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那些用身體描繪下世界的博物學家們-《大自然的藝術》導讀

PanSci_96
・2017/06/05 ・6092字 ・閱讀時間約 12 分鐘 ・SR值 559 ・八年級

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文/洪廣冀|臺灣大學地理環境資源學系

《大自然的藝術:圖說世界博物學三百年》是本「很好看」的書。說這本書好看,並不只是因為作者朱蒂絲.瑪吉讓人折服的生花妙筆,也不只是因為該書收錄的上百幅活靈活現的博物學插畫──更重要的,我認為,這是一本把「看」──或者說「觀察」(observation)──當成全書核心的書。

科學與藝術的一線之隔?

正如瑪吉所說的,「雖然博物學插畫家在繪製標本時,總是盡可能力求逼真,但是,成為描繪題材的對象,總是經過精挑細選的。不同程度的比例更動,操控描繪題材以符合設計,將描繪題材與其他沒有自然關聯的動植物並置,以及將藝術家本身對其他不同地域的植物相、動物相、景觀、人民的先入之見投射在描繪題材上,都無可避免地影響了博物學的展現方式」。

「博物學藝術可以說是一種從歐洲人的觀點來觀看自然世界的方式」,瑪吉強調,「而且其所揭露的,不只是它所描繪的博物學而已,同時也展示出了歐洲的文化史」。

就初次接觸到博物學(natural history)此詞彙的讀者而言,對瑪吉這段描述或許會感到驚訝。難道「博物學插畫家」的工作不就是把所見事物如實地「複寫」到圖紙上嗎?

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如果說「博物學藝術」反映的是「歐洲人的觀點來觀看自然的方式」,那麼,這樣帶有觀點的博物學是不是一點都不「客觀」?更不用說是種「科學」了。更進一步,當各位翻閱瑪吉悉心挑選的圖片,在讚嘆其精美與精準度之餘,會不會油然而生一類慨嘆:在攝影技術如此普及的今日,這樣講求精準與精確、卻無可避免地帶有特定觀點的「博物學藝術」,想必早已式微、成為收藏在博物館中、等待如瑪吉這樣的專家方能揭露其過去的「藝術品」了吧?

從科學史的角度,諸如此類的驚訝與慨嘆其實涉及一個更根本的問題:到底以觀察、分類與描述為基礎的博物學在什麼程度上算作一種科學?長期任職於倫敦自然史博物館、且出版數本叫好又叫座之科學史著作的瑪吉,實際上已在書中提供了一個非常科學史的答案──只是,由於《大自然的藝術》是以亞洲、非洲、美洲這樣的地理區域來劃分,讀者不見得能夠從瑪吉提供的眾多細節中拼湊出博物學在十七至十九世紀這三百年間的發展軌跡。有鑒於此,這篇導讀希望能協助讀者著手如此拼湊的動作。

博物館學發展軌跡 實驗哲學的重要性

讓我們先回到瑪吉所稱的博物學插畫「開始大量出現」的十八世紀。當時的博物學者,在努力栽培來自世界各地的奇花異草、編纂各地的植物誌與動物誌,從而發展一種完全奠基於自然、無人為主觀因素涉入的「自然分類法」之餘,不時得運起全身功力抵禦著來自「自然哲學家」的批評。為什麼呢?因為,從自然哲學家的眼光看來,「博物學」這學科不過就是採集、觀察與記錄,其得到的知識是破碎的,難以放諸四海皆準;與幾何學──少數為當時自然哲學家認可的知識形態──強調的演繹、推理、證明等方法相較,博物學完全沒有資格被稱為自然哲學的一支。

與可推論、演繹的幾何學相比,博物學被自然哲學派認為只是採集觀察而沒有準則的破碎知識。圖/Jon Anderson @ Flickr

不過,正所謂「敵人的敵人就是我的朋友」──第一代的博物學者們,與其花時間跟這些眼中只有數字與證明的自然哲學家們打交道,選擇了與當時正逐漸挑戰傳統自然哲學之正當性的另一門哲學:「實驗哲學」

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所謂的實驗哲學,正如英國自然哲學家波義耳(Robert Boyle, 1627-1691;波義耳定律的發現人)主張的,即研究的目的與價值並不只是透過推理與證明來獲得放諸四海皆準、顛仆不破的普遍知識而已。在實驗室中孜孜矻矻地做實驗,儘管實驗器材常出狀況、做了十次實驗只有七次結果相互一致諸如此類的問題,透過實驗得到的知識──或者說「事實」(matter of fact)──本身還是有其價值。因為大自然是一個精巧的機械,要了解此機械的運作機制,除了做實驗一途外,別無其他。更重要的,如果說做實驗是理解自然此精巧機械的唯一手段的話,那麼,實驗室便是一扇重要的窗,讓研究者得以窺見此機械的打造者──或者說造物者──的心靈。

這樣在科學史中會被歸為「機械論」或「自然神學」的立場,在很大程度上成為十八世紀博物學得以興起、且在歐美社會誘發出一陣陣採集熱的「理論基礎」。正如十八世紀著名的自然神學家佩利(William Paley, 1743-1805)所說的,如果你在路上看到一個錶,你絕不會認為這個錶是憑空冒出來的──你一定會假設某個鐘錶匠製造了這個錶,然後將它遺留在路上的。同樣的,當你看到自然界中的種種構造精妙的生物及其對環境的完美適應,你必得假設自然界中存在個鐘錶匠(watchmaker)。

換句話說,就十八世紀博物學者的角度,當他們漫步在野地採集蕨類、在海邊收集貝殼、與駐守博物館的學者們通信、與同好交換標本的時候,這些狀似瑣碎的「實作」之所以有意義,便是因為他們相信,這世界是設計過的,只要你依循一定的準則,你就可以逐步發現隱藏在大自然背後的藍圖。

林奈分類法為何能廣為人知?

林奈(Carl Linnaeus)圖/Alexander Roslin – Nationalmuseum press photo, , Public Domain, wikimedia commons.

教導世人如何發現這大自然藍圖的關鍵人物為瑞典博物學家林奈(Carl Linnaeus, 1707-1778)。眾所週知,林奈以其在命名學(nomenclature)與分類學(taxonomy)上的貢獻聞名於世──較少為人知的是,林奈之所以能做出這些貢獻,關鍵或許不是他提出一個完全客觀、放諸四海皆準(或說讓四海心悅誠服)的分類體系。

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科學史家已經告訴我們,林奈的成功其實仰賴特定的「書面技術」,才得以讓其倡議的以花朵(或說植物的生殖器官)為中心的「性分類體系」(sexual system of classification)得以為大眾所接受。在解說由美國採集家威廉.巴特蘭(William Bartram, 1739-1823)繪製的富蘭克林茶(Franklinia alatamaha)時,瑪吉提供了一個極佳的案例,說明林奈的「書面技術」到底是什麼回事。

威廉.巴特蘭繪製的富蘭克林茶(Franklinia alatamaha)。 圖/William Bartram (1739-1823), Public Domain, wikimedia commons

「這一幅描繪富蘭克林茶的畫作」,瑪吉寫道,「完全符合一幅植物插畫所應具備的所有必要條件。這樣一種繪畫風格,通常被稱作林奈繪圖法(Linnaean method),或者說,是一種繪製插畫的習慣性做法──在這些插畫中,就如同約瑟夫.班克斯所言,『每張圖都試著回答植物學家就植物的形態結構而想問的問題。』」。

另一讓林奈分類法得以廣為人知的作品為羅伯特.桑頓(Robert Thornton)於一七九九年至一八〇七年出版的《佛洛拉之神殿》(The Temple of Flora)。佛洛拉為神話中掌管植物的女神,而林奈則將之引申為「植物相」的代名詞。

之所以做如此的引申,按照林奈的觀點,某地的植物相為造物者按照該地的自然環境所打造,而研究植物相的目的便是彰顯造物者在撮合植物與其生育地間時的「完美設計」。為了闡明這樣的觀點,正如瑪吉指出的,桑頓精心繪製了「將近三十幅大型的花卉彩色版畫,它們是首度擺置在描繪植物之自然棲息地的景致中的花卉插畫」。

《佛洛拉之神殿》中的 Alpinia zerumbet 插圖。圖/Robert John Thornton – Loy McCandless Marks Library, Public Domain, wikimedia commons.

的確,在這些版畫中,我們看到的不僅是關於「花」這個生殖器的細緻描寫,也可體會該植物與環境間的一種和諧、靜謐甚至超然的氛圍。簡言之,不論巴特蘭,抑或桑頓,他們關心的與其說是要「如實地」呈現這些植物於自然中的模樣,倒不如說它是一幅地圖。

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想像你來到一個陌生的地鐵站,你覺得自己被困在熙攘的人群中而手足無措。這時你會怎麼做?一個選項便是找到該車站的示意圖,從確定自己的相對位置出發,按圖索驥地找到你鎖定的出口。同樣的,十八世紀的博物學採集者或藝術家之所以要大費周章地繪製插圖或製作版畫,目的之一便在於推廣甚至是「標準化」(standardize)一種「看的方式」,讓有志於從事自然採集或觀察的民眾不會迷失在大自然彷彿無窮無盡的細節中。大自然有其藍圖,十八世紀的博物學者與他們的粉絲告訴我們,但它不會自然而然地浮現在眼前。

浪漫主義:用身體丈量的洪堡式科學

這樣建構在機械論與自然神學上的博物學與博物學藝術並不乏批評者。十九世紀上半葉,對機械論有所不滿的博物學者逐漸集結在一個以歌德(Johann Wolfgang von Goethe, 1749-1832)、席勒(Friedrich Schiller, 1759-1805)為中心的知識傳統下:浪漫主義(Romanticism)。

為了反對機械論者把自然視為造物者打造的精密機械,浪漫主義者堅稱必然有種帶有神性的能量,於自然中自然而然地流動;為了反對機械論者主張的、探究自然意味著把自然拆解開來、以各類儀器一一剖析,浪漫主義者主張整體必然有其獨立、不可化約為部分之加總的性質。我們得把自己想像成一顆「透明的眼球」(transparent eyeball),浪漫主義者主張,因為身體是萬物的尺度。

瑪吉引用了德國探險家與自然哲學家洪堡(Alexander von Humboldt, 1769-1859)的一段話來說明浪漫主義者試圖以身體來「丈量世界」的企圖:「他『受到一種未知的渴望所驅策,一種對於遙遠與未知事物的渴望,一種對於可以激發我所想像之事物的渴望:在海上遭遇的危險、對冒險的渴望,以及從一個無趣的日常生活轉換至一個奇妙、不可思議的世界的可能性』」。

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自然哲學家洪堡。圖/Joseph Karl Stieler , Public Domain, wikimedia commons.

的確,如果說林奈是十八世紀博物學的教主,十九世紀的博物學便是由洪堡獨領風騷,其在科學界與社會大眾間的影響力甚至還高過達爾文。同樣的,洪堡的影響力仰賴特定的「書面技術」。對此,瑪吉挑選了收錄在洪堡《自然圖像》(Tableaux de la Nature)中的插圖。與前述巴特蘭與桑頓的植物圖相較,我們可看出,讓洪堡關切的,與其說是個別植物與其生育地的關係,倒不如說是這些植物構成的群體(或說「植群」)與緯度、生育地海拔等自然條件間的關係。

精準地分類與描述自然界中的個別物種儘管重要,洪堡告訴他的讀者,更重要的是超越以物種為單位的分析取向,以身為度地掌握自然界整體的性質。這樣被科學史家稱為「洪堡式科學」(Humboldtian science)影響了一整代的博物學者,包括在洪堡過世的一八五九出版《物種原始》(On the Origin of Species)的達爾文,乃至於自稱為達爾文之天擇(natural selection)的信徒、其對自然的態度卻更接近法國自然哲學家拉馬克(Jean-Baptiste Lamarck, 1744-1829)之「用進廢退說」的海克爾(Ernst Haeckel, 1834-1919)。

瑪吉的分析即停在海克爾,特別聚焦在其以形式(form)為主要關懷的博物學與書面技術。當然,這並不意味著博物學與其多樣的書面表現便自此成為科學史中的一頁。或許在當今的學術分類中已沒有博物學存在,而是分化為植物學、動物學、生理學、演化學等學科,但強調觀察、分類與描繪的博物學傳統,以及讓該傳統得以成為一門嚴肅學問的書面技術,於今日的科學研究中依然強勁──光看晚近台灣生醫界因圖像的重置、重製與修正衍生的巨大爭議便可略知一二。

當然,在這個圖像表現的方式、手法與媒介均與十八、十九世紀大有不同的今日,到底出現在科學論文中的圖像是如何「揭露」自然界背後的藍圖,乃至於此揭露手法反映何種視覺文化,就是另一個故事了。

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隱形的技師與繪畫的觀看者

說《大自然的藝術》是本「很好看」的書還涉及另一個層次:到底誰在執行這些「看」的動作?的確,瑪吉提及了一些在科學史中大名鼎鼎的人物,像是林奈、洪堡、達爾文、華萊士與海克爾等人,但瑪吉的興趣其實是放在如巴特蘭、桑頓這些名不見經傳的採集者、畫師或藝術家(事實上,即便瑪吉的確提及達爾文這樣的科學明星,焦點往往放在他們出道前的經歷)。就科學史的角度,這樣視角的調整實為過去二、三十年來研究與寫作上的重要突破。

正如科學史大家史蒂芬.謝平於〈隱形的技師〉(invisible technician)一文中指出的,長久以來,科學史研究者花費大量心神分析科學家如何自實驗數據或標本中提煉出關於大自然的理論,卻對協助科學家從事實驗的「技師」視而不見。不過,謝平指出,這樣對技師的忽略也不見得是科學史研究者的錯:畢竟,證諸已出版的科學著作,這些技師如果不是被抹去其臉孔、成為論文謝詞中的一個名字,便是被「被戴上」一張張不在意酬勞、一心只想獻身科學、散發著小天使般聖潔光輝的面具。謝平認為,這樣將技師予以缺席的科學寫作與十八世紀興起的「紳士科學」(gentlemanly science)息息相關。

長久以來,科學史研究者花費大量心神分析科學家如何自實驗數據或標本中提煉出關於大自然的理論,卻對協助科學家從事實驗的「技師」視而不見。圖/Matt & Mandy @ Flickr

如前所述,當時的實驗科學家,為了要應付來自自然哲學家的批評,主張「眼見為憑」的「事實」應為科學研究的核心。但所謂的「眼見為憑」到底是誰說了算呢?答案是被當時社會認為最可信賴的「紳士」。不過,你或許會問,除了信賴度以外,有沒有什麼更具體的判準,讓人們可以一眼鑒別誰是紳士、誰只是尋常的販夫走卒?

有的。如果你的家境富裕,讓你可在閒暇時刻全心投入研究工作、而不用靠研究謀生的話,你就有更高的機會會被認定為言而有信、知行合一的紳士科學家。在這樣的氛圍下,無怪在實驗室工作中的技師──或者以十八世紀的術語,以其在研究中的勞動投入換取工資的「僕役」──沒有在科學著作中的一席之地。

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不難理解,如謝平描述的現象也同樣出現在十八世紀以降的博物學研究中。正如瑪吉所說的,「沒有哪一個時期的藝術家,可以比十八世紀的藝術家更有希望藉由描繪大自然來為自己謀取生存的機會」,這一方面意味著隨著博物學研究的風行、懷有一身絕技卻往往身無分文的藝術家可勉強維持水準以上的生活;另方面,相較於洪堡、達爾文這樣家境富裕的「紳士博物學家」,這些希望透過博物學藝術求得溫飽的藝術家,在博物學研究中取得一席之地之餘,相當弔詭的,他們的身影往往在博物學史寫作中遭到抹去。就如同謝平於〈隱形的技師〉中試著為實驗室中工作的技師翻案,瑪吉的《大自然的藝術》為結合大量史料、讓博物學藝術家可以與他們的作品一同現身的傑出作品。

《大自然的藝術》是本很好看的書──希望這篇導讀能提供一些線索,讓讀者可按圖索驥,摸索一套方法來看這本很好看的書。最後,還是要提醒各位,瑪吉試圖描繪的年代並沒有離我們遠去。當我們戲謔地在朋友的臉書發文下留下「發文不附圖,此舉不可取」等文字,當我們煞費苦心地搜索圖片、為即將來臨的口頭報告配圖,當我們努力地調整身體與手機間的角度、以嘟嘴與小臉的自拍留下「到此一遊」的證據時,我們仍然活在那個眼見為憑的世界。

正如瑪吉所說的,「文字可能是抽象的、模擬兩可的,而且容易誤解或誤譯,相對地,憑藉純熟技巧與高超精準度所繪製的圖像,卻可以描繪出與所有人息息相關的現實。圖像提供了親眼可見的事實,因此可以主張,文字將會成為圖像的附屬品」。


 

 

 

本文摘自《大自然的藝術:圖說世界博物學三百年》暖暖書屋出版。

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從「衛生紙」開始的環保行動:一起愛地球,從 i 開始
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/12/03 ・1592字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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你是否也曾在抽衛生紙的瞬間,心頭閃過「這會不會讓更多森林消失」的擔憂?當最後一張衛生紙用完,內心的愧疚感也油然而生……但先別急著責怪自己,事實上,使用木製品和紙張也能很永續!只要我們選對來源、支持永續木材,你的每一個購物決策,都能將對地球的影響降到最低。

二氧化碳是「植物的食物」:碳的循環旅程

樹木的主食是水與二氧化碳,它們從空氣中吸收二氧化碳,並利用這些碳元素形成枝葉與樹幹。最終這些樹木會被砍伐,切成木材或搗成紙漿,用於各種紙張與木製品的製造。

木製品在到達其使用年限後,無論是被燃燒還是自然分解,都會重新釋放出二氧化碳。不過在碳循環中,這些釋出的二氧化碳,來自於原本被樹木「吸收」的那些二氧化碳,因此並不會增加大氣中的碳總量。

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但,為了木製品而砍伐森林,真的沒問題嗎?當然會有問題!

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植物身上的脂質增加會讓它變胖嗎?不會!反而會促進開花?——專訪中研院植微所前研究員中村友輝
研之有物│中央研究院_96
・2023/10/02 ・6057字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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本文轉載自中央研究院「研之有物」,為「中研院廣告」

  • 採訪撰文|歐宇甜
  • 責任編輯|簡克志
  • 美術設計|蔡宛潔

植物脂是什麼?它會怎麼影響植物?

如果提到植物脂質,一般人可能會想到果實或種子裡儲存的油脂,可以加工成大豆油、花生油、芝麻油等油品。不過,近年有越來越多證據顯示,脂質還會影響植物的生長和發育,例如開花的機制。中央研究院「研之有物」專訪過去院內唯一一位由發育生物學觀點研究植物脂質的學者,他是植物暨微生物學研究所的前研究員中村友輝,我們邀請他分享植物脂質研究與他的研究歷程。

中研院植微所的前研究員中村友輝。圖/研之有物

過去科學家對植物的脂質研究主要分兩個,一個是研究植物經光合作用轉化的脂質,這是植物可以拿來利用的養分;另一個是研究種子裡的脂質,例如透過品種改良或基因改造,提高種子的產油效率。中村友輝的團隊研究微觀的機制,他們探討脂質如何與其他訊號傳遞因子作用,協調植物的生長發育過程。

中村友輝是中研院植微所的前研究員,他深耕脂質研究已有 21 年,在中研院時期(2011~2022),他一手建立起脂質研究團隊,該團隊的重大研究成果之一就是:發現植物脂質跟調控開花有因果關係

中村友輝團隊發現植物脂質跟調控開花有因果關係,圖中植物為阿拉伯芥。圖/研之有物

要找出因果關係並不容易,研究團隊從植物脂質出發,先瞭解植物體內各種不同的脂質,再進一步探索脂質在植物體內如何製造與代謝。製造過程中,不同的酵素與步驟都會影響脂質的含量與結構,甚至同一種脂質,也都可能產生不同結構。

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在瞭解脂質如何製造與代謝之後,接下來就是深入脂質的實際功能。「脂質如何影響植物?」要回答這個問題,必須人為控制脂質的代謝,確認變因。

中村友輝團隊開發出「代謝切換系統」,這套系統可以短暫改變脂質的代謝速率或途徑,讓研究人員改變特定位置的脂質含量和種類,觀察不同脂質對植物的影響。

從人體機制找到調控植物開花的秘密

一般開花植物會根據季節變化、日照長短決定開花時機,而科學家發現植物裡有一種 FT 蛋白質(Flowering Locus T),能誘導植物開花,是一種開花素(Florigen)。

長日照植物在足夠的日照長度下,葉子裡的 FT 基因轉錄會活化並合成 FT 蛋白質,再運輸到頂芽,使葉芽轉變成花芽並開花,不過許多調控機制方面的細節仍然是謎。

中村友輝團隊發現,植物裡有一種磷脂質(磷脂醯膽鹼,Phosphatidylcholine,簡稱 PC),會隨日照變化改變,並與開花素產生交互作用、促進開花。脂質角色的加入,是當時其他學者尚未關注到的領域。

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為什麼團隊會把 FT 蛋白質跟植物脂質連結起來呢?

中村友輝表示,「我們注意到植物的 FT 蛋白質 3D 結構,跟人體中與脂質結合的蛋白質很像,這個蛋白質是磷脂醯乙醇胺(Phosphatidylethanolamine-binding protein,簡稱 PEBP 蛋白質)。雖然 FT 位在植物、PEBP 位在人體,但兩者構造相當相似。我們心想,既然人體的 PEBP 蛋白質可以跟磷脂質結合,植物的 FT 蛋白質是不是也能跟 PC 結合呢?PC 會不會跟調控開花有關? 」

電腦模擬 FT 蛋白質和 PC 磷脂質結合的「開花素活化複合體」3D 結構。資料來源/iScience

脂質真的會影響開花嗎?用代謝切換工程實驗看看!

為了證實這個推測,研究團隊開始進行各種實驗,透過代謝切換工程去調控植物體內的 PC 磷脂質含量,觀察當 PC 變多或變少時,會如何影響 FT 蛋白質的功能,以及開花速度會變快或變慢。

具體應該怎麼做呢?首先要有關鍵酵素「PECT」,只要抑制 PECT 的合成,就會連帶減少 PC 的合成量,進而觀察對 FT 蛋白質的影響。目前是以人工方式製作一段 amiRNA(Artificial microRNA,人工微型核酸),送進植物體內後,它能跟 PECT 的 mRNA 互補並結合,導致 PECT 無法合成。

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另一個方法是使用人工合成的啟動子(promoter,簡稱 p),啟動子是一段能讓特定基因進行轉錄的核酸片段。不同啟動子的功能不太一樣,例如啟動子 pFD,只有在頂芽裡才會驅動 FT 蛋白質合成;還有啟動子 pSUC2(Sucrose Transport 2),只在葉子維管束伴細胞(Vascular companion cells)裡才會驅動 FT 蛋白質合成,它專門跟一種藥物結合,實驗時可以透過藥物來控制。

團隊透過上述這些方法來控制 FT 蛋白質只在特定器官產生,再調控 PC 磷脂質含量增加或減少,藉此觀察脂質對開花的影響。

結果發現,如果在頂芽處讓 PC 磷脂質增加的話,的確可以促使開花。

此外,還發現 PC 構造會隨日夜變化,白天時,PC 磷脂質主要是飽和脂肪酸,容易和 FT 蛋白質結合,促進開花;晚上時,PC 磷脂質主要是不飽和脂肪酸,難與 FT 蛋白質結合,不促進開花,開花時間延遲。

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在植物的頂芽處,PC 磷脂質含量會影響開花,但是日夜情況不同。圖中的飽和脂肪酸是長碳鏈,不含紅色雙鍵。紅色雙鍵越多,表示不飽和脂肪酸程度越高。圖/研之有物(資料來源/中村友輝)

至於團隊有實際拍到 FT 蛋白質和磷脂質結合的模樣嗎?中村友輝說:「我們目前是用電腦模擬的方式,將 FT 蛋白質和磷脂質兩個分子的 3D 模型放在一起比對、計算,得知兩者最可能的結合方式。之前有嘗試用冷凍式電子顯微鏡(Cryo-electron microscopy)拍攝,但可能是 FT 蛋白質本身太小,沒有成功 ,希望未來有機會。」

這篇論文於 2014 年刊登於「自然通訊」(Nature Communications)期刊,之後陸續有些科學家也在研究脂質對開花的影響,有的發現在維管束的脂質也會影響 FT 蛋白質傳送,有的發現水稻的開花素運作模式,跟本次實驗所用的模式植物阿拉伯芥類似。

不過,全世界的植物種類非常多,不同植物的生長、開花特性可能不同,像短日照、長日照植物所需日照時間不同,有些植物如曇花是晚上開花,有些植物是先開花才長葉,其他類型的開花機制仍待更多研究來解開。

中村友輝團隊研究磷脂質如何影響植物開花的機制,採用模式生物阿拉伯芥作為研究對象。圖/研之有物

用藻類酵素刺激產油

如果科學家能掌握並任意開關植物的代謝路徑,以後就能隨心所欲讓植物生長或開花並應用在農業上嗎?中村友輝指出,「一旦瞭解代謝途徑,到真的應用層面上,的確不是遙不可及。我們之前有一個研究,就是透過掌握酵母菌的代謝途徑,讓這些小生物生產大量油脂。」

其實,科學家最早在研究代謝工程時就是以藻類、酵母菌和細菌等單細胞生物為主,每個細胞是一個完整生物體,而多細胞生物是一個個體有很多不同功能的細胞,相較之下,單細胞生物的代謝過程比多細胞生物單純許多。科學家研究酵母菌多年,幾乎瞭解脂質代謝路徑、參與調控的酵素,比較容易進行代謝工程。近年因為地球暖化問題,科學家研究如何以生質能源來替代石油,想透過酵母菌大量生產生質柴油,可惜遲遲找不到突破方法。中村友輝的團隊找到一個創新構想:將一種藻類酵素導入酵母菌,能讓產油量大幅增加。「不過,這個酵素被發現是一個意外。」中村友輝笑道。一開始中村友輝團隊是在分析藻類某種關鍵酵素 DGAT ,它是合成、儲存油脂的關鍵酵素,可以催化三酸甘油脂產生,有一群功能類似但構造不同的同分異構物,就像一個酵素家族。團隊將這些酵素的基因一個個抓出來,把它們導入酵母菌,想分析哪個酵素能讓酵母菌產油最多。最後研究團隊發現 DGAT2 能讓酵母菌產油量提升到野生酵母菌的 10 倍!其實,酵母菌裡也有同樣功能的酵素,但代謝效率、產油能力都沒有這個酵素 DGAT2 來得好,沒想到他們將酵母菌原本的酵素拿掉,運用外來的藻類酵素刺激,能讓酵母菌產油量突破以往極限。

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酵母菌的脂質代謝路徑,上方路徑形成儲存性脂質(橘色),也就是 TAG(三酸甘油酯);下方路徑形成膜脂質(綠色)。如果要生產生質柴油,必須盡量讓酵母菌往儲存性脂質的路徑走。中村友輝團隊將酵母菌原本的酵素替換成含有 DGATs 基因的藻類酵素,發現產油量大幅增加。圖/研之有物(資料來源/Frontiers in Microbiology

中村友輝說道,「有些做代謝工程的方式是改寫整個代謝路徑,我們只是促進或抑制某個路徑,改動範圍沒有這麼大。這篇論文是少數做到應用層面的研究,但我們只有養少量的酵母菌,真正要做到工業級生產,需要其他專門的人。我們仍是以基礎研究為主,聚焦在發現基礎代謝途徑,找出各種未知代謝途徑或未知代謝物。畢竟要先瞭解基本的,才可能有後續應用。」

原來,植物脂質沒有大家想得那樣簡單,只是當作儲存能量而已,更對植物的生長與發育影響重大。中村友輝希望未來繼續探討這個似乎無窮無盡的植物脂質領域,找出更多嶄新的發現。


除了研究內容之外,喜愛植物和旅遊的科學家中村友輝,當初如何踏上科研之路?為何如此熱愛植物脂質領域?來臺灣工作多年又有什麼觀察與發現呢?

問 您從小就喜歡植物嗎?當初如何走上學術研究的道路?

答 我小時候常常在戶外玩,喜歡花草,甚至會跑去河邊採水草,放在家裡水族缸養。在校學習時,我其實都是文科比較好,理科不是很好,應該沒有人想到我會走上科研的道路。但是,我發現自己對「分子生物學」很有興趣,DNA 這麼簡單的雙股螺旋結構,為何會產生蛋白質、形成生物體?我為此深深著迷。

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前幾年我去一場會議演講,詹姆斯·華生(James Watson,DNA 雙股結構發現者)就坐在前面第一排,沒想到我竟然能跟這位崇敬的科學家一起分享自己的實驗,那是個非常值得紀念的日子!

問 您曾去過許多地方旅行,有沒有留下什麼印象深刻的事?

答 我對其他國家的文化感到好奇,也喜歡親身體驗,從當地人觀點融入生活。我曾去到阿富汗和巴基斯坦,那裡戰亂較多,有一點危險,某次經過巴基斯坦和阿富汗交界的公路時,我還付錢請了兩個保鑣隨行。我去到那裡一些很貧困的地方,曾問當地人:「對你來講,活著的目的與意義是什麼?」沒想到那個人只是簡單回說:「我只想要活著就好,我活著的目的就是不要死!」這個回答讓我相當震撼,原來世界上有人是這樣活著。

問 您當初為何選擇植物脂質領域的研究,是否有什麼契機?

答 當年我在日本東京工業大學讀書,通常日本大學在畢業前要完成一個論文,大四有一年時間做研究。我喜歡植物,不喜歡動物或醫學,就選擇進入一間植物實驗室。剛開始我並不是選擇脂質作為主題,不過那時學界已開始發現到,脂質可能影響光合作用,因為脂質是構成葉綠體雙層膜的主要成分,我就因緣際會下踏入植物脂質領域,到現在已經 21 年。

問 您後來如何發現脂質對植物的生長與發育有重要影響?

答 科學家已經知道葉子、種子含有脂質,但大家並不清楚花朵裡的脂質是什麼樣子。那時教授給了我一個題目,就是去瞭解花裡面的脂質成分,這個題目還沒有人做過,我便接下這個挑戰。一開始我是辨識花裡含有哪些脂質,拿來跟種子、葉子的脂質成分做比對。

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花朵分成不同的器官像花瓣、雄蕊、雌蕊、花柱和花萼等,我驚訝的發現,花裡的脂質不但跟葉子、種子的脂質成分不一樣,而且在花朵的不同器官中,脂質成分竟然也不同。這讓我感到很有趣也很納悶:為什麼會有這麼大的差別?成為我開始深入探討脂質對開花影響的契機。

問 您是在什麼樣的契機來到臺灣工作呢?

答 我是從 2011 年進入中研院。在大學當背包客的旅程中,我發現亞洲的科學發展蠻有潛力,便開始學習中文。博士班畢業後,我決定先去新加坡讀博士後研究,當時新加坡的實驗室成員都是華人,包括中國、臺灣和新加坡等。後來剛好中研院植微所在徵人,於是我就來到臺灣。我覺得臺灣最好的部分是人,臺灣人真的非常好!我對這裡的生活很適應,臺灣的小吃、水果都很好吃,我特別喜歡芒果!

問 這些年您對臺灣的學術環境有什麼樣的觀察或心得嗎?

答 在臺灣,可以找到很多願意學習的人一起參與研究。很感謝中研院給我這個機會加入,發展我的研究旅程。我 31 歲就擔任實驗室主持人,我對中研院的回報就是盡量把研究成果一個個發表出來,希望讓中研院知名度提高。臺灣政府很願意支持基礎科學研究,雖然不能馬上看到成果,但對於後幾年的應用來講是最重要的,很希望未來臺灣政府能持續支持基礎研究,吸引更多國外學者來臺灣,將整個基礎研究能量做大。

問 您目前的研究方向有哪些?

答 第一個就是延續脂質調控開花的研究,因為還是有很多東西不瞭解。第二個是持續發現新的代謝途徑。植物的脂質代謝途徑很多、很複雜,大家所見的路徑圖表只是簡單示意,實際上不是真的這麼簡單,還有很多東西沒有被發現。最後是研究脂質跟莖的生長、大小的關係,跟脂質能調控開花的概念有點類似。總結來說,我的研究主軸是希望繼續瞭解脂質是怎樣影響植物的發育和各種生理現象。

中研院植微所的前研究員中村友輝與當時的研究團隊合影。圖/研之有物

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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越南兩千年古早味咖哩?香料的食慾流動
寒波_96
・2023/09/06 ・3133字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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大多數台灣人對東南亞、南亞風格的香料不陌生,甚至有些常見的香料,不特別查詢還不知道起源於東南亞。

一項 2023 年問世的研究,調查將近兩千年前,越南南部的遺址,見到多款香料植物的蹤跡。證實那個時候已經有多款香料,從南亞或東南亞外海的島嶼,傳播到東南亞大陸。

很多香料,搭配是魔法。圖/參考資料3

越南兩千年古早味咖哩?

讀者們對咖哩(curry)想必都很熟悉,不過還是要先解釋一下。現今咖哩的定義範疇很廣,南亞、東南亞等地存在風味各異的香料混合料理,都能算是「咖哩」。此一名詞的讀音轉化自印度南部的泰米爾語,源自大英帝國對南亞的殖民,不過混合使用香料的料理,歷史當然更加悠久。

由澳洲國立大學的洪曉純率領的考古調查,地點位於越南南部的喔㕭(Oc Eo)遺址。這兒在公元一到七世紀,是「扶南國」的重要城市。這個政權以湄公河三角洲為中心,統治東南亞大陸的南部;柬埔寨的吳哥波雷(Angkor Borei)與喔㕭,為扶南國最重要的兩處遺址。

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東南亞大陸南部的喔㕭,與延伸的地理格局。圖/參考資料1

喔㕭地處湄公河三角洲的西南部,離海 25 公里。這兒一到八世紀有過不少人活動,四到六世紀最興盛。遺址中出土的 12 件工具,外型看來相當類似年代更早,南亞用於處理食物的工具。

進一步分析發現,工具上總共保存著 717 個澱粉顆粒,大部分年代可能介於距今 1600 到 1900 年左右的數百年間。不同植物產生的澱粉形狀有別,有時候可以用於識別物種,近年常用於考古學。

喔㕭遺址出土的研磨工具。圖/參考資料1

這批澱粉中有 604 個可以分辨物種,作為糧食的稻以外,還有八種常用於香料的植物,以薑科植物(Zingiberaceae)的存在感最高,包括五種:薑黃、薑、高良薑、凹唇薑、山奈;還有今日依然常見的丁香、肉豆蔻、肉桂。

解讀這些材料時必需注意,出土工具上能見到的澱粉,只是當年的一小部分,不能直接代表古代使用的比例,只能證明確實有過那些種類。

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越南南部,曾經相當繁榮的喔㕭遺址遠眺。圖/參考資料1

來自亞洲大陸:薑黃、薑、高良薑、凹唇姜、山奈

喔㕭遺址中出土數目最多的是薑黃(turmeric,學名 Curcuma longa)。薑黃的家鄉應該在南亞,早於四千年前的哈拉帕遺址中已經存在;後來薑黃向各地傳播,遠渡至地中海地區。這項發現則是東南亞大陸最早的紀錄。

台灣人大概對薑(ginger,學名 Zingiber officinale)更熟悉,薑可能起源於東亞與南亞,一路向西傳到歐洲。台灣飲食習慣中,薑不只是特定用途的香料,從海鮮湯中的薑絲,到餃子肉餡的蔥薑水與薑末,可謂無所不在的添加物(對!薑默默躲在很多食物中)。

另外三種比較少見的薑科植物,如今東南亞都有種植,包括高良薑(galangal,學名 Alpinia galanga)、凹唇姜(fingerroot,學名 Boesenbergia rotunda)、山奈(sand ginger,學名 Kaempferia galanga,也叫沙薑)。

香料考古的世界觀。圖/參考資料1

來自亞洲海島:丁香、肉豆蔻、肉桂

三種不屬於薑科的香料,如今台灣也都不陌生。肉豆蔻(nutmeg,學名 Myristica fragrans)原產於摩鹿加群島南部的班達群島。摩鹿加群島就是大航海時代歐洲人稱呼的「香料群島」,雖然算是東南亞外海的島嶼,不過靠近新幾內亞,和東南亞大陸有相當距離。

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丁香(clove,學名 Syzygium aromaticum)也原產於摩鹿加群島,早在公元前便已經傳播到歐亞大陸。越南南部的丁香應該是進口產品,不過無法判斷原本種在哪兒,是摩鹿加群島或更西邊的爪哇。

肉桂(cinnamon,學名 Cinnamomum sp.)可能源自好幾個物種,這回光靠澱粉無法準確判斷。不過從其餘植物遺骸看,喔㕭人使用的肉桂,大概是原產於斯里蘭卡,印度外海島嶼上的錫蘭肉桂(Ceylon cinnamon,學名 Cinnamomum verum)。

跨越空間,貫穿時間,香料的食慾流動

喔㕭出土的研磨器具上,除了澱粉還有另一種植物遺骸:植物矽酸體(phytolith),根據型態差異,也能用於植物的分門別類。棕梠、香蕉屬(Musa)植物的矽酸體,見證當時利用的植物種類相當多樣。

公元 1870 年,印度南部泰米爾的留影。 越南南部出土的工具,與她們使用的極為相似。圖/參考資料1

儘管缺乏直接證據,不過以常理推敲,東南亞大陸南部的喔㕭人,使用源於南亞的道具,研磨多款外地引進到當地種植,或是直接進口的香料植物,可能的一項目的,就是製作混合香料的咖哩料理。

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喔㕭遺址也保存許多稻米的碳化穀粒遺骸,稻米飯應該是當時菜單中的重要組成。我猜,當時的人會吃咖哩飯。

越南等地,香料搭配的魔法,顯然將近兩千年前已經存在惹。時至今日,和出土古物超過 87% 相似的研磨器具,依然有人使用。食慾流動的慾望,跨越空間,貫穿時間。

延伸閱讀

參考資料

  1. Wang, W., Nguyen, K. T. K., Zhao, C., & Hung, H. C. (2023). Earliest curry in Southeast Asia and the global spice trade 2000 years ago. Science Advances, 9(29), eadh5517.
  2. Researchers find evidence of a 2,000-year-old curry, the oldest ever found in Southeast Asia
  3. Curry may have landed in Southeast Asia 2000 years ago

本文亦刊載於作者部落格《盲眼的尼安德塔石匠》暨其 facebook 同名專頁

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寒波_96
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生命科學碩士、文學與電影愛好者、戳樂黨員,主要興趣為演化,希望把好東西介紹給大家。部落格《盲眼的尼安德塔石器匠》、同名粉絲團《盲眼的尼安德塔石器匠》。