2017 九月號
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第143期電子報  出刊日期:1060918


科學新文摘

 

飛秒級分子電影Action

科學家結合雷射與晶體的新技術,記錄藥物反應或光合作用的關鍵數飛秒,協助我們了解分子如何進行交互作用。

撰文/弗洛姆(Petra Fromme)、史賓斯(John C. H. Spence)
翻譯/甘錫安

美國加州帕洛亞托附近山丘的地下深處,科學家在實驗室中匆匆來去,為一連串「爆破」做最後的準備。他們計畫爆破蛋白質晶體,揭露自然界中不為人知的奧秘:植物的光合作用如何把光轉換成化學能。一旦揭開了這個奧秘,人類將朝用之不竭的潔淨能源邁進一步。 

2009年12月,史丹佛直線加速器中心(SLAC)國家加速器實驗室裡,一群睡眠不足的研究人員和學生已經持續工作了好幾天,準備運用全世界能量最強的X射線雷射進行這項實驗;這座直線型加速器同調光源(LCLS)可把電子加速到接近光速。一組人埋首調整噴頭,把蛋白質晶體噴入X射線束;另一組則在噴頭中裝入第一光系統(photosystem I)晶體,這種蛋白質複合體是植物進行光合作用的關鍵。 

在三公里長的加速器隧道末端,晶體開始噴入高強度雷射。但這些晶體爆開前,已經由一項新開發的技術拍下其身影。現在這項技術將大幅改變我們對最小尺度生物學的理解,因為目前我們可以把數飛秒(1飛秒是10-15秒)的一連串快速影像拼接成影片。 

物理學家費曼(Richard Feynman)說過:「所有生物活動都可以想成原子在搖動和擺動。」但以往我們無法直接看見生物內部原子和分子的搖動或擺動。序列飛秒晶體學(serial femtosecond crystallography, SFX)技術可讓我們觀察分子的迅疾變化,以判斷藥物如何影響受感染的細胞,並且窺看化學反應如何把能量轉換成不同的型式。 

世界各地的研究團隊已經開始運用SFX,深入探查實驗藥物如何調節血壓,以開發更有效的降血壓藥物。SFX也揭露了非洲昏睡症破壞紅血球酵素結構的過程,這種由寄生蟲導致的疾病可能致人於死。再者,SFX還讓人類首度目睹光合作用的初期階段,觀察水如何分解成氫和氧。 

2009年在那間地下實驗室中,X射線脈衝開始摧毀我們精心製作的晶體,關鍵時刻到了。許多科學家說SFX不可能成功,拒絕核准經費資助。但是還記得當我們看見美麗的X射線散射影像在電腦螢幕顯現,實驗室裡歡聲雷動、不絕於耳,證明X射線科學的新領域已然誕生。 

捕捉飛秒瞬間 

SFX問世前,科學家在探測特定化學結構方面已經獲得驚人的進展,但仍然難以實際觀察到最精細複雜的生物結構。舉例來說,已過世的1999年諾貝爾化學獎得主齊威爾(Ahmed H. Zewail),於1980年代發明一套方法,藉由超快可見光雷射脈衝觀察化學反應中的原子運動。然而這種光的波長太長,難以分辨蛋白質結構最微小的細節。近年來,顯微技術大幅進展,已可呈現解析度與原子相當的蛋白質和病毒影像,但拍攝速度不夠快,無法捕捉到光合作用這類迅疾的反應。 

我們決定使用X射線,因為它的高速拍攝和解析度可記錄進行中的生物反應。我們的研究關鍵在於,如何在X射線摧毀分子的前一刻,藉由X射線捕捉分子影像。科學家以往進行這類研究,必須辛苦製作蛋白質和其他分子的大型晶體,以得知晶體內部原子的位置;接著運用X射線照射晶體,記錄X射線的散射或繞射圖形。分子在晶體內部有固定的排列方式,因此科學家可以透過X射線的散射方式,推測出原子的位置和種類。這種方法稱為X射線晶體學(x-ray crystallography),我們開發的SFX也是運用相同的原理來觀察原子在結構中的位置,但拍攝速度快上許多。 

然而,X射線最後摧毀了我們想觀察的分子。一般大多認為,X射線雷射是把高能量X射線集中成高強度光束,因此狀況只會更糟。單單高強度雷射就能把鋼鐵燒出一個洞,許多人可能認為脆弱的生物分子一定無法承受。我們必須在X射線傷害晶體前的幾飛秒內搶先捕捉到影像。為了說明得更清楚,一飛秒和一秒之間的差異相當於一秒和3200萬年。 

SFX技術的關鍵在於,從分子受X射線雷射脈衝照射到電子因X射線能量而脫離原子的片刻。電子脫離後,帶正電的原子核將互相推斥,分子膨脹進而爆裂。 

整個過程的運作機制是:首先我們使分子交互作用,形成微小的晶體。接著利用極短暫的高強度X射線束脈衝照射晶體,在光束能量破壞分子之前,讓一部份X射線剛好足以從晶體散射。最後,以一具偵測器捕捉散射的X射線,所記錄的圖形會呈現蛋白質中原子的位置和種類。透過一連串蛋白質晶體以不同角度噴入X射線束的影像,我們就可重建蛋白質的立體結構。然後,匯整化學反應中不同時間點的影像,並仿照電影膠片把一張張影像依序排列。 

【欲閱讀更豐富內容,請參閱科學人2017 年第 186 期 08 月號】


活動訊息_圖示

物理80年來的謎團:馬約拉納費米子(Majorana Fermion)的偵測

撰文者:甘魯生 教授

2017年7月在物理的研究與發現上有了重大的進展: 由台裔教授王康隆博士領軍的UCLA研究團隊,偵測到了馬約拉納費米子(Majorana Fermion)。解答了物理80年來的一個懸念,証實了一個匪夷所思的觀念,給將來可能的應用帶來了無窮的遐思和希望。王康隆教授表示:

『最重要的就是推進量子電腦的發展,現在有的電腦是線性、序列性的計算,但量子電腦是可以同步執行,因此又稱為『糾纏式的演算法』,所以計算速度會更快!』(註一)

那是一個什麼觀念呢?我們必須把時空拉回89年前起。1928年英國理論物理學家Paul Dirac(1933年諾貝爾物理獎得主)利用Dirac formula成功解釋了費米子的性質,並預測有反物質的存在。在宇宙之中物質—反物質會一對對存在且物質和反物質的特性是一模一樣唯一的差別只有電荷是相反的。比如說:電子是物質,帶有一個負電荷;那麼它的反物質就帶一個正電荷。果不其然Carl David Anderson在1932年發現了正子,之後很多夸克的反物質陸續也被發現。這一觀念很快被人們所接受並牢牢記住:正和反物質必須由二個粒子才算完整。

Ettore Majorana是一位義大利的理論物理學家,他在1937年預測了有一種費米粒子是正反粒子的合體,它不含電荷,被稱為『馬約拉納費米子』。截至上個月為止,馬約拉納費米子(即正反物質在同一粒子上),這想法仍未獲得實驗上的驗證。然而在2017年7月20日美國科學(Science)刊登了王康隆教授及其研究團隊研究成果,解決了馬約拉納費米子在基礎物理學延續80年來一大問題並提出了在應用上的價值。

近來,許多報導沸沸揚揚的討論著這項物理學上的突破及成就能不能得諾貝爾物理獎?王康隆教授說:『從來沒想過!我是做科學研究的人,而做科學的人不會想這個問題,想的只有好好把實驗做好。我認為諾貝爾物理獎是一個機遇,每天想拿獎不好,就不是一個做學問的態度了!就不是為了做物理,而是為了得獎去做!』(註二)

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文章來源網址:物理雙月刊


大學考招新方案及銜接配套宣導規劃

圖/文 高教司   第3期 2017-09-1

配合十二年國教高中新課綱的推動,新的「大學多元入學方案」經委託大考中心研議及與社會各界長期討論,已由大學招聯會通過並報經教育部核定,將於111學年度起適用;而為使大眾正確理解新方案的調整內容,大學招聯會將與教育部及相關單位協力推廣宣導。

這次高中新課綱及大學考招新方案,是從國家人才培育的角度切入並兼顧高中育才及大學選才的需求,因此宣導內容也希望能如實傳達新課綱及考招方案的核心理念及革新精神;招聯會於大學考招新方案核定後,在教育部積極協助下,將整合相關單位資源與完整資訊,推動大學考招新方案的宣導作業,規劃從「111學年度大學考招方案之設計理念及內容」與「相關銜接配套措施」兩大主題著手。

招聯會在宣導規劃上,將分「近中程」及「長程」兩階段實施。近中程宣導先以107至108學年度的銜接配套措施及高中學習歷程檔案為重點,長程宣導則以111學年度方案及大學入學考試呼應新課綱素養精神精進命題品質為主;宣導活動並將針對高中教師、學生、家長及大學招生人員等不同對象所關心議題,進行全國分區分眾宣導。

招聯會除了透過各單位網絡傳播電子文宣、懶人包與動畫影片等靜態宣導外,將與大考中心、國教院、國教署、教育部高教司及協作中心等單位協力合作,培訓高中及大學的宣導種子講師,透過下列型態辦理分眾說明會以利於面對面溝通:

  1. 置入性會議:配合高中各級行政工作會議(如校長、教務主任、註冊組長工作會議等)辦理。
  2. 結合辦理:結合高中優質計畫(教師)、前導(夥伴學校)相關會議研習辦理。
  3. 委託辦理:委託各級教師會、家長會辦理。
  4. 自行辦理:招聯會舉辦全國大學說明會,家長及學生分區說明會。
  5. 配合於國教署、六都及各縣市教育局處舉辦的說明會進行宣導。

自大學考招新方案核定至今,教育部已陸續於「全國公私立大學校院教務、校務經營主管聯席會議」、「國教署與六都高中課程推動策略聯盟會議」及「全國大學招生檢討會議」進行專題報告,招聯會並舉辦「種子宣導講師諮詢會」及「大學多元入學高中種子教師研習」等多項宣導活動;本年度內,更將依規劃陸續辦理大學、高中、學生及家長等多個場次之分眾分區說明。另配合各縣市地區家長會、教師會之研習及會議等活動,亦將持續進行相關宣講,希望關心此議題的社會大眾都能適時得到正確且完整的資訊。

更多訊息可以參考大學招生委員會聯合會網站:http://www.jbcrc.edu.tw/

訊息來源:中小學師資課程教學與評量協作中心第三期電子報 http://newsletter.edu.tw/2017/09/08/大學考招新方案及銜接配套宣導規劃/


活動訊息_圖示

主  題:雲嘉南地區共同觀課、議課教師工作坊
講  師:吳原旭老師(新莊高中退休物理老師,遠哲科學趣味競賽資深設計老師)
地  點:國立嘉義高級工業職業學校 科學館二樓實驗室
日  期:9月20日(星期三) 13:00~17:10
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:2250859

主  題:科學探究的學習實例-光學折射的多元應用與聲波力學共振現象
日  期:106年9月26日(星期二)13:10~17:10
講  師:戴明鳳教授(國立清華大學物理學系)
地  點:臺北市立第一女子高級中學至善樓四樓國文專科教室
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:2265469

主  題:運用Phyphox App 與arduino來設計物理實驗探究課程
日  期:106年9月28日(星期四)08:0~17:10
講  師:戴明鳳教授(國立清華大學物理學系)
地  點:高雄中學科學館4F視聽教室
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:2275790

主  題:跨領域教學課程的設計與發想--以登山的醫療救援為例
日  期:106年10月26日(星期四)13:10~17:10
講  師:古建國教授(臺北市立大學)
地  點:臺中一中科學館物理演示教室
報名網址:教育部全國教師在職進修網登錄報名,課程代碼:2274852

 
科學活動及演講_圖示

主  題:2017「科普論壇」
日  期:106年2017年9月22-23日(五、六)
地  點:國立臺灣科學教育館
活動網址:https://www.ntsec.gov.tw/User/Article.aspx?a=3399&theme=1

主  題:火星任務
報名日期:第一階段報名截止:高中組9/22、大學組10/13
活動網址:https://www.facebook.com/THUMissionMars/
競賽規則:https://goo.gl/x2kxcp
報名網址:https://goo.gl/forms/ GZQfzbAr7ndeWkNE3

主  題:探索八大行星
日  期:2017/10/03 13:40-16:40
地  點:臺北市立天文科學教育館
活動網址:http://ticket-app.tam.gov.tw/activity/cp.php?actno=1221

主 題:科普書籍導讀-我的人生簡史 (My Brief History)
導讀學者:國立中正大學物理系 李進榮 教授
日 期:2017/10/21/(星期六) 09:00-12:00
地 點:嘉義縣嘉新國中
活動網址:http://www.chem.ccu.edu.tw/~giantshoulder/

主  題:航向太空深處:太陽系的探險之旅
講  師:趙丰(中央研究院地球科學研究所特聘研究員)
日  期:2017/10/28 14:00~17:00
地  點:國立臺灣大學思亮館國際會議廳
活動網址:http://caseregister.ntu.edu.tw/ntucaseweb/pages/main.jsp

主  題:翻轉的年代:科技與教育觀點
講  師:楊弘敦(財團法人國家實驗研究院)
日  期:2017/10/29(日) 10:00 - 12:00
地  點:國立科學工藝博物館南館國際演講廳
活動網址:http://science.nchc.org.tw/web/copage?id=84

 
 

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