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海神草堪稱「藍碳製造機」!——海草與細菌的共生,如何幫地球固碳?

陳宜龍_96
・2021/12/03 ・2703字 ・閱讀時間約 5 分鐘

聯合國氣候峰會 COP26 剛剛落幕,過程中各國代表持續協商,冀望能達成共識,為降低溫室氣體排放、降低全球氣候變遷風險而努力。除了減少二氧化碳等溫室氣體排放的「減排」措施外,如何增加碳封存的「增匯」機制,也為人所關注。尤其是保護及利用各類天然生態系良好運作,更是諸多方案的首選,因為這些區域不但是野生生物棲息地、生物多樣性的熱點,更是天然碳匯所在。

光合自營作用,能將二氧化碳轉化並固定於生物體中,達到固碳效應,並有機會長期封存。在海洋生態系中,這就是所謂的「藍碳」。沿岸環境裏,藍碳主要供獻來自於紅樹林、珊瑚礁及海草床三大生態系。然而單純提供二氧化碳不足以趨動光合作用,植物生長還需要其它營養物質,例如磷酸鹽及硝酸鹽氮。

近期《自然》(Nature)期刊的研究報告指出,單位面積儲碳量高於陸地森林的海草床,其植株根部的內共生固氮細菌對於海草儲碳的效果功不可沒[1]

被譽為「地中海之肺」的海神草。具備固碳能力強大且長壽的特質。圖/維基百科

海草的固氮能力在「根系」

許多海草生長旺盛的區域,幾乎量測不到含氮營養鹽。過往研究學者都以為海草是從周圍海水及沉積物中吸收其它微生物固氮後的產物。沒想到,來自地中海的海神草(Posidonia oceanica,又譯為大洋海神草)獲取氮源的策略,居然相仿於陸地上豆科植物與根瘤菌間互利共生的夥伴關係。一樣都具備固氮能力,且來自根系內部特定的共生細菌。

這篇研究[1]從巨觀到微觀,進行多維空間尺度分析;利用不同時間尺度的資訊來闡述過程機制;並採取次世代及三代定序的優勢解晰細菌群落消長,並從總體基因體、比較基因體及轉錄體分析指徵功能基因的變化。多樣化研究手段的結果都支持作者的觀點。

從單一植株根系添加穩定氮同位素的實驗發現,海神草固氮能力在根系,且在 24 小時內,就有高達 20% 的氮從根系轉移到葉片;再者,該植物最高的固氮速率來自夏季植株,此時環境中的無機氮濃度較其它季節低,甚至低於偵測極限。

與細菌的共生,讓海神草可旺盛固氮!

菌相分析的結果顯示,植株部位與周圍沉積物的細菌群落組成不同;有明顯固氮能力時的根系又異於沒固氮時期者,且迥異於與沒此功能的葉部組織。屬於伽瑪變型菌的 Celerinatantimonas 是造成差異最主要分類群。

從 16S 核醣核酸序列相似程度來區分,與此分類群最近似的物種是分離自鹽澤植物根部、具固氮能力的細菌 Celerinatantimonas diazotrophica。因此,作者命名該新種細菌為 Candidatus Celerinatantimonas neptuna (Ca. C. neptuna)。

作者進一步利用螢光原位雜交法(fluorescence in situ hybridization)這項顯微技術,發現夏季時,海神草根部內的細菌細胞數量,高達 80% 都是 Ca. C. neptuna,並且分布於根部細胞間隙及細胞內部。再搭配 nanoSIMS 這種影像質譜儀對每個樣本的氮同位素比值進行奈米尺度解析。

結果發現,先前穩定氮同位素添加實驗時的同位素訊號,就出現在這新種細菌的細胞內,強烈暗示在夏季時分,海神草旺盛的固氮作用,就是靠這種細菌幫的忙。

Ca. C. neptuna的基因體圖譜。海神草旺盛的固碳作用,得利於共生的固氮細菌Ca. C. neptuna 。圖/Nature

海神草提供「糖」,讓根部細菌頭好壯壯!

除了前面提到生理測試支持「固氮作用由海神草根部共生細菌完成」的論點外,該研究進一步提供基因體及轉錄體的證據。

作者從海神草根部總體基因體序列組裝出 Ca. C. neptuna 的基因體(metagenomic-assembled genome),並在基因註解後發現,該細菌具備固氮作用必要的基因,而且這些基因在海神草顯著固氮時期也有較高的轉錄作用。

與此同時, 海神草可能提供蔗糖給這類細菌作為碳源及能量所需,因為較高的轉錄作用也反應在細菌的胞外蔗糖分解、糖類運輸蛋白及涉及糖解作用等特定的功能基因。

除了以上直接涉及氮、碳循環外,作者在該細菌基因體及轉錄體中也發現許多與兼性內共生(facultative endophytic symbiont)有關的指標基因。

這些參考指標是基於前人研究陸生植物與內共生細菌的夥伴關係而來。例如:涉及運動及固著的基因(flaAflp)、群體感知(quorum-sensing)調節有關的基因(luxR)、去除過氧化物毒害作用的基因(dps,ahpC/F)。這些基因是跨物種間建立互利關係的指標因子。

Ca. C. neptuna 的共生關係中,海神草可能提供蔗糖作為其碳源及能量所需。圖/Nature

海神草的共生固氮菌是如何獲得?這篇文章並沒有進行相關實驗。從演化觀點來看,海草約在一億年前由陸域開花植物遷移到海洋環境。長期適應、演化的結果,其陸域型根部菌相被海洋微生物所取代。

從細菌的親緣樹推測,Ca. C. neptuna 的祖先可能來自海岸環境,在缺乏含氮營養鹽下獲得固氮的能力,並與海洋開花植物形成緊密的共生關係。

近期還有一篇文章同樣探討海洋缺氧區域的固氮作用。研究人員的數學模式指出:固氮作用也可發生在海洋的無光區(aphotic ocean),在浮游生物活體和死亡殘體所聚合的顆粒之中,也就是所謂的海洋雪(marine snow particles),其內部的缺氧區2。透過這兩項研究,顯示海洋氮元素循環還有很多值得探究的秘密。

參考資料

  1. Mohr, W., Lehnen, N., Ahmerkamp, S. et al. Terrestrial-type nitrogen-fixing symbiosis between seagrass and a marine bacterium. Nature (2021). https://doi.org/10.1038/s41586-021-04063-4
  2. Chakraborty, S., Andersen, K.H., Visser, A.W. et al. Quantifying nitrogen fixation by heterotrophic bacteria in sinking marine particles. Nat Commun 12, 4085 (2021). https://doi.org/10.1038/s41467-021-23875-6

與此研究題材相關或具特定技術的部分台灣團隊:

  1. 海草床研究:中興大學生命科學系林幸助老師
  2. 運用螢光原位雜交法技術於微生物樣本:
    成功大學環境工程系:吳哲宏老師
    中央研究院生物多樣性研究中心:湯森林老師
  3. nanoSIMS 平台:中央研院院「奈米級二次離子質譜儀實驗室
  4. 總體基因體序列組裝及分析:台北醫學大學醫學資訊研究所吳育瑋老師

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用這劑補好新冠預防保護力!防疫新解方:長效型單株抗體適用於「免疫低下族群預防」及「高風險族群輕症治療」
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2023/01/19 ・2874字 ・閱讀時間約 5 分鐘

本文由 台灣感染症醫學會 合作,泛科學企劃執行。

  • 審稿醫生/ 台灣感染症醫學會理事長 王復德

「好想飛出國~」這句話在長達近 3 年的「鎖國」後終於實現,然而隨著各國陸續解封、確診消息頻傳,讓民眾再度興起可能染疫的恐慌,特別是一群本身自體免疫力就比正常人差的病友。

全球約有 2% 的免疫功能低下病友,包括血癌、接受化放療、器官移植、接受免疫抑制劑治療、HIV 及先天性免疫不全的患者…等,由於自身免疫問題,即便施打新冠疫苗,所產生的抗體和保護力仍比一般人低。即使施打疫苗,這群病人一旦確診,因免疫力低難清除病毒,重症與死亡風險較高,加護病房 (ICU) 使用率是 1.5 倍,死亡率則是 2 倍。

進一步來看,部分免疫低下病患因服用免疫抑制劑,使得免疫功能與疫苗保護力下降,這些藥物包括高劑量類固醇、特定免疫抑制之生物製劑,或器官移植後預防免疫排斥的藥物。國外臨床研究顯示,部分病友打完疫苗後的抗體生成情況遠低於常人,以器官移植病患來說,僅有31%能產生抗體反應。

疫苗保護力較一般人低,靠「被動免疫」補充抗新冠保護力

為什麼免疫低下族群打疫苗無法產生足夠的抗體?主因為疫苗抗體產生的機轉,是仰賴身體正常免疫功能、自行激化主動產生抗體,這即為「主動免疫」,一般民眾接種新冠疫苗即屬於此。相比之下,免疫低下病患因自身免疫功能不足,難以經由疫苗主動激化免疫功能來保護自身,因此可採「被動免疫」方式,藉由外界輔助直接投以免疫低下病患抗體,給予保護力。

外力介入能達到「被動免疫」的有長效型單株抗體,可改善免疫低下病患因原有治療而無法接種疫苗,或接種疫苗後保護力較差的困境,有效降低確診後的重症風險,保護力可持續長達 6 個月。另須注意,單株抗體不可取代疫苗接種,完成單株抗體注射後仍需維持其他防疫措施。

長效型單株抗體緊急授權予免疫低下患者使用 有望降低感染與重症風險

2022年歐盟、英、法、澳等多國緊急使用授權用於 COVID-19 免疫低下族群暴露前預防,台灣也在去年 9 月通過緊急授權,免疫低下患者專用的單株抗體,在接種疫苗以外多一層保護,能降低感染、重症與死亡風險。

從臨床數據來看,長效型單株抗體對免疫功能嚴重不足的族群,接種後六個月內可降低 83% 感染風險,效力與安全性已通過臨床試驗證實,證據也顯示針對台灣主流病毒株 BA.5 及 BA.2.75 具保護力。

六大類人可公費施打 醫界呼籲民眾積極防禦

台灣提供對 COVID-19 疫苗接種反應不佳之免疫功能低下者以降低其染疫風險,根據 2022 年 11 月疾管署公布的最新領用方案,符合施打的條件包含:

一、成人或 ≥ 12 歲且體重 ≥ 40 公斤,且;
二、六個月內無感染 SARS-CoV-2,且;
三、一周內與 SARS-CoV-2 感染者無已知的接觸史,且;
四、且符合下列條件任一者:

(一)曾在一年內接受實體器官或血液幹細胞移植
(二)接受實體器官或血液幹細胞移植後任何時間有急性排斥現象
(三)曾在一年內接受 CAR-T 治療或 B 細胞清除治療 (B cell depletion therapy)
(四)具有效重大傷病卡之嚴重先天性免疫不全病患
(五)具有效重大傷病卡之血液腫瘤病患(淋巴肉瘤、何杰金氏、淋巴及組織其他惡性瘤、白血病)
(六)感染HIV且最近一次 CD4 < 200 cells/mm3 者 。

符合上述條件之病友,可主動諮詢醫師。多數病友施打後沒有特別的不適感,少數病友會有些微噁心或疲倦感,為即時處理發生率極低的過敏性休克或輸注反應,需於輸注時持續監測並於輸注後於醫療單位觀察至少 1 小時。

目前藥品存放醫療院所部分如下,完整名單請見公費COVID-19複合式單株抗體領用方案

  • 北部

台大醫院(含台大癌症醫院)、台北榮總、三軍總醫院、振興醫院、馬偕醫院、萬芳醫院、雙和醫院、和信治癌醫院、亞東醫院、台北慈濟醫院、耕莘醫院、陽明交通大學附設醫院、林口長庚醫院、新竹馬偕醫院

  • 中部

         大千醫院、中國醫藥大學附設醫院、台中榮總、彰化基督教醫療財團法人彰化基督教醫院

  • 南部/東部

台大雲林醫院、成功大學附設醫院、奇美醫院、高雄長庚醫院、高雄榮總、義大醫院、高雄醫學大學附設醫院、花蓮慈濟

除了預防 也可用於治療確診者

長效型單株抗體不但可以增加免疫低下者的保護力,還可以用來治療「具重症風險因子且不需用氧」的輕症病患。根據臨床數據顯示,只要在出現症狀後的 5 天內投藥,可有效降低近七成 (67%) 的住院或死亡風險;如果是3天內投藥,則可大幅減少到近九成 (88%) 的住院或死亡風險,所以把握黃金時間盡早治療是關鍵。

  • 新冠治療藥物比較表:
藥名Evusheld
長效型單株抗體
Molnupiravir
莫納皮拉韋
Paxlovid
倍拉維
Remdesivir
瑞德西韋
作用原理結合至病毒的棘蛋白受體結合區域,抑制病毒進入人體細胞干擾病毒的基因序列,導致複製錯亂突變蛋白酵素抑制劑,阻斷病毒繁殖抑制病毒複製所需之酵素的活性,從而抑制病毒增生
治療方式單次肌肉注射(施打後留觀1小時)口服5天口服5天靜脈注射3天
適用對象發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與兒童(12歲以上且體重至少40公斤)的輕症病患。發病5天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人(18歲以上)的輕症病患。發病7天內、具有重症風險因子、未使用氧氣之成人與孩童(年齡大於28天且體重3公斤以上)的輕症病患。
*Remdesivir用於重症之適用條件和使用天數有所不同
注意事項病毒變異株藥物交互作用孕婦哺乳禁用輸注反應

免疫低下病友需有更多重的防疫保護,除了戴口罩、保持社交距離、勤洗手、減少到公共場所等非藥物性防護措施外,按時接種COVID-19疫苗,仍是最具效益之傳染病預防介入措施。若有符合施打長效型單株抗體資格的病患,應主動諮詢醫師,經醫師評估用藥效益與施打必要性。

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細菌會說話嗎?來自生物世界最早的聲音!——《傾聽地球的聲音》
商周出版_96
・2022/12/12 ・2595字 ・閱讀時間約 5 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

生物的聲音最早來自細菌,向周遭水域釋出幾不可聞的低語,或嘆息或愉悅。

如何聽見細菌的聲音

如今我們能分辨細菌的聲音,靠的是最靈敏的現代儀器。寧靜實驗室裡的麥克風能夠收到來自枯草桿菌(Bacillus subtilis)菌落的聲音,這是土壤和哺乳類動物腸道常見的細菌。這些聲音放大之後,聽起來像從緊閉的閥門逸出的嘶嘶蒸氣。當擴音器對長頸瓶裡的細菌播放類似的聲音,細胞會加速生長,這種現象背後的生化原理仍是個謎。

我們也能「聽見」細菌的聲音,方法是將細菌放在極微小的支柱頂端,當細菌被放置在這個微小支柱上,它的細胞表面的任何振動,都會牽動支柱。

科學家因此可以用雷射光鎖定支柱,記錄並測量這些動態。透過這種方法,我們發現細菌時時刻刻顫動著,製造出持續性的聲波。這些聲波的高峰與低谷,也就是細胞的振動幅度,大約只有五奈米,是細菌細胞寬度的千分之一,比我說話時聲帶振動的幅度小五十萬倍。

細胞會發出聲音,是因為它們持續在動。

它們仰賴數以千計的內在流動與韻律存活,而這些律動都經由化學物質的反應與連結塑造或調節。基於這樣的動態,也難怪它們的細胞表面會產生那麼多振動。我們對這些聲音的無視令人不解,尤其如今的科技已經允許人類的感官進入細菌的領域。

細菌時時刻刻都在震動,持續發生聲波。圖/pexels

細菌是在溝通嗎?

在學習過程中,從來沒有人要求我在實驗中用耳朵聆聽。細胞的聲音不只存在我們的感知邊緣,也存在我們的想像之中,被我們的習慣與先入為主的看法定型。

到目前為止,只有二十多份學術論文探討細菌的聲音。同樣的,我們雖然知道細菌表面的蛋白質可以偵測物理動作,比如切斷、延展與碰觸,但這些感應器如何與聲音產生作用,還需要進一步研究。也許這其中存在著文化偏誤。身為生物學家,我們太沉迷於視覺圖表。

細菌會說話嗎? 它們會藉由聲音跟彼此溝通,就像它們會透過化學物質在細胞之間傳遞訊息一樣嗎? 由於細胞之間的溝通是細菌的基本活動之一,乍看之下聲音似乎是可能的通訊手段。

細菌是群聚生物,它們以緊密交織的薄膜或團塊的形式生活在一起。某些化學或物理攻擊輕易就能殺死單一細胞,卻傷害不了它們。細菌的壯盛仰賴網絡內的團隊合作,而就基因與生化的層級而言,它們彼此始終不斷在交換分子。

只是,儘管它們接觸到與自己類似的聲音時會加速生長,代表它們可能「聽得見」,但到目前為止,還沒有人記錄到細菌間以聲音傳訊的實例。

聲音的通訊或許不適合細菌族群。它們生活的範圍極為狹窄,分子能在幾分之一秒內就從一個細胞抵達另一個細胞。細菌內部有數以萬計的分子,是規模龐大又複雜的現成語言。對細菌而言,化學物質通訊或許比較省力迅速,也比聲波更為精密。

細菌可能「聽得見」彼此的聲音。圖/envato.elements

寂靜的生命世界

大約有二十億年的時間,細菌和外形與它們類似的親族古細菌是地球上僅有的生物。阿米巴原蟲、纖毛蟲和它們的親族這類比較大型的細胞,大約在十五億年前演化出來。這些較大的細胞又稱真核生物,後來演化出植物、真菌和動物。單一的真核細胞就跟細菌一樣,會持續不斷的振動,好像也不靠聲音彼此溝通。酵母菌細胞不對伴侶歌唱;阿米巴原蟲也不會大聲警告近鄰。

最早的動物延續這份沉寂。這些海洋動物的身體像圓盤或褶絲帶,是由一縷縷蛋白質纖維連結而成的細胞所構成。如果我們現在能將牠們拿在手上,觸感會像片狀海帶,又薄又有彈性。牠們的化石殘骸藏身在有五億七千五百萬年歷史的岩石裡。這些海洋動物統稱為埃迪卡拉動物群(Ediacaran fauna),名稱取自這些化石出土的澳洲山區。

埃迪卡拉的動物軀體過於簡單,看不出牠們的來源,也沒有留下任何蛛絲馬跡,好讓我們將牠們歸類於如今已經發現的族群。沒有節肢動物的分段式盔甲;沒有魚類背部的硬質脊柱;沒有嘴、腸道和器官。還有,幾乎也能確定牠們沒有發聲結構。

這些動物的軀體沒有任何部分能製造出連貫性的刮擦聲、爆破聲、重擊聲,或撥弦聲。現今的一些動物外形與牠們類似,結構卻比較複雜,比如海綿、水母和海扇,同樣也不會發出聲音,顯示這些原始動物的聚落一片靜寂。除了細菌和其他單細胞生物的低語,演化只為地球添加了碟狀或扇形軟體動物周遭潑濺回旋的水聲。

生物世界第一道聲響:「纖毛的出現」

長達三十億年的時間裡,生命幾乎靜默無聲,唯一的例外是細胞壁的振動,和早期圍繞動物周遭的渦流。可是在那漫長、靜謐的歲月裡,演化創造出一個後來改變地球聲響的結構。這個創新產物是細胞膜上一根擺動的細毛,它能幫助細胞游泳、前進和搜集食物。

這根細毛又稱纖毛,能夠探入細胞周遭的液體。很多細胞擁有多根纖毛,靠一團團或一片片纖毛的擺動增加游泳能力。我們還不清楚纖毛是怎麼演化來的,不過它們最初可能是細胞內部蛋白質結構的延伸。水中的所有動態都被傳送到纖毛核心內的活蛋白質,再傳回細胞。

這種傳送作用後來變成生命體覺察聲波的基礎。纖毛會改變細胞膜和分子的電荷,藉此將細胞外部的動態轉譯成細胞內部的化學語言。到如今,所有動物都利用纖毛來感知周遭的聲音振動,使用的可能是專門的聽覺器官,或遍布在表皮與體內的纖毛。

如今地球上豐富多樣的動物聲音,包括我們自己的聲音,是源於十五億年前的纖毛的雙重傳承。首先,演化透過纖毛在細胞與動物軀體上的各種配置,創造多樣化的感官體驗:我們人類的耳朵只是聆聽的一種媒介。其次,某些動物第一次覺察到水中的振動後,又經過許久才找到利用聲音彼此溝通的方法。

這兩種傳承――聲音的感知與表達――的交互作用,增加了演化的創造力。當我們為春天的鳥鳴、嬰兒對語言的察覺,或夏季夜晚昆蟲與蛙類活力十足的大合唱驚奇讚嘆,就是沉浸在纖毛的奇妙傳承裡。

——本文摘自《傾聽地球之聲》,2022 年 11 月,商周出版,未經同意請勿轉載。

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使用「藍碳」捕捉二氧化碳的速度比森林快四倍!這個方法可行嗎?——《圖解全球碳年鑑》
商業周刊
・2022/10/05 ・4523字 ・閱讀時間約 9 分鐘

國民法官生存指南:用足夠的智識面對法庭裡的一切。

沿海濕地中的藻類、海草、紅樹林、鹽沼、和其他植物在生長過程中會吸收和捕獲二氧化碳。沿海和海洋生態系統捕獲和儲存二氧化碳的方式,稱之為「藍碳」。

被封存在海底的碳有一半以上來自這些沿岸的森林,它們捕獲二氧化碳的速度比傳統森林快了 4 倍,因為大部分的碳都進入幾米深的潮濕土壤中。以這種方式捕獲碳可以將之從大氣層中移除,降低空氣中二氧化碳的總含量。

1 公頃的紅樹林每年可以捕獲多達 8 噸的二氧化碳,遠比 1 公頃熱帶森林所能捕獲的量還要多。

在過去半個世紀以來,世界上約 30% 到 50% 的紅樹林遭到破壞

1 公頃的紅樹林每年可以捕獲多達8 噸的二氧化碳,遠比1 公頃熱帶森林所能捕獲的量還要多。圖/商業週刊

土壤的碳儲存方式

土壤是有生命的。當泥土被無數的有機微生物寄居時,就變成了土壤,成為植物生長的重要基質。

土壤還將世界上大量的碳儲存在一種物質當中,也就是所謂的土壤有機質(soil organic matter,SOM)。有機一詞在此並不是指沒有化肥或殺蟲劑,而是指存在大量的碳。通常土壤有機質含有 50% 到 60% 的碳。大多數用於農業的土壤含有 3% 到 6% 的有機質。

當植物原料(如葉子或莖)凋零掉落到土地上時,會被土壤中的微生物分解,這個過程將植物轉化為碳,並產生有機質。碳被封存在土壤中,不再以二氧化碳的形式釋放到大氣中。

當植物原料凋零掉落到土地上時,會被土壤中的微生物分解,這個過程將植物轉化為碳,並產生有機質。圖/Pixabay

犁田耕作會破壞土壤有機質和碳的儲存。耕地時,會使有機質暴露地表,更容易被微生物利用,迅速消耗土壤有機質,將二氧化碳釋放到大氣層中。每年由於耕作、侵蝕、或與氣候相關的土壤變化(如永久凍土融化),造成儲存在土壤中大約 10 到 20 億噸的碳,以二氧化碳的形式釋放回大氣層中。

土壤有機質可以保留或重建,使得大氣中的二氧化碳返回土壤長期封存。農民在施肥、將植物廢棄物(如玉米秸稈)留在田間進行分解、或種植覆蓋作物時,會增加土壤有機質。覆蓋作物是在生長季節過後、田間空無作物時種植,通常是草或三葉草,根部很深,能穿透土壤。如果在種植新的經濟作物之前讓覆蓋作物在田間分解,能夠顯著增加土壤中的有機質和碳。

最小化耕作(稱為保護性耕作)是另外一種防止土壤有機質流失(或使土壤慢慢再生)的方法。其中所謂的免耕種植,是指利用專門的播種機將種子放入一小塊翻鬆的土壤中,因此無須翻耕整片田地。

讓土壤恢復健康

泥土並不完全相同,土壤的養分含量會隨著時間根據其處理方式、和所處的環境而發生變化。

世界上三分之一的土壤已經退化到幾乎無法再支持動植物生存的地步。主要的一些原因是:

  • 土壤耕作。
  • 牛群過度放牧。
  • 砍伐和焚燒樹木和植物(砍燒耕作法)。
  • 未在冬季種植覆蓋作物。
  • 覆蓋物不足。

亞洲、歐洲、北美和南美的大型工業化農場,由於大量重植大豆、小麥、大米和玉米等商品,因而加劇了土壤侵蝕。市場和債務的經濟壓力使可持續性農業做法在短期內難以實施。

由於大量重植大豆、小麥、大米和玉米等商品,因而加劇了土壤侵蝕。圖/Pixabay

從生產的食物品質到大氣中的碳含量,土壤健康都具有深遠的影響。土壤很健康時,可以平衡水循環、並發揮避震作用以防止洪水和侵蝕。1930 年代美國西部的沙塵暴侵襲(Dust Bowl)、和 2017 年波多黎各的洪水災害,都是氣候變化的災難性衝擊、和土壤侵蝕造成的自然災害實例。這些變化會對農業產生重大影響。

根據美國農業部的說法,農民可以透過 4 種方式創造更好的土壤:

盡量減少干擾

  • 限制耕作。
  • 使化學品發揮最大效益。
  • 牲畜輪替。

強化土壤覆蓋

  • 種植覆蓋作物。
  • 使用有機覆蓋物。
  • 保留植物殘留物。

強化生物多樣性

  • 種植多種不同的覆蓋作物。
  • 利用多樣化的作物輪作。
  • 整合牲畜。

強化活根的存在

  • 減少休耕。
  • 種植覆蓋作物。
  • 利用多樣化的作物輪作。

在地方層面,一般公民可以透過投票支持可持續性農業發展的立法和政策,以及購買可持續性農業經營的產品。

房屋所有者也可以透過全年種植多樣化的植物種類,讓自然生態發展,改善其房產周圍的土壤健康,這樣能強化活躍的根系、並創造生物多樣性。

健康的土壤如何平衡水循環?圖/商業週刊

大規模改變環境的「地球工程」

如果你生起營火、或是隨意處置一台冷氣機,那就是在用個人的行動改變環境。但是,當公司和國家有意大規模改變環境時,這被稱為「地球工程」(geoengineering)。

地球工程策略聽起來像是科幻電影情節似的:在太空中部署太陽遮屏,以使部分太陽能量反射回太空,或是從大氣中吸取二氧化碳,將之送入地下層變成石頭。科學家們正在探索更多這一類大規模修補地球系統的方法,使地球降溫,但迄今為止,許多方法都成本高昂、存在爭議、也充滿著風險。

以太陽遮屏為例,雖然聽起來像部署固體金屬片,但其實是模擬大規模火山噴發時的情況,在空中噴灑出濃密的灰燼和化學物質,進而阻擋太陽能量。可能在噴氣燃料中加入化學物質,以便高空飛行的噴氣機將之擴散到高層大氣中。

超級計算機預測,以這種方式噴射到平流層的反射硫粒子,可能會產生冷卻效果,當然,也會影響降雨、降雪和季節性溫度。目前還不清楚會到什麼程度,如果天氣變化太過劇烈,就不容易挽回損失,造成人人受苦。即使可以逆轉噴灑,停止這樣的計畫也可能造成危險,因為太陽射線突然少了阻擋而導致全球氣溫和溫室氣體驟升。

至於直接從空氣中吸取二氧化碳,將之儲存在地下岩層中,歐洲和北美已有 19 家工廠做到這一點,每年吸收約1 萬噸的二氧化碳。沒有人知道這種方式可以安全地封存二氧化碳多久。

直接從空氣中吸取二氧化碳,將之儲存在地下岩層中,歐洲和北美已有19 家工廠做到這一點,每年吸收約1 萬噸的二氧化碳。圖/Pixabay

一旦出現洩漏,土壤、水和空氣可能會受到汙染,而從地下層收集氣體也可能引發微震和地震。不管怎麼說,這個過程若想要成功,也必須得降低成本、提高效率才行(目前每噸的成本高達 600 美元),我們將會需要相當多家的碳捕獲工廠,才可能有辦法消除每年所排放的數千兆噸二氧化碳,以實現 2050 年淨零排放。

不同於將二氧化碳儲存於地下岩層,鐵質施肥(iron fertilization)是以海洋為重點的選擇。這個過程是將硫酸鐵注入海水中,促進藻類大量繁殖以吸收二氧化碳,然後沉入海底。成功率參差不齊,有 5% 到 50% 的藻類增殖,沉入到足以造成封存影響的深海。然而,完全有效可能需要付出代價:過量的藻類或許也會引發有毒浮游植物的生長高峰,而將二氧化碳儲存在海洋可能會加速海水酸化。

將二氧化碳儲存在海洋可能會加速海水酸化。圖/Pixabay

地球工程是一個冒險的賭注,一些科學家表示,這對於全球氣溫的衝擊微乎其微,尤其是考慮到不採取行動造成不良後果的可能性很高。但也有科學家指出,仰賴快速的工業解決方案,可能會使人們和企業忽略對於實際減少碳排放、或停止使用化石燃料應付出的努力。

有無數的公司和國家正在單方面從事地球工程研究。預計這些實驗將在世界各地不同軌道上展開。

利用二氧化硫進行地球工程

有些工程師提出一種低成本又快速的方法來減緩氣候變化⸺整頓碳房,同時「擺脫困境」。

就像鏡子反射光線、黑色車道在夏日變得炎熱一樣,外層大氣從太陽反射的光熱,也會對全球溫度產生影響。

30 年前,菲律賓的皮納圖博(Mt. Pinatubo)發生了 100 年來最嚴重的一次火山爆發,所噴發的灰燼造成了驚人的影響:一整年地球的平均溫度下降了約 0.5° C。透過使地球大氣層反射陽光,而不是吸收,地球變得比較涼爽。

地球工程學家正專注研究此一概念,在地球外圍創造一個人為的太陽遮屏。利用特殊裝備的大型噴氣式飛機,將不同的化學物質噴灑到高層大氣中,希望能一次改變地球多年的反射率,以人為方式降低地表的平均溫度。

透過地球工程,在大氣中添加懸浮微粒來複製火山噴發的自然效果。平流層氣溶膠注入的作用:

  • 散射太陽光。
  • 讓天空更明亮一些。
  • 反射部分太陽熱量。
  • 讓地球更涼爽一些。
透過地球工程,在大氣中添加懸浮微粒來複製火山噴發的自然效果。平流層氣溶膠注入的作用:讓天空更明亮一些。圖/Pixabay

透過在大氣中注入二氧化硫、鈦、或其他化學或礦物質,可以增加行星反照率(反射率)。

太陽能地球工程透過改變地球的輻射平衡,來治療氣候變化的徵狀,這方面的科學研究稱為「平流層氣溶膠監測」(stratospheric aerosol modification,SAM)。

據估計,這種方法一年成本不到 100 億美元,在大多數的氣候變化因應措施當中只是九牛一毛。一些專家認為,只要動用幾百架飛機即可完成,而且可以比預期更早開始。

研究人員馬克.勞倫斯(Mark Lawrence)2006年指出,「對地球工程可能性的嚴肅科學研究,如克魯岑和西塞隆(Crutzen & Cicerone)發表文章中所討論的,完全沒有得到氣候和大氣化學研究界的包容」,然而,到了 2016 年,他總結道,「在這些文獻發表後的 10 年間,雖然氣候工程仍然是極具爭議性的問題,但是在更廣泛的地球科學研究領域,那種禁忌感基本上已不存在」。

這種方法,還是有許多未經測試的現實問題:

  • 這些化學物質將會使臭氧層出現什麼反應?
  • 該由哪些國家規範這個過程、又該如何決定干預措施的地點和程度?
  • 有什麼辦法能阻止組織和國家單方面進行?若有國家想要暖化加劇、或是有億萬富翁只是想要名利,該如何處理?
  • 這將對人類、動物、植物、和海洋的健康造成什麼影響?
  • 我們準備好長久持續進行了嗎?如果沒有,一旦陷入了相對低成本和快速的解決方案,又該如何下決心停止呢?

——本文摘自《圖解全球碳年鑑:一本揭露所有關於碳的真相,並即時改變之書》,2022 年 9 月,商業周刊,未經同意請勿轉載。

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