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地方的科學節目需要你!在波音747上的空中天文台大解密

Y博士
・2016/04/09 ・1683字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 499 ・六年級

「俱懷逸興壯思飛,欲上青天攬日月」

這是李白喝醉酒之後說的,想 high 到飛天,也不是詩人的專利,天文學家也想飛上天。

地球能夠孕育生命,厚厚的大氣層絕對是第一功臣。大氣層的存在不只是讓我們欣賞藍天白雲的風景,最重要的是:隔絕了來自宇宙的輻射。底下這張圖是大氣層對不同波段的電磁波穿透率。在可見光的波段,大氣層是透明的,所以我們可以在白天看見耀眼的太陽,在夜晚看見絢麗的星光。整體來看,可以穿透大氣層的電磁波比較少,無法穿透大氣層的電磁波比較多。但是,天文學家的工作就是觀察天體在不同波段輻射的電磁波,藉以研究天體的物理性質。如果都被大氣層擋住了,那不就沒戲唱了?

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在人類肉眼可見的領域之外,整個電磁波譜是非常不可思議的。從無線電波到伽瑪射線,各種不同波長的光(或說各種電磁波),都能呈現宇宙的某些獨特性質。某些波長用來研究黑洞最棒,有些波長的電磁波則在新生恆星和行星的研究上最為突出,還有一些則能呈現宇宙最早期的現象。而天文學,就是利用電磁波,研究星光。如果沒有眼睛可觀察,永遠沒辦法知道明亮的恆星、行星和星系等宇宙天體長什麼樣子,甚至不知道它們的存在。既然大氣層會屏蔽電磁波,那就把望遠鏡送到大氣層之外不就好了!眾所週知的哈柏太空望遠鏡就是最有名的例子。

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哈柏天文望遠鏡。圖/NASA

除了哈柏之外,當然還有其他太空望遠鏡在太空中為天文學家服務。不說你不知道,NASA 太空望遠鏡的數量差不多可以組個復仇者聯盟了。有圖有真相,請看這裡

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NASA 太空望遠鏡們,點即可看原圖。圖/NASA

BUT,人生最重要的就是這個BUT。科學研究也不例外。

要把望遠鏡送到太空當中,是非常花錢的一件事。不僅事前的準備工作要萬無一失,儀器出問題也沒有辦法拿回來修理,想要升級設備,也沒辦法去光華商場買零件自己組裝。另一個比較合理的選擇就是把望遠鏡送到高空中,山不夠高,沒關係,那就用飛機飛上去。

美國太空總署的 SOFIA 空中天文台就是這樣的產品。SOFIA 是  Stratosphere Observatory for Infrared Astronomy  的縮寫,意思是:同溫層紅外天文觀測。SOFIA 望遠鏡被搭載在經過改造的波音 747 飛機上,飛行在平流層中,比通常的客機飛行的海拔都高,能夠避免大氣中水蒸氣的干擾,也是目前世界上最大的機載望遠鏡。SOFIA 重達 17 噸重,一旦安裝在 747 客機機身後面的滑動門打開,它就能進行科學觀測。

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搭載在波音 747 飛機上的 SOFIA 望遠鏡。圖/NASA

SOFIA 望遠鏡填補了現代天文學的一項重要空白。這個觀測平臺足以負擔太空望遠鏡 80% 的觀測能力,而建造和維護費用卻只是太空望遠鏡的一小部分。為什麽要在飛機上進行紅外天文觀測呢?肉眼可以看到的宇宙,只是電磁頻譜的一小部分,但是在紅外望遠鏡裏,是截然不同的景象,紅外望遠鏡可以使天文學家獲得更豐富的信息。例如超新星形成的殘骸,即將誕生的新恆星。

講了這麼多,也是紙上談兵。如果有更生動的影片不是更好嗎?是的,人民的聲音我們聽見了。不好意思,其實我寫這篇也算是個葉沛雯。為了讓各位更了解 SOFIA 的運作,中研院天文所特別與台灣電視公司新聞部合作,遠赴美國拍攝,詳實記錄 SOFIA 空中天文台的飛行歷程。這次的採訪,不僅是華人世界的獨家,也是媒體界相當難能可貴的創舉。

我們經常指責台灣日漸惡化的媒體環境,追根究柢,原因就是媒體業的資源緊縮。在這樣的環境底下,如果電視台沒有申請政府的經費,獨立製播這樣的節目,絕對是虧本的生意。而今,台視不僅願意投注資源製播優質的節目,更把版圖擴及科學普及,善盡媒體的社會責任,這樣的精神相當令人感佩。這個節目經過兩年籌備,七個月製作,即將在4/11(一)開始領先美國,全球首播。這一次大家不用花錢進戲院,只要在家打開電視機就可以。懇請大家踴躍支持,支持台灣本土的科學節目,為台灣的科學教育注入活水,也請大家廣為宣傳,台灣南波萬!

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Y博士
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天文學家。


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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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