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把我送上小行星!-《世界第一好懂的科學課》

PanSci_96
・2015/01/26 ・3072字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 486 ・五年級

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

這真的是世界第一好懂的科學課

你可能會大失所望,火箭之所以能飛上天,原理其實真的非常簡單。首先,你要有負載物,也就是那些你想送上太空的東西,接著,你需要一個由燃燒室與噴射口構成的引擎。我們從牛頓第三定律-作用力等於反作用力得知,如果引擎點燃燃料後施力在一大堆熱氣上,那麼那堆熱氣也會施力在引擎上;只要來自熱氣的力大於火箭的重量,火箭就會開始加速,並從發射台上升空。

牛頓萬有引力定律告訴我們,一旦火箭進入繞行地球的軌道,便會持續保持在橢圓形軌道上,不需要我們額外給任何動力。最後,根據牛頓第一定律,任何逃脫地球重力場的太空船,都將以等速率飛向外太空。

0010630550一般噴射機可以從大氣吸進大量氧氣來助燃,但火箭卻必須自己攜帶氧氣。若使用固體燃料,氧氣由固態化學物質,例如APCP的高氯酸銨或炸藥中的硝酸鹽提供;若用液態燃料,煤油和液態氧則是各裝一個儲槽,再由幫浦送去點燃。一般來說,如果出了什麼可怕的錯誤,採用液態推進劑的助推器可以叫停,所以比點燃後停不下來的固體推進劑安全一點。不論是哪種,火箭都能夠持續燃燒燃料,就算已經離開大氣層也一樣。

大多數人以為從地球到月球的一路上需要持續燃燒燃料,其實不必。首先,你燃燒掉大部分的燃料來讓自己上到低軌道。在那裏準備轉換到月球的重力場,此時,稍微燃燒一些燃料就能讓你進入一個相當大的橢圓形軌道,地球和月球分屬兩端;在阿波羅計畫中,這過程稱為「月球轉移軌道射入」(Trans-Lunar Injection)。

你到達月球後,會再短暫燃燒燃料讓自己慢下來,然後進入圓形的停泊軌道,並從那裡派登月小艇下到月球表面。之後當每個人都安全回到太空艙後,再次燃燒燃料可以讓你進入另一個相當大的橢圓形軌道,把你送到地球大氣層的邊緣;進入大氣層的角度不能太淺,以免又從大氣層彈回外太空。接著,你就等著安全掉進海裡了。

當然,地球和月球都不是標準的球形,而且你還需要考慮太陽的重力,所以要在計算中做一些修正,才能讓一切都上軌道。總之,牛頓的三大運動定律以及萬有引力定律是我們的數學工具,幾乎可以用來計算每樣與登月相關的重要事項:需要多大的力才能讓火箭升空?需要多少燃料?要在哪裡發射火箭?它會在月球的哪個準確地點降落?太空船重新進入地球的大氣層後,會掉在哪個地方?

沒錯,你已經達成任務了;接下來我們來了解人類建造過最棒的火箭吧—農神五號。

火箭人

1960 年代登月競賽如火如荼進行時,不管你怎麼去包裝,蘇俄與美國的太空計畫說穿了就是:把二次大戰時納粹研發出來、性能超優異的V2火箭,改裝成彈道飛彈,只不過彈頭裡不是放炸藥,而是幾個太空人。1945 年春天德國戰敗後,美蘇想盡辦法要搶到V2火箭;美國得到了V2的設計者馮布朗(Wernher von Braun, 1912-1977)。蘇俄拿到了火箭,由自己的火箭設計專家—科羅里夫(Sergei Korolev, 1907-1966),從V2火箭上所得到的知識,成功建造了第一枚多節火箭R-7,並且在1957 年10 月4日利用它發射了人造衛星旅伴號,為美蘇太空競賽鳴槍起跑。

R-7 有兩節火箭,都是燃燒煤油與液態氧。分節是火箭設計上的重要發明,一部分原因是,你可以把不必要的質量丟棄;另一部分原因是,最後幾節的燃料幫浦系統可以設計成專門在外太空的真空中(而非在有大氣壓力的狀況下)運作。

美國人對旅伴號的回應是成立NASA ,並且派馮布朗主導設計一枚足以跟R-7 抗衡的火箭。他發明的火箭系列統稱為「農神」,把我們送上月球的就是農神五號。

農神五號共有三節,第一節由五具巨大的F-1引擎構成,在燃燒煤油與液態氧兩分鐘後被丟棄時,已經把火箭送到約65公里的高空。第二節火箭裝載了五具J-2引擎,燃燒液態氫與氧約六分鐘,就可以把火箭帶到距地表約200公里的高空。第三節是由另一具燃燒氫與氧的J-2引擎構成的,燃燒約兩分鐘後,把農神五號送進圓形的低軌道,接著火箭會暫時停止燃燒燃料,讓太空人得以調整一下呼吸,然後再次點火,燃燒約五分鐘,把火箭送上通往月球的軌道。

那麼俄國人呢?很可惜,科羅里夫用來回應農神五號的火箭N-1,一直卡在測試階段。1966 年他的逝去是重要原因,另外,他設計的火箭過於複雜也是原因之一。直立起來只比農神五號少幾公尺的N-1 火箭同樣是由三節構成,但光是第一節就有超過三十個引擎。四次測試發射都以失敗收場,相較之下美國人在1969 年7 月後卻一次又一次登上月球,俄國人實際上已經輸掉這場太空競賽了。

登月明證

這一切要從水星計畫談起,當時他們已經有辦法每次把一位太空人送上低軌道繞行地球。接下來發展在外太空駐留技術的雙子星計畫,一來鞏固了水星計畫的成果,二來進一步聚焦成更重要的阿波羅登月計畫。

阿波羅計畫先是把月球引力當做彈弓,讓阿波羅八號從月球身旁盪過再彈回來;然後才終於在1969 年7 月20日利用阿波羅十一號,把第一架登月小艇送上月球。在

六次登月任務中,美國太空人都會把電視畫面傳回地球、拍照、採集岩石標本,甚至在月球表面架設反射鏡,我們到現在都還經常發射雷射光到這些反射鏡上,以便測量它們到地球的距離。

然而,至今仍有傳言說人類並沒有登上月球,為什麼?其中一個原因是,在阿波羅十七號之後,我們就沒再回去月球。經過一段時間後,整件事感覺上就開始變得不真實。

另外,水門事件緊接在登月任務後爆發,而事件主角正好就是在多次彩帶慶功遊行中與太空人握手的那位總統,這起案件讓大眾對美國政府及其所屬組織(例如NASA)失去信心。另一個原因是共用閘道介面(CGI)的出現。

對1969 年那些觀看電視實況轉播的觀眾來說,一切都是眼見為憑,但是今天觀眾的觀念卻是:圖像只不過是可以隨意操弄的一堆數字罷了。

讓我們用科學的角度來解釋這些登月陰謀論的疑惑吧。如果阿姆斯壯是第一個登陸月球的人,那麼誰拿相機拍他?沒人,而是架在登月小艇外的相機。如果NASA狡滑到捏造出整起登月事件,那麼他們會粗心到派攝影師到登月小艇外,拍攝阿姆斯壯走下登月小艇的照片嗎?難道大導演史丹利.庫伯利克(如果他真的是這段影片的導演)不會想到這點嗎?

在太空人的照片中看不到星星,是因為登陸時間是安排在月球的白天,有陽光照射在月球表面。照片的曝光度是配合月球上的陽光,而不是配合昏暗得多的星象。如果登月事件是NASA捏造的,那麼忘記把星星放進背景裡,NASA就該檢討了。你可以在某些影片中看到旗子在飄動,但月球上不是沒有風嗎?這沒什麼好奇怪的,因為從牛頓第一定律我們已經得知,除非有力作用在東西身上,不然它喜歡安分的保持等速運動。月球上沒有空氣來減緩旗子的運動,所以即使它一時糾結成一團,之後還是會繼續動起來的。拜託,就不要覺得連月球上的隕石也是NASA假造的了吧……

近距離接觸

所以1969 年7 月20 日是我們第一次冒險離開自己居住的行星,踏上最近的鄰居—月球。我們即將看到,在未來的幾十年裡,還會有其他太空探險行動,我們會先再次造訪月球,然後可能去登陸一顆小行星,然後肯定會再旅行到火星及更遠的星球上。那麼,有什麼東西等著我們去發現?在太陽系的其他行星上有生命嗎?銀河系中有其他文明嗎?在可觀測宇宙的更遙遠之處又如何?在直徑長達九百三十億光年的那一團黑暗之中有其他生命嗎?

老實說,當我們自問「冒險離開地球軌道,到太陽系或更遠的地方探索,會發現什麼東西」時,心中絕對不是只想到可能帶回什麼樣的石頭。我們心中的圖像應該是比較類似「星艦迷航記」裡的情況:從一個星系巡航到另一個星系,把智慧傳給那些看起來很像人類、穿著清涼太空裝的外星人。

但是我們有什麼證據支持外星人存在?他們會長什麼樣?像克林貢人還是博格人?現在我們可以來問科學界最發人深省的問題之一,這個著名問題是義大利物理學家費米(Enrico Fermi, 1901-1954)提出的:「大家都到哪去了?」

本文摘自《世界第一好懂的科學課》,天下文化出版社出版。

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用這劑補好新冠預防保護力!免疫功能低下病患防疫新解方—長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2882字 ・閱讀時間約 6 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022 年美、法、英、澳及歐盟等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示該藥品針對 Omicron、BA.4、BA.5 等變異株具療效。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
帕克斯洛維德
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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我們與科技的距離不遙遠,再生紙是科技也是一門藝術——《天才達文西的科學教室:像科學家一樣,發明、創造和製作STEAM科展作品》
快樂文化
・2021/01/31 ・2775字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 490 ・五年級

1969年7月20日,阿波羅 11 號登月小艇離開地球表面。指揮官尼爾•阿姆斯壯 (Neil Armstrong) 是第一個踏上月球表面的人,因為這句話聞名於世:「我個人的一小步,卻是人類的一大步。」

阿波羅 11 號登月小艇。圖/天才達文西的科學教室

科技的真諦

手中握著行動電話,你掌握的科技,比 1969 年美國太空總署提供給第一位登陸
月球、從月球返回地球,並且在月球漫步的阿姆斯壯還要多。以現在的眼光來看, 1969 年的太空科技很老舊,但是以當年水準,這樣的科技卻讓人類迎接探索外太空的挑戰。

運用科學來設計有用的東西並解決問題, 就是科技。科技可以是「解決問題」與「如何解決」的合體。想想手中的行動電話:世界上從來不曾有過這樣的發明,直到 1973 年。

第一個踏上月球表面的人尼爾•阿姆斯壯。圖/Wikipedia

如何應用科學原理製造產品,同樣也是問題。電信裝置製造商摩托羅拉公司,利用實室把實用的原理化為行動,設計出發展行動電話的過程以及終端產品。這些都是科技。

關於科技,還有一個關鍵點:科技不限於高科技產品。有些科技與新型電腦相較, 看起來並不尖端,卻也是科技,「可以喝的書」(Drinkable Book) 就是經典範例。在開發中國家,這項產品提供人們安全飲用水的資訊。該書的紙張就是濾紙,可以直接過濾水源,據稱能夠減少水源中百分之九十九以上的細菌。這項科技產品用不到電力,也用不到電腦。

所以什麼才可以叫做「科技」?

如何定義科技呢?以下是科技的幾個特徵:

  • 利用科學的過程、終端產品,或是過程與終端產品。
  • 解決問題。
  • 有用途的成果,例如尖端科技改善人類與其他生物的生活品質。
  • 將理論知識付諸實際用途。有了科技,知識不僅是理論,還能化為行動。

開創嶄新科學方法或材料的,就是高科技,通常牽涉到電腦科技或電子科技。通訊專家馬丁•庫柏 (Martin Cooper) 發明行動電話,就是開創高科技。這項科技解決了問題,以創新及實用的方式,運用已知的科學與電子學知識,讓人類享有更安全、更便利的生活。

文藝復興還沒有過時

在達文西的年代,紙張與造紙等過程都可稱為科技。時至今日,從回收資源中得到紙張,也是科技。根據科技的定義,再生紙的生產符合科技條件:

  • 將使用過且可回收的舊紙製成新紙的過程,需要運用科學。
  • 再生紙解決了幾個體積問題。你曉得嗎?美國一天所丟棄的紙張重量,居然比 250 萬個相撲選手體重加起來都重。這樣的紙量,相當於大約 81.5 萬棵松樹的紙漿量。
  • 再生紙本身就是全新有用的產品。因為紙張資源回收,人們不必再砍伐森林來取得紙漿。再生紙是一種解決方案,對家庭、學校、圖書館與企業都有幫助。
  • 回收紙張的過程,必須實際運用已知的科學,這種運用方式讓大家受益;真是實用。

達文西總是竭盡所能,在紙張盡量多寫、多畫。由達文西的習慣,可以推測他一生當中,紙張一直都是重要且珍貴的科技。從他的筆記本挑幾頁,發現材質是亞麻,且可以追溯到 1508 至 1512 年。

達文西的筆記本為亞麻材質。圖/天才達文西的科學教室

松樹林提供野生動物棲所、保持大地水分,並且讓土壤健康。同樣的場景,少了松樹,試問可堪想像嗎?要有紙可用卻不伐木,紙類回收是選項之一。

因為需提供造紙紙漿,許多提供野生動物棲息的松林遭到砍伐。圖/天才達文西的科學教室

造紙的原料有那些?

1494 年左右,另一位義大利人法蘭西斯科•馬力亞·葛拉帕多 (Francesco Mana Grapaldo) 誇耀義大利紙張的高品質。他這樣描述義大利的造紙科技:「現在我們用破舊的亞麻布或麻布來造紙。」文藝復興時期的義大利造紙工匠發現:質地強韌的麻類植物與亞麻,可以製造強韌的紙張——這樣的紙張流傳數百年,因此達文西的筆記能夠傳世不朽。

時至今日,500 多年過去了,紙張的材質仍然包括麻類植物與亞麻,也包括棉花、黃麻、竹子,當然還有木漿。除了上述材質,也可以採用海藻、香蕉樹漿、花朵與雜草。這些材質有什麼共通點呢?它們都是植物。植物幾乎都可以用來造紙,這是因為纖維質的關係。你的骨骼支撐著身體,纖維質也支撐著植物。

上圖是顯微鏡底下的洋蔥細胞,也可以看出纖維質為什麼讓結構強韌又有美感。
圖/天才達文西的科學教室

想像一下,纖維質到底是什麼模樣?想像一把長長的、尚未烹煮的義大利麵。同樣的,纖維質也是由葡萄糖(單醣)鏈形成的長條分子構成。從植物抽取出來的纖維質,就像長、韌、黏的白色絲線——最強韌的紙張就是這樣做成的。

上圖是纖維質分子模型,從模型結構可知,為什麼植物與紙張都算強韌。圖/天才達文西的科學教室

造紙也是一門藝術

造紙的時候,必須將纖維搗爛,讓纖維變成紙漿。不過,纖維的分子依舊緊密結合!這是什麼道理呢?因為纖維質由葡萄糖組成。

葡萄糖是食用糖的常見成分,也是大部分植物性食品的成分。根據科學家的歸類,葡萄糖屬於碳水化合物。如同碳水化合物的字面意思,這種化合物由碳、氫與氧組成。你掌握這個資訊,審視纖維質的角度就如同化學家與生物學家囉!

纖維質要怎麼變成紙張呢?這時就需要科學家加入了!事實上,你在造紙的過程裡,也身兼科學家、藝術家與工程師的角色。現在就開始造紙,以回應當今的問題——需要回收以及重新利用紙張的問題。手工造紙完成後,等於同時實踐了科學藝術!

手工造紙的紙漿取自可回收紙張,在模板上攤開就可以變成一張新紙。圖/天才達文西的科學教室

紙張纖維質的長度與強度,決定紙張品質。處理不同類型紙張,可以感受不同的強韌程度。品質愈好的紙張,纖維質的長度愈長。紙張回收愈多次,因為製成紙漿的次數愈多,強韌度也愈差。一張紙大約可以循環使用七次。

各式不同類型的紙張。圖/天才達文西的科學教室
——本文摘自《天才達文西的科學教室:像科學家一樣,發明、創造和製作STEAM科展作品》,2020 年 10 月,快樂文化
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如果把OO丟到外太空會怎樣?我們去外太空繞一圈,身體會被改造嗎?
阿咏_96
・2020/12/12 ・2722字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 496 ・六年級

「飛向宇宙,浩瀚無垠!」這是玩具總動員裡巴斯光年的經典台詞,當巴斯說著他在太空的種種光榮事蹟時,你是否幻想過自己到外太空生活的樣子呢?人類在外太空的是怎麼生存的呢?身體會不會被改變呢?

在國際太空站 (ISS) 工作的美國太空人史考特 (Scott Kelly) ,或許可以告訴你答案!

美國太空人 Scott Kelly。圖/Wikimedia common

史考特擁有一個待在地球的雙胞胎兄弟馬克凱利(Mark Kelly),當他結束太空站一年多的任務,科學家比對了兩人的基因和身體狀況,發現史考特不但骨質密度降低了,連體內的DNA、端粒(Telomere)、腸道微生物相都變得很不一樣!

除此之外,史考特也表示他的雙腳痠痛不已,回到地球 3 個月後,仍然沒有完全恢復,嚴重時,甚至無法到公園散步。

史考特凱利 (Scott Kelly)與雙胞胎兄弟馬克凱利(Mark Kelly),他們都是NASA的太空人。圖/NASA Johnson

這還只是在「太空站裡」生活的結果唷!如果史考特在太空站外面工作呢?會不會像《 JOJO 的奇妙冒險》中的卡茲一樣,當他被射到大氣層外後,被宇宙的環境溫度凍結身體,而化為礦石與生物之間的生命體,永遠在宇宙中徘徊呢?

畢竟對於地球生物而言,一旦少了太空站的保護,等於暴露在一個充滿紫外線輻射、真空、溫度波動範圍大的環境,到處都是生命威脅啊!

這項有趣的研究已經登上了頂尖期刊Science,讓我們開始深思,太空旅行可能沒有我們想像的那麼美好,同時帶給人體極大的負擔。想要到地球以外的地方生存?也許我們的身體需要更多的訓練或是改造。

此時,科學家也開始把地球的各種生物丟到外太空去,仔細觀察這些地球生物是否會產生奇~妙~的變化。

出發吧!地球生物的先鋒部隊!

2015年,科學家們將「抗輻射奇異球菌」放到了太空站外,一年過後,他們驚奇的發現,這種細菌不只活著,竟然還活跳跳的!

抗輻射奇異球菌(Deinococcus radiodurans是一種對輻射有免疫力的地球細菌,可以在極端環境中生長、繁殖,承受人類致死劑量的 1500 倍輻射,與蟑螂無法抵抗的 15 倍輻射。

穿透式電子顯微鏡下的抗輻射奇異球菌。圖/Wikipedia common

當時,有國際團隊在日本實驗太空艙 (The Japanese Experiment Module)註1外進行 Tanpopo 任務,為了測試這些頑強的細菌,科學家將他們脫水後,送往國際太空站外的特殊平台註2,讓抗輻射奇異球菌暴露在外太空的環境之中。

日本實驗太空艙(The Japanese Experiment Module)。圖/Wikimedia common

這個平台僅有非常非常微弱的保護措施:一扇可以阻擋波長低於 190 奈米紫外光的玻璃窗,透過這個玻璃窗,科學家模擬了行星保護 (planetary protection)(註3)的情況,就像讓細菌待在其他星球大氣層裡面一樣(例如火星大氣層,即會吸收波長低於190-200 奈米的紫外線輻射)。

回來之後,咦?你怎麼長得不太一樣

經過一年的輻射、極冷又極熱的溫度變化以及無重力環境的摧殘後,科學家終於把這些可憐的細菌樣本從低地球軌道 (Low Earth orbit, LEO)註4 接回地球,和在地球上生活了一年的同種細菌樣本(也就是對照組)作比較。

科學家指出,與對照組相比,雖然從 LEO 回來的細菌樣本存活率低了許多,但存活下來的似乎都「還不錯」。

此外研究者也發現,回到地球後開始恢復的細菌們,表面覆蓋著一些囊泡(vesicles) ,而且某些蛋白質和 mRNA 變多了,尤其是那些負責調節及運輸功能的蛋白質和 mRNA ,更明顯!

雖然研究團隊還不確定這些囊泡是怎麼來的,但他們認為這也許就是細菌在太空環境存活下來的關鍵。

a, b為從 LEO 回來的細菌 SEM 圖,c,d為從 LEO 回來的細菌 TEM 圖。
e,f 為對照組細菌 SEM 圖,g,h為對照組細菌 TEM 圖。
圖/ 原始文獻

研究者在論文裡表示,囊泡化可以視為細菌面對生存壓力的一種反應,引發多種修復細胞的機制,將造成壓力的物質移走,以增強生存能力。

除此之外,外膜的囊泡也可能包含一些蛋白質,它們對營養獲取、毒素運輸等很重要,也能夠活化暴露在太空後的抗性機制,幫助修復損傷的 DNA。

在地球外生存,或許不再是「腦洞大開」

研究結果表示,當細菌暴露在太空環境時,可能會誘導它們重組細胞裡代謝反應與調節的分子,其中,抗輻射奇異球菌能夠長期生存在沒有波長低於 200 奈米的紫外線的環境中,例如具二氧化碳大氣層的火星。

「這類型的研究幫助我們更了解生命在地球外生存的機制及過程,擴展了我們在外太空的惡劣環境生存與適應的認識。」維也納大學生物化學家 Tetyana Milojevic 說。

研究團隊也表示,像抗輻射奇異球菌這樣具有高效分子反應系統的生命,也許可以在外太空中存活更久,甚至是到更遠的地方去。

看來是很有成為 JO 級生物的潛力啊~(誤)

註解

  1. The Japanese Experiment Module,簡稱 JEM,又稱 Kibo ,是日本航空局在國際太空站 (ISS) 上的第一個人類太空設施,用來進行天文觀測及科學實驗。
  2. 此平台稱為 Exposed Facility,是國際太空站 (ISS) 的一個特殊設計的平台,位於加壓艙外,暴露在太空環境中。
  3. 行星保護 (planetary protection) 指的是設計行星飛行任務的指導原則,目的在於保護天體免受地球生命樣本的污染,並保護地球免受其他天體的污染。
  4. 低地球軌道 (Low Earth orbit, LEO),是相對靠近地球表面的軌道,通常處於不到 1000 km 的高度,但可能高出地球 160 km 。與其他軌道相比雖然較低,但仍遠高於地球表面。也是國際太空站 (ISS) 使用的軌道。

參考資料

  1. Ott, E., Kawaguchi, Y., Kölbl, D., Rabbow, E., Rettberg, P., Mora, M., … & Milojevic, T. (2020). Molecular repertoire of Deinococcus radiodurans after 1 year of exposure outside the International Space Station within the Tanpopo mission. Microbiome, 8(1), 1-16.
  2. 國際太空站 (International Space Station):Kibo Laboratory
  3. The European Space Agency (ESA):Low Earth orbit
  4. This bacterium survived on the outside of the Space Station for an entire year
  5. Garrett-Bakelman, F. E., Darshi, M., Green, S. J., Gur, R. C., Lin, L., Macias, B. R., … & Piening, B. D. (2019). The NASA Twins Study: A multidimensional analysis of a year-long human spaceflight. Science, 364(6436).
  6. 週日閱讀科學大師系列講座抗輻射奇異球菌(Deinococcus radiodurans)
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