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沒有月球的地球,生命是否仍能發展與生存?

臺北天文館_96
・2011/08/26 ・1810字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 555 ・八年級

科學家長久以來一直相信:如果沒有月球,那麼地球的自轉軸傾角(obliquity,黃赤交角)將會劇烈變動,變動範圍將在0度到85度之間;0度時太陽將一直維持在赤道上空,85度時則幾乎直射兩極。行星的穩定度又深深影響生命發展,因為傾角變動劇烈將引起氣候巨變,對複雜生命型態的演化非常不利。

不過,目前美國愛達荷大學(University of Idaho)物理系Jason Barnes等人最新研究報告指出:即使沒有月亮,太陽系內的其他行星也會維持地球的穩定,地球的自轉軸傾角的變動僅約10度左右,沒有之前認為的那麼大;而在此狀況下,地球生命演化雖然會受到一定程度的影響,但不致於到完全無法繼續發展下去、生命完全滅絕的程度。此外,其他系外行星也不必一定要有像月亮這樣的大衛星,才能是適合生命居住的世界。


當行星自轉

The image shows Earths axial tilt (or obliquity), rotation axis, plane of orbit, celestial equator and ecliptic. Earth is shown as viewed from the Sun; the orbit direction is counter-clockwise (to the left). Image credit: Wikicommons/Dna webmaster 行星受到母星的重力拉扯,其自轉軸的朝向在空間中也會隨時間慢慢的移動,這稱為「進動(precess)」。同樣地,行星的公轉軌道面也有進動。如果自轉與公轉的進動同時發生,兩者綜合的結果將使行星毫無章法地搖擺。但月球重力似乎提供了穩定地球的效果:如果地球自轉軸進動速度加快,但地球公轉軌道進動 則無,那麼行星的擺動幅度將縮小,整個系統變得比較穩定。

以類地行星的衛星來比較,月球質量相當於地球質量的百分之一左右,相較之下,火星兩顆衛星中比較大的火星一(Phobos)質量僅約火星的6000萬分之一,可見月球在衛星中是質量比較大的;此外,火星兩顆衛星可能來自被火星重力捕捉的小行星,月球則形成於約40-50億年前一顆火星大小的天體撞擊地球後形成的,這場撞擊同時影響了地球的自轉軸傾角。因此,月球和其他類地行星衛星的差異相當大。

科學家目前估計約僅1%的類地行星有個顯著的衛星。這意味著:如果真如先前理論所言,月亮有穩定自轉軸的效果,那麼宇宙中絕大部分的行星,其自轉軸傾角都會劇烈改變。


行星的重力拉扯

雖然月球的確讓地球自轉變得比較穩定,但Barnes等人的最新研究資料顯示太陽系中其他行星的重力,尤其是木星,仍然可以讓地球遠離瘋狂搖擺的狀況。

Barnes等人表示:由於木星是太陽系中質量最大的行星,所以整個太陽系的平均公轉面其實嚴重受限於木星的重力。沒了月亮,地球自轉軸傾角在50億年之內的改變幅度僅約10~20度而已,沒有之前預期的0~85度那麼大。

這個10~20度的數值聽起來好像不大,但目前地球自轉軸的改變量僅約1~2度,就已經可能是造成冰河時期的部分原因。根據Barnes的說法:這個小小的移動造成的效果有限,但如果和地球現在的氣候狀況結合之下,就可能引起巨變。然而儘管10度的變化的確會造成一些影響,但對大規模的智慧生命發展而言,並不是個大問題。

此外,如果木星比現在還靠近地球,那麼地球公轉軌道的進動速度會變快,月亮其實反倒會讓地球自轉軸傾角的擺動變得更狂亂,沒有原本預期的穩定效果。所以,衛星對行星而言,到底是使其穩定,還是反使之狂亂,要視行星系統的其他部分而定,不全然是衛星的效果。


逆轉的好處

Moons in our solar system, with Earth for scale. Image credit: NASA Barnes等人的研究還顯示:如果行星是逆轉的,即自轉方向與其母星自轉方向相反者,其自轉軸的變動會比正轉的行星還穩定,即使沒有大型衛星在旁也一樣。因此Barnes等人認為:或許每個行星系統一開始時,行星的自轉方向是隨機的;若此為真,那麼這個行星系統裡大約有一半的行星不會經歷自轉軸傾角劇烈變動的問題。那麼,到底是什麼因素決定了行星自轉的方向?Barnes表示:最後一個影響自轉速率的因素就是了。

既然一個行星系統內,正轉和逆轉的行星約各佔一半,逆轉的行星又無須大型衛星就可以比較穩定,正轉的行星靠著行星系統裡的其他行星重力也可以大致維持穩定狀態,這意味著宇宙中適合居住的類地行星數量可能比原本想像的還多。Barnes等人甚至估計位在適居區內的行星中,至少有75%的岩質行星穩定地足以讓生命演化。不過,這點得要後續更多的研究才能確定正確與否。

相較之下,若按先前的想法:得有個大型衛星以保持適當的傾斜角,那麼僅有約1%的類地行星可維持穩定氣候,讓生命得以發展並演化。這樣的數值,遠少於Barnes等人提出的新想法。

所以,如果Barnes等人的想法獲得證實,那麼,大型衛星的確可讓行星自轉軸更穩定,但卻不是生命演化不可或缺的要素。

資料來源:The Odds for Life on a Moonless Earth  [08/04/11]

引用自臺北天文館之網路天文館網站

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臺北天文館_96
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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》