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星際嗜極天體

臺北天文館_96
・2011/11/27 ・1358字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 547 ・八年級

回溯1970年代,生物學家驚訝地在美國黃石國家公園的熱泉中發現擁有古老DNA的微生物,這些微生物居然沒有被滾燙的沸水殺死,反而生氣勃勃地生長,讓熱泉周邊染上鮮明色彩。科學家為此創造一個新詞:「嗜極生物(extremophile,或嗜極端生物)」。除了黃石公園的熱泉微生物外,科學家逐漸發現愈來愈多這類嗜極生物,在南極洲冰層下,在核子反應器核心附近,在其他許多未預期到的地方。自此,生物學開始逐漸轉變,不再侷限於傳統生物學觀念中。

天文學可能正在瀕臨類似的轉變嗎?

科學家利用美國航太總署(NASA)的星系演化探索衛星(GALEX,Galaxy Evolution Explorer)的觀測資料,發現一種新型的嗜極生物:嗜好極端環境的恆星!哥達德太空飛行中心(Goddard Space Flight Center)GALEX計畫科學家Susan Neff表示:他們在相當極端的星系環境中發現恆星,這些極端環境都是天文學家原本認為不應該會誕生恆星的地方,所以這個發現真的是相當驚人的發展。

GALEX觀測衛星發射於2003年,是以UV波段進行觀測的太空望遠鏡,所以對那些最年輕恆星所發出的紫外線極其敏感,因此可偵測到遙遠星系中還在誕生的恆星藉此研究星系演化進程。GALEX的確達到了當初科學家們希望藉由它觀測的現象,而且還超過科學家們的預期:在GALEX影像中,科學家們看到在星系外氣體稀薄到應該不足以讓新恆星誕生的空間中,居然有恆星正在形成中。

現行恆星誕生理論認為:當星際氣體雲團因重力而開始向內塌縮聚集,密度和溫度都達到一定程度時,核融合反應開始啟動,一顆新恆星於焉誕生。銀河系的旋臂中充滿了氣體,是新恆星的盛產區。但GALEX觀察一些遠得多的螺旋星系詞,卻發現在離氣體密集的螺旋形盤面之外很遠的地方,也有新恆星在誕生。

不過,事情可不是到此結束。這些科學家們發現,除了螺旋星系之外,橢圓星系、不規則星系、合併星系(colliding galaxies)的氣體殘跡(gas debris)、快速移動的星系(fast-moving galaxy)的類彗星氣體尾跡(comet-like trail)、低溫且低質量的原始氣體雲(primodial cloud)等,都發現類似的現象:在傳統恆星形成理論中,不該出現恆星的地方,都有新恆星正在誕生!

例如:右上圖右是GALEX單獨的影像、左是電波與紫外兩波段合成的南風車星系(M83,Southern Pinwheel galaxy)影像。M83位在長蛇座方向,距離地球約1500萬光年遠。由電波影像(紅色)可見其八爪章魚般的旋臂從星系中間向外延伸到離主要盤面很遠之處;由紫外影像則可見旋臂中的年輕恆星星團。在GALEX於2005年首度拍攝的M83影像中,科學家發現在距離主要盤面邊緣約63,000光年遠處,還有恆星誕生區;此處極端缺乏稠密氣體,因此對此處居然有恆星誕生的現象,讓不少天文學家震驚不已。本新聞中的這幅影像則是GALEX於2007年再度拍攝的結果,是迄今曝光最久的M83紫外影像,在此影像中所偵測到的年輕星團較2005年時更多,且更延伸到離星系核心約140,000光年遠之處。

所以,根據GALEX個觀察,宇宙中遍佈恆星盛產區,不管環境是像螺旋星系的旋臂一樣友善,還是在氣體稀薄、極其惡劣的環境中,只要有一絲氣體存在,這些星際嗜極天體就會出現。

這個發現,讓天文學家重新思考:現行關於恆星形成過程的理論,是否還有沒思考周全之處?天文學會像生物學那樣,經歷嗜極生物帶來的震撼與轉變嗎?雖然這些科學家沒有給予肯定的答案,但相信未來應該就會知道。

資料來源:Stellar Extremophiles[2011.11.07]

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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