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天文學家首度建立宇宙再游離時期的變化時程表

臺北天文館_96
・2011/10/13 ・1412字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 584 ・九年級

INAF羅馬天文台(INAF Rome Astronomical Observatory)天文學家Adriano Fontana等人,利用歐南天文台(ESO)超大望遠鏡(Very Large Telescope)探索早期宇宙中,對紫外光而言變透明的階段,即所謂的「再游離時期(reionisation)」。再游離時期大約發生於130億年前;藉由小心測量一些最遙遠星系的狀況,這些天文學家首度能建立再游離過程的時程表,且證明這個階段必定發生得比天文學家原本設想的還快。相關論文發表在天文物理期刊(Astrophysical Journal)中。

這些天文學家耗費3年時間所測量的這些迄今已知最遙遠星系,大都位在大霹靂後約7億8000萬年到10億年之間的時期中。距今130億年前的再游離時期,原本電中性的氫霧被星系或恆星所發出的輻射游離而變成離子,讓紫外光可以穿透而抵達地球,地球上的觀察者才能透過望遠鏡觀察瞭解該時期發生了什麼事件。

Fontana表示:考古學家從不同土層中發現的人造物品,可以重建某個歷史時期的概貌。天文學家的工作也是類似,但更好,因為可以藉由直接觀察不同宇宙時期中不同星系所發出的微光而直接看到遙遠的過去。星系之間的差異性可以告知我們宇宙在各個重要時期的變化狀況及變化速度。

由於不同化學元素所發出的光譜特徵不同,從各元素固定的發射譜線可以反過來鑑定該天體含有哪種化學元素。其中一條最強、最亮的紫外發射譜線就是氫原子的萊曼-Alpha譜線(Lyman-alpha line),因此即使在遙遠又昏暗的星系光譜上,也通常可以鑑別出該譜線的存在。

One of the most distant galaxy NTTDF-474 seen when the Universe was only 820 million years old. Credit: ESO/ L. PentericciFontana等人研究20個紅移值大於7的遙遠星系後,在其中5個最遙遠的星系譜線中確認出萊曼-Alpha譜線特徵,讓他們可以從事兩個關鍵工作:第一,從萊曼-Alpha譜線往紅光部分偏移的大小(即所謂的紅位移),可以估算出這些星系的距離,再以之估算大霹靂之後多久可以見到這些星系;從這些資料,天文學家就可以建立一個星系發出的光線如何隨時間演化的時程表。

第二,不同時間點的星系內氫離子的萊曼-Alpha譜線,都有被星系際空間中的中性氫氣吸收的狀況,在Fontana等人所研究的星系中,最早的星系(紅移值7.1)和最晚的星系,紫外光被遮蔽的比例差異頗大。例如:大霹靂之後僅7億8000萬年的最早星系周圍,中性氫氣非常豐富,佔了當時宇宙整體體積的10~50%左右;但在2億年之後,中性氫的比例降到非常低的程度,與今日差不多。所以看來似乎再游離發生個過程必定比天文學家之前想的還要快很多。

除了探索氫霧被清除的速率外,Fontana等人的觀測也顯示紫外光應是使再游離發生的主要能量來源。目前有多種討論使再游離發生的光線來源的理論,其中最可能的來源是宇宙的第一代恆星(星族III,Population III),另一種較可能的來源是物質落入黑洞過程中所發出的強烈輻射。(註:星族III恆星指幾乎不含氫與氦以外重元素的恆星,基本上只有在宇宙非常早期時才存在,不過迄今不曾觀測到星族III的恆星過。)

而仔細研究其中兩個迄今已知最遠星系所發出的昏暗光線後,Fontana等人認為宇宙第一代恆星應該是再游離能量來源的首選。因為第一代恆星應該都是非常年輕的大質量恆星,比我們的太陽還年輕5000倍以上,質量更可能高達太陽的100倍以上,所以它們所發出的輻射絕對強烈到足以使氫霧再游離,讓宇宙變透明。

這些天文學家計畫在ESO下一代的新望遠鏡—歐洲極大望遠鏡(European Extremely Large Telescope,E-ELT)完成後,利用E-ELT繼續確認他們的這個理論假說是否正確。

資料來源:Distant Galaxies Reveal The Clearing of the Cosmic Fog

轉載自台北天文館之網路天文館網站

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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》