1

0
0

文字

分享

1
0
0

以電晶體模仿細胞

only-perception
・2011/10/01 ・1800字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 588 ・九年級

當這個世界已變成較少類比且較多數位的時候 — 如錄音座與電視天線已被 MP3 播放器與串流影片所取代 — 電機工程師的思考習慣也跟著改變。在類比世界中,他們絕大部分都習慣就數量來思考,例如電壓,那是連續的,意指他們能採用無限範圍的值。現在他們傾向以 0s 與 1s 思考,數位邏輯的二元對立(binary oppositions)。

自人類基因組計畫(HGP)完成以來,二種欣欣向榮的學門 — 合成生物學(synthetic biology)與系統生物學(systems biology) — 已從觀察中浮現,在某方面上,導致蛋白質在細胞內製造的化學反應順序,看起來很像電子電路。一般來說,二種領域中的研究者傾向就二元對立來分析反應:若存在某種化學反應,就會發生某件事;若化學物質不存在,就會發生不同的事。

但 Rahul Sarpeshkar(MIT Research Laboratory of Electronics,RLE,的電機工程副教授)認為,那是錯誤的方向。”在細胞內的訊號並非 1 或 0,” Sarpeshkar 表示。”那是一種過度簡化的抽象化,那是對於細胞能做什麼事,最初的、粗糙的、有用的粗略估計。不過每個人都知道,那真的是錯的。”

在 11 月於 San Diego 舉行的 Biomedical Circuits and Systems Conference 上,Sarpeshkar、研究科學家 Lorenzo Turicchia、博士後  Ramiz Daniel 與畢業生 Sung Sik Woo(這些都屬於 RLE),將針對一份論文進行簡報,在其中,他們使用類比電子電路來塑模細胞內蛋白質與 DNA 間,二種不同類型的交互作用。這些電路以非凡的準確度來模仿細胞的行為,但更重要的是,他們辦到這件事所用的電晶體數量遠少於數位模型所需要的數量。

這項研究或能指出生物系統的電子模擬方向,那在製作上不僅更簡單,且更精確外,運作還更有效率。那亦指出一種新的框架,用以分析及設計統御細胞行為的生化過程。

模糊地帶(Shades of gray)

電晶體基本上就是一種開關:當它開啟時,它會導電;當它關閉時,它就不會。在一個電腦晶片中,這二種狀態代表 0s 與 1s。

但是在不導電與導電態之間移動時,電晶體會經歷過中間的每種狀態 — 輕微的導電性、中等的導電性、完全的導電性 — 就好比一輛車從 0 加速到 60 時,會經歷過中間每種速度。因為電腦晶片中的電晶體預期要進行二元邏輯運算,所以它們被設計成使這些過渡狀態不可偵測。但 Sarpeshkar 等人正是要利用它這種過渡狀態。

“譬如,這個細胞是製造胰島素的胰細胞,” Sarpeshkar 說。”那麼,當葡萄糖上升時,它會想要製造更多胰島素。但,那並非大霹靂。如果葡萄糖上升更多,它就會製造更多胰島素。如果葡萄糖下降一點,它就會至造少一點。那是梯度。那不是邏輯閘。”

把它當成一個類比裝置對待,一個電晶體擁有範圍無限的可能導電性,因此,它能夠塑模一種範圍無限的化學濃度。但是把它當一個二元開關對待時,電晶體只有二種可能的狀態,故塑模大量且範圍無限的濃度時,將需要一卡車電晶體。對於塑模細胞內之循序反應的大型電路而言,二元邏輯很快就會變成無法管理的複合體。但類比電路不會這樣。事實上,類比電路利用的相同類型物理現象,使細胞機器一開始就這麼有效率。

“如果你想一想,電子裝置是什麼?” Sarpeshkar 說。”那是電子的運動。那麼化學呢?化學是關於電子從某個原子或分子移動到另一個原子或分子。它們必定有深刻的連結:它們都與電子有關。”

驗證(Validation)

為了他們的新論文,RLE 研究者們完成他們自己的生物學實驗,測量細胞內二種不同蛋白質逐漸增加濃度的效應。二種蛋白質都會刺激細胞開始製造其他蛋白質,但它們以不同方式辦這件事:其中之一與一股 DNA 結合,並導致細胞開始製造某種特殊蛋白;另一個則使某種蛋白質鈍化,那種蛋白抑制了某種蛋白質的製造。

Sarpeshkar 等人能使用電路來塑模這些過程,而且每種過程只用八個電晶體。此外,這些電路結果證明正好形成彼此的鏡像,代表了「直接活化蛋白質製造」以及「使某種(鈍化他者的)鈍化劑鈍化」之間的差異性。最後,這些電路在塑模基因與蛋白質的交互作用上有著驚人的準確度。

“利用單一電晶體來實作整個等式的概念,無疑是種進步 — 那如果在數位電腦上實作,將用掉好幾行程式碼,而且如果你往設備裡面看,那將會是數百萬個電晶體,” Gert Cauwenberghs 表示,UCSD 一位生物工程與生物學教授。”生物系統中極端的變異性,以及該系統仍能有彈性地應付變異性,暗示著,類比電路,那與熱力學原理有些類似,且內含雜訊,將是一個良好的實作平台。”

Cauwenberghs 告誡,為了對生物學有用,一個遺傳迴路的類比模型得要比 RLE 研究者的那一套還要更加複雜許多。建立這樣的模型,他說,在產生有關細胞內化學濃度的準確資料上,生物學家要完成的研究與電機工程師一樣多。但 “那無疑是這二個領域間的綜效,” 他說。

資料來源:PHYSORG: Mimicking cells with transistors [September 28, 2011]

轉載自 only-perception

文章難易度
所有討論 1
only-perception
153 篇文章 ・ 1 位粉絲
妳/你好,我是來自火星的火星人,畢業於火星人理工大學(不是地球上的 MIT,請勿混淆 :p),名字裡有條魚,雖然跟魚一點關係也沒有,不過沒有關係,反正妳/你只要知道我不是地球人就行了... :D


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