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不會褪色的藍色羽毛

小斑
・2013/12/04 ・1602字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 546 ・八年級

大部分人想到羽毛的顏色可能會想到由有機化合物組成的色素,但除了會褪色的色素以外,科學家已經發現在鳥類的羽毛還有蝴蝶甲蟲的殼上,有奈米結構層,因為不同波長的光干涉和繞射的情況不同,而顯現出特定的顏色,因為是物理結構,顏色可以保存很久。[1][2]

thin-film interference其中有個原因是薄層干涉(thin-film interference),在日常生活中的泡泡表面閃亮的顏色也是因為這個原因。看右邊的圖,由於打到第一層的光(B)和打到第二層的光(A)走的距離不同,只有一些特定波長λ的光,才能在這樣的薄層間距d下,在特定的角度θ下,產生建設性干涉(C),加成一個明顯的波(上)。波長或角度不對甚至會互相抵銷(下)。因此特定的間距可以顯現出特定的顏色,物理結構就可以造成我們看到的顏色不同。

 

 

blue birds

但若鳥類的羽毛上都是一層層排列整齊的晶體,會像是穿了一堆亮片。Richard Prum教授的團隊觀察到鳥類的藍色羽毛,是由β角蛋白(β-Keratin)與空氣氣泡交錯,構成一些大範圍沒有完整重複性但小範圍高度整齊排列的非結晶型奈米結構,顯現出特定的顏色(A,B)。Richard Prum教授的團隊就特別用小角度X光繞射(E,F),研究幾種鳥類藍色羽毛的奈米結構(C,D)。[3]他發現主要有兩種不同的型態:管道型和球型,如右圖。

接下來他就很好奇,究竟鳥類要如何控制長出一樣顏色的羽毛呢?(顏色差太多大概就會被認為非我族類,沒鳥要找牠交配了)Richard Prum發現鳥類藍色的羽毛中這兩種奈米結構分別與物理上觀察到的相分離(phase separation)中自組裝(self-assemble)的現象很相近,管道型很像合金冷卻後的旋節分解(spinodal decomposition, SD),球型則比較像是啤酒裡的二氧化碳從啤酒中分離,形成圓形的氣泡(nucleation & growth, N&G)。Prum認為,透過相分離,可以達到kinetic arrest,在動力學上非常穩定,就把結構鎖定,不會再變了

什麼是相分離?

phase separation就像剛剛說的啤酒,本來二氧化碳溶在水裡待得好好的,後來變成氣態跑出來。根據熱力學,物質偏好比較穩定的狀態存在,隨著溫度跟組成成分的不同,一堆混合物的穩定狀態很可能是均勻混合或是不同相分離(e.g. 油和水),造成最後穩定狀態是局部的相分離則是動力學上條件的結果(繼續反應下去的速度極小可忽略)。

同樣都是相分離,為什麼結構一個像是很多條蟲(SD),一個有很多小球(N&G)?如右上圖所示,T=溫度,Φ是容積比,黑色線以上是均勻混合,黑色線以下會局部相分離。根據混合物比例不同,相分離時會產生不一樣的結構:SD和N&G。看到這裡,你千萬別以為鳥類在長羽毛細胞的時候,還得先發高燒再冷卻下來。

再看右下的圖,隨著聚合反應發生,在同樣的溫度下,就會從均勻混合變成相分離,也就是圖中淺黃色的部分。因此他推估,透過產生β角蛋白的速度與量,控制聚合反應,就可以控制羽毛中的最終結構,而展現出不同的藍色。

目前Prum的實驗室也成功重製,模仿上述那種球型奈米結構,做出來的顏色很像。希望以後的衣服、烤漆就不會被曬到褪色囉!

參考資料:


[1] M. Srinivasarao, Chemical Reviews, 1999, 99, 1935–1961.

[2] P. Vukusic and J. R. Sambles, Nature, 2003, 424, 852–85

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小斑
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PanSci實習編輯。 一顆在各個學科間漂流的腦袋~


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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》