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揭開秋海棠斑葉的光學魔術

您家陽台或鄰家花園裡是否種有具白斑或彩色斑葉的植物呢?這些具美麗斑紋的觀賞植物往往因具商業價值,而成為園藝業者與消費者爭相蒐集或栽培的植物。當我們在欣賞或讚嘆這些奇特葉片所呈現之色彩魔術時,您是否也曾好奇斑葉發生的機制或其對植物本身的影響呢?

國立中興大學生命科學系副教授許秋容及其指導的嘉義大學生資所研究生包尚弘、興大生科系講座教授Peter Chesson、簡麗鳳副教授和中央研究院彭鏡毅研究員等人共同合作,研究數種來自臺灣、中國和東南亞地區,具不同自然斑葉類型之秋海棠 (Begonia),揭開了秋海棠植物因構造而形成斑葉,有如魔術色彩的物理機制。此項研究發表於今年5月號牛津大學出刊之國際植物學期刊《Annals of Botany》,並榮登該期之封面文章。

生物世界裡的光學魔術,科學家已經清楚地依其成因分成兩類,由化學物質所產生的色素色彩(如葉綠素),以及由光學干涉等所產生的色彩。然而,這類因與結構相關所產生有如光學魔術之物理色的研究,似乎都只聚焦在動物及昆蟲等身上,如孔雀美麗的尾羽和閃蝶(Morpho)炫目的翅膀。一般人似乎除了知道葉綠素等植物色素外,並不太清楚植物亦有許多引人入勝的光學魔術,等待探索。

許秋容表示,秋海棠斑紋的形成是由結構性機制所造成之物理色,與其葉片內位漏斗狀細胞 (相當於一般植物的柵狀細胞) 上方的細胞間隙有關。光線由葉上表皮在進入漏斗狀細胞間前,因此細胞間隙的存在,使得光線被折射和反射後,而在葉表形成了較明亮的區塊。此明亮區塊與正常綠色區 (此區無上述之細胞間隙) 相襯,即形成肉眼所見的斑紋,此現象可由物理的司乃耳定律(Snell’s Law,即光入射到不同介質的界面上會發生反射和折射)解釋之。

興大生科系副教授許秋容(左)

研究同時發現,同一葉片之白斑區保有與綠色區相同之葉綠體微細構造與光合作用功能,此意指這種因結構形成的自然斑葉對植物的生長似乎没有損失或壞處。許秋容進一步指出,許多人工栽培的斑葉植物,是因葉綠素缺乏而形成斑紋,雖然由此可滿足人類追求色彩變化的視覺享受,但該植物卻得付出光合作用能力喪失的代價。一項簡單判斷斑葉形成的方法,就是觀察斑塊區的葉上下表面是否呈現同樣的色彩:若呈現相同的色彩,則可能為葉綠素缺乏所形成的斑塊;反之,若斑塊區的葉下表仍為綠色,則極可能為結構所形成之斑。您或許可以此方法,觀察一下家中斑葉植物的斑紋成因。

研究團隊表示,未來可延伸探討的領域,包含:秋海棠植物之天然斑葉具有何種生態意涵或適應特性及其遺傳基礎等等。由此研究也顯示,植物世界裡其實還有許多人類至今尚未瞭解之「奈米光學」,等著生物學家與物理學家攜手開發研究。

【國立中興大學新聞稿101/5/10】

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