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首度發現火星大氣有水汽過飽和現象

臺北天文館_96
・2011/10/06 ・1383字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 573 ・九年級

經由歐洲太空總署(ESA)火星特快車號(Mars Express)太空船上的SPICAM光譜儀觀測資料,科學家首度在火星大氣中發現水汽過飽和(supersaturation)現象,讓科學家得以瞭解火星大氣中的水循環現象和演化歷史。相關論文發表在科學(Science)期刊中。

過去半世紀以來雖然已有多艘太空船拜訪過火星,但鮮少直接測量火星大氣的垂直結構。大部分太空船的儀器都是直接觀察表面,看到的是大氣氣體在水平方向的分佈狀況,但如此一來就無法清楚知道水汽如何與大氣混合;而若無法知道水汽的垂直分佈狀況,也就無法知道火星上的水文循環(hydrological cycle);換言之,水汽垂直分佈是瞭解火星水文循環的最關鍵的要素。目前對火星大氣水文循環的理解,都是透過火星的全球氣候模型的電腦模擬方式,並不準確。

由於SPICAM光譜儀(Spectroscopy for Investigation of Characteristics of the Atmosphere of Mars)可在紅外波段使用掩星模式(occultation mode)進行觀測,法國科學家Luca Maltagliati等人利用日出或日落時分來研究太陽光穿越火星大氣狀況,如此一來就可測量並分析數種大氣組成隨高度變化的的垂直分佈狀況,其中當然也包括水汽。

SPICAM於北半球處在春季與夏季之時進行測量,測量結果讓Maltagliati等人十分驚訝,因為他們發現火星大氣中的水汽垂直分佈,竟迥異於先前的理論假設,明顯呈現過飽和現象。

火星大氣中的水汽含量僅有地球大氣的萬分之一以下,然而水汽是變動性非常大的追蹤氣體(trace gas),常隨火星季節變化而變化。在正常地球狀況下,當氣溫降到所謂的「露點(dew point)」以下時,水汽(氣態)會凝結或凝華在微塵、懸浮粒子或鹽粒等「凝結核(condensation nuclei)」周圍而形成水滴(液態)或冰晶(固態),此時就說大氣已經「飽和(saturated)」了,在此氣溫與氣壓下,大氣已無法容納更多的水汽,任何多出的水汽,都會凝結成水滴或冰晶。然而,當大氣中的懸浮塵粒等凝結核非常稀少時,水汽無處可凝結,則即使氣溫降到露點以下也不會凝結或凝華,如此一來便形成了過飽和現象。

Transport of water vapour in the Martian atmosphere. Credit: ESA/AOES Medialab  到目前為止,科學家通常假設火星大氣中不存在過飽和現象,任何過多的水汽通常都會立即轉化為冰。但是SPICAM資料顯示:當火星位在遠日點附近時,離地表約50公里高的中層大氣常常發生水汽過飽和現象,而且過飽和程度非常高,相當於地球上類似現象的10倍以上。這表示:很明顯的,火星高層大氣中的水汽含量必定多得超乎想像,所以先前的電腦模擬顯然大大低估了火星地表上空20~50公里高的水汽含量,若根據這次新的觀測料,這個高度內的水汽含量約為原電腦模擬預測的10~100倍左右。

根據Maltagliati等人的新發現,火星水文循環模型必須修正飽和水汽物理過程部分,如此一來才能瞭解火星全球氣候和水汽從一個半球傳輸到另一個半球的過程。此外也顯示:有更多得水汽被帶到大氣夠高的地方而受到光解離(photodissociation)的影響,也就是太陽光會將水分子分解成氧原子和氫原子,之後這些原子便逃逸至太空中。這個過程能解釋火星水汽流失的速率,也能解釋火星地表和大氣的長期演化狀況。

SPICAM本次測量時機是在火星大氣中塵埃含量極少的時節;缺乏塵埃讓儀器能清楚測量火星大氣接近地表約10公里範圍內的垂直分佈狀況。在進入南半球夏季後,沙塵暴揚起大量沙塵進入大氣中,有了足夠的凝結核,過飽和層當然就會消失了。

資料來源:ESA orbiter discovers water supersaturation in the Martian atmosphere

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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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》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》