研究者在光合作用中發現更多量子過程的證據

編按：此為個人實驗結果，對內容有疑問者可向作者詢問。

自從退休之後，6 年來已習慣晚上到附近公園運動，某日，讀國小四年級的金孫跟我說：「阿公，植物白天光合作用會吸收二氧化碳，晚上會吐出二氧化碳，空氣不好，不要晚上去公園運動啦！」；確實，上網搜尋，有不少類似「夜間公園空氣不好」、「臥室不要擺盆栽」等擴大解讀植物光合作用的文章。

夜間（19 時～22 時）在公園運動的人不少，有慢跑的年輕人、有散步的銀髮族、有跳舞或練功的社團群眾，也有帶小孩玩溜滑梯、盪鞦韆等遊戲的家庭成員，那麼多人在夜間的公園活動；因此，「夜間公園空氣不好（太多二氧化碳），有害健康」的說法，似乎不符合常識邏輯，否則應有大半之慢跑、快走的人，將會休克，叫救護車送醫了。

其次，如果「臥室擺盆栽，有害健康」係金ㄟ，那麼，山上居民豈不會多病或短壽？似乎也不符合常識邏輯；敝宅客廳擺了 6 棵盆栽，N 年來夜間看電視 4 小時，健康損多少？

光合作用的 CO₂ 及 O₂ 值可以量測嗎？

網路上可找到許多探討「森林（樹木）的碳吸存」之類的文章，諸如：不同植物（喬木、灌木、草本…）的固碳量、每年每棵樹約可吸收 12kg 的 CO₂、一棵成熟樹約可提供一戶 4 口家庭的氧氣需量、植物大約吸收人類排碳量的 29% 等；林務局的網站說：「根據光合作用【森林碳儲存】反應式，林木生物量每增加 1 公噸，可吸收 1.6 公噸的二氧化碳，同時釋放 1.2 公噸的氧氣…」，這些公認的超現實數據，可否簡單地以一棵盆栽樹，來證實光合作用吸多少二氧化碳？釋放出多少氧氣？

在探討室內空氣品質（Indoor Air Quality）時，有一定的安全參考值，例如：連續 8 小時之二氧化碳 ≦1,000 ppm、一氧化碳 ≦9 ppm、甲醛 ≦0.08 ppm、氧 ≧18%，醫院及百貨商場等公共場所，多設有室內空氣品質監測儀器；顯然，有儀器可以量測二氧化碳、一氧化碳及氧等氣體的具體數值。

為了跟金孫簡單地解釋光合作用的「吸碳排氧」理論，特別花 2 萬多元買了一組可量測空氣中之二氧化碳、氧氣及溫濕度的空氣品質分析儀（Lutron/AQ-9918SD，精確度：CO₂±40ppm、O₂±0.2%、溫度±0.8℃），分別於正午及半夜，到公園、植物園區及大停車場等場所，量測白天及夜間之 CO₂（ppm)）和 O₂（%） 的變化，並且順便於自己臥室，量測在有、無盆栽狀態下，1 人睡覺時之 CO₂ 和 O₂ 的變化，結果卻逆轉「夜間公園運動、臥室擺盆栽，有害健康」的常識。

國小的光合作用反應式： 二氧化碳＋水     葡萄糖＋氧＋水

「夜間公園運動、臥室擺盆栽，有害健康」的理論，顯然與植物的光合作用有關，姑且由我們所認知的空氣成份常識談起，在維基百科中可找到如表 1 的空氣成份，例如，標準空氣之 O₂ 含量為 20.942% 及 CO₂ 含量為 330ppm（0.033%）等。

呼吸時，吐出最多的氣體是二氧化碳？

首先，以新購之空氣品質分析儀，進行人體呼吸實驗；以鼻吸口吐方式（圖 1），將吸氣吐入密封塑膠袋中，測試紀錄如下表，約經過 3 分鐘後（NO.7），CO₂ 由正常值之 373ppm 劇升為 15,606ppm 以上，而 O₂ 由正常值之 21.5% 降為 17.3% 以下（空氣氧含量安全值：≧18%），同時，吐出氣體含水汽，使露點溫度（℃dp）由 18.4℃ 劇升為 22.2℃ 以上（塑膠袋內產生水汽）；此證實人體呼吸確實是吸入 O₂ 而吐出 CO₂ 及水汽，將儀器探棒取出後（NO.14），CO₂ 及 O₂ 含量則逐漸恢復正常（如表 2 所示）。

由表 2 的數據，如果你以為人體呼吸吐出的氣體中，大多是 CO₂ 和水汽，那就錯了。依維基百科的資訊，因為鼻子吸入的空氣中，氮佔 78%、氧佔 21%、CO₂ 佔 0.033%、水汽佔 1.3%，所以，人體吐出的氣體中，體積比最多的依舊是氮氣，約佔 78%（不被需要，又被吐出來）、氧約佔 13%～16%（減少）、CO₂ 約佔 4%～5.3%（增加）、水汽約佔 5%（增加），以及原被吸入的痕量氣體，又被原封不動的吐出來。

盆栽光合作用的量測值，違反吸碳排氧理論

其次，找一棵種了約 6 年多的鳶尾花戶外盆栽（圖2）做實驗；以透明塑膠袋罩住（圖3），進行光合作用實驗，5 秒記錄 1 筆，持續 25 分鐘，為節省篇幅，僅摘錄每 1 分鐘 1 筆。

如表 3 所示，可看出前 4 分鐘（NO.1～5）之 CO₂ 值有明顯下降（吸碳），符合光合作用的吸碳理論，但是，O₂ 值也由 21.4% 降至 20.2% （吸氧而非排氧）；然而，自第 5 分鐘（NO.6）開始，CO₂ 值又逐漸回升至第 25 分鐘（NO.26）的 632ppm（排碳），而 O₂ 值仍續降至最後的 18.2%（吸氧），亦即自第 5 分開始（NO.6），完全顛覆了植物光合作用的「吸碳排氧」理論。

此時，塑膠袋內佈滿霧狀水汽（露點溫度由 20.0℃ 劇升至 35.4℃，即為數據明證），溫度也由起始的 27℃ 升至 56.8℃（如同密閉汽車日曬而溫升至 60℃ 以上一樣）。

因為「光合作用的吸碳排氧理論」是眾所皆知的知識，筆者不死心，分別於白天（正午）及夜間（深夜），量測灌木欉、喬木園區、大停車場、大稻田及臥室的 CO₂ 與 O₂ 值，方法或許不夠嚴謹，但是，若依表 4 的量測值總表，確實無法證明植物光合作用的「吸碳排氧」理論。

表4說明：

1. NO.1、2、3 是開放空間的量測結果；夜間的 CO₂ 值均低於白天，且夜間的 O₂ 值均高於白天，因此，「夜間不宜在公園運動」的常識可能有誤。
2. NO.4 及 5（與植物無關）的量測值，其夜間、白天的 CO₂ 值及 O₂ 值互有高低，量測值仍在儀器誤差範圍內；然而，可確定「CO₂ 值及 O₂ 值，除了海平面高度與地點因素之外，亦會隨著溫、濕度之變化而改變」。
3. NO.6 之臥室在有、無盆栽時（圖 4）的量測結果，由 6b 之比值可知，無論有、無盆栽，CO₂ 值幾乎無變化（無盆栽 66.73%，有盆栽 66.70%），對此結果感到非常詫異。
4. 重做一次如 NO.7、7a、7b，結果依舊近似，無盆栽為 73.52% 與有盆栽為 71.78%，而 O₂ 量亦維持減少 0.47%；顯然，「臥室擺盆栽，有害健康」的常識，亦可能有誤。
5. NO.7b 的 CO₂ 均值，白天（+73.52%）比夜間（+71.78%）高 1.74%，可能出自儀器誤差，或 NO.8 之 CO₂ 值下降 9.27% 之故。
6. 為了解 NO.6b 及 7b 的結果是否正確，做一次「臥室無人睡、僅擺盆栽」的量測，結果如 NO.8，盆栽在夜間 7 小時中，CO₂ 量減少了 9.27%，O₂ 量增加了 4.69%，與植物夜間呼吸作用的「吸氧排碳」理論顛倒。
7. 因而再做 NO.9 的量測，將盆栽移至臥室南側的窗邊（圖 5，日曬 9：05～14：20），由 9：00 量測至 16：00（7小時），CO₂ 減少 12.4%，似乎有吸碳功能，但 O₂ 減少了 1.4%（在儀器誤差內），也不符合植物光合作用的「排氧」理論。

本文之 10 次量測實驗，均有完整記錄，但限於篇幅，僅能提供如表 4 的總表；在做了數次量測之後，發現即使是同一植物或場所，以同一台儀器量測，可能因（1）陽光強度（雲層厚度）、（2）環境溫濕度、（3）量測方式、（4）取樣時距（10秒、20秒、30秒…）、（5）量測時間（20分、30分、60分、120分…）之不同，而有不同的結果，不過，這五種不同情況的量測誤差，多在 ±3% 之內。

表 4 量測方式之說明例

為了證明筆者確實有做量測實驗，於此說明表 4 NO.7 的量測方式與記錄如下：

因為（同一地點）空氣中的 CO₂ 及 O₂ 值，會隨溫濕度變化而改變，所以，本量測方式，以上床後之前 10 分鐘與醒來離床前 10 分鐘的均值做比較，每 5 分鐘記錄一筆，持續 7 小時，分別做了臥室無盆栽及有盆栽之量測；1 人睡覺的 CO₂、O₂、℃db（溫度）及 ℃dp（露點溫度）的 7 小時記錄值如表 5a、表 5b，不論是無盆栽（表5a）或有盆栽（表5b），CO₂ 值均呈緩緩上升的趨勢，而 O₂ 值均只降了 0.1%，仍在儀器誤差範圍內，無法證明 O₂ 值是增加或減少。

將表 5 的量測記錄，轉換為趨勢圖，可看出在無盆栽及有盆栽的 7 小時量測期間，雖然兩者的起始值不同，但是，CO₂ 值均呈緩緩上升的趨勢，且兩者之線性（y=ax+b）迴歸分析的斜率（a）幾乎相同，因此，可證明夜間臥室擺盆栽，不會增加 CO₂ 量，亦即無法證明「臥室擺盆栽，有害健康」的常識為真。

結語

樹葉真有能力分解空氣，只吸收空氣中僅佔約 400ppm 的 CO₂，而不吸入空氣中的其他成分氣體？光合作用的「吸碳排氧」理論，是否被過度解讀？由前述的人體呼吸實驗，正確的說法，是否應為「吸入空氣僅部份的 CO₂ 被吸收，而有部份的 CO₂ 和不被需要的氮氣、氧氣等均被吐出」？

筆者非植物專家，僅是一位秉持常識邏輯思考原則的退休工程師；本文之 10 種場合的量測樣本數仍嫌不足，不宜此結果下定論；但是，量測結果不符合植物「光合作用」的「吸碳排氧」理論，無法給金孫一個合理的解釋，反而搞混她在學校所學的「光合作用」知識，希望有專家賜教，指正本文之錯誤或做合理的說明。

• Bacillus cohnii 　 
• 科氏芽孢桿菌
• 形狀：圓
• 直徑：0.6 至 0.7 微米
• 前進：使用布滿細胞表面的鞭毛

會產生石灰的細菌

細菌不僅可以用於生產食物或提煉金屬，還可以用來建造橋樑和房屋。

例如科氏芽孢桿菌，這是一種一點都不起眼，但會產生石灰的細菌。它喜歡鹼性的生活環境，像是酸鹼值可達八的馬糞裡。但它也生活在鹼性更強的環境，全世界都有其蹤跡，甚至在歐洲、非洲、南美、土耳其的鹼湖裡，它會利用溶在湖裡的碳酸鹽產生石灰。

此細菌最初是在一九九○年代初期，德國微生物及細胞培養保藏中心的細菌學家在尋找偏好鹼性環境的新菌種時所發現，當時的土壤樣本來自一個鹼性土壤的牧場，裡面還殘留著馬糞。

科氏芽孢桿菌除了能夠忍受酸鹼值超過十二的強鹼，相當於氣味刺鼻的氨水的酸鹼值，還能形成孢子渡過長時間的乾旱期。細菌孢子的特性是具有極強的抵抗力，可以存活數十年或數百年，在特定的條件下甚至超過數百萬年（球形離胺酸芽孢桿菌（→ 78頁）還有發芽的能力。

科氏芽孢桿菌的名字源自於德國細菌學家費迪南．尤利烏斯．科恩（Ferdinand Julius Cohn），細菌學的奠基者，也是一八七二年第一個鑑識出芽孢桿菌屬這種小桿形細菌的學者。

研發能「自行修復」的混凝土

科氏芽孢桿菌能生活在鹼性環境中，能產生石灰，孢子經過長時間還具有發芽能力。結合這三種特性，令建築業對之產生興趣。一位荷蘭微生物學家專門研究會產生石灰的細菌，並嘗試研發出一種能自行修復的混凝土。

他的做法是將細菌孢子與銨鹽、磷酸鹽及養分混合在一起，封裝於黏土球裡，然後將這粒只有幾公厘大小的顆粒加入強鹼性的混凝土中。混凝土硬化後若一直保持緊密，便無事發生。但如果出現裂縫，開始長時間滲水，細菌孢子就會開始萌發。當細菌繁殖分裂，會消耗添加進去的物質，並不斷產生碳酸鈣填補裂縫。一道幾公釐寬的裂縫，只需數天時間即可修補完畢。

如此一來，科氏芽孢桿菌就可以解決混凝土結構出現裂縫的難題，否則定期必須進行的繁複維修，造成的損失可高達數十億歐元。除此之外，此細菌也能用在保護現存的建築物，在噴塗混凝土或修復液中皆已測試添加此細菌，用在已出現細微裂縫的建築構件上。

不過，此項產品至今尚未成熟，黏土顆粒仍然占據太多空間，進而影響混凝土的穩定性。還有載體材質、養分及混凝土之間的交互作用，以及孢子平均分布與釋放，與石灰形成的速度及過程等等，都還在改良中。如今，研究人員也測試其他能形成石灰的細菌是否適用。不過無論如何，科氏芽孢桿菌可說是混凝土生物修復劑的先鋒。

科氏芽孢桿菌這類會產生石灰的細菌，現在也運用在其他目的上。一家德國公司利用它來黏走採礦產生的灰塵。方法是將細菌加入培養液裡，灑在布滿灰塵的泥土上，六至四十八小時內就會產生石灰，將灰塵顆粒黏在一起形成砂岩，即固化灰塵。從前為了抑制灰塵，礦業公司必須使用大量的水，如今，藉由細菌的幫忙，就可以省下這些水了。

——本文摘自《細菌群像：50種微小又頑強，帶領人類探索生命奧祕，推動科學前進的迷人生物》，2023 年 ３ 月，麥田出版，未經同意請勿轉載。

• Candidatus Pelagibacter ubique 
• 遍在遠洋桿菌
• 外觀：通常如月牙般略彎之小桿 
• 長：0.37 至 0.89 微米 寬： 0.12 微米至 0.20 微米

高效率利用生存空間

假使將我們肚裡大腸桿菌的體型比作兔子，遍在遠洋桿菌的體型就如同小老鼠。這種無所不在的海洋細菌不只是能獨立生存的細菌中體積最小的^[1]，可能也是全世界最有效率也最成功的生物。每公升的海水裡，就有數以百萬計這種細菌，據推測，遠洋桿菌屬的總菌量在地球上高達 1027 至 1028，這個數目是宇宙中目前可觀測到之恆星數量的十萬至一百萬倍。

但這種細菌所創下的紀錄不只這項： 海水所含養分非常貧乏，微生物要生存，就必須主動將所需養分分子輸送進細胞內部。這會消耗能量，最後也一定會有所剩餘。遍在遠洋桿菌則生活在極限邊緣：擁有正好足夠其吸收養分及生長繁殖所需的能量，剛剛好，不多也不少。

遍在遠洋桿菌可說是生物界的空間利用大師，其用來維持新陳代謝和繁殖的胞內空間，少到令人難以想像。細胞內三分之二的空間用於新陳代謝，剩下的三分之一被遺傳物質占滿。在小小的空間裡備有感應系統，能偵測含碳、氫、鐵化合物及光線的位置，擁有必要的運輸系統，以及一切所需的酵素，能自行生產二十種維持生命不可或缺的胺基酸。

體積若是再小，就只能放棄全部或部分的新陳代謝。例如，更小的病毒基本上就是壓縮緊密的基因，會侵入其他生物的細胞中，將別人的新陳代謝系統據為己用。

如果養分充足，細胞內無須再具備持家基因，生活在這種環境的細菌或古菌的確可以小過遍在遠洋桿菌。例如生殖道黴漿菌（Mycoplasma genitalium），這是一種對人類致病的病原體，會在尿道、子宮等黏膜造成感染，體積僅有三百乘以六百奈米左右，但無法獨立生存^[2]。二○一五年有學者聲稱在地下水裡發現更小的細菌，但直至今日為止尚未能成功培養，因此學界相當懷疑是否真實存在。

精簡而高效的演化結果

此外，遍在遠洋桿菌的維生機制，效率也出奇地高。它只有一百三十萬組鹼基對，共含約一千四百個基因，是至今已知可獨立生存的物種中最少的。沒有任何多餘的東西，只有必要的配置。甚至連遺傳密碼，也似乎為了減少能量消耗而有過最佳化的調整。

一如其他生物，遠洋桿菌的遺傳密碼由四種鹼基 A（腺嘌呤）、C（胞嘧啶）、G（鳥嘌呤）、T（胸腺嘧啶）所組成。但比起其他細菌，遠洋桿菌裡 A 與 T 出現較為頻繁，此點便是出於效能，因為 C 與 G 含有較多的氮（而這在海水中是稀有元素），製造起來較為困難，如同人們以盡可能節省墨水的方式寫作一樣。

遍在遠洋桿菌在其所屬的立克次體目裡，算是特異獨行的一支。因為除了它之外，所有立克次體目的細菌，都必須在其他生物細胞內才能存活，其中也有不少病原菌，例如普氏立克次體菌，流行性斑疹傷寒的病原菌，透過蝨子傳染。

生物學家研究遍在遠洋桿菌並不只因為其驚人的能源效能和基因體的構造，對生態而言，它也相當重要。因為所有遠洋桿菌加起來的重量，比全球海洋魚類總重量還要多，且占有海洋細菌生物量的四分之一；在溫暖的夏季，甚至可能高達二分之一。由於它的主要食物來自死亡生物殘留下來的可溶性有機物，因此在地球的碳循環上，也扮演一個重要的角色。

由於數量實在太龐大，因此也容易引起敵人的覬覦：至今已知有數種病毒，會侵占並消滅此種細菌。

遲至二○○二年，人們才知道遍在遠洋桿菌的存在。在那之前，人們只認得它的 rRNA（核糖體核糖核酸）序列，是一九九○年研究人員在北大西洋馬尾藻海的海水樣本裡所發現。這也是首批運用當時最新的序列鑑定方法檢測到的細菌之一，但當時無法成功地培養出來。最後研究人員用了養分很低的培養基，以及高度稀釋的樣本，並添加一種能附著在核糖體上的染劑用以判別才成功。

註解

• [1] 審定注：一些寄生型細菌和古菌更小。
• [2] 審定注：該菌倚賴人類細胞裡的現成養分存活。

——本文摘自《細菌群像：50種微小又頑強，帶領人類探索生命奧祕，推動科學前進的迷人生物》，2023 年 ３ 月，麥田出版，未經同意請勿轉載。