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同一片花瓣的顏色為何有深有淺?揭開花青素分佈之謎

活躍星系核_96
・2017/06/09 ・1584字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 533 ・七年級

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譯者/黃宣霈|清華大學理學院學士班

約翰.英納斯研究中心(John Innes Centre, JIC)的科學家,藉由深入了解一個奇妙又艷麗的植物構造--「花青素液胞包含體(anthocyanic vacuolar inclusions, AVIs)」,來揭開一個存在已久的謎團……

花瓣多彩的三色堇。圖/pixabay

秋天的紅色楓葉、多彩的三色堇花瓣以及餐桌上的紫色藍莓,它們的色彩有個共通點:無論是紫色、藍色或橘紅色,都是由名為「花青素」的色素分子累積形成的。

花青素除了使植物能擁有五顏六色,它形成的樣式及明暗還能引導傳粉者上門拜訪,或吸引動物享用果實、幫助種子散播。此外,花青素還可以保護植物對抗光氧化(photo-oxidative)的破壞性傷害,例如高強度的紫外線。

AVIs:不尋常的花青素分布

在過去,花青素曾有一段時間被認為是以水溶性分子的形式,均勻分佈在植物細胞的液胞(vacuole)內。不過,也有過去的研究注意到:在某些植物的例子中,它們液胞裡的花青素會沉積出顯而易見的深色團簇,科學家給了這種小團簇一個名字,叫做「花青素液胞包含體」(後文使用縮寫 AVIs)。

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洋桔梗(Prarie Gentian, lisianthus)的花瓣中心呈現較深的紫色。圖/Pixabay
洋桔梗(lisianthus)花瓣基部深色區域的上表皮(adaxial epidermis),可見到紫色大液胞中紫色更深的AVIs。圖片擷自原研究。

直至今日,關於這種特別的構造是如何形成的,科學家尚未有確切的答案,更遑論是它為何存在。直到 JIC 的凱西.馬汀(Cathie Martin)教授將他們的團隊研究發表在 Current Biology 期刊,為AVIs形成的分子機制提出了新的見解。這項研究除了 JIC 的研究者,也有來自中國、紐西蘭、挪威的研究員參與。

AVIs的多少,關鍵在酸鹼和化學

菸草(Nicotiana tabacum)是一種植物研究中常用的模式生物1,一般而言它不會大量製造花青素。但是藉由基因改造,可以使菸草細胞內表達出一些原本在洋紅色金魚草中的蛋白質,進而讓菸草體內的花青素含量增高。根據研究團隊的觀察,這些花青素是可以在液胞內溶解的。再進行後續 AVIs 的相關實驗。

此研究的第一作者,JIC 的卡亞尼.卡蘭(Kalyani Kallam)博士說道:「透過將能夠大量表現可溶性花青素的基改煙草與有能力修飾花青素的菸草植株兩者雜交,我們就能夠製造出可以形成 AVIs 的菸草後代。在實驗中,我們針對不同的基因和改變環境因子2,推論出形成 AVIs 的化學步驟。此外,我們更進一步推測:AVIs 並不是被膜包覆的構造,而是花青素在經過一些特定的化學修飾3後,在液胞內沉澱的結果,這樣的情形會根據 pH 值有所不同。」

兩圖分別為不同菸草植株經雜交後的子代之根毛細胞;左圖呈現出高含量的水溶性花青素;右圖除了也呈現出高含量的水溶性花青素外,較深色的團塊即為 AVIs。圖片擷取自原文研究。

馬汀教授說道:「在許多植物中,AVIs的形成多半是特定種類的花青素在某些狀況下無可避免的化學現象。但是在另一些植物中,例如洋桔梗(Prarie Gentian, lisianthus),它的花瓣中心的顏色非常深,AVIs 可能透過使花瓣增加色素的密度,藉此吸引授粉者或是幫助種子散佈的動物。」

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註釋:

  1. 模式生物(model organism)指廣泛用於研究的物種,通常具有基因組小、生命週期短、容易繁殖後代等特性。
  2. 在實驗中所使用的不同環境因子,有改變溶液離子濃度、改變 pH 值、改變花青素濃度等等。
  3. 化學修飾(chemical modification)指在一個分子上發生共價鍵的變化,通常是某種基團的加入或移除。發生化學修飾後,可能會改變原本的分子活性。

參考資料

原文研究

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活躍星系核_96
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活躍星系核(active galactic nucleus, AGN)是一類中央核區活動性很強的河外星系。這些星系比普通星系活躍,在從無線電波到伽瑪射線的全波段裡都發出很強的電磁輻射。 本帳號發表來自各方的投稿。附有資料出處的科學好文,都歡迎你來投稿喔。 Email: contact@pansci.asia

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除了蚯蚓、地震魚和民間達人,那些常見的臺灣地震預測謠言
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2024/02/29 ・2747字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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本文由 交通部中央氣象署 委託,泛科學企劃執行。

  • 文/陳儀珈

災害性大地震在臺灣留下無數淚水和難以抹滅的傷痕,921 大地震甚至直接奪走了 2,400 人的生命。既有這等末日級的災難記憶,又位處於板塊交界處的地震帶,「大地震!」三個字,總是能挑動臺灣人最脆弱又敏感的神經。

因此,當我們發現臺灣被各式各樣的地震傳說壟罩,像是地震魚、地震雲、蚯蚓警兆、下雨地震說,甚至民間地震預測達人,似乎也是合情合理的現象?

今日,我們就要來破解這些常見的地震預測謠言。

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漁民捕獲罕見的深海皇帶魚,恐有大地震?

說到在坊間訛傳的地震謠言,許多人第一個想到的,可能是盛行於日本、臺灣的「地震魚」傳說。

在亞熱帶海域中,漁民將「皇帶魚」暱稱為地震魚,由於皇帶魚身型較為扁平,生活於深海中,魚形特殊且捕獲量稀少,因此流傳著,是因為海底的地形改變,才驚擾了棲息在深海的皇帶魚,並因此游上淺水讓人們得以看見。

皇帶魚。圖/wikimedia

因此,民間盛傳,若漁民捕撈到這種極為稀罕的深海魚類,就是大型地震即將發生的警兆。

然而,日本科學家認真蒐集了目擊深海魚類的相關新聞和學術報告,他們想知道,這種看似異常的動物行為,究竟有沒有機會拿來當作災前的預警,抑或只是無稽之談?

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可惜的是,科學家認為,地震魚與地震並沒有明顯的關聯。當日本媒體報導捕撈深海魚的 10 天內,均沒有發生規模大於 6 的地震,規模 7 的地震前後,甚至完全沒有深海魚出現的紀錄!

所以,在科學家眼中,地震魚僅僅是一種流傳於民間的「迷信」(superstition)。

透過動物來推斷地震消息的風俗並不新穎,美國地質調查局(USGS)指出,早在西元前 373 年的古希臘,就有透過動物異常行為來猜測地震的紀錄!

人們普遍認為,比起遲鈍的人類,敏感的動物可以偵測到更多來自大自然的訊號,因此在大地震來臨前,會「舉家遷徙」逃離原本的棲息地。

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當臺灣 1999 年發生集集大地震前後,由於部分地區出現了大量蚯蚓,因此,臺灣也盛傳著「蚯蚓」是地震警訊的說法。

20101023 聯合報 B2 版 南投竹山竄出蚯蚓群爬滿路上。

新聞年年報的「蚯蚓」上街,真的是地震警訊嗎?

​當街道上出現一大群蚯蚓時,密密麻麻的畫面,不只讓人嚇一跳,也往往讓人感到困惑:為何牠們接連地湧向地表?難道,這真的是動物們在向我們預警天災嗎?動物們看似不尋常的行為,總是能引發人們的好奇與不安情緒。

如此怵目驚心的畫面,也經常成為新聞界的熱門素材,每年幾乎都會看到類似的標題:「蚯蚓大軍又出沒 網友憂:要地震了嗎」,甚至直接將蚯蚓與剛發生的地震連結起來,發布成快訊「昨突竄大量蚯蚓!台東今早地牛翻身…最大震度4級」,讓人留下蚯蚓預言成功的錯覺。

然而,這些蚯蚓大軍,真的與即將來臨的天災有直接關聯嗎?

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蚯蚓與地震有關的傳聞,被學者認為起源於 1999 年的 921 大地震後,在此前,臺灣少有流傳地震與蚯蚓之間的相關報導。

雖然曾有日本學者研究模擬出,與地震相關的電流有機會刺激蚯蚓離開洞穴,但在現實環境中,有太多因素都會影響蚯蚓的行為了,而造成蚯蚓大軍浮現地表的原因,往往都是氣象因素,像是溫度、濕度、日照時間、氣壓等等,都可能促使蚯蚓爬出地表。

大家不妨觀察看看,白日蚯蚓大軍的新聞,比較常出現在天氣剛轉涼的秋季。

因此,下次若再看到蚯蚓大軍湧現地表的現象,請先別慌張呀!

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事實上,除了地震魚和蚯蚓外,鳥類、老鼠、黃鼠狼、蛇、蜈蚣、昆蟲、貓咪到我們最熟悉的小狗,都曾經被流傳為地震預測的動物專家。

但可惜的是,會影響動物行為的因素實在是太多了,科學家仍然沒有找到動物異常行為和地震之間的關聯或機制。

遍地開花的地震預測粉專和社團

這座每天發生超過 100 次地震的小島上,擁有破萬成員的地震討論臉書社團、隨處可見的地震預測粉專或 IG 帳號,似乎並不奇怪。

國內有許多「憂國憂民」的神通大師,這些號稱能夠預測地震的奇妙人士,有些人會用身體感應,有人熱愛分析雲層畫面,有的人甚至號稱自行建製科學儀器,購買到比氣象署更精密的機械,偵測到更準確的地震。

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然而,若認真想一想就會發現,臺灣地震頻率極高,約 2 天多就會發生 1 次規模 4.0 至 5.0 的地震, 2 星期多就可能出現一次規模 5.0 至 6.0 的地震,若是有心想要捏造地震預言,真的不難。 

在學界,一個真正的地震預測必須包含地震三要素:明確的時間、 地點和規模,預測結果也必須來自學界認可的觀測資料。然而這些坊間貼文的預測資訊不僅空泛,也並未交代統計數據或訊號來源。

作為閱聽者,看到如此毫無科學根據的預測言論,請先冷靜下來,不要留言也不要分享,不妨先上網搜尋相關資料和事實查核。切勿輕信,更不要隨意散播,以免造成社會大眾的不安。

此外,大家也千萬不要隨意發表地震預測、觀測的資訊,若號稱有科學根據或使用相關資料,不僅違反氣象法,也有違反社會秩序之相關法令之虞唷!

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​地震預測行不行?還差得遠呢!

由於地底的環境太過複雜未知,即使科學家們已經致力於研究地震前兆和地震之間的關聯,目前地球科學界,仍然無法發展出成熟的地震預測技術。

與其奢望能提前 3 天知道地震的預告,不如日常就做好各種地震災害的防範,購買符合防震規範的家宅、固定好家具,做好防震防災演練。在國家級警報響起來時,熟練地執行避震保命三步驟「趴下、掩護、穩住」,才是身為臺灣人最關鍵的保命之策。

延伸閱讀

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秋天的顏色「楓紅」其實不單指紅色?——《樹葉物語》
時報出版_96
・2023/10/28 ・2202字 ・閱讀時間約 4 分鐘

當秋風吹起,樹木們便開始褪去辛苦製造養分的夏天之綠,露出隱藏在葉片之間的枝頭。楓紅可說是樹木結束一年勞動後展開的慶典。樹木是靠光照生存的生命體,而在入秋後舉行的色彩慶典則是展示這一點的美麗佐證。

秋風一吹,從春天到夏天一路靠光照生存下來的樹木會先結果,雖然結得緩慢,結出來的果實卻比一年中任何時候都飽滿、結實。此時所有樹木都會長出纍纍果實。果實的顏色會根據秋天的腳步快速變化。從黃到紅,或是從晶瑩的紫色到漆黑的黑色,樹木們用各自的色彩結果。儘管大部分尚未熟透的果實多和樹葉一樣呈綠色,但之後會徐徐轉變成美麗又成熟的顏色。

楓紅不是只有紅色

比果實更早改變顏色的是葉子,也就是紅葉。提到「紅葉」,大家最先想起的應該是紅色的楓樹吧。當然,「丹」意指紅色*,但楓紅不是只有紅色,看到變黃的銀杏葉,我們也會說它「染成了紅葉」。歸根結柢,我們稱的「紅葉」泛指在秋天變換的所有顏色,英語國家稱紅葉為「Autumn color」(秋天的顏色),也是基於此因。

隨著秋風透進,倉促之間,葉子上浮出了數不勝數、五花八門的顏色。銀杏葉轉黃,槲櫟葉和栓皮櫟葉呈現明顯的紅褐色,掌葉槭的葉子則變得鮮紅。每種樹各有各的秋色。

也有樹木雖屬同種,紅葉顏色卻各不相同,代表性例子當屬櫸樹。櫸樹就算站在一起,紅葉的顏色也不一樣,這是櫸樹與眾不同的特點。也就是說,有染紅葉的櫸樹,也有以亮褐色度過秋天的櫸樹。

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紅葉的顏色會根據每棵樹的成分有所不同。以櫸樹而言,即便同樣是櫸樹,紅葉的顏色也有很多種。

產生離層進入冬眠

對樹木來說,秋天到底是個忙碌的時期,而且忙碌程度不亞於其他季節,因為必須為冬天這受苦受難的季節做好萬全準備。如果秋天活得太過鬆散,就無法抵擋即將面臨的北風寒雪,甚至可能喪命。為了在冬天放長假,樹木必須做很多事前準備。這是世世代代、戰勝了數千年冬天的樹木的過秋策略。

感受到秋天氣息的樹木本能地最先做的第一件事,就是在連接葉子和樹枝的葉柄基部形成新組織「離層」(因為是葉子掉落的地方,因此也稱「脫落區域」)。離層雖然細微,但能養出結實的體格。之所以用離層阻擋生命的通道,讓水不被拉上來,是因為樹木有信心,就算不再靠光合作用製造養分也能繼續結果實。懷著對一年持續下來的勞動和收尾的自信,樹木如同其他動物,準備進入冬眠。

圖/BuNa

最終,葉柄基部形成的離層會完全阻擋水和養分進出的通道。水本來順著樹皮的管道上下流動,樹皮對於樹身外部的氣溫變化最敏感,離層既然擋住了水的流動通道,水就再也無法從根部上來。這個策略是為了減去殘留在管道裡的水分,若水結成了冰,管道就會爆裂,稍有不慎還可能死亡,因此在氣溫降到攝氏零下之前,樹木必須把水清除乾淨。

落葉的防蟲效果

葉子一片又一片枯萎,需要陽光、二氧化碳與水才能進行的光合作用如今無法運作,負責行光合作用的綠色葉綠素失去活力而倒下,輪到楓紅展開色彩慶典了。

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由於每棵樹成分不同,葉子因之呈現黃色、紅色或褐色等五顏六色的色彩。像銀杏或刺槐一樣轉成強烈黃色的樹木含有類胡蘿蔔素的成分;像掌葉槭或衛矛等染成華麗紅色的樹木是因為內含許多花青素;像美國梧桐或櫟屬類一樣染成褐色的樹木成分中則有許多單寧。樹木們一整年下來不停地製造養分,養活這片土地上的生命,如今它們放下勞動的辛勞,準備進入冬眠。樹葉染上的顏色,是生命在苦日子之後製造出來的絢麗生命慶典。

為了進入冬眠,樹木還剩下一些事情需要收尾,那就是將美豔的紅葉落到地上,用乾枯的紅葉覆蓋根部附近的區域。各種顏色的楓紅當中,由花青素製造出來的紅葉們的策略最令人詫異。掉下來覆蓋住根部土壤的紅色落葉不久後就會變成灰褐色,因先前染到葉子上的紅色花青素滲入了樹根附近的土壤。花青素是一種抗氧化劑,具有強烈的抗氧化效果,在阻擋蚜蟲等害蟲侵襲方面也相當卓越。也就是說,樹木會中斷生命活動,像動物一樣進入冬眠,並在進入冬眠的無防備狀態下,將防治害蟲的成分落到根部附近,進行自我保護。

紅色落葉不久後就會變成灰褐色。圖/pexels

樹木一整年默默的生活就這樣結束,終於來到靜靜睡覺的時候了。樹木必須獨自在風雪交加的原野上戰勝寒風,這是它的宿命。雖然看似寧靜,但這一覺不能有一絲鬆懈。

世上所有生命都有各自的風采和美麗,在那份美麗之中,少不了生存的迫切。花、果實和紅葉,都是樹木做為一個生命,在這塊土地上為了生存而展開的吶喊。到了秋天,我們都應該走進染得紅通通的樹蔭下,久久地傾聽樹木演唱的生命之歌。

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——本文摘自《樹葉物語》,2023 年 5 月,時報出版,未經同意請勿轉載。

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時報出版_96
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出版品包括文學、人文社科、商業、生活、科普、漫畫、趨勢、心理勵志等,活躍於書市中,累積出版品五千多種,獲得國內外專家讀者、各種獎項的肯定,打造出無數的暢銷傳奇及和重量級作者,在台灣引爆一波波的閱讀議題及風潮。

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【成語科學】雨過天青:天空為什麼是藍色的?傍晚的橘紅色天空又是怎麼形成的?
張之傑_96
・2023/10/06 ・1183字 ・閱讀時間約 2 分鐘

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下過雨後,天空藍得透明。這個自然現象,衍生出成語雨過天青,比喻情況由壞轉好。雨過天晴也有同樣的意思,不過仍以雨過天青較為正式。閒話少說,讓我們造兩個句吧。

這事挽救及時,現已雨過天青。

雨過天青,您的事可以放心了。

下過雨後,天空藍得透明。圖/pixabay

這個成語還有個故事呢。有一種瓷器,稱為雨過天青,起源於五代‧後周柴世宗。某日臣子請示,皇家瓷器要燒成什麼顏色?柴世宗隨手批示:「雨過天青雲破處,這般顏色作將來。」工匠經過多次實驗,終於燒製出來,這就是有名的「柴窯」。由於沒有作品傳世,柴窯的真面目已無從查考。

談到這裡,該談談這個成語的意涵了。大雨過後,天空為什麼藍得透明?這是因為空氣中的灰塵隨著雨下降下,空氣較為潔淨的關係。喜歡打破沙鍋問到底的小朋友或許還會問:為什麼空氣潔淨、天就較藍?

這要從天空為什麼呈藍色說起。空氣的成份,主要是氮氣和氧氣。晴天的時候,射到地球上的陽光碰到空氣中的氮分子或氧分子,會引起散射作用。藍光的波長較紅光短,散射得較厲害,看在我們眼裡,天空就成為藍色的。

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藍光的波長較紅光短,散射得較厲害,看在我們眼裡,天空就成為藍色的。圖/pixabay

這個道理看起來好像很簡單,但是人類明白這個道理是 19 世紀末的事。1873 年,英國物理學家瑞利是第一位看天看出名堂的人。他的散射理論——瑞利散射,破解了天色的秘密。

在陽光的七種色光中,紅、橙、黃光的波長較長,藍、靛、紫光的波長較短。空氣中的氧分子、氮分子,大小恰好可以散射波長較短的藍光,藍光散了一天,天空當然呈藍色的。

到了傍晚,夕陽西下,陽光打斜裡射過來,較接近地面,而地面的空氣含有較多的水氣和灰塵,粒子比氧分子、氮分子大得多,較容易散射波長較長的紅光、橙光或黃光,艷麗的晚霞就是這樣散射出來的。

陽光打斜裡射過來,而地面的空氣含有較多的水氣和灰塵,較容易散射波長較長的紅光、橙光或黃光。圖/pixabay

如果天上懸浮著小水滴,也就是雲,那又是另一種景象。小水滴比灰塵大得多,各種波長的色光都能被它散射,結果雲就成為白色的。如果雲層較厚較密,陽光穿不過去,就變成了灰色或黑色。白雲蒼狗,不過是陽光玩的把戲而已!

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當雲聚成雨滴的時候,顆粒就更大了,大得具有稜鏡的作用。倘若一邊已出太陽,一邊還在下雨,陽光穿過雨滴,就會形成彩虹。噴泉和瀑布上也可以出現彩虹,原理是一樣的。

張之傑_96
103 篇文章 ・ 224 位粉絲
張之傑,字百器,出入文理,著述多樣,其中以科普和科學史較為人知。