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揭開秋海棠斑葉的光學魔術

活躍星系核_96
・2012/05/10 ・1198字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 584 ・九年級

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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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什麼!樹木也能分陰、陽?這到底是風水還是植物學啊?——《聆聽樹木的聲音》
麥田出版_96
・2022/08/30 ・2618字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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  • 作者/詹鳳春

樹的光飽和點:陽樹比陰樹更需要陽光

樹木主要可分為陰樹、陽樹及中性樹。所謂陽樹,即偏好日照,當日照不充足便容易枯損衰弱。反之,即使日照不充足也可以健全生長,稱為陰樹。還有介在陰樹與陽樹之間,稱為中性樹。

植物的葉子進行生命維持活動。對植物而言,光為生存的能量,如同動物攝取食物般的重要。換句話說,能否取得充分的日照為樹木的死活問題。

葉子為了收集光照,在葉的構造內也下了不少的功夫。常見葉大且薄,在葉的背後及內側可有效的收集光照。葉表面附著了一層薄膜的角質層,除了讓水分難以透過以外,還可防止葉表蒸發,保護葉內組織。

櫻花樹是陽樹,日照需求高。圖/Wikipedia

自葉的生理角度來看,陰樹與陽樹的最大差異,在於光飽和點光合作用速度不同。一般光照量的最高限度,稱為光飽和點。因此日照需求度高的樹木為陽樹,能耐日蔭為陰樹。

陰陽特質的掌握,有助於適地適木的配植。例如櫻花樹(陽樹)的光飽和點高,受到強光而不斷增加光合作用量,當光照變弱時光合作用量也隨之降低,長期下來影響櫻花樹的生長。

樹木陰陽的差異並沒有明確基準,如一天必須要達到多少小時才能存活?這是隨著原生地的環境,以及培育經驗法則所分類。樹木的成長,是隨著光照強度性質而改變。

例如,幼木時可以在林蔭弱光環境下生長,長大為成木對光的需求也慢慢增大。相對的,需要強光生長為陽樹,周邊若有高大喬木環境時生長受阻,而陰樹即使周邊有大樹也可生長。

一般陽樹多為落葉樹種,因生長快速,樹幹易粗大且短命趨勢。相對的陰樹多為常綠樹種,生長慢,壽命也較長。

除了樹種外,葉子也可分為陰葉、陽葉

此外葉子也可區分陰葉及陽葉;陽葉受到強光,光合作用量增加,陰葉則是利用較弱的光照度進行光合作用。

對樹木而言,最適切的光照度為晴朗的上午,午後的西曬通常帶給部分樹種生長阻礙。路邊常見的紫薇,當夏季午後受到強烈西曬、高溫過熱,反而光合作用量頓時減少。過於高溫時,葉內含水量隨之減少,葉內的氣孔關閉後便無法呼吸交換而影響光合作用。

都市行道樹的日照條件也決定樹木生死,受到各方高樓環抱而遮蔽日照,光合作用也會受到影響。尤其當陽樹日照不充分時生長容易出現阻礙,即使為耐陰的山茶花、冬青也會出現樹勢低下及開花不良、病蟲害等問題。

路邊常見的紫薇,若受到強烈日照,反而會減少光合作用量。圖/Wikipedia

一片葉子的生命有多長?

針葉樹與闊葉樹的葉型,表現出樹木存活的戰略。

常見的針葉樹種柳杉、松樹等為常綠樹種,葉子細長、如針狀。這是為了取得更多的日照得以行光合作用,並不斷的往上生長。藉由向上生長與其他植物相互競爭,取得日照。

雖然稱為常綠樹,但也並非不落葉。尤其光合作用效率變低後,老葉陸續落葉並與新葉進行交替更新。樹木為了維持葉子也需要充分的養分,除了蓄積於枝條、樹幹以外,也儲藏於針葉樹葉內。

一般常綠樹的葉子壽命平均一到兩年,松樹的葉子甚至二到十年的也有。常綠樹的壽命,取決於環境。即使相同種,也會因日照、降雨量、土壤環境的不同而出現差異。

當環境要素越是不良時,葉子的壽命也就越長。簡單說,光合作用效率變低,養分的回收期間也就更長,而葉子的壽命也變長。一般熱帶地區的常綠樹,多數葉子的壽命為三個月。

即使先天抽了一張好牌,沒有好的成長環境也是枉然

樹木的生長條件之中,氣溫扮演著非常重要的角色。例如:將暖地生長的樹木種植於寒冷地,易受寒害,葉子變黑、枯死。相反的,習慣寒冷地的樹木若種植於暖地時,就容易出現新芽生長停頓等現象。

諸如此類的現象,可以說是樹木各自的生理特徵。

梨子在冬季容易受到寒害,造成葉子變黑、枝幹枯死。圖/台中市政府

樹木以根系吸收養水分,枝葉進行光合作用並製造能量。暖地或喜日照的樹木,光合作用能力非常旺盛,所製造的糖直接被樹體吸收使用,而水及空氣自葉的氣孔排出為蒸散。

就另一個角度來看;當氣溫升高時,蒸散旺盛而葉溫也隨之下降。而蒸散旺盛也會讓樹木失去大量水分,甚至引起脫水狀態。

因此,樹木為了維持本身機能平衡,配合氣候進行生理活動。例如:熱帶雨林的樹木行光合作用時,根系需要吸收大量水分;而沙漠的植物幾乎處於冬眠,受到強烈熱氣後關閉氣孔,將水分儲存於體內等。

生活在都市裡的樹木,面對了哪些壓力?

樹木面對各式各樣環境要素,其生活樣式也不同。然而這樣的生活並非一朝一夕,而是經過不斷演變而獲得的機能。當環境突然改變時,樹木當然也面對很大的生長壓力。

行道樹面對的都市環境,如水泥、柏油等人工基盤,引起的高溫化要比郊外氣溫還高,遠遠不同於自然環境生長的樹木。

那些生存在都市內的行道樹和景觀樹,它們面臨的氣候環境,又是截然不同的情況了。圖/Pixabay

面對嚴峻的都市微氣候環境,水分吸收為生存的關鍵要素之一。當水分不充足,直接反映於蒸散的受阻。而通風不良時,枝葉蒸散也容易出現病蟲害。

相對的,風過大反而帶給樹木物理損傷,同時引起土壤蒸散、落葉等問題。尤其長期遭受東北季風吹襲,因低溫使根系衰弱無法吸收水分,間接影響蒸散能力。行道樹受到大樓風影響也容易出現落葉、枝條斷裂、傾倒等災害,其環境因素直接影響樹木生理。

——本文摘自《聆聽樹木的聲音》,2022 年 7 月,麥田出版

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麥田出版_96
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1992,麥田裡播下了種籽…… 耕耘多年,麥田在摸索中成長,然後努力使自己成為一個以人文精神為主軸的出版體。從第一本文學小說到人文、歷史、軍事、生活。麥田繼續生存、繼續成長,希圖得到眾多讀者對麥田出版的堅持認同,並成為讀者閱讀生活裡的一個重要部分。

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素養不是知識,是讓孩子像科學家一樣思考——LIS 創辦人嚴天浩專訪
PanSci_96
・2021/09/24 ・2101字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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近年來,在新課綱推行之下,「素養」這個詞成為熱門關鍵字,「對我來說,素養就是面對世界的行為模式,在面臨問題時,一個人會抱著什麼樣的態度去解決問題。而科學素養就是『像科學家一樣思考』」LIS 科學情境教材(台灣線上教育發展協會)創辦人嚴天浩這麼說。

嚴天浩在大學時開始製作教學影片,最初的動機來自上大學後體會到城鄉差距、資源落差,想藉由線上教材擴大影響力,然而觀看次數卻不如預期。

2013 年起,嚴天浩和夥伴到台東,向「孩子的書屋」負責人陳爸(陳俊朗)請益,並長期蹲點接觸孩子,發現學生們面臨最大的問題不在於「學什麼」,而在於「為什麼要學」,因此意識到若要改變孩子的學習狀態,不能只是單方面灌輸「老師想教的」,而要從學生的需求出發,了解「孩子想學什麼」。

七年來,LIS 拍攝超過 100 支線上科學影片,包括將科學家的思想歷程、時代背景融入角色劇情的科學史,以及結合時事、生活情境的科學實驗,目前已經超過 250 萬觀看人次,也成為全台許多中小學的教材。

這次,LIS 歷時三年研發出一套科學實境解謎遊戲,不只在玩遊戲的過程中學科學,也引導孩子練習「像科學家一樣思考」。

什麼是「像科學家一樣思考」?

過去,我們在國中課本裡學到的科學方法「觀察、提出假說、進行實驗、得到結論」,然而許多學生能對步驟琅琅上口,卻不見得理解背後的邏輯。LIS 分析百位科學家的思考歷程以及參考教育學者的理論,設計出適合培養國小學生科學思維的「科學推理階梯」,共有四個步驟,包括「發現問題」、「聯想原因」、「大膽假設」、「實際驗證」。

嚴天浩坦言,對於國小的孩子來說,他認為最難的在於——第一步「發現問題」,這取決於孩子過去是否累積足夠的觀察經驗,因此,如何訓練孩子觀察是培養探究學習的重點。然而,在沒有老師的引導下,要怎麼讓孩子能聚焦在實驗的現象上,成為開發遊戲過程中的一大考驗,後來,團隊想出了運用 RPG 中的角色對話,設計句子讓玩家將注意力集中在現象上的差異,「當孩子觀察到的與他原本的認知有所不同,產生衝突時才會進而發現問題。」嚴天浩說。

有適當的引導,才能從問題中學習

在發現問題之後,還須激發玩家思索問題的意願,因此在遊戲中便成為一個個解謎關卡,玩家為了破關、練等會主動尋找答案,在玩完遊戲後得到的成就感,會讓孩子對科學產生動機,在未來有自信用這樣的方式去思考、面對問題。

嚴天浩說:「大學時我修過教育學的課,設計課程的第一步往往是『引起動機』,但我們認為應該從遊戲開始到結束的每一個動作,都需要一個『引起動機』,目前玩過這套遊戲的孩子有持續玩過兩個小時以上,玩得越久代表引起的學習動機越強烈。」

了解背後的意義才是學科學

然而,有時在做完實驗後,學生只會記得當時看到的實驗結果或現象,卻沒有把背後的邏輯和原理帶走,關於這部分,嚴天浩分享,「玩實驗」和「學科學」最大的差別在於,是否了解每個步驟的意義,如同以往「食譜式實驗」,照著課本一步一步做,卻不知道為什麼這麼做。

因此,他們把演示型實驗設計成遊戲,將探究歷程拆分成關卡,透過與 NPC 對話帶領玩家思考,並預想玩家可能卡關的地方,就像是在蓋房子時的鷹架,一層層建構、支持,逐漸將學習的責任放回孩子身上,傳統課堂中搭鷹架的角色可能是老師,而在這個遊戲裡,是精心設計過的關卡提示。

讀到這裡,或許你會想問,在探究式的學習中,真的能夠學會「像科學家一樣思考」嗎?

「我認為探究學習中,知識其實只是附帶的。」嚴天浩解釋:「我們想告訴孩子的是,科學家最厲害的並不是他成功發現了什麼,而是他在失敗了那麼多次之後,還是願意繼續努力。」

如果現在的台灣是二十年前教育的結果,那麼 LIS 正在改變的是二十年後的台灣,那時的每個人在面對問題時都能有邏輯地看待、抱著自信的態度去解決,這是 LIS 的憧憬,也是我們對於台灣未來世代的期盼。


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PanSci_96
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不只能「透視海底」還可判釋水稻田!淺談福衛五號的影像多元應用
科技大觀園_96
・2021/08/23 ・2533字 ・閱讀時間約 5 分鐘

福衛五號幫助研究人員算出海底地形、找出稻田分布。圖/fatcat11 繪

「透視」海底,用福五影像逆推東沙環礁水底地形

中央大學太空及遙測中心的副教授黃智遠、副教授任玄及副教授曾國欣選定東沙環礁,測試福衛五號影像反演水底地形的能力。成果顯示,在訓練資料品質佳的情況下,以福五影像建置水底地形的精度與超高解析度衛星影像的成果相當,可協助內政部產製電子航行圖、環境監測、生物棲地研究等。 

傳統常以船隻搭載聲納,或飛機搭載光達的方式量測水深,這兩種方式皆須現地量測,精度高,但成本也高,且淺海與爭議水區的量測會受限。多光譜光學衛星影像能穿透約 20 公尺深的潔淨水體,成為廣泛調查淺水域的潛力方式。

要以衛星光譜影像反演水深,仍需收集訓練資料(例如地形的現地量測資訊)當作「教材」,讓電腦建立正確的模式參數。「沒有太多人為擾動影響、卻又要有高品質的訓練資料 ,同時符合這兩個條件的就選東沙環礁了!」東沙環礁有精密的光達測深資料,還有海水潔淨、淺水域面積廣大等優點。

此項技術的訓練方式是,輸入衛星影像各波段數值(主要為透水較佳的綠光波段)及其對應的實際水深訓練網路,網路模式訓練完成之後,輸入目標區域的衛星影像數值,就能推算出每個像素對應的水深資訊。

福衛五號衛星於 2018 年 3 月 2 日所攝得東沙環礁影像。圖/國家太空中心提供

為了衡量福五影像的表現,團隊也拿超高解析度商用衛星 WorldView2 的影像反演水深,比較兩者成果。福五反演的水深成果精度達 1.62 公尺,雖略遜於 WorldView2 的 1.26 公尺,但相差不遠。

黃智遠解釋,相較於房屋、橋梁等地物地貌,水下自然地形的局部變化通常較小,所以對於衛星影像空間解析度的要求也較低。在反演水深的應用上,使用福五或超高解析度衛星的差異不大,福五反演僅局部區域比實際地形略深。

光譜反演的挑戰在於訓練資料蒐集困難,不過,透過衛星影像產製水深還有另一種稱為「立體對測量」的方法。福衛五號可以對地「立體取像」——人的視覺因左右眼視角差異而能感知立體,資料也能整合不同角度的衛星影像產生視差,萃取出目標物的數值地形模型,再以此當作訓練資料,進行模式訓練、反演水底地形。

過去團隊與內政部合作,在東海南海的許多島礁進行水深反演,已累積起一套決策樹,考量目標區域具備的資料庫、資料品質、成本等,可為不同地區挑選、整合不同的水深產製方式。

東沙環礁水底地形。圖/研究團隊提供

雙衛星搭檔,提高水稻田判釋精度!

水稻田分佈判釋是行政院農委會農糧署年度重要工作項目,農糧署與臺灣大學理學院空間資訊研究中心教授朱子豪、遙測及資料加值組組長張家豪合作,以福衛五號影像結合合成孔徑雷達衛星影像判釋水稻田,正確性達 92%,大幅提高偵測精度。 

由於雲林有充足的基礎資料可供驗證與訓練模型,研究團隊選定雲林做為研究區域,試驗福五的影像用在水稻田判釋可達多少能力。 

團隊使用福衛五號影像,搭配 22 組歐洲太空總署合成孔徑雷達衛星「Sentinel-1」的開放資料,並試驗了三種方法:僅使用福五(光學)影像、僅用雷達影像、兩者相互搭配。結果顯示,整合兩者的效果最好,判釋正確性最高可達到 92%,高於單用光學或雷達影像的 90%、80%。

「光學衛星最大的限制就是雲!」雲會遮擋目標、影響判釋,而農作物判釋的取像時機又相當關鍵,取像時有雲就沒輒了;合成孔徑雷達衛星會主動發射微波到地面再接收反射波,可穿透雲層,不受雲覆與日照影響,可補強不同時期影像,取得水稻田從插秧、成長、結穗的時序變化資訊。

本研究的突破在於,只用了單一分類器全自動判別的條件下,偵測精度大幅提升,更是首度只用一個時間點、單張光學影像就達到了。團隊對此也相當興奮,「可能因為福五當時在 11 月取像,剛好是水稻結穗時,影像特徵與其他作物差異較大。」張家豪解釋。 

推測了面積,可以進一步推估產量嗎?「一公頃稻作能收成 1,000 公斤或 4,000 公斤,有太多因素影響了。」朱子豪說。溫度、溼度、施肥、天災、病蟲害等都會影響收成,此類研究在平遂的情況下可大致估產,尚難達成精確估產。

福衛五號的自然彩色影像,綠色標記為水稻;黃色標記為非水稻。圖/研究團隊提供

掌握物候特徵是判釋關鍵

未來若要擴大範圍,判釋全國水稻田面積,由於各地農民栽種時序、田間管理多變,如何選擇適合的取像時間會是一大挑戰;若要擴展到判釋其他作物,則得視其生長特徵進行更多的分析比對。

張家豪舉例,判別柑橘類的常年果樹、葉菜類極困難,果樹在光學影像上看起永遠是綠色一片,也無足夠的栽種方式差異、生長週期特徵和其他特性可區辨;檳榔、椰子、香蕉從空中看都是放射狀葉片,雖可參考栽種密度與高度,但影像的空間解析度也得提高至 60 公分才能精確判別;蔥、蒜皆屬旱作,需要空間解析度優於 60 公分的影像,搭配如地區性栽種時序、田埂排列鮮明的地表特徵,有機會判釋成功,「但要是田裡混作個青江菜,就分不出來了。」

梅樹是另個成功案例,它在 12 月下旬會落葉,隔年 2 月開花長葉結果。團隊曾執行判釋南投水里梅樹的研究,標定幾個時間取像,「若有某個區域在十月是綠葉、入冬出現裸露地特徵、然後變得白白的(開花)、四月又出現綠葉,那就很可能是梅樹!」但李子與梅樹的影像呈現類似,生長期也相近,要是沒在生長期重疊前順利取像,就會混淆兩者。

以衛星影像判釋作物不光是直白的「看照片」或分析光譜,掌握作物的「物候特徵」才是關鍵。

科技大觀園_96
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為妥善保存多年來此類科普活動產出的成果,並使一般大眾能透過網際網路分享科普資源,科技部於2007年完成「科技大觀園」科普網站的建置,並於2008年1月正式上線營運。 「科技大觀園」網站為一數位整合平台,累積了大量的科普影音、科技新知、科普文章、科普演講及各類科普活動訊息,期使科學能扎根於每個人的生活與文化中。