0

0
0

文字

分享

0
0
0

2014年10大科學重大突破(下)

鄭國威
・2015/01/09 ・3012字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 525 ・七年級

想複習一下傳送門:2014年10大科學重大突破(上)


13-7
Photo credit:news.nationalgeographic.com

世界上最古老的洞穴頭銜,換人囉!

非洲人早在7萬8千年前就有在赤鐵礦塊和鴕鳥蛋殼上刻畫幾何圖形的紀錄,但象徵性的藝術於3萬9千年前才在歐洲開始開花結果,法國的肖韋岩洞(Chauvet Cave)內生動的描繪了動物以及婦女。對此,考古學家對於代表性藝術是位於非洲還是歐洲產生了意見上的分歧。

科學家最新發現印尼蘇拉威西島(Sulawesi Island)上的史前塗鴉至少有4萬年之久,位於馬洛斯(Maros)洞穴牆上的壁畫有手印,和混合了紅赭石的顏料所繪製的「鹿豚」。利用測量鈾的放射性衰變,研究人員發現手印至少有3萬9千9百年之久,而動物圖案則至少為3萬5千4百年前了,長期以來都認為歐洲洞穴繪畫才是世界上最古老的洞穴藝術,但這項發現(註1)可能將會改寫人類發展史上關鍵階段的歷史。

關於洞穴壁畫有個出乎意料的小趣聞,考古學家迪恩.斯諾(Dean Snow)的研究(註2)中顯示,歐洲洞穴中有4分之3的古代壁畫其實是由女性繪製而成的!尤其手印更是具有諷刺的意味。不過也有專家對這項結果表示懷疑,他們認為手印絕大多數應該是來自於青春期男孩,因為對成年男性來說,洞穴是危險且無趣的,他們只畫裸女與兇猛的哺乳類。

參考資料:

 


 

13-14
人體胰腺β細胞產生胰島素(綠色)治療糖尿病。Photo credit:http://www.sciencemag.org/

糖尿病的救星,細胞?

第一型糖尿病的治療傳出好消息了!

第一型糖尿病患者的胰臟中的β細胞會被身體的自體免疫系統摧毀。因此,科學家從患者皮膚細胞中取出重新編碼過的細胞-胚胎幹細胞(embryonic stem cell,簡稱ES細胞)和誘導性多功能幹細胞(Induced pluripotent stem cells,簡稱iPS),將它們轉換成胰臟中可以產生胰島素的β細胞,再植入病人體內,提供了調節血糖的功能。

聽起來整件事似乎解決了,但是目前研究人員還需要找出新的方法,保護這些得來不易的新細胞不受自體免疫的攻擊。而研究團隊接下來則想要知道,健康的人和糖尿病患者的皮膚細胞所做出來的成果有沒有差異。

而這項令人激動的進展其實背後有個感人的故事。主導這項研究(註1)的是哈佛大學從事幹細胞研究的道格.密爾頓(Doug Melton),二十年前,他襁褓中的兒子山姆(Sam)被診斷出患有第一型糖尿病,這使密爾頓決心要想辦法找出醫治的方法,但老天又對他開了個玩笑,他的女兒艾瑪(Emma)在14歲時也患了相同的疾病,不過這也成為了他的最強動力。(父愛真的好偉大阿!)

延伸閱讀:糖尿病治療新思維─讓腸道成為代理胰臟

參考資料:


 

13-13
Photo credit:http://www.sciencemag.org/

操控記憶,植入你想要的

你相信自己的記憶力嗎?其實記憶是具有可塑性的,往事會褪色並被以新的意義取代,我們甚至還會「以為」自己記得那些從未發生過的事情,不過,大腦記憶神秘的改造過程至今仍是未解之謎。

電影《全面啟動》(Inception)中將夢境比喻成多層次潛意識的表徵,將日常生活和夢境之間相互的影響呈現出來,而劇中人物的任務「植入記憶」更是令人印象深刻,但你知道嗎,這已經不再只是個概念了。就在去年,科學家利用光遺傳學(optogenetics)的技術,以雷射光掃描老鼠的大腦中的神經細胞來操弄特定記憶,結果顯示他們成功的刪除了既有記憶並植入偽造記憶。

而今年,美國麻省理工學院神經學專家羅傑.雷東多(Roger Redondo)的研究(註1)翻轉了實際情感上的記憶,將好或壞的印象互換。他先使老鼠對於特定區域產生害怕記憶,接著再在不同區域給予牠們愉悅記憶,神經元會儲存被重新活化的「區域記憶」並修改情感連結,使害怕狀態的神經迴路被翻轉成愉悅相關的感覺。

延伸閱讀:記憶操作沒那麼簡單:深入解讀日本利根川團隊的老鼠實驗

參考資料:


 

13-15
國際太空站部屬的兩個CubeSat(暗長橢圓形的物體)進行地球觀測拍攝。Photo credit:http://www.sciencemag.org/

「立方衛星」,實現你的太空夢

10年前,立方衛星(CubeSat)還只是教育工具,而如今,這個只有 10 立方公分的小型衛星數量將打破紀錄,只需要現代技術和數十萬美元的低廉成本,就可以包辦開發、升空及運作發射至太空執行科學任務。

這些小東西可以搭商業或政府火箭的順風車升空,或部屬在國際太空站(International Space Station)外部。另外,CubeSat的設計標準可讓參與機構共用設計特性與技術,以及購買現成的組成元件,這引起了私人資金的關注,其中合作廠商Planet Labs便是利用立方衛星群組來終年監測地球。

它們微小的望遠鏡在低空間分辨率下依然可以拍照,且功能五花八門、開發時程短,吸引了許多大學研究團隊(成員通常是大學生及研究生)、小國家、新創公司,甚至高中研究團隊的興趣,使人人在未來有機會發展自己的太空計畫。

參考資料:


13-11
Photo credit:http://edition.cnn.com/

基因組成有新夥伴加入!

上過生物課就知道基因是由四個含氮鹼基A、T、G和C編碼組成,而地球上所有的生命也都由此而來,但教科書即將改寫了!(說不定教授還不知道,噓)研究人員在實驗室中創造了新的DNA鹼基X和Y,擴展了生命的基因密碼,同時也為創造新的微生物打開了一扇門。

全球各地的研究人員在試管中已經發明出數對「非自然」的核苷酸鹼基對,且符合DNA雙股螺旋的結構,他們還利用了DNA的複製過程中所使用的酵素-DNA聚合酶(DNA polymerase)來複製這些新的配對,不過在活體中的實驗一直未能成功……直到今年!

科學家研究(註1)出利用大腸桿菌中無編碼的序列,將它們設計用來轉譯出「非自然」蛋白-包含正常20種氨基酸以外的氨基酸組成,研究人員曾經利用正常DNA進行實驗,但加入X-Y組合勢必會使過程更加順利,而合成生物學家也為這個組合量身訂做了專屬的催化劑。

說到這裡,大概又有人會開始恐慌了(基改作物就已經讓很多人快崩潰頗關注),不過科學家也掛保證,這些「非自然」DNA序列並無法存在於實驗室以外,出了實驗室也無法複製甚至是傳給下一代。

延伸閱讀:科學家創造出DNA第5個「字母」

參考資料:

參考資料:

相關標籤:
文章難易度
鄭國威
26 篇文章 ・ 0 位粉絲
愛吃愛玩愛科學,過著沒錢的快樂日子。


1

4
2

文字

分享

1
4
2

什麼是「造父變星」?標準燭光如何幫助人類量測天體距離?——天文學中的距離(四)

CASE PRESS_96
・2021/10/22 ・3033字 ・閱讀時間約 6 分鐘
  • 撰文|許世穎

「造父」是周穆王的專屬司機,也是現在「趙」姓的始祖。以它為名的「造父變星」則是標準燭光的一種,讓我們可以量測外星系的距離。這幫助哈柏發現了宇宙膨脹,大大開拓了人們對宇宙的視野。然而發現這件事情的天文學家勒梅特卻沒有獲得她該有的榮譽。

宇宙中的距離指引:標準燭光

經過了三篇文章的鋪陳以後,我們終於要離開銀河系,開始量測銀河系以外的星系距離。在前作<天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」>中,介紹了距離和亮度的關係。想像一支燃燒中、正在發光的蠟燭。距離愈遠,發出來的光照射到的範圍就愈大,看起來就會愈暗。

我們把「所有發射出來的光」稱為「光度」,而用「亮度」來描述實際上看到的亮暗程度,而它們之間的關係就是平方反比。一旦我們知道一支蠟燭的光度,再搭配我們看到的亮度,很自然地就可以推算出這支蠟燭所在區域的距離。

舉例來說,我們可以在台北望遠鏡觀測金門上的某支路燈亮度。如果能夠找到到那支路燈的規格書,得知這支路燈的光度,就可以用亮度、光度來得到這支路燈的距離。如果英國倫敦也安裝了這支路燈,那我們也可以用一樣的方法來得知倫敦離我們有多遠。

我們把「知道光度的天體」稱為「標準燭光(Standard Candle)」。可是下一個問題馬上就來了:我們哪知道誰是標準燭光啊?經過許多的研究、推論、歸納、計算等方法,我們還是可以去「猜」出一些標準燭光的候選。接下來,我們就來實際認識一個最著名的標準燭光吧!

「造父」與「造父變星」

「造父」是中國的星官之一。傳說中,「造父」原本是五帝之一「顓頊」的後代。根據《史記‧本紀‧秦本紀》記載:造父很會駕車,因此當了西周天子周穆王的專屬司機。後來徐偃王叛亂,造父駕車載周穆王火速回城平亂。平亂後,周穆王把「趙城」(現在的中國山西省洪洞縣一帶)封給造父,而後造父就把他的姓氏就從本來地「嬴」改成了「趙」。因此,造父可是趙姓的始祖呢!(《史記‧本紀‧秦本紀》:造父以善御幸於周繆王……徐偃王作亂,造父為繆王御,長驅歸周,一日千里以救亂。繆王以趙城封造父,造父族由此為趙氏。)

圖一:危宿敦煌星圖。造父在最上方。圖片來源/參考資料 2

回到星官「造父」上。造父是「北方七宿」中「危宿」的一員(圖一),位於西洋星座中的「仙王座(Cepheus)」。一共有五顆恆星(造父一到造父五),清代的星表《儀象考成》又加了另外五顆(造父增一到造父增五)。[3]

英籍荷蘭裔天文學家約翰‧古德利克(John Goodricke,1764-1786)幼年因為發燒而失聰,也無法說話。1784 年古德利克(John Goodricke,1764-1786)發現「造父一」的光度會變化,代表它是一顆「變星(Variable)」。2 年後,年僅 22 歲的他就當選了英國皇家學會的會員。卻在 2 週後就就不幸因病去世。[4]

造父一這顆變星的星等在 3.48 至 4.73 間週期性地變化,變化週期大約是 5.36 天(圖二)。經由後人持續的觀測,發現了更多不同的變星。其中一群變星的性質(週期、光譜類型、質量……等)與造父一接近,因此將這一類變星統稱為「造父變星(Cepheid Variable)」。[5]

圖二:造父一的亮度變化圖。橫軸可以看成時間,縱軸可以看成亮度。圖片來源:ThomasK Vbg [5]

勒維特定律:週光關係

時間接著來到 1893 年,年僅 25 歲的亨麗埃塔‧勒維特(Henrietta Leavitt,1868-1921)她在哈佛大學天文台的工作。當時的哈佛天文台台長愛德華‧皮克林(Edward Pickering,1846-1919)為了減少人事開銷,將負責計算的男性職員換成了女性(當時的薪資只有男性的一半)。[6]

這些「哈佛計算員(Harvard computers)」(圖三)的工作就是將已經拍攝好的感光板拿來分析、計算、紀錄等。這些計算員們在狹小的空間中分析龐大的天文數據,然而薪資卻比當時一般文書工作來的低。以勒維特來說,她的薪資是時薪 0.3 美元。順帶一提,這相當於現在時薪 9 美元左右,約略是台灣最低時薪的 1.5 倍。[6][7][8]

圖三:哈佛計算員。左三為勒維特。圖片來源:參考資料 9

勒維特接到的目標是「變星」,工作就是量測、記錄那些感光板上變星的亮度 。她在麥哲倫星雲中標示了上千個變星,包含了 47 顆造父變星。從這些造父變星的數據中她注意到:這些造父變星的亮度變化週期與它們的平均亮度有關!愈亮的造父變星,變化的週期就愈久。麥哲倫星雲離地球的距離並不遠,可以利用視差法量測出距離。用距離把亮度還原成光度以後,就能得到一個「光度與週期」的關係(圖四),稱為「週光關係(Period-luminosity relation)」,又稱為「勒維特定律(Leavitt’s Law)」。藉由週光關係,搭配觀測到的造父變星變化週期,就能得知它的平均光度,能把它當作一支標準燭光![6][8][10]

圖四:造父變星的週光關係。縱軸為平均光度,橫軸是週期。光度愈大,週期就愈久。圖片來源:NASA [11]

從「造父變星」與「宇宙膨脹」

發現造父變星的週光關係的數年後,埃德溫‧哈柏(Edwin Hubble,1889-1953)就在 M31 仙女座大星系中也發現了造父變星(圖五)。數個世紀以來,人們普遍認為 M31 只是銀河系中的一個天體。但在哈柏觀測造父變星之後才發現, M31 的距離遠遠遠遠超出銀河系的大小,最終確認了 M31 是一個獨立於銀河系之外的星系,也更進一步開拓了人類對宇宙尺度的想像。後來哈柏利用造父變星,得到了愈來愈多、愈來愈遠的星系距離。發現距離我們愈遠的星系,就以愈快的速度遠離我們。從中得到了「宇宙膨脹」的結論。[10]

圖五:M31 仙女座大星系裡的造父變星亮度隨時間改變。圖片來源:NASA/ESA/STSci/AURA/Hubble Heritage Team [1]

造父變星作為量測銀河系外星系距離的重要工具,然而勒維特卻沒有獲得該有的榮耀與待遇。當時的週光關係甚至是時任天文台的台長自己掛名發表的,而勒維特只作為一個「負責準備工作」的角色出現在該論文的第一句話。哈柏自己曾數度表示勒維特應受頒諾貝爾獎。1925 年,諾貝爾獎的評選委員之一打算將她列入提名,才得知勒維特已經因為癌症逝世了三年,由於諾貝爾獎原則上不會頒給逝世的學者,勒維特再也無法獲得這個該屬於她的殊榮。[12]

本系列其它文章:

天有多大?宇宙中的距離(1)—從地球到太陽
天有多大?宇宙中的距離(2)—從太陽到鄰近恆星
天有多大?宇宙中的距離(3)—「人口普查」
天有多大?宇宙中的距離(4)—造父變星

參考資料:

[1] Astronomy / Meet Henrietta Leavitt, the woman who gave us a universal ruler
[2] wiki / 危宿敦煌星圖
[3] wiki / 造父 (星官)
[4] wiki / John Goodricke
[5] wiki / Classical Cepheid variable
[6] wiki / Henrietta Swan Leavitt
[7] Inflation Calculator
[8] aavso / Henrietta Leavitt – Celebrating the Forgotten Astronomer
[9] wiki / Harvard Computers
[10] wiki / Period-luminosity relation
[11] Universe Today / What are Cepheid Variables?
[12] Mile Markers to the Galaxies

所有討論 1
CASE PRESS_96
1 篇文章 ・ 3 位粉絲
CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。
網站更新隱私權聲明
本網站使用 cookie 及其他相關技術分析以確保使用者獲得最佳體驗,通過我們的網站,您確認並同意本網站的隱私權政策更新,了解最新隱私權政策