為 2023 年 10 月 10 日以後,屆時靈神星號將會搭乘 SpaceX 的獵鷹重型火箭進入太空,就讓我們好好期待靈神星號傳回來的各種資料吧!

延伸閱讀

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人類在宇宙中是否孤寂?——宇宙中是否可能有其他文明?
Castaly Fan (范欽淨)_96
・2023/04/12 ・4993字 ・閱讀時間約 10 分鐘

1990 年,NASA 的航海家 1 號完成任務時,在 64 億公里外回首拍攝一張照片。地球,好似一粒漂浮在深空中的塵埃。該照片被命名為《蒼藍小點》(Pale Blue Dot),天文學家卡爾・薩根(Carl Sagan)隨後寫下了這段經典的語錄:

「凝視著這個淡藍小點:就是這裡。這就是家園。這就是我們。在這個小點上,每一個你愛的人,每一個你認識的人,每一個你曾聽聞的人,每一個人類、都曾經生活於此。我們一切的快樂和掙扎,萬千種引人自豪的宗教信仰、思想體系、經濟法則,每一位獵人與騎兵,每一位英雄與懦夫,每一個文明的締造者與摧毀者,每一位君王與農夫,每一對陷入愛河的年輕伴侶,每一位為人父母者、充滿希望的孩子們、發明家與探險者,每一位靈魂導師,每一位貪腐政客,每一個所謂的「超級巨星」,每一個所謂的「偉大領袖」,每一位歷史上的聖人以及罪人⋯⋯我們的一切一切,全部存在於——這顆懸浮在一束陽光中的渺小塵埃上。」

著名地球照片《蒼藍小點》。 圖/wikimedia

在浩瀚的宇宙中,地球確實是一粒渺小沙塵,也是我們唯一確定有智慧生命居住的世界。那麼,在茫茫太空中、銀河系的彼端、抑或是更遙遠之處,是否還有其他生命、乃至於文明正在活躍著?在這偌大而寂寥的宇宙中,人類又是否是孤獨的存在?

地球是否特別?平庸與殊異的爭辯

《蒼藍小點》這張影像意味著:地球不過是宇宙空間億萬顆星體中的一粒微塵,在近幾十年來,實驗觀測更指出宇宙比我們想像中來得更大、且正在持續擴張中。從演化論的視角來看,人類並非特別,我們所擁有的聰慧恰恰就是有機化學中基因序列的一種結果。

這些證據指向了一個事實——地球並不特別,只不過是一顆普通的行星。這樣一種看法在哲學上面被稱作「平庸原理」(mediocrity principle)。

然而,對此有不少科學家抱持反對意見,而這一系列說法被稱之為「地球殊異假說」(Rare Earth hypothesis)。他們認為,地球的形成、板塊運動、大氣、海洋、乃至於生命的誕生、演化——這些都並非輕而易舉就能產生的。英國天文學家霍伊爾(Fred Hoyle)爵士曾如此形容:

「生命自發形成的機率,宛若一陣龍捲風掃過垃圾場、從中隨機拼湊出一架波音 747 那樣渺茫。」

確實,一系列有機分子纏繞結合成蛋白質、再組成基因序列、構成原始細胞這一段程序,這機率是非常微小的。而科學家們同時也提出了地球恰恰位在「適居帶」(habitable zone),這些條件決定了生命是否得以形成並且演化:

  1. 星系適居帶:恆星系統若接近星系中心,由於超大質量黑洞影響,會導致輻射、宇宙射線、以及星體撞擊的干擾,從而難以形成生命;若過於遠離核心,則會使重元素(例如:鐵、碘)難以形成,這些重元素是組成複雜生命分子的條件。太陽系位在銀河系第三旋臂上,恰好座落在適居帶。
  2. 太陽系適居帶:對於一個恆星系統而言,行星與恆星的距離將主宰生命誕生的條件。比如:水星、金星溫度過高,便不適合生命形成;火星、木星外側的行星距離太陽偏遠,則不會有液態水的存在;而地球位處金星、火星之間,不僅溫度適宜、有液態水存在,更有足夠大氣層可以擋避隕石與輻射,使得碳循環得以建立,恰好符合生命形成的條件。
  3. 行星適居帶:與前者類似,行星必須在恆星的一定範圍內,才能有良好的溫度環境、使得液態水可以存留。
太陽系在銀河系中的位置。圖/Wikipedia

超級適居行星的發現

所謂的「超級適居行星」(superhabitable planet),顧名思義,就是指位居在適居帶的行星。請注意,不少人常常將其誤解為「超級地球」(super-Earth),但這兩者是不一樣的。

首先,超級地球的判斷依據僅僅是質量,而非適居帶等條件,亦即比地球大出許多的岩質行星、但通常遠比天王星或海王星小。

而另一個相關的數據稱為地球相似指數(Earth Similarity Index, ESI),指的是一行星的大小、質量、溫度等條件與地球的相似程度。以地球的 ESI=1 為標竿,目前所發現 ESI 最高的行星為位在 1,075 光年外的 KOI-4878.01,其 ESI 值高達 0.98,但存在性還在評估中。

不過,ESI 值高並不代表行星中有生命(畢竟有可能遠離行星適居帶)。真正意味著有可能會有生命存在的,便是「超級適居行星」。目前,葛利斯 370b、葛利斯 581c、葛利斯 581d、葛利斯 581g、葛利斯 832c、克卜勒 22b、克卜勒 62e、克卜勒 62f、克卜勒 69c、克卜勒 186f 和克卜勒 442b 等等,皆是超級適居行星的代表。為了探究這些星球是否有生命存在,最具表性的行動莫過於「搜尋地外文明計畫」(SETI)。

地球數以萬億計的物種中,人類算得上是最具高等智慧的生物。但假設——遙遠的某顆行星上也有「智慧生命」的存在,那麼,對方是否有可能比我們先進?他們能透過量子力學的應用而發明電子產品嗎?他們能掌握陽光、電磁等能源嗎?他們是否有完善的醫療、教育、經濟、社會結構?又或者,他們是否已然可以達成人類難以觸及的瞬時旅行?

在探討這個問題之前,先讓我們回到「人類」身上。人類是因為達成了哪些「成就」,而擁有了智慧呢?

費米悖論:我們為何從未接觸過外星智慧?

或許宇宙深處已然有著科技程度比我們先進數百萬年的高等文明,那些 III 型文明或許早已可以駕馭光速飛行、甚至能掌握時空動力學跳脫距離限制到訪地球。根據「德雷克公式」(Drake equation),銀河系中可能與我們接觸的先進文明數量大約可以表示為:

其中,等號右側從左至右依序為:銀河系恆星形成速率、恆星系統有行星的可能性、位於適居帶行星的平均數目、行星上發展出生命的可能性、生命演化成為智慧文明的可能性、智慧文明得以進行通訊的可能性、以及該智慧生命的預期壽命。根據估算,可能與人類通訊的智慧文明在銀河系中最少一千、最多則高達一億個。

我們總是如此預估:在擁有 137 億年歷史的廣袤宇宙中,與地球類似的星體非常多,先進地外文明的存在性相對而言也非常高,而德瑞克公式更意味著本銀河系中便可能有成千上萬個智慧文明存在。於是,一個矛盾產生了:

既然宇宙的尺度與年齡意味著高等文明應當存在,那麼——為何這個敘述迄今沒有得到充分的科學證據支持?

更簡潔的說法,便是:

宇宙中高等文明存在的可能性極高,然而為什麼這些智慧生命至今尚未與我們接觸過?

這便是著名的「費米悖論」(Fermi paradox)。關於這項提問,也出現了各種不同的說法或解答。

第一種答案認為,目前其實並沒有外星文明存在,因為:

  • 生命誕生的條件是極其稀罕的,有可能進化失敗、又或許尚未崛起(地球殊異假說)。
  • 自我摧滅:智慧生命在能完成恆星際旅行之前,便可能因為核戰爭、生化戰爭、或是資源枯竭等災難而自我毀滅了。

第二種則認為,外星文明其實存在,卻因為:

  • 尺度限制:受限於空間限制,使得智慧生命不容易前來;此外,也有可能是外星生命已經接獲人類的訊號,只是訊號尚未返回地球。
  • 技術因素:外星文明未必比地球文明進步;又或是,人類找尋外星生命的方法有誤,也有可能外星技術現象與自然現象過於雷同而難以區辨。
  • 刻意緘默「動物園假說」(zoo hypothesis)意味著外星智慧有可能已經收到人類訊息,但為了觀察人類舉動而不願回答;或者,科幻作家劉慈欣提出的「黑暗森林法則」認為,在尚未分別對方意圖之時、為保有宇宙資源等利益,刻意隱匿行蹤,必要時可能摧毀對方文明;又或者,基於技術奇點(technological singularity),與人類差別太遠從而無法有效答覆。
  • 已然接觸:外星智慧已然與人類接觸,但可能因為維度差異、或者隱匿行蹤,致使人類尚未發覺。例如文章中所提及的「馮紐曼探測器」(von Neumann probe)預示著:智慧文明可能透過奈米乃至於原子尺度的探測針、散播並且監控著地球人的舉動。

對於地外文明的探索與展望

對於探索地外文明,人類的野心從未止息。1972 年,無人探測器先鋒號裝載了一塊鍍金鋁板,其中囊括一些有關人類科技的基本訊息,例如——人類的身材面貌、氫原子躍遷圖示(用以表示長度與時間單位)、太陽系位置、以及地球的所在地等等。這塊「先鋒號鍍金鋁板」(Pioneer plaque)雖然不是第一個離開太陽系的人造物件(第一個離開太陽系的是航海家一號),但卻是第一個攜帶了人類文明訊息離開太陽系的人造物件。

先鋒號鍍金鋁板上面所鐫刻的訊息。圖/Planetary

如同先前提及的,SETI 或許是最具代表性的團體。1974 年,SETI 透過無線電訊息發送了知名的「阿雷西波訊息」(Arecibo message)至遠在 25,000 光年外的 M13 球狀星團。這串訊息陣列包含了:二進位數字、DNA 序列、核苷酸、雙股螺旋、人類平均身高與人口、行星系統、以及望遠鏡結構。假設 M13 星團的外星文明接收到訊息,那麼根據傳播速度推算,人類接收到回覆大約是五萬年之後的事了。

阿雷西波號所發射的無線電波信息,其中攜帶了人類相關的基本資訊。圖/PHL

1977 年,有鑒於先鋒號刻板基礎,以薩根為主的 NASA 委員會將地球上的 55 種語言、各種大自然的聲音、不同年代的音樂,以及有關於科學、人體構造、生態、建築物、交通建設、書信文物等 116 張影像,一併收錄至一張唱片裡,其中還包括時任總統卡特(Jimmy Carter)的書面信息,再透過航海家探測器發射至太空。這張「航海家金唱片」(Voyager Golden Record)預計 4 萬年後才會到達距離太陽系 1.7 光年的地方。

航海家金唱片及其所攜帶的信息。圖/NASA

雖說上述訊息目前為止都尚未得到回覆,當然,就宇宙尺度而言恐怕要等到數萬年後才會有所答覆。不過,值得一提的是,近年來天文學家透過克卜勒望遠鏡觀測到 KIC 8462852(又稱 Tabby 星、博雅吉安星)的光度有異常變化。

關於這個變化,有人認為可能是新形成的恆星塵埃造成的,但是科學家在觀測後尚未發現相關跡象;有人認為是星體碰撞下的殘骸導致的,然而克卜勒望遠鏡觀測到此情況的機會亦非常低;也有人認為是彗星群受到重力影響而朝往該恆星方向運動,不過這說法無法解釋為何光度會顯著下降。

這光度異常不規律的起伏至今仍是謎團,而所有證據彷彿指向了另一個極端的可能性——人工巨型結構(即「戴森球」)。假設該恆星系統有高等文明存在,便得以透過「戴森雲」這類結構控制恆星能量。乍聽之下似乎無比驚人,然而,目前唯有這個說法可以合理解釋光度的異常變化,因此,科學家並不否定 KIC 8462852 存在先進外星文明。

作者註:目前 KIC 8462852 的光度變化,科學界基本上已經排除戴森球的可能性

我們期待這些有關外星智慧的謎團能夠解開,也期許人類文明能在短時間內擺脫戰亂、資源枯竭等危機,從而在本世紀末順利躍升成為第 I 型文明。最後,讓我們引用 1977 年收錄在航海家金唱片中、吉米・卡特前總統的一段語錄作為總結:

「這個禮物來自於有點遙遠的世界,夾帶著屬於我們的聲音、我們的科學、我們的圖像、我們的音樂、我們的思想、以及我們的感觸。我們嘗試永存現有的時光,好讓來日得以共生於你們所處的時光中。我們期望有朝一日,能夠共同解決彼此所面臨的難題,並且聯合組成一個星系文明。這張唱片象徵著我們的希望、我們的決心、以及我們的善意——在這浩瀚且壯麗的宇宙中。」

參考文獻

  • 加來道雄,《穿梭超時空》,台北:商周出版,2013
  • 加來道雄,《平行宇宙》,台北:商周出版,2015
  • 卡爾.薩根,《宇宙・宇宙》,台北:遠流出版事業股份有限公司,2010
  • 史蒂芬.霍金,《胡桃裡的宇宙》,台北:大塊文化,2001
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Castaly Fan (范欽淨)_96
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科學研究者,1999年生於台北,目前於美國佛羅里達大學(University of Florida)攻讀物理學博士。2022年於美國羅格斯大學(Rutgers University)取得物理學學士學位,當前則致力於學術研究、以及科學知識的傳播發展。 同時也是網路作家、《隨筆天下》網誌創辦人,筆名辰風,業餘發表網誌文章,從事詩詞、小說、以及文學創作。

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2022 年《Science》年度十大科學突破(下):EBV 病毒與發燒的地球
PanSci_96
・2022/12/30 ・2786字 ・閱讀時間約 5 分鐘

接續上篇:2022 年《Science》年度十大科學突破(上):持續進化的 AI 與韋伯太空望遠鏡

看過 2022 年十大科學突破的前五項後,你是否迫不及待想知道另外五項呢?讓我們繼續看下去吧!

多發性硬化症的元兇:EBV 病毒

多發性硬化症(Multiple sclerosis)是一種中樞神經系統疾病,初期症狀只有視力模糊、手腳麻木、走路不穩等,到了後期便逐漸讓病患喪失視力、無法說話和行走。

長久以來,科學家懷疑多發性硬化症的元兇是「人類疱疹病毒第四型病毒」(EBV)。這種病毒主要透過唾液傳播,幾乎每個人一生中都會感染到,然後病毒會潛伏在白血球中。雖然患者大多都有 EBV 抗體,但 95% 的健康成年人也有,難以作為判定依據。

然而,今年 1 月刊載在《Science》的研究指出,感染 EBV 將導致罹患多發性硬化症的風險增加 32 倍。另一篇《Science》研究也發現潛伏在白血球中的病毒可能會「甦醒」,而病毒的其中一種蛋白質,會誘使免疫系統攻擊中樞神經細胞。

這些新發現給了科學家開發疫苗的方向。目前,有一種 EBV 疫苗正在進行臨床試驗,要是數據顯示疫苗有效,那麼在未來,多發性硬化症或許就能像小兒麻痺一樣,從此絕跡。

新研究確定了 EBV 病毒(藍色)與多發性硬化症的關聯。圖/Science

美國簽署《降低通膨法案》,搶救發燒的地球

今年 2 月,聯合國 IPCC 第六次評估報告指出,若是全球平均升溫超過 1.5°C,各地都將出現多種極端氣候災害,部分地區也將不再適合人類居住。

8 月,美國總統拜登(Joe Biden)簽署了《降低通膨法案》(Inflation Reduction Act),試圖從綠能、醫療、稅收等三大面向解決通貨膨脹的問題,同時減少溫室氣體排放,堪稱美國史上最重要的氣候法案。

身為全球第二的溫室氣體排放國,美國將在未來 10 年撥出 3690 億美元,投入綠能、電動車、核能發電等產業,目標是在 10 年後(2032 年)將溫室氣體排放量降低到 2005 年的 40%。

目前,全球平均升溫(相較於工業革命前)來到 1.2°C,而且今年的溫室氣體排放量仍持續上升,沒有下降趨勢。許多氣候科學家都認為升溫幅度必然超過《巴黎協定》規範的 1.5°C 上限,因此我們都需要盡快採取更多行動保護地球。

《降低通膨法案》將補貼太陽能在內的綠能產業。圖/Science

逃過黑死病的方法,竟然是遺傳?

700 年前,橫行歐洲的黑死病殺死了 1/3 到 1/2 的人口。關於那些倖存者,科學家好奇了很久,想知道他們當初是如何逃過一劫,以及黑死病究竟帶來了什麼影響。

今年 10 月, ㄧ篇《Science》的研究顯示倖存者體內可能有基因變異,提升他們對鼠疫桿菌(Yersinia pestis)的免疫反應。團隊分析了 500 多具遺骨中的古代 DNA,發現在英國倫敦爆發黑死病後,倖存者體內有 245 處的基因都有出現變異。

在這些 DNA 裡,內質網胺肽酶 2(ERAP2)引起了科學家的注意。這種蛋白酶有兩種變體:一種是完整尺寸,另一種較短,但都可以幫助免疫細胞識別、對抗病毒。科學家發現,遺傳完整尺寸 ERAP2 的人類存活機率是 2 倍,因為他們能夠生成更多細胞激素,協助免疫系統對抗鼠疫桿菌。

如今,約有 45% 的英國人體內還存有完整尺寸的 ERAP2 變體,但代價就是 ERAP2 也會增加罹患克羅恩病(Crohn’s disease)和類風濕性關節炎等自體免疫性疾病的風險。

從 14 世紀英國倫敦的遺骨中採集 DNA 並紀錄變化。圖/Science

碰!NASA 撞歪小行星!

多年來,NASA 持續監測直徑超過 0.5 公里的近地小行星,並且透過「雙小行星重定向測試計劃」(DART)研究多種讓小行星偏離軌道的方法。

今年 9 月,NASA 讓 DART 飛行器以 22,530 公里的時速撞擊小行星 Dimorphos,讓 Dimorphos 更靠近它繞行的另一顆小行星 Didymos,縮短了 32 分鐘的公轉週期,比 NASA 原先設定的目標還要高出 26 倍。

目前為止,天文學家估計軌道與地球軌道相交的近地小行星有 25,000 顆,大小都足以摧毀一座大城市。雖然行星防禦系統(Planetary Defense)尚未建構出完整情報,但針對人類首次改變天體運行的壯舉,NASA 署長表示「這是行星防禦任務的分水嶺,也是人類文明的分水嶺」,有助於降低小行星或隕石撞到地球的機率。

寬達 160 公尺的小行星 Dimorphos。圖/Science

從永凍土提取環境 DNA,重建古代生態系統

以往普遍認為 DNA 的保質期約為 100 萬年,但在今年 12 月,科學家從北極寒漠的永凍土中,提取了 200 萬年前殘留至今的環境 DNA 片段。透過分析這些片段,科學家還原了格陵蘭東北部皮里地(Peary Land)約 200 萬年前生態系統的樣貌。

英國劍橋大學研究顯示,在 200 萬至 300 萬年前,皮里地的平均氣溫比現在高 11℃ 至 19℃。從 5 處沉積層中提取的 41 個 DNA 片段,證實了當時有楊樹、樺樹、崖柏和各種針葉樹,也有野兔旅鼠、馴鹿、囓齒動物,以及 1 萬年前滅絕的大象近親——乳齒象。過去從來沒有科學家料到乳齒象的活動範圍竟然延伸到那麼遠的北方。

可惜的是,因為缺少脊椎動物的化石,目前還不清楚確切的生物群落組成,但這項研究證明了利用環境 DNA 追溯 200 萬年前的古生物是可行的,而這也有助於科學家進一步探討生物和環境的演化。

環境 DNA 揭示了 200 萬年前格陵蘭的生態。圖/Science
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2022 年《Science》年度十大科學突破(上):持續進化的 AI 與韋伯太空望遠鏡
PanSci_96
・2022/12/30 ・3733字 ・閱讀時間約 7 分鐘

回顧 2022 年,有沒有讓你印象特別深刻的科學新聞呢?約莫兩星期前,《Science》雜誌公布了今年的十大科學突破,從農業到藝術、從細菌到宇宙、從百萬年前的生態到人類的未來,每一項突破都和我們的日常生活息息相關。

好啦,廢話不多說,現在就來揭曉答案吧!

十大突破之首——遙望宇宙的韋伯太空望遠鏡

今年,韋伯太空望遠鏡(JWST)帶來的震撼,相信你我都印象深刻。

韋伯發布的第一批照片拍到了 SMACS 0723 星系團。圖/Science

早在 1990 年,哈伯太空望遠鏡發射升空後,科學家就開始規劃下一步。他們不只想看見更遙遠的宇宙,也想透過不同的波長,分析地外生命存在的可能性。

哈伯望遠鏡的觀測波段以可見光為主。確實,紫外線和可見光波長最有利於觀測誕生不久的新星,但隨著數十億年過去,這些新星發出的光,穿過不斷膨脹的宇宙,來到地球,被拉伸到更長的紅外線波長後,哈伯就沒輒了⋯⋯

韋伯望遠鏡可以清楚看見狼蛛星雲的塵埃、氣體雲和碳氫化合物。圖/Science

那麼,要怎麼看見更遙遠的宇宙呢?去年底,歷時 20 年建造、造價 100 億美元的「韋伯太空望遠鏡」順利升空,開啟 150 萬公里的長征。韋伯搭載的科學儀器可以觀測紅外線波段,包括來自宇宙第一批恆星和星系發出的光。

韋伯利用四種不同的紅外線波段觀測系外行星 HIP 65426 b。圖/Science

今年 6 月底,韋伯開始收集數據,三星期後就傳回了第一批深空照片,讓科學家看見了更遙遠、更古老的新星系,徹底改寫我們對宇宙的認識。對於天文學界來說,這是一個充滿奇蹟的時代,韋伯望遠鏡也因此榮登 2022 年最重要的科學突破。

2022 年十大科學突破之首:韋伯太空望遠鏡。影/Science

研發多年生水稻 PR23,減輕農民耕作負擔

盤點世界上最主要的糧食作物,水稻肯定有一席之地!現今,大部分水稻都是一年二至三穫,每年收穫後都得重新種植,對農民來說是非常耗時、費力的工作。

今年 11 月,中國雲南大學農學院的研究團隊在《Nature Sustainability》發表他們十餘年來嘔心瀝血的研究成果——多年生水稻「PR23」。這是長雄野生稻和 RD23 栽培稻的雜交種,不但可以達到和傳統水稻相仿的產量,還可以省下農民的大把時間、精力與成本。

PR23 第一年的稻作成本與傳統水稻差不多,但從第二年開始,農民就可以跳過育秧、犁田、移栽幼苗的步驟,降低約 50% 的人力成本,到了第五年才需要重新種植。

在中國,PR23 的種植面積超過了 15,000 公頃,平均產量則是每公頃 6.8 噸,略高於傳統水稻。根據非洲和東南亞的試驗數據,PR23 還可以改善土壤結構、增加有機質含量、減少梯田和高地的水土流失。

與此同時,科學家也正在觀察兩個潛在問題:一、雜草和病原體是否會積累在田地中,導致 PR23 需要更多除草劑,二、是否會排放更多的一氧化二氮,加劇溫室效應。但目前不可否認的是,多年生水稻有助於降低成本、提高收益,確實是一項重要的突破。

有了多年生水稻,農民每年都能省下好幾週的工作量。圖/Science

誰說 AI 沒創意?AI 的創造力可是超乎想像呢!

說到 AI,有沒有讓你想起去年的十大科學突破呢?沒錯,去年的十大突破之首就是預測蛋白質 3D 結構的 DeepMind 團隊,而在今年,他們著手設計全新的蛋白質,用來開發疫苗、建築材料和奈米機器。

與此同時,DeepMind 發布了 AlphaTensor,用來找出更有效率的矩陣乘法演算法。高中就學過的矩陣是代數中最簡單的運算之一,可以用來壓縮網路資料、辨識語音指令、模擬與預測天氣、生成電腦遊戲圖形等。

另外,DeepMind 還發布了可以自主編寫程式、解決問題的 AlphaCode。在程式解題競賽網站 Codeforces 定期舉辦的比賽中,AlphaCode 甚至打敗了過半的參賽者,取得排名前 54% 的成績,跌破創辦人的眼鏡。

除了科學、數學、程式設計之外,AI 在藝術領域更是大放異彩。

繼 OpenAI 去年發布繪圖軟體 DALL-E 後,今年 4 月發布了進化版的 DALL-E 2,只要輸入幾個字詞,AI 模型就能自動生成圖像。在 9 月,有一位藝術家利用類似的 AI 繪圖工具 Midjourney 奪下美國科羅拉多州博覽會首獎。

此舉在藝術界掀起一股旋風,卻也引來了哲學辯論和道德抨擊,但毫無疑問的是,人類可以借助逐年進化的 AI 拓展創造力,開發出更多、更好的工具。

使用 Midjourney 創作的科羅拉多州博覽會首獎作品。圖/Science

超級華麗的大~大~大細菌!

在你的印象中,細菌是不是都很小、不用顯微鏡就看不見呢?今年 2 月,科學家在法屬西印度群島發現一種肉眼可見的巨無霸細菌——華麗硫珠菌(Thiomargarita magnifica),震驚了生物學界。

一般來說,細菌沒有細胞核和膜狀胞器,遺傳物質都在細胞中自由漂浮,但華麗硫珠菌真的很華麗,不只可以長到 2 公分,比多數細菌大上 5000 倍,而且還有隔間可以容納 1200 萬個基因組——這大概是多數細菌基因總量的 3 倍。

身為一種不應該有膜的原核生物,華麗硫珠菌的結構或許即將改寫原核生物和真核生物的定義,甚至有機會成為一塊拼圖,補足細胞進化過程中缺失的環節。

華麗硫珠菌挑戰了「細菌」的傳統定義。圖/Science

開發新疫苗,呼吸道合胞病毒治療現曙光

在這 COVID-19 肆虐之年,美國感染呼吸道合胞病毒(RSV)的病例數也急遽上升。呼吸道合胞病毒傳染性極強,通常只會引起類似感冒的輕微症狀,但在嬰幼兒身上,這種病毒會使肺部發炎,而在老年人身上,會使既有的心肺疾病惡化。

早在 50 多年前,就有科學家試圖開發呼吸道合胞病毒的疫苗,但在臨床試驗導致 80% 的接種者住院、2 名兒童死亡後,開發就此中斷。後來,科學家發現敗筆在於這種殺死病毒後製成的「滅活疫苗」所引發的抗體較弱,不只殺不掉活生生的病毒,還能反過來幫助病毒破壞氣管。

如今,莫爾豪斯醫學院(Morehouse School of Medicine)開發了能夠引發強效抗體的新疫苗。在輝瑞(Pfizer)和葛蘭素史克藥廠(GSK)進行臨床試驗後,證實這兩種新疫苗可以保護嬰兒和老年人,不會引起嚴重副作用,而在孕婦注射後,也能將抗體傳給胎兒。

雖然過往的失敗讓開發團隊心存疑慮,但目前沒有任何數據顯示疫苗不安全,其中幾種候選疫苗也可能將在明年獲得監管機構批准上市。

RSV 疫苗證實能有效保護易受感染的嬰幼兒和老年人。圖/Science

好啦~這篇到這裡,先介紹前五項突破就好!因為《Science》今年提供的內容實在是太精彩了,為了避免讀者一次閱讀太多字很累,只好拆成上下兩篇⋯⋯看完這篇後,如果你好奇另外五項突破是何方神聖,就來看第二篇吧!

接續下篇:2022 年《Science》年度十大科學突破(下):EBV 病毒與發燒的地球

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PanSci_96
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