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露特西亞小行星可能一度擁有熔融核心

臺北天文館_96
・2011/10/31 ・1903字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 554 ・八年級

天文學家分析羅賽達號(Rosetta)太空船飛掠21號小行星司琴星(21 Lutetia,或音譯為「魯特西亞」)時的觀測資料,結果發現這顆小行星的表面一部份有36億歲這麼老,一部份卻只有5000~8000萬年而已,此外,它的核心很可能一度處在熔融狀態。

司琴星小行星是到目前為止,曾有太空船拜訪過的小行星中體積最大的;Lutetia是源自巴黎古地名的拉丁文。羅賽達號太空船以3170公里飛掠這顆直徑約130公里的小行星時,小行星距離地球約4億5000萬公里,羅賽達影像顯示司琴星小行星表面遍佈坑谷與裂縫,顯示這顆小行星過去曾經歷過無數戰役。

由法國、德國、荷蘭與美國天文學家組成的研究團隊,分析羅賽達號的司琴星小行星影像,發現在其寒冷而充滿裂隙的內部,極可能一度有個熾熱而熔融的金屬核心,意味司琴星小行星雖然曾經歷了數十億年的撞擊歷史,但卻仍保有它從太陽系非常早期形成之後的原始分層結構。而這項發現也意味著:主小行星帶中,各小行星必定還有更多尚未發現的差異性,可能有許多天體擁有核心或有趣的內部結構,只是被未融化的表面包覆住了,所以沒被科學家發現。小行星帶很可能比只從觀察小行星表面所得的還有趣多了。


年輕與年老並存的世界

這些天文學家從司琴星表面的隕坑數量來估算其相對年齡,隕坑數量愈多,相對年齡愈老,反之隕坑數量愈少愈年輕。結果發現有一部份表面的佈滿了密密麻麻的隕坑,年齡達36億年之多。而那些隕坑數量少、看起來比較年輕的地方,應該是鄰近地區曾遭到其他小行星撞擊所引發的地震導致山崩的結果。山崩滑落的碎岩,有些直徑達300-400公尺左右,相當於澳洲的艾爾斯岩那麼大。而崩落的碎屑厚度約達1公里左右。

估計某些次的撞擊可能非常猛烈,造成司琴星表面崩裂,且崩裂的裂隙還逐漸向內部延伸,最後形成了我們今日所見的面貌。


小行星不只是石頭堆

絕大部分的小行星位在火星和木星之間的主小行星帶(main asteroid belt)中,基本上由岩石和金屬所組成,過去數十億年來,不斷互相碰撞與冷卻,所以大都有著如馬鈴薯般的不規則外觀。與行星相較之下,這些由岩石堆積成的小行星都相當小而輕,內部有許多空洞和裂縫。一般認為絕大部分小行星應該沒有機會融化,然後形成一個高密度的金屬核心,所以都維持著剛形成時的岩石和塵埃聚集原始型式。

相對地,普朗克研究所Holger Sierks等人把根據羅賽達號拍到的小行星外型融入電腦模型,計算司琴星的體積、質量,然後計算密度,卻發現司琴星小行星密度比一般落在地球上的絕大多數隕石樣本的密度還高許多。

從密度資料看來,這顆小行星內部應該幾乎是實心的,沒有孔隙或裂縫。然而羅賽達號研究者測量司琴星小行星表面的隕坑,確定司琴星表面到處都有巨大的裂隙,顯示這顆小行星內部應該有許多孔隙,和密度測量結果不大相符。畢竟,如果小行星內的孔隙愈多,小行星的密度應該會愈低,就像海綿或菜瓜布一樣。

對此互相矛盾的結果,Sierks等人提出一個可能的解釋:或許在它充滿裂隙的表面之下,這顆小行星的確含有一個過去曾融化、如今已固結的高密度金屬核心。

這項直接測量結果,或許可作為美國麻省理工學院(MIT)Benjamin Weiss等人去年發展出的一套理論的證據。Weiss等人研究掉落在地球上的球粒隕石,據信球粒隕石的成分從太陽系早期形成後至今都不曾改變,等於是太陽系早期遺留至今的化石;Weiss等人從Allende隕石樣本發現一些具強磁性的樣本,認為這些樣本應該是在具有熔融金屬核心的小行星中受到磁化作用的。這個觀點顯然與主流認為的:絕大部分小行星應是原始、未融化的天體的概念有很大的差異。


發展中斷的天體

如果真的存有金屬核心,司琴星應該是第一顆已知有部分分異作用(partially differentiation)的小行星,內部有一部份曾在冷卻過程中,經過分異作用而成為成層結構;另一部份則因溫度過低而保持原狀。這或許就是太陽系早期的行星發展的其中一幕。

約在45億年前太陽系開始發展時,從最初的塵埃碰撞合併,結合成愈來愈大的岩石團塊,一部份岩石團塊愈長愈大,最後變形成了行星;不過還是有很大一部份岩石團塊沒有成為行星的一部份,快速冷卻後便成為小行星。較大的天體從外部開始冷卻,在熔融的核心周圍形成地殼。根據Weiss等人的理論,司琴星就是其中一個成長中斷的小行星,沒機會長大成一顆行星,但保留了發展到一半的特徵,維持熔融初期的天體狀態。但這樣的天體還是得夠大,不然無法維持熔融核心一段時間,也就不會出現司琴星這樣的特徵。

不過,對此理論是否絕對正確,這些科學家們還無十足把握,他們計畫分析更多的類似天體,並期望在2016年的小行星樣本返回太空計畫中,取得關鍵性的證據。

資料來源:

  1. Asteroid Lutetia: postcard from the past
  2. Battered asteroid may have warm core

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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臺北市立天文科學教育館是國內最大的天文社教機構,我們以推廣天文教育為職志,做為天文知識和大眾間的橋梁,期盼和大家一起分享天文的樂趣!


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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》