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部分生物DNA建造要素可能來自太空

臺北天文館_96
・2011/09/10 ・1270字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 568 ・九年級

自1960年代開始,科學家就已經知道隕石中含有地球生命最重要的基礎—DNA(去氧核醣核酸)成分,但不確定是真的在太空中製造出來的,還是掉落地球過程中被地球生命「污染」的。美國航太總署(NASA)哥達德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center)Michael Callahan等人找出3條線索證明:DNA的某些建造要素很可能是在太空中製造出來的,之後才藉由隕石或彗星撞擊的方式,傳送到地球上,然後再進行「組合」,成為生命的起源。這個研究,再為「生命起源外來說」添了一筆證據。

科學家找到許多證據證明:彗星和小行星等天體裡的某些化學作用可以產生建造生命基石有關的基礎生物分子。例如:NASA星塵號(Stardust)飛掠威德2號彗星(Wild 2)所捕捉的粒子樣本,以及各種不同的富碳隕石樣本中,都發現有氨基酸(amino acids)的存在。氨基酸是形成蛋白質最重要的成分,生命體中非常重要的分子,從頭髮到酵素等,都與其有關。

Callahan等人研究了12個富碳隕石樣本,其中9個是在南極洲發現的。利用液相色層分析儀、質譜儀等儀器擷取並分析化學組成的結構,結果發現腺嘌呤(adenine)和鳥嘌呤(guanine),這兩種都是DNA組成之一,稱為「核鹼基(nucleobase,或簡稱鹼基)」;另外還發現次黃嘌呤(hypoxanthine)和黃嘌呤(xanthine)等成分。DNA像螺旋樓梯,腺嘌呤、鳥嘌呤和另兩種成分連結兩股螺旋結構,形成一個雙螺旋階梯狀的構造,這些都是告訴細胞工廠要產生哪些蛋白質的編碼或工作指令。次黃嘌呤和黃嘌呤不在DNA內,而是用在另一種生物過程中。

此外,在其中2顆隕石中,這些科學家首度發現極少量與核鹼基有關的3種分子,分別是嘌呤(嘌呤)、2,6-二氨基嘌呤(2,6-diaminopurine)和6,8-二氨基嘌呤(6,8-diaminopurine),後兩者再現今生物學上幾乎沒再使用。這些化合物都有相同的核鹼基核心分子,只是其中的某個結構被移除或多加了某個結構的差別。

隕石中普遍有這些核鹼基類分子的出現,是第1條線索,顯示這些分子的確來自太空,而非地球污染的結果。原因在於出現了現代生物幾乎沒再用的那兩種二氨基嘌呤,僅出現在一種稱為噬藻體(cyanophage S-2L)的病毒中。然而,如果結構鬆散的小行星像是化合物工廠,那麼由於小行星差異頗大,應該會製造出各種不同的核鹼基,不會只有與生物相關的這幾種。

第2條線索來自:Callahan等人所研究的隕石大都來自南極洲,因此他們以完全相同的研究方式分析了8公斤來自南極洲的冰,結果發現這些冰中的腺嘌呤、鳥嘌呤、次黃嘌呤和黃嘌呤等含量非常低,僅有隕石樣本的1兆分之一而已。他們也分析了其中一顆含有核鹼基類分子隕石周圍的泥土,結果與冰的分析結果相同,不含有任何與隕石相同的核鹼基類分子。

第3條線索,Callahan等人發現這些核鹼基,無論是生物或非生物相關的,可以完全經由非生物化學反應製造出來。在實驗室中,經由氰化氫(hydrogen cyanide)、氨(ammonia)和水,就可以製造出這些鹼基類分子,根本無須與任何生物過程有任何牽扯。這個實驗,為Callahan等人的小行星合成核鹼基的理論合理化,也進一步提供生物分子來自太空的線索。

可點選此處,觀看相關動態影片

資料來源:DNA Building Blocks Can Be Made in Space

轉載自台北天文館之網路天文網網站

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臺北天文館_96
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解析「福衛七號」的觀測原理——它發射升空後,如何讓天氣預報更準確?

科技大觀園_96
・2021/10/25 ・2915字 ・閱讀時間約 6 分鐘

2019 年 6 月 25 日,福爾摩沙衛星七號(簡稱福衛七號)在國人的引頸期盼下升空。一年多來(編按:以原文文章發佈時間計算),儘管衛星還沒有全部轉換到預定的軌道,但已經回傳許多資料,這些資料對於天氣預報的精進,帶來很大的助益。中央大學大氣系特聘教授黃清勇及團隊成員楊舒芝教授、陳舒雅博士最近的研究主題,就是福衛七號傳回的資料,對天氣預報能有哪些改善。

掩星觀測的原理

要介紹福衛七號帶來的貢獻,得先從它的上一代──福衛三號說起。福衛三號包含了 6 顆氣象衛星,軌道高度 700~800 公里,以 72 度的傾角繞著地球運轉(繞行軌道與赤道夾角為 72 度)。這些衛星提供氣象資訊的方式,是接收更高軌道(約 20,200 公里)的 GPS 衛星所放出的電波,這些電波在行進到氣象衛星的路程中,會從太空進入大氣,並產生偏折,再由氣象衛星接收。換句話說,氣象衛星接收到的電波並不是走直線傳遞來的,而是因為大氣的折射,產生了偏折,藉由偏折角可推得大氣資訊。

▲低軌道衛星(如福衛三號)持續接收 GPS 衛星訊號,直到接收不到為止,整個過程會轉換成一次掩星事件,讓科學家取得大氣溫濕度垂直分佈。圖/黃清勇教授提供

氣象衛星會一邊移動,一邊持續接收電波,直到接收不到為止,在這段過程中,電波穿過的大氣從最高層、較稀薄的大氣,逐漸變為最底層、最接近地面的大氣,科學家能將這段過程中每一層大氣所造成的偏折角,通過計算回推出折射率,而折射率又和大氣溫度、水氣、壓力有關  ,因此可再藉由每個高度的大氣折射率,得出溫濕度垂直分布,這種觀測方式稱為「掩星觀測」。掩星觀測所得到的資料,可以納入數值預報模式,進一步做各種預報分析。 

資料同化──觀測與模式的最佳結合

在將掩星觀測資料納入數值預報模式時,必須先經過「資料同化」的過程。數值預報模式內含動力方程式,可以模擬任何一個位置的氣塊的運動,但是因為大氣環境非常複雜,模擬時不可能納入全部的動力條件,因此模擬結果不一定正確。而另一方面,掩星觀測資料提供的是真實觀測資訊,楊舒芝形容:「觀測就像拿著照相機拍照,不管什麼動力方程式,拍到什麼就是什麼。」但是,觀測的分布是不均勻的—唯有觀測過的位置,我們才會有觀測資料。

所以,我們一手擁有分布不均勻但很真實的觀測資料,另一手擁有很全面但可能不太正確的模式模擬。資料同化就是結合這兩者,找到一個最具代表性的大氣初始分析場,再以這個分析場為起點,去做後續的預報。資料同化正是楊舒芝和陳舒雅的重點工作之一。 

中央大學分別模擬 2010 年梅姬颱風和 2013 年海燕颱風的路徑,發現加入福三掩星觀測資料之後,可以降低颱風模擬路徑的誤差。圖/黃清勇教授提供

由於掩星觀測取得的資料與大氣的溫度、濕度、壓力有密切關係,因此在預報颱風、梅雨或豪大雨等與水氣量息息相關的天氣時,帶來重要的幫助。黃清勇的團隊針對福衛三號的掩星觀測資料對天氣預報的影響,做了許多模擬與研究,發現在預測颱風或氣旋生成、預報颱風路徑,以及豪大雨的降雨區域及雨量等,納入福衛三號的掩星觀測資料,都能有效提升預報的準確度。

黃清勇進一步說明,由於颱風都是在海面上生成的,而掩星觀測技術仰賴的是繞著地球運行的衛星來收集資料,相較於一般位於陸地上的觀測站,更能夠取得海上大氣資料,因此對於預測颱風的生成有很好的幫助。另一方面,這些資料也能幫助科學家掌握大氣環境,例如對於太平洋高壓的範圍抓得很準確,那麼對颱風路徑的預測自然也會更準。根據團隊的研究,加入福衛三號的掩星觀測資料,平均能將 72 小時颱風路徑預報的誤差減少約 12 公里,相當於改進了 5%。

豪大雨的預測則不只溫濕度等資訊,還需要風場資訊的協助,楊舒芝以 2008 年 6 月 16 日臺灣南部降下豪大雨的事件做為舉例,一般來說豪大雨都發生在山區,但這次的豪大雨卻集中在海岸邊,而且持續時間很久。為了找出合理的預測模式,楊舒芝探討了如何利用掩星觀測資料來修正風場。 

從 2008 年 6 月 16 日的個案發現,掩星資料有助於研究團隊掌握西南氣流的水氣分佈。上圖 CNTL 是未使用掩星資料的控制組,而 REF 和 BANGLE 皆有加入掩星資料(同化算子不一樣),有掩星資料可明顯改善模擬,更接近觀測值(Observation)。圖/黃清勇教授提供

福衛七號接棒觀測

隨著福衛三號的退休,福衛七號傳承了氣象觀測的重責大任。福衛七號也包含了 6 顆氣象衛星,不過它和福衛三號有些不同之處。

福衛三號是以高達 72 度的傾角繞著地球運轉,取得的資料點分布比較均勻,高緯度地區會比低緯度地區密集一些。相較之下,福衛七號的傾角只有 24 度,它所觀測的點集中在南北緯 50 度之間,對臺灣所在的副熱帶及熱帶地區來說,密集度更高;加上福衛七號收集的電波來源除了美國的 GPS 衛星,還增加了俄國的 GLONASS 衛星,這些因素使得在低緯度地區,福衛七號所提供的掩星觀測資料將比福衛三號多出約四倍,每天可達 4,000 筆。

福衛三號與福衛七號比較表。圖/fatcat 11 繪

另一方面,福衛七號的軟硬體比起福衛三號更加先進,可以獲得更低層的大氣資料,而因為水氣主要都集中在低層,所以福衛七號對水氣掌握會比福衛三號更具優勢。

從福衛三號到福衛七號,其實模式也在逐漸演進。早期的模式都是納入「折射率」進行同化,而折射率又是從掩星觀測資料測得的偏折角計算出來的。「偏折角」是衛星在做觀測時,最直接觀測到的數據,相較之下,折射率是計算出來的,就像加工過的產品,一定有誤差。因此,近來各國學者在做數值模擬時,愈來愈多都是直接納入偏折角,而不採用折射率。黃清勇解釋:「直接納入偏折角會增加模式計算的複雜度,也會增加運算所需的時間,而預報又是得追著時間跑的工作,因此早期才會以折射率為主。」不過現在由於電腦的運算能力與模式都已經有了進步,因此偏折角逐漸成為主流的選擇。 

由左至右依序為,楊舒芝教授、黃清勇特聘教授、陳舒雅助理研究員。圖/簡克志攝

福衛七號其實還沒有全部轉換到預定的軌道,不過這一年多來的掩星觀測資料,已經讓中央氣象局對熱帶地區的天氣預報,準確度提升了 4~10%;陳舒雅也以今年 8 月的哈格比颱風為案例,成功地利用福衛七號的掩星觀測資料,模擬出哈格比颱風的生成。

除了福衛七號,還有一顆稱為「獵風者」的實驗型衛星,預計 2022 年將會升空。獵風者的任務是接收從地表反射的 GPS 衛星電波,然後推估風速。可以想見,一旦有了獵風者的加入,我們對大氣環境的掌握度勢必更好,對於颱風等天氣現象的預報也能更加準確。就讓我們一起期待吧!

科技大觀園_96
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