20210202 台中大業國中——科學生講座紀實

國小高年級科普文，素養閱讀就從今天就開始!!

久旱不雨，植物悲鳴，^{[1, 2]}類似教育部《臺灣閩南語常用詞辭典》所謂「因飢餓而吵鬧」的「哭枵」（khàu-iau）。^[3]別問為何沒聽過，也不怪天地寡情，人類無義，從來漠不關心。植物叫那種超音波，傳至咱們耳裡就只剩寧靜。幸好靠著以色列科學家幫忙，轉換到常人的聽覺範圍，並分享於 2023 年 3 月底的《細胞》（Cell）期刊，才廣為周知。^[1]

傾聽植物的聲音

面臨乾旱或草食動物的威脅，植物會做出多種反應，例如：改變外貌，或是以揮發性有機化合物影響鄰居等。^[1]過去的文獻指出，缺水引發空蝕現象（cavitation），使植物負責輸送水份的木質部，因氣泡形成、擴張和破裂而震動。^{[1, 4]}現在科學家想知道，這是否也會產生在特定距離內，能被其他物種聽見的聲音。^[1]

受試的對象是番茄與菸草，分別拆成乾旱、修剪和對照 3 組。對照組又有常態生長的一般對照、有土卻無植物的盆器，以及每株植物實驗前的自體對照 3 種。實驗大致有幾個階段：首先，在隔音箱裡，距離每個受試對象 10 公分處，各立 2 支麥克風收音。將聲音的紀錄分類後，拿去進行機器學習。接著移駕溫室，讓訓練好的模型，分辨雜音和不同情況下植物的聲音。再來，觀察乾旱程度與植物發聲的關係。最後，也測試其他的植物和狀態。^[1]

植物錄音與機器學習

隔音箱裡常態生長的植物，每小時平均發聲少於一次；而沒植物的盆器當然完全無聲。相對地，遭受乾旱或修剪壓力的實驗組植物，反應則十分劇烈：^[1]

隔音箱中實驗組的錄音，被依照植物品種以及所受的待遇，歸納為 4 個組別，各組別再彼此配對比較，例如：乾旱的番茄對修剪的番茄等。以此資料訓練出來的機器學習模型，判別配對中各組別的準確率為 70%。第二階段在溫室中進行，自然較隔音箱嘈雜。科學家拿空蕩溫室的環境錄音，來教模型分辨並過濾雜訊。訓練後，令其區別乾旱與對照組番茄的聲音，結果 84% 正確。^[1]既然能聽得出基本的差別，下一步就是了解水量對番茄發聲的影響。

體積含水量

為了操縱體積含水量（volumetric water content，縮寫VWC），即水份與泥土體積的比值或百分比，^{[1, 5]}科學家狠下心，連續幾天都不給溫室裡的番茄植栽喝水。一邊觀察 VWC 的變化；一邊錄下它們的聲音。起先水份充足，番茄不太吵鬧；4、5 天下來，發聲的次數逐漸增加至高峰；然後應該是快渴死了，有氣無力，所以次數又開始減少。此外，番茄通常都在早上 8 點（圖表較像 7 點）到中午 12 點，以及下午 4 點至晚上 7 點，這兩個時段出聲。^[1]科學家覺得這般作息，可能與規律的氣孔導度（stomatal conductance），也就是跟光合作用的換氣以及蒸散作用的水份蒸發，兩個透過氣孔進行的動作有關。^{[1, 6]}

大部份的聲音都是在 VWC < 0.05 時出現；當 VWC > 0.1，水份還足夠，就幾乎無聲。科學家將比較的條件進一步分成 VWC < 0.01 與 VWC > 0.05、VWC < 0.05 跟 VWC > 0.05，以及 VWC < 0.01、VWC > 0.05 和淨空溫室的聲音。機器學習模型分辨起來，都有七、八成的準確率。^[1]

植物發聲的原理

實驗觀察所得，都將植物發聲的機制，指向木質部導管中氣體的運動，也就是科學家先前預期的空蝕現象。^[1]下面為支持這項推論的理由：

1. 木質部導管的口徑，與植物被錄到的聲波頻率相關：寬的低；而窄的高。^[1]
2. 乾旱與修剪所造成的聲音不同：在木質部導管中，前者氣泡形成緩慢，發聲時數較長；而後者則相當迅速，時數較短。^[1]
3. 聲音是由植物的莖，向四面八方傳播。^[1]
4. 空蝕現象造成的震動，跟記錄到的超音波，部份頻率重疊；而沒有重疊的，其實已經超出其他物種的聽力以及麥克風收音的範圍。^[1]

問誰未發聲

觀察完番茄和菸草之後，科學家不禁好奇，別的植物是否也會為自己的處境發聲？還是它們都默默受苦，無聲地承擔？研究團隊拿小麥、玉米、卡本內蘇維濃葡萄（Cabernet Sauvignon grapevine）、奇隆丸仙人掌（Mammillaria spinosissima）與寶蓋草（henbit）來測試，發現它們果然有聲音。不過，像杏仁樹之類的木本植物，還有木質化的葡萄藤就沒有了。另外，科學家又監聽感染菸草嵌紋病毒（tobacco mosaic virus）的番茄，並錄到它們的病中呻吟。^[1]

你敢有聽著咱的歌

之前有研究指出，海邊月見草（Oenothera drummondii）暴露於蜜蜂的聲音時，會產出較甜的花蜜。^[2]若將角色對調過來：植物在乾旱、修剪或感染等壓力下釋出的超音波，頻率約在 20 至 100 kHz 之間，理論上 3 到 5 公尺內的某些哺乳動物或昆蟲，例如：蝙蝠、老鼠和飛蛾，應該聽得到。^{[1, 2]}以色列科學家認為幼蟲會寄住在番茄或菸草上的飛蛾，或許能辨識植物的聲波，並做出某些反應。同理，人類可以用機器學習模型，分辨農作物的聲音，再給予相應的照顧。如此不僅節省水源，精準培育，還能預防氣候變遷所導致的糧食危機。^[1]

備註

本文最後兩個子標題，借用音樂劇《Les Misérables》歌曲〈Do You Hear the People Sing?〉的粵語和臺語版曲名。^[7]

參考資料

1. Khait I, Lewin-Epstein O, Sharon R. (2023) ‘Sounds emitted by plants under stress are airborne and informative’. Cell, 106(7): 1328-1336.
2. Marris E. (30 MAR 2023) ‘Stressed plants ‘cry’ — and some animals can probably hear them’. Nature.
3. 教育部「哭枵」臺灣閩南語常用詞辭典（Accessed on 01 APR 2023）
4. McElrone A J, Choat B, Gambetta GA, et al. (2013) ‘Water Uptake and Transport in Vascular Plants’. Nature Education Knowledge, 4(5):6.
5. Datta S, Taghvaeian S, Stivers J. (AUG 2018) ‘Understanding Soil Water Content and Thresholds for Irrigation Management’. OSU Extension of Oklahoma State University.
6. Murray M, Soh WK, Yiotis C, et al. (2020) ‘Consistent Relationship between Field-Measured Stomatal Conductance and Theoretical Maximum Stomatal Conductance in C3 Woody Angiosperms in Four Major Biomes’. International Journal of Plant Sciences, 181, 1.
7. FireRock Music.（16 JUN 2019）「【問誰未發聲】歌詞 Mix全民超長版 粵+國+台+英 口琴+小童+學生+市民 Do you hear the people sing?」YouTube.

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核二廠已經在 3 月 14 日正式退役，完成 40 年的發電任務；但你知道嗎？還得要再花 25 年，才能完成全部的退役工作。

而高階核廢料 -9620 束的核燃料棒，依照國際原子能總署（IAEA）建議，需要在遠離人類的地方儲存 20 萬年，然而它們至今仍留存在核二廠內，無處可去。

核廢料該何去何從？ 安全嗎？其他國家又是怎麼處理的呢？再者，難道核廢料不能再利用嗎？

核廢料該去何處

相比於其他發電方式，核能發電要退場可不簡單；未來 25 年的旅程中，包含 8 年的停機觀察、12 年的拆除，以及 5 年的觀察及復原階段。在漫長的退役過程中，除了審慎評估核污染的狀況以外，衍生出的核廢料去留，更是大家最關心的事情。

核能發電過程中，所產生的放射性廢棄物主要分兩種：半衰期長，以鈾、鈽、超鈾元素為主的燃料棒，屬於高階核廢料；其餘的核廢料，都屬於低階核廢料，像是發電廠使用的機具和產生的廢液，廠區內受污染的衣物、手套、紙張等。

而存放在蘭嶼「低放射性核廢料貯存場」的，並非是那些處理起來最棘手的燃料棒。實際上，不論是核一廠還是核二廠，真正的高階核廢料現在都正躺在燃料池內。當然，那裡不會是高階核廢料最後該待的地方，只是因為種種因素，導致下一階段的乾式儲存場遲遲未能啟用；核二廠甚至在 1991 年和 2003 年調整、擴充核電廠內的燃料池，才勉強塞進所有燃料棒。現在燃料池內擁擠的情況，一號機最後一批燃料棒甚至因為燃料池空間不足，至今仍卡在反應爐內，無法退出。

雖然不會爆炸，但是放在地表的核燃料棒，真的沒有輻射的風險嗎？在討論輻射量時，除了半衰期外，還要考慮不同元素在衰變時產生的能量大小。高階核廢料中，大約有 95% 是輻射量低，半衰期 45 億年的鈾 -238 與鈾 -235，而在剩餘材料中輻射較強的，是大部分不存在於自然界，因為核反應才誕生的人工產品超鈾元素。例如錼 -237、鈽 -239、鋂 -243 與鋦 -247，這些超鈾元素衰變時產生的輻射能量較大，半衰期也較長，是比較需要警戒的對象。

那這些高階核廢料究竟該到哪呢？根據國際原子能總署（IAEA）對於核廢棄物的管理規範，儲存核廢料時不只應考慮到對人類，還要同時考慮對環境的影響，盡可能減少廢棄物的總量，並確保最終處置場所的安全性。

台灣參考其他國家作法，燃料棒首先會在燃料池內以濕式儲存的方式繼續待數年，確定降溫、反應下降後，轉移到能讓核廢料存放超過 40 年的「乾式儲存場」，再來則是要能建立一個遠離所有生物生存環境的「最終處置場」。

乾式儲存場與最終處置場

這邊我們要先搞清楚，在反應爐中，鈾 235 是因為吸收中子才變得不穩定，進而引發一系列的連鎖反應；當我們拿掉這些亂源中子，鈾 235 是相對穩定的，半衰期甚至長達 7 億年，這也是為什麼鈾 235 能在大自然中存在，至今而沒有因為衰變而消失。

在核廢料儲存階段，還會通過放置大量的中子吸收材料在燃料棒之間，確保高階核廢料產生的中子不會引發連鎖反應。實際上，到了乾式儲存階段，僅有微弱的連鎖反應和自身衰變產生的過程會產生熱量，產生熱的速度光靠空氣的自然流動就能維持穩定。

整個乾式儲存場的設計，在經過層層阻絕後，廠區邊界的輻射標準值為每年 0.05 毫西弗。台灣人平均每年接受的背景輻射劑量約為 1.6 毫西弗，扣掉背景輻射，每年因為醫療、搭飛機所接受的背景輻射建議值建議不超過 1 毫西弗；以乾式儲存場的設計標準來說，其實不需要恐慌。另外，美國核能設備和系統供應商 Holtec 甚至做過時速 965 公里的火箭撞擊試驗，證實自家乾式儲存槽的安全性。

即便如此，有人還是會擔心天災等意外產生不可預期的後果。為了安心，我們是否能找個遠離人類的地方，永遠將這些核廢料藏起來，眼不見為淨呢？

目前國際上普遍認為，核廢料的最終去處將採用深層地質處置；將核廢料埋進 300 公尺以上的深度，數萬年甚至數十萬年。

從 1980 年代就開始，就有不少的地下示範場域進行相關研究；直到現在，預計於明年啟用、位於芬蘭地底 430 公尺的深層地質處置場 Onkalo（芬蘭語中的意思為空腔之意），最有望成為大家參考的對象。為了減少容器的腐蝕現象，核廢料會被裝在含硼的鋼罐中，外面再套一層銅膠囊，並使用膨潤土妥善密封；整座如蟻穴般的儲存場預計可以收納上方核電廠 100 年份的核廢料，並在被塞滿後，將剩餘的通道與設施重新填平。

至於台灣核廢料的最終處置場該設在哪呢？專家評估，核一、核二廠靠近第二類斷層山腳斷層，不適合作為核廢料的最終儲存場所；目前原能會還在調查適合的地點，預計 2038 年才會選定最終場所。

第四代核反應爐

核廢料這個棘手問題，除了封存以外，我們有沒有從根本解決，減少「量」的方法呢？可能還真的有，比爾蓋茲投資開發的第四代核反應爐——行波反應爐有可能可以解決這個問題。

為有效解決核廢料問題，在這個反應爐中，將過去無法作為發電原料的鈾 238 與其他核廢料作為原料。這對核分裂發電廠來說絕對是個好消息！現在的核燃料棒中能參與反應的鈾 235 僅佔 3～5%，其他 95% 都是鮮少參與反應的鈾 238，在自然界中鈾 238 的占比更高達 99.3%，如果行波反應爐可使用鈾 238 作為原料，絕對能大幅減少核廢料與需開採的鈾原料。

除了行波反應爐外，還有許多不需要持續添加核燃料、能循環發電的第四代核反應爐也正在研發當中，像是熔鹽反應爐，以及鈉冷快中子反應爐。

芬蘭深層地質處置場 Onkalo 也引出不同的聲音，畢竟如果未來第四代核電廠真的能將高階核廢料循環再使用，我們現在真的應該將之徹底封死嗎？

最後，我們還是要強調，台灣核一、核二、核三廠最後留下總計約 5000 噸的高階核廢料問題，仍不會改變。但將核廢料埋起來眼不見為淨，真的是最好的辦法嗎？你覺得這些高階核廢料又該如何處理呢？

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2023 年聖派翠克節（3月17日）前後 4 天，雪梨的愛爾蘭人於岩石區（the Rocks）聚集歡慶。最後一天（19日）早上，遊行隊伍由州訂古蹟駐防教堂（Garrison Church）出發，走至第一艦隊公園（First Fleet Park），然後在那裏唱歌、跳舞、辦市集。^{[1, 2]}從表演服飾、面部彩繪、冰涼飲料到周邊商品，滿園綠意。筆者不僅去現場湊熱鬧，也想親手製作應景料理，卻在網路上找到用紫甘藍汁，染出綠煎蛋的非傳統食譜。^{[3, 4]}

花青素

乍看之下，或許難以理解。畢竟多數聖派翠克節創意料理的成份，都是青翠的蔬果或食用色素；極少強調用紫色食材，渲染出綠色效果。秉持著實事求是，追根究柢的精神，筆者在下廚之前，先唸了相關的科學資料，並在此分享摘要：

花青素（anthocyanins）是一種水溶性的醣基化（glycosylated）酚類化合物（phenolic compounds），不僅帶給諸多植物繽紛的色彩，也能作為天然的食用色素。其顏色和穩定度，會受酸鹼值、光線、溫度和化學結構等影響。常見含有花青素的植物，以紅、紫和藍色為主，例如：^[5]

• 紅：紅葡萄、紅扶桑、紅玫瑰、紅菽草、粉紅櫻花，以及鳳梨鼠尾草的紅花等。^[5]
• 紫：黑蘿蔔、黑醋栗、紫薯、紫甘藍、紫羅蘭、薰衣草和紫鼠尾草等。^[5]
• 藍：藍莓、矢車菊，還有菊苣與迷迭香藍色的花等。^[5]

酸鹼值

下圖是從紫甘藍萃取出來的花青素，在不同酸鹼值的水溶液中，所呈現的顏色：當 pH 值介於 1 到 3 之間是為紅色；pH值約 4 至 6 時偏紫色；pH值 7 和 8 差不多都是藍色；到了 pH 值 9 以上，就轉為綠色。換句話說，隨著酸鹼值的改變，顏色會由酸性時的紅或紫，逐漸變成中性的藍，再過渡到鹼性的綠。^[6]

在聖派翠克節的煎蛋食譜中，要利用紫甘藍汁把雞蛋染綠，必須考量到後者的酸鹼值。整體而言，雞的全蛋酸鹼值趨近中性。然而，如果分開來看，蛋白的 pH 值會從雞蛋剛被生下來時的 7.6，隨時間逐漸上升，可達9.2左右。至於蛋黃，則是從6.0，一路增加到6.4至6.9之間。^[7]因此製作綠蛋的過程中，得把蛋白與蛋黃分開處理，降低後者阻止花青素變綠的機會。在筆者的實測中，紫甘藍汁與全蛋混合的效果，的確不理想，雖然不曉得是否也與蛋黃本身的顏色有關。

溫度與微波

食材保存、運送與烹調的溫度，也會影響最終的成果。文獻指出，儘管控制 pH 值，花青素若被植物本身的多酚氧化酶（又稱「多酚氧化酵素」；polyphenol oxidase）氧化，顏色仍會轉變。^[5]不過，加溫能破壞多酚氧化酶的活性，用 50 至 70°C 之間的溫度煮熱，或是透過 70°C 以上的微波及其電場作用，最為有效。^[8]之後花青素的顏色，便不再受氧化改變。^[5]所以照著食譜微波，應該多少有助控制顏色。倒是事前冷藏雞蛋，其實會減緩 pH 值的變化。^[7]這方面筆者還沒有實際比較室溫與冷藏的差別。想說從產地至超市，再到買回家，雞蛋歷經千山萬水，時光流逝，蛋白的 pH 值大概夠高了，就隨手從冰箱抓出來煮。

綠蛋食譜

原理講半天，終於來到重點了。為了減少實驗的變因，這個食譜使用的材料非常陽春。沒有涵蓋到的調味和配料，還請讀者自行發揮。不愛吃蛋或覺得慘綠有礙食慾的人，也能嘗試以少量檸檬汁或小蘇打調節 pH 值，來幫麵條或其他食物染上各種顏色。^{[9, 10]}

材料

洗淨且切成小片的紫甘藍葉 1 小碗、分開蛋白和蛋黃的雞蛋 2 顆，以及任何適於煎蛋的油。

作法

1. 將紫甘藍葉微波 1 至 2 分鐘，或是加熱到生出 10 毫升左右的菜汁即可。少量的染色效果就頗強，而且不會害得煎蛋有菜味。
2. 吃掉菜葉有益健康，留下菜汁放涼備用。等降溫再做下個步驟，不然蛋還沒煮就半熟了。
3. 均勻混合蛋白和菜汁。打出氣泡的話，會增添稍後成品的詭異感。
4. 開中火熱油。鍋內的溫度，能使一滴汁液冒泡時，倒入剛才混合的所有汁液。
5. 趁汁液半熟，趕快把蛋黃放在上面，讓它們在加熱的過程中黏起來。
6. 轉小火，蓋鍋蓋，持續加熱。依個人喜好決定熟度，然後就起鍋擺盤囉！

參考資料

1. ‘Sydney St. Patrick’s Day Parade & Festival’. Sydney St Patrick’s Day Organisation. (Accessed on 19 MAR 2023)
2. ‘Garrison Anglican Church Precinct’. Heritage NSW. (Accessed on 19 MAR 2023)
3. Helmenstine AM. (03 JUL 2019) ‘Fried Green Egg Food Science Project’. ThoughtCo.
4. Mikeasaurus. ‘Real Green Eggs (and Ham)’. Autodesk Instructables. (Accessed on 19 MAR 2023)
5. Khoo HE, Azlan A, Tang ST, et al. (2017) ‘Anthocyanidins and anthocyanins: colored pigments as food, pharmaceutical ingredients, and the potential health benefits’. Food & Nutrition Research, 61(1):1361779.
6. V TV, Dang TH, Chen BH. (2019) ‘Synthesis of Intelligent pH Indicative Films from Chitosan/Poly(vinyl alcohol)/Anthocyanin Extracted from Red Cabbage’. Polymers, 11(7):1088.
7. American Egg Board. ‘pH Stability’. The Incredible Egg. (Accessed on 19 MAR 2023)
8. Bulhões Bezerra Cavalcante TA, Santos Funcia ED, Wilhelms Gut JA. (2021) ‘Inactivation of polyphenol oxidase by microwave and conventional heating: Investigation of thermal and non-thermal effects of focused microwaves’. Food Chemistry, 340: 127911.
9. Helmenstine AM. (24 JAN 2020) “How to Make a Red Cabbage pH Indicator.” ThoughtCo.
10. Tollette J. (14 JUN 2019) ‘How to make naturally-dyed rainbow pasta’. Thanksgiving & Co.