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鋼鐵人的弧形反應器事實上超大

活躍星系核_96
・2013/09/10 ・1138字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 574 ・九年級
credit: CC by xenopaul@flickr
credit: CC by xenopaul@flickr

文 / Ng-san

能量來源是鋼鐵人裝備中做重要的一環。應該不會有人質疑這句話吧!畢竟拯救地球不是件輕鬆的事。但若是有人說,他的研究對象是弧形反應器,也許百分之七十以上會被當作阿宅,剩下的百分三十來源是鄰座同學和學弟。

鋼鐵人胸口的核反應器的確存在,只是尺寸大到無法鑲在鋼鐵人的胸口,更別提戴著他拯救地球。實際存在的原子核反應爐像是一顆附有超大變壓器的甜甜圈 ── 托卡馬克 (Tokamak)!?

托卡馬克 (Tokamak)
托卡馬克 (Tokamak)

重力場的大小與場源質量成正比。太陽的質量( 1.6 × 1030 kg)所產生的重力場,不僅能夠撕裂彗星,還能夠啟動核融合反應。[1]太陽以重力拘束電漿,即使氫核和氫核之間碰撞產生核融合反應的機率微乎其微,但是在拘束時間可視為無限長的條件下,仍然可以維持核融合反應。然而太陽的質量是地球的106倍,而目前人類尚未有能力控制重力。欲啟動和維持核融合反應得另尋他途。[2]

credit: public by NASA/SDO (AIA) ,2010 Aug19 太陽上正持續進行著核融合反應,表面活動的能倆也源自於此。
credit: public by NASA/SDO (AIA) ,2010 Aug19
太陽上正持續進行著核融合反應,表面活動的能倆也源自於此。

沿著磁力線因勞侖茲力(Lorentz force)以螺旋的方式移動是帶電粒子的特性之一。[3]前蘇聯的物理學家和工程學家發明了附有超大變壓器的甜甜圈 ── 托卡馬克,以變壓器提供環形的磁場源,磁力線首尾相接,理想中電漿便永遠被困在托卡馬克中。很明顯地,為了保護反應爐的秘密,電影中的鋼鐵人還是以電弧作為障眼法。

太陽上的電漿成因於核融合釋出的高能,托卡馬克選用電漿的目的是絕熱。加熱電漿的目的是增加核與核之間互相碰撞的機率。以氘(Deuterium)-氚(Tritium)的反應為例,在100keV時有最大的碰撞截面積。幸好實際上粒子溫度的分布曲線呈現常態分佈,所以只要將電漿加熱到10keV就有部分粒子具備足夠的能量進行核融合反應。即使如此任務難度仍然非常高,因為10keV大約相當於攝氏一億度!若是以固態靶材,加熱至靶材的能量則因為彈性碰撞而散失。理想的磁拘束電漿在托卡馬克裡會沿著磁力線螺旋運動,就像懸浮在托卡馬克中。[3][4]

credit: CC by Dstrozzi@wiki ,
加熱電漿的主要目的是增加反應速率,目前在TOKAMAK中採用 D 與 T 為燃料,而非氫的主要原因是氫在自然狀態下,核與核碰撞後發生核融合反應的機率為微乎其微。相較於現今任何一種發電方式,核融合一單位燃料產出的電量是非常可觀的,但是D 在地球上的存量也是有限的。若不改善能源的需求,也許某天人類得上太空去採礦 。

References

  1. D. R. Williams. Sun fact sheet. NASA., 2013.
  2. E. Bohm-Vitense and E. Bohm-Vitense. Introduction to Stellar Astrophysics:. Introduction to Stellar Astrophysics. Cambridge University Press,1989.
  3. Kenro Miyamoto. Fundamentals of Plasma Physics and Controlled Fusion. NIFS PROC: Kakuyugo-Kagaku-Kenkyusho. National Institute for Fusion Science, 2011.
  4. J. Wesson. Tokamaks. International Series of Monographs on Physics. Oxford, 2011

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活躍星系核_96
756 篇文章 ・ 73 位粉絲
活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia


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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_96
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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》