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科學家套用物理重力模型來預測病毒性疾病的傳播

科景_96
・2011/02/09 ・1298字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 589 ・九年級
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Original publish date:Aug 18, 2004

編輯 Tino 報導

美國賓州州立大學(Penn State University) 昆蟲暨生物學系助理教授Dr. Bjornstad等人套用物理重力模型來預測麻疹(measles)等病毒性疾病的傳播。

Dr. Bjornstad表示,在過去所預測病毒性疾病的傳播是根據距離來做假設,而病毒流行地點所緊鄰的城鎮將是下一個疾病大流行的地點。但現今,他們所研究的成果對這項說法表示質疑,他們甚至排除空氣傳播是病毒散播的方式。

套用物理學和運輸理論,其研究人員使用一種伴隨著以距離為基礎的經驗重力模型來定義病毒傳染性疾病的空間傳播網路.。Dr. Ottar Bjornstad等人在今年八月的美國生態學會年度會議(the annual meeting of the Ecological Society of America)中表示,他們的研究正是以流行病學結合社會學以及運輸理論的模型來探討病毒疾病傳播網路。

Dr. Bjornstad指出,有些人就像我一樣雖然住在路易斯城附近,但是紐約市燈光閃爍熱力四射,比路易斯城更加得吸引我。病毒就好比人一樣,不一定嚮往鄰近的城市,反而會到具有吸引力的大城市發展。然而城市就好比行星一樣,越大就越有吸引力,但是吸引力的大小也因距離的增加而減少。

為了測試他們所設計的模型,他們使用英國過去歷年來感染孩童的麻疹流行病學資料,資料上完整記載從西元1940年到現今英國各地區孩童及每週和每個社區麻疹流行所蔓延的情形。英國當局已有大約有1,000 個城市和 450 個鄉村地區的報告並證實麻疹爆發大約每隔兩年發生一次。因此,他們嘗試套用他們的模型來預測這些專門感染幼童的麻疹傳播路線。

另一方面,他們也著手探討他們設計的模型是否與野生動物疾病相關,賓州州立大學生物系研究生Laura M. Warlow同時與Bjornstad從事建立野生動物模型相關研究,探討犬瘟熱病毒(distemper)在麻斑海豹(harbor seals)所蔓延的情形,Warlow發現,麻花海豹不像人類一樣容易被大城市明亮的燈光所吸引,他們反而是嚮往具有豐富食物的大海灘。

Warlow表示,這些在海灘聚集成一大群的海豹稱為haul-outs,這種群落的大小正與海灘的大小以及食物接近有很大的關連。而麻花海豹就像孩童一樣,會藉由咳嗽彼此之前傳染犬瘟熱病毒,在西元1988和2002年就曾發生兩次犬瘟熱病毒爆發,大量殺死北海的麻花海豹。而Warlow則是利用定位系統和空中攝影的方式來瞭解海豹實際的數目以進行1988年的病毒爆發的研究。Warlow把所得的資料套用所設計的距離模型和重力模型進行研究,發現重力模型能快速地預測傳染給海豹的犬溫熱病毒的蔓延情形。

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在完成預測感染孩童與動物病毒性疾病的模型之後,他們想更進一步探討感染成人病毒性疾病的傳播路線。Dr. Bjornstad說,他們目前在美國國家衛生中心的John E. Fogerty國際中心從事衛生科學方面的研究,他們想把模型應用在成人的人口數以及具有部分免疫力的人口數,來探討流行性感冒病毒在成人的傳播路線。

原始論文:
Grenfell, B.T., Bjørnstad, O.N., & Finkenstädt, B. (2002) Endemic and epidemic dynamics of measles: Scaling predictability, noise and determinism with the time series SIR model. Ecological Monographs 72: 185-202

參考來源:

相關連結:

本文版權聲明與轉載授權資訊:

  • [Sep 22, 2010] 都市叢林裡的演化之戰
  • [Feb 03, 2006] 喬治在哪裡?
  • [Mar 06, 2004] 西尼羅河病毒的散播之謎
  • [Mar 28, 2003] 流感病毒之演化

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    快!還要更快!讓國家級地震警報更好用的「都會區強震預警精進計畫」
    鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
    ・2024/01/21 ・2584字 ・閱讀時間約 5 分鐘

    本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

    • 文/陳儀珈

    從地震儀感應到地震的震動,到我們的手機響起國家級警報,大約需要多少時間?

    臺灣從 1991 年開始大量增建地震測站;1999 年臺灣爆發了 921 大地震,當時的地震速報系統約在震後 102 秒完成地震定位;2014 年正式對公眾推播強震即時警報;到了 2020 年 4 月,隨著技術不斷革新,當時交通部中央氣象局地震測報中心(以下簡稱為地震中心)僅需 10 秒,就可以發出地震預警訊息!

    然而,地震中心並未因此而自滿,而是持續擴建地震觀測網,開發新技術。近年來,地震中心執行前瞻基礎建設 2.0「都會區強震預警精進計畫」,預計讓臺灣的地震預警系統邁入下一個新紀元!

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    連上網路吧!用建設與技術,換取獲得地震資料的時間

    「都會區強震預警精進計畫」起源於「民生公共物聯網數據應用及產業開展計畫」,該計畫致力於跨部會、跨單位合作,由 11 個執行單位共同策畫,致力於優化我國環境與防災治理,並建置資料開放平台。

    看到這裡,或許你還沒反應過來地震預警系統跟物聯網(Internet of Things,IoT)有什麼關係,嘿嘿,那可大有關係啦!

    當我們將各種實體物品透過網路連結起來,建立彼此與裝置的通訊後,成為了所謂的物聯網。在我國的地震預警系統中,即是透過將地震儀的資料即時傳輸到聯網系統,並進行運算,實現了對地震活動的即時監測和預警。

    地震中心在臺灣架設了 700 多個強震監測站,但能夠和地震中心即時連線的,只有其中 500 個,藉由這項計畫,地震中心將致力增加可連線的強震監測站數量,並優化原有強震監測站的聯網品質。

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    在地震中心的評估中,可以連線的強震監測站大約可在 113 年時,從原有的 500 個增加至 600 個,並且更新現有監測站的軟體與硬體設備,藉此提升地震預警系統的效能。

    由此可知,倘若地震儀沒有了聯網的功能,我們也形同完全失去了地震預警系統的一切。

    把地震儀放到井下後,有什麼好處?

    除了加強地震儀的聯網功能外,把地震儀「放到地下」,也是提升地震預警系統效能的關鍵做法。

    為什麼要把地震儀放到地底下?用日常生活來比喻的話,就像是買屋子時,要選擇鬧中取靜的社區,才不會讓吵雜的環境影響自己在房間聆聽優美的音樂;看星星時,要選擇光害比較不嚴重的山區,才能看清楚一閃又一閃的美麗星空。

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    地表有太多、太多的環境雜訊了,因此當地震儀被安裝在地表時,想要從混亂的「噪音」之中找出關鍵的地震波,就像是在搖滾演唱會裡聽電話一樣困難,無論是電腦或研究人員,都需要花費比較多的時間,才能判讀來自地震的波形。

    這些環境雜訊都是從哪裡來的?基本上,只要是你想得到的人為震動,對地震儀來說,都有可能是「噪音」!

    當地震儀靠近工地或馬路時,一輛輛大卡車框啷、框啷地經過測站,是噪音;大稻埕夏日節放起絢麗的煙火,隨著煙花在天空上一個一個的炸開,也是噪音;台北捷運行經軌道的摩擦與震動,那也是噪音;有好奇的路人經過測站,推了推踢了下測站時,那也是不可忽視的噪音。

    因此,井下地震儀(Borehole seismometer)的主要目的,就是盡量讓地震儀「遠離塵囂」,記錄到更清楚、雜訊更少的地震波!​無論是微震、強震,還是來自遠方的地震,井下地震儀都能提供遠比地表地震儀更高品質的訊號。

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    地震中心於 2008 年展開建置井下地震儀觀測站的行動,根據不同測站底下的地質條件,​將井下地震儀放置在深達 30~500 公尺的乾井深處。​除了地震儀外,站房內也會備有資料收錄器、網路傳輸設備、不斷電設備與電池,讓測站可以儲存、傳送資料。

    既然井下地震儀這麼強大,為什麼無法大規模建造測站呢?簡單來說,這一切可以歸咎於技術和成本問題。

    安裝井下地震儀需要鑽井,然而鑽井的深度、難度均會提高時間、技術與金錢成本,因此,即使井下地震儀的訊號再好,若非有國家建設計畫的支援,也難以大量建置。

    人口聚集,震災好嚴重?建立「客製化」的地震預警系統!

    臺灣人口主要聚集於西半部,然而此區的震源深度較淺,再加上密集的人口與建築,容易造成相當重大的災害。

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    許多都會區的建築老舊且密集,當屋齡超過 50 歲時,它很有可能是在沒有耐震規範的背景下建造而成的的,若是超過 25 年左右的房屋,也有可能不符合最新的耐震規範,並未具備現今標準下足夠的耐震能力。 

    延伸閱讀:

    在地震界有句名言「地震不會殺人,但建築物會」,因此,若建築物的結構不符合地震規範,地震發生時,在同一面積下越密集的老屋,有可能造成越多的傷亡。

    因此,對於發生在都會區的直下型地震,預警時間的要求更高,需求也更迫切。

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    地震中心著手於人口密集之都會區開發「客製化」的強震預警系統,目標針對都會區直下型淺層地震,可以在「震後 7 秒內」發布地震警報,將地震預警盲區縮小為 25 公里。

    111 年起,地震中心已先後完成大臺北地區、桃園市客製化作業模組,並開始上線測試,當前正致力於臺南市的模組,未來的目標為高雄市與臺中市。

    永不停歇的防災宣導行動、地震預警技術研發

    地震預警系統僅能在地震來臨時警示民眾避難,無法主動保護民眾的生命安全,若人民沒有搭配正確的防震防災觀念,即使地震警報再快,也無法達到有效的防災效果。

    因此除了不斷革新地震預警系統的技術,地震中心也積極投入於地震的宣導活動和教育管道,經營 Facebook 粉絲專頁「報地震 – 中央氣象署」、跨部會舉辦《地震島大冒險》特展、《震守家園 — 民生公共物聯網主題展》,讓民眾了解正確的避難行為與應變作為,充分發揮地震警報的效果。

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    此外,雖然地震中心預計於 114 年將都會區的預警費時縮減為 7 秒,研發新技術的腳步不會停止;未來,他們將應用 AI 技術,持續強化地震預警系統的效能,降低地震對臺灣人民的威脅程度,保障你我生命財產安全。

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    左看右看 貓頭鷹、寶石竟是斑馬魚
    顯微觀點_96
    ・2024/03/28 ・1867字 ・閱讀時間約 3 分鐘

    本文轉載自顯微觀點

    乍看以為是寶石結晶的斑馬魚肌纖維、如竹林屏風般的斑馬魚尾鰭,到似貓頭鷹的斑馬魚鏡像圖以及充滿生命力大樹般的斑馬魚神經樹突,每一幅影像都以斑馬魚為題,卻拍出不同的趣味。

    本次 Taiwan 顯微攝影競賽八名優選獎中,就有四位得獎者是中研院細胞與個體生物學研究所陳振輝老師的學生。這些拍出技術與美感兼具作品的研究者,分別為 Uday Kumar、Marco De Leon、陳樂融和劉昱秀。

    其中, 來自印度的 Uday Kumar 參加第一屆顯微攝影競賽至今,年年獲獎,更榮獲首屆金獎。而他的同儕,來自菲律賓的 Marco De Leon 也因受到他的啟發參賽,於今年獲得優選。

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    陳振輝老師實驗室主要以斑馬魚為樣本進行再生研究。他的學生們各自探索斑馬魚的不同組織或器官;有人專精於研究心臟、有人專門研究神經,有人則專門研究肌肉纖維。

    Gems And Maturity Marco Pomida De Leon
    Gems And Maturity Marco Pomida De Leon
    生命之樹 劉昱秀

    Uday Kumar 表示,由於每個人研究的方向不同,因此必須從基因工程到成長過程,各自「顧好」自己的斑馬魚。

    這些攸關研究進度與實驗設計的斑馬魚,養殖在細生所地下室的魚房。數十個排列整齊畫一的魚缸,裡頭有著各式大小、不同生長階段和品系的斑馬魚。

    為了能夠取卵進行基因轉殖,從養殖器皿到時間都必須加以控制。Uday Kumar 表示,除了一般魚缸外,養殖斑馬魚會再裝置一個多孔的產卵盒。晚上將公魚和母魚用隔板隔開,並保持環境黑暗,避免交配產卵。

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    等到隔天上午將隔板拿掉,讓公魚、母魚相會,並利用光周期誘發產卵、受精後,必須將特製的產卵盒斜置,好讓受精卵下沉到魚缸底部。如此一來,也可避免斑馬魚將受精卵吃掉。

    陳振輝老師實驗室專注於「多顏色細胞標誌技術」(Brainbow/Skinbow)。利用基因重組的方式,將紅、藍、綠三種不同色的螢光蛋白在個別細胞裡表現不同數量,依不同比例產生更多顏色來標誌不同細胞。

    Uday Kumar 表示,要將目標基因注入細胞內,需要使用顯微注射技術,在立體顯微鏡下將注射管準確地插入受精卵中。

    不過這對他來說,顯微注射已經是一件熟練到「像騎腳踏車」般簡單的事,一天注射超過 500 顆受精卵都沒問題。

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    雖然基因轉殖對這些研究者來說已是熟能生巧的事,但要建立新的基因轉殖魚仍然要花上漫長的時間,通常需要 6 個月到一年,品系才會逐漸穩定。以 Uday Kumar 於 2021 年獲得金獎的作品來說,就是花了兩年才培育出能以正確比例呈現美麗色彩的斑馬魚。

    顯微攝影的每一幅作品除了呈現出精彩美麗的影像外,背後更蘊含著每一位研究者精湛的技術以及長久累積的研究心血。

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    細生所地下室的魚房,有著各式大小、不同生長階段和品系的斑馬魚。攝影/楊雅棠
    Uday Kumar使用立體顯微鏡。攝影/楊雅棠

    斑馬魚小教室

    斑馬魚(Danio rerio)是常見的模式生物之一,原分布於孟加拉、印度、巴基斯坦、緬甸、尼泊爾等南亞淡水流域。其體長約 3 至 4 公分,雄魚體修長且背部呈淺橄欖黃色,雌魚體渾圓腹部較彭大;適合生長溫度為 23 至 28℃。

    斑馬魚胚胎透明、發育期間短,容易觀察;且屬於脊椎動物,與人類有相似器官如心血管、神經等,加上基因組序列已解開,基因轉殖容易,種種優點使得牠成為非常適合作為遺傳研究及藥物篩選的脊椎動物模式。

    查看原始文章

    參考資料

    1. 顯微鏡下一抹彩虹,陳振輝,《中央研究院週報》第 1610 期
    2. 臺灣斑馬魚中心——中研院分支介紹,黃聲蘋,《中央研究院週報》第 1360 期
    3. 心臟、尾鰭與脊椎,那些以斑馬魚進行的「再生」研究
    4. 「從動物身上問對問題,就可以找到答案!」陳振輝談斑馬魚的超強再生力

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    顯微觀點_96
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    從細微的事物出發,關注微觀世界的一切,對肉眼所不能見的事物充滿好奇,發掘蘊藏在微觀影像之下的故事。

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    月經週期變短?慎防卵巢早衰!及早檢測減少不孕風險
    careonline_96
    ・2024/03/27 ・2054字 ・閱讀時間約 4 分鐘

    「醫師,我有卵巢早衰的現象,所以打算凍卵,但是聽說每天都要打排卵針,讓我好猶豫……」李小姐說。

    「打排卵針是為了促使卵泡發育,才有辦法取得較多的卵子。」醫師說,「現在也有一針抵多針的友善排卵針,施打一次效果可以持續一週,便利性較高,也可大幅減少打針的次數。」

    在台灣,每十對夫妻中大約有兩對會遭遇不孕的困擾。大新婦產科診所生殖中心陳志宏院長指出,「如果沒有避孕超過一年都沒有懷孕,就算是不孕症。至於 35 歲以上的婦女,如果超過半年還沒有受孕,便要盡快尋求專業的協助。」

    有許多因素會導致不孕症,卵巢早衰是個常見的原因。陳志宏院長說,卵巢早衰通常沒有明顯症狀,患者往往是在接受檢驗後,才驚覺有卵巢早衰的狀況。

    卵巢早衰的原因可分成先天因素和後天因素,大部分是先天因素,例如在出生之後,卵巢的細胞存量就比較少。陳志宏院長說,後天因素包括卵巢發炎、卵巢手術、壓力過大、作息不正常、吸菸等。

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    年輕女性發生卵巢早衰時,大多沒有明顯症狀,還是有規則的月經。陳志宏院長說,部分女性可能會發現月經週期縮短,本來是 28 天來月經,當卵巢功能衰退時,可能變成 26 天、24 天、甚至 21 天就來月經。月經週期縮短可能是卵巢早衰的徵兆,但是有些人的月經本來就不規則,所以也不會發現月經週期縮短的狀況。

    卵巢早衰對生殖能力有顯著的影響,陳志宏院長說,除了卵巢存量過少,卵子品質也會下降,導致患者懷孕機率降低,而受精後的胚胎也可能無法順利發育。

    有生育規劃的女性一定要留意卵巢早衰的問題,陳志宏院長說,抽血檢測抗穆勒氏管荷爾蒙(AMH)可以評估卵巢功能,抗穆勒氏管荷爾蒙(AMH)由卵巢中的小卵泡分泌。抗穆勒氏管荷爾蒙(AMH)的正常範圍在 2 ng/ml 至 5 ng/ml,當抗穆勒氏管荷爾蒙(AMH)小於 2 ng/ml 就代表卵巢功能衰退。

    另一個評估方式是由陰道超音波檢查大於 2mm 的小卵泡數量,陳志宏院長說,若小卵泡數量減少,代表卵巢庫存下降。

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    及早了解卵巢功能,積極把握卵實力

    「隨著年紀增長,卵巢功能將持續衰退。」陳志宏院長說,「女性可以透過抗穆勒氏管荷爾蒙(AMH)或超音波評估卵巢功能,預作生育規劃。如果打算晚一點生育,或已經發現有卵巢早衰的現象,可以考慮凍卵,保存卵實力。」

    在較年輕的時候取卵,能夠一次取到較多卵子,而且卵子的品質比較好。陳志宏院長解釋,舉例來說,在 30 歲時,也許凍 8 至 12 顆卵,未來就有機會成功生下一個活產寶寶;到了 40 歲,可能要凍 20 至 40 顆卵,才有機會成功生下一個活產寶寶。而在 30 歲時,可能只要取一、兩次卵就足夠,但在 40 歲時,便需要多次取卵。

    陳志宏院長提醒,「建議育齡年齡的女性要了解自己的卵巢功能,及早做好生育規劃。」

    無論是要凍卵或是做人工生殖都需要從卵巢中取出卵子,而得先施打排卵針。陳志宏院長說,傳統的作法是使用短效型排卵針,每天一劑,連續施打 7 至 10 次。患者可以在家自行施打,或者回醫療院所施打。

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    如果很怕打針、不敢自己打針、或時間無法配合的患者可以考慮使用可以一針抵多針的友善排卵針。陳志宏院長說,施打後,醫師可依患者個情況追加短效型排卵針,對患者而言方便性較高,也比較友善。

    根據臨床試驗,可以一針抵多針的友善排卵針的懷孕率、活產率皆與短效型排卵針無顯著差異。患者可以和醫師討論,選擇合適的方式。

    從月經來潮到取卵大約是兩個禮拜,陳志宏院長說,如果要凍卵,就是直接把卵子凍起來,等到適當的時間再解凍、受精;如果要作人工生殖,大概會在取卵後 3 至 5 天植入。

    針對不孕,目前的生殖科技有幾種方式可以輔助,例如吃排卵藥、人工受孕、試管嬰兒,各種方式的適用族群與成功率各不相同,需要經過專業的評估。陳志宏院長說,以大新婦產科診所生殖中心為例,每位患者都有個案管理師,醫師也會根據每個人的狀況提供個人化的療程,增加懷孕成功的機率!

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