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重溫2012(一)理性看森林火燒

陳 慈忻
・2013/03/02 ・2415字 ・閱讀時間約 5 分鐘 ・SR值 502 ・六年級

我們人類算不算是自然的一部分?如果我們是以人為本位,把自然當成資源,我們會希望木材、獵物能夠被使用,住在森林附近的居民也不想要受火災威脅,因此認為森林火是一種「災」。林朝欽博士是林業試驗所森林保護組的研究員,他長期支援國內森火防範工作、研究國內外森林火,他以中性的觀點出發,以更廣的視野看「森林火燒」的防災與生態意義。

防災觀點一:如何進行預防工作

如果從災害的觀點來看,第一步就是「森林火災危險度」的預測,就像氣象局預測今天會不會下雨,在森林火燒發生之前,每天都會計算今天發生的機率。

機率計算原理其實很簡單,假想今天有10個火點丟到這片森林,會有多少個火點引起燃燒?能引發火燒的比例就是森林火災危險度。

而測量需要從起火因子著手,第一是燃料的溼度,如果燃料越乾燥,就越容易點燃;第二是燃料的性質,就如同烤肉不會拿最大塊的木炭來燒,而是將木炭先打碎,在森林中容易引起火災的也是樹幹較細小的樹木,像是松針。

所以我們在一整片森林中,只要測量最易燃種類樹木的濕度,就可以預測森林火災危險度,並將全國森林火災危險分布圖發布在林務局的網站上。

防災觀點二:如果真的發生了 怎麼應變?

農委會的林業試驗所目前正協助訓練森林救火隊,而滅火成功的關鍵是:預測火接下來會往哪邊燒?前進的速度多少?稱為「林火行為預測」。

要能夠掌握林火行為預測,得要熟悉3個要點:森林的氣象變化、森林特性、地形。就氣象變化而言,風向是預測火燒方向、速度的重要因子,濕度也會影響火燒的強度。

就森林特性而言,像是松樹屬於易燃性質,因為它含有油脂;二葉松的樹皮含有高含量的矽(Si),就像砂子的成分一樣,因此火不易燒死有較厚樹皮的老松樹。再者,針葉林的樹形是下寬上窄的三角形,接觸火的面積大而容易擴大燃燒;如果是樹型下空上滿的闊葉林,接觸火的面積小,比起針葉林不那麼容易燃燒。

不同的地形也會對森林火燒產生重要的影響,不同的坡向所受的太陽光也不同,進而影響森林的乾濕度;在山谷地區的起火會順著山勢往上燒,比山稜上的起火而造成的燃燒面積更大。

為了要建立林火行為預測的模型,研究者會在實驗室進行模擬,將這3個因子在控制下進行試驗住。比方說選擇特定的燃料來實驗,經過浸水來控制濕度,接著可以製作不同地形的實驗場地,控制它的坡度。點火後,得到一些數據,從實驗中找出這些變因的影響關係。

但是真實世界是變化萬千的,所以我們接著會到野外實驗,再來修正預測模型的數學公式。這數學模型的運算結果會呈現在地圖上,讓林務局在救火的時候,可以清楚看到林火行為。

目前世界各國都累積了很多經驗,也投入許多心力在林火行為預測的研究上,因此現在的預測可以做得很好。

防災觀點三:森林滅火有什麼策略?

最有效的森林滅火不是直接去撲滅已經起火的地方,去救已經燒掉的森林沒有意義,要規畫犧牲哪些地方,盡我們所能保留最大的安全區塊。因此飛機的阻燃劑不是直接燃燒的森林上噴撒,而是撒在要擋下火勢的防線上,阻燃劑的成分是與一般肥料的成分類似,所以可能避免汙染森林環境。

滅火人員的有效策略是「引火回燒」,火燒很快的時候,你怎麼追趕都無法滅的比燒得快,但是我們在火勢前頭透過人為引火往回燒,製造出缺乏燃料的「防火線」。要能夠準確的擋下火勢,最重要的是能夠準確預測林火行為,否則真的需要擋的地方沒擋到,救火時間就會延長且損失更多森林面積。

雖然飛機的速度較快,但是滅火人員的引火回燒更強效,沒有燃料絕對可以確保阻擋火勢,但是阻燃劑卻不一定能阻擋太大的火勢,所以重要的部分會優先派人進行任務,其他人力不足的地方才透過飛機支援。

生態觀點:森林火燒 v.s. 森林火災


如果我們從森林生態的角度,我們使用「火燒」這個中性的詞,而不把森林火視為災害。火其實有更新的作用,能夠幫助生態循環,避免森林老化。大自然本身就會有規律的小火燒發生,透過雷電等自然現象就可能引發。

小火也有把地面清乾淨的功能,可以讓一些植物種子容易扎根。甚至在美國需要火的森林,如果沒有火反而還要主動去燒,火也是森林經營、管理的工具,稱為「計畫性火燒」(prescribed burning,醫學上prescription是處方,意思經過診斷後開的藥方,也隱含了經過燃燒學研究後要引燃的森林)。

如果將所有森林火燒都視為要撲滅的災害,會遇到什麼負面結果?除了抑制生態系更新,累積過多燃料,反而會造成大火發生。

1張山頭裸露的照片對台灣民眾而言是很驚悚的景象,但是幾個月後,這個地方經過次級演替又再度充滿生命力,小火燒對森林而言其實是益大於害的。

這個概念在台灣行政上還不被接受,認為有火就要滅,有火就是災。我們的研究還在蒐集更充足的證據,證明大自然有足夠的生命力進行周期循環,提倡「森林火燒」而非「森林火災」的概念。

每一個自然現象都有其功能,颱風、火山、森林火燒都不是只有害處。就森林火燒而言,我們應該要釐清哪些森林是需要火,讓它規律的燒;也要清楚強度多大的火燒會帶來危險、多小的火燒不會燒到人類居住地,再決定要如何防範。

(本文原發表於行政院國家科學委員會-科技大觀園「科技新知」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!)

延伸學習:

  • 林朝欽(民91),細說森林火 : 害怕它?不如了解它,行政院農業委員會林務局,台北。
  • 林朝欽(民 92),野火,是森林的敵人還是朋友?科學人,11, 85-87。

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文章難易度
陳 慈忻
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在丹麥的博士生,專長是用機器學習探索人類生活空間,正在研究都市環境變遷與人類健康的關係。曾擔任防災科普小組編輯、社會創新電子報主編。


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就是想知道十萬個植物的為什麼!解開植物生長之謎的駭客兼翻譯——蔡宜芳專訪

鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/04/06 ・3848字 ・閱讀時間約 8 分鐘

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。

2018 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第十一屆傑出獎得主

  • 中研院分子生物研究所特聘研究員蔡宜芳,畢業自台灣大學植物系,在美國卡內基美隆大學(Carnegie Mellon University, CMU)取得博士,後於加州大學聖地牙哥分校(University of California, San Diego, UCSD)進行博士後研究,研究專長為植物分子生物學。主要從事細胞膜蛋白的功能研究,在硝酸鹽轉運蛋白研究領域有卓越貢獻。2021 年蔡宜芳特聘研究員榮獲美國國家科學院(National Academy of Sciences, NAS)外籍院士(international members)。

如果妳撿到蔡宜芳掉的手機,可能很難立即知道失主是誰,甚至有點摸不著頭緒:因為她手機裡超過 80% 的照片,都是植物。為何會選擇植物作為研究領域?身為中研院分子生物研究所特聘研究員,在植物分子生物學領域貢獻卓著的她卻說,這個決定其實「不太科學」,因為起心動念是自己「真的很喜歡植物」。

因為喜歡所以好奇,因為好奇而想要知道更多:許多 love story 都是這樣開始的,而研究領域的開展又何嘗不是一場超浪漫故事呢?也因為一般人都不夠認識植物,聽不懂植物的細語呢喃,更需要蔡宜芳這般熱愛植物的科學家,擔任植物駭客兼翻譯,讓不辨菽麥者也能偷聽花開的聲音。

故事,從一株異變的阿拉伯芥開始說起。

植物對於氮肥的攝取機制與調控方法正是蔡宜芳的研究主題。圖/劉志恒攝影

分子生物學突破:發現植物吸收硝酸鹽的關鍵蛋白 CHL1

上世紀 50 年代起的「綠色革命」,大幅提升了糧食生產量,餵飽了激增的地球人口,「氮肥」在其中功不可沒。它對植物開花結果至關重要,然而植物透過什麼機制攝取氮肥?如何調控才能更有效地吸收?蔡宜芳研究的正是其中的分子機制。

氮,是生物存活的重要元素;從推動光合作用的葉綠素、各種代謝反應的酵素,到與遺傳相關的核酸中,都有氮的存在。但對植物來說,要取得氮元素卻出乎意料地困難;大氣的組成中近五分之四為氮氣,但是除了藉由少數有固氮能力的微生物以外,植物只能使用在土壤中非常少量的氮源,吸收的型態有「氨鹽」與「硝酸鹽」,其中又以硝酸鹽為主。

但是,硝酸鹽是帶電離子,無法自行通過脂質構成的細胞膜,那到底植物如何利用硝酸鹽呢?為了解開這個長年來的謎題,蔡宜芳將目光投向一棵無法正常吸收硝酸鹽的阿拉伯芥突變株,並利用當時最新發展出來的分子生物技術,試圖找到出關鍵基因。蔡宜芳表示,這個無法正常吸收硝酸鹽的突變株,在她約 10 歲時就被荷蘭研究者發現,這麼多年來在傳統技術底下被研究得相當透徹;卻直到她開始進行博士後研究,伴隨植物分子生物相關技術發展,才有方法找到關鍵的轉運蛋白。

這樣的研究自然充滿了挑戰,因為新技術還不穩固,就連實驗室老闆都曾勸她放棄。不願投降的她,決定一邊持續研究氮代謝,一邊到其他研究室學細胞膜研究的新技術,1994 年,蔡宜芳從美國回到台灣,持續研究進一步發現, 位在植物細胞膜上的 CHL1 硝酸鹽轉運蛋白,除了作為硝酸鹽的「搬運工」,還有其他異想不到的功能。在你我的印象當中,植物是被動的吸收養分:但其實當土壤中的的硝酸鹽變化時,植物會主動改變硝酸鹽的運作模式,這就是蔡宜芳團隊在 2003 年的重大發現。運作模式的改變正來自於 CHL1 蛋白的磷酸化轉換,因此 CHL1 蛋白也具備作為「傳令兵」的功能。透過 CHL1,植物便能感應周圍的硝酸鹽濃度,幫助植物調控基因表現,以便能更有效率地利用硝酸鹽。

掌握硝酸鹽吸收的調控,在農業領域十分有發展潛力,蔡宜芳的研究進一步轉向,對接實際應用,期盼為農業的永續未來提供新解方。除了 CHL1硝酸鹽轉運蛋白的機制外,她也針對阿拉伯芥如何吸收與輸送硝酸鹽到不同組織的分子機制展開探索。近期更研究探討是否能以育種或基因調控的方式,增進植物吸收硝酸鹽的效率。由於硝酸鹽非常容易在環境中流失,因此多數的氮肥施放到田間後,植物也往往吸收不了;如果可以改善植物的吸收效率,就能減少施肥的浪費,連帶減少製造氮肥耗用的能源,也讓農作物長得更好。

好消息是,透過基因調控,蔡宜芳團隊已經在阿拉伯芥、菸草及水稻上實驗成功,並取得相關專利,期待未來將授權給生物科技公司進行下一步。

培養科學研究必備品:好奇心、科學思辯與毅力

蔡宜芳從事研究的初衷是因為對植物的喜愛與好奇心,對她來說和植物有關的十萬個為什麼,猶如始終永遠拼不完的大型拼圖,從小時候就在蔡宜芳的心中佔據了重要位子,於是她「追根究柢」(如字面上意義),想靠自己解開植物現象背後的秘密。

人們對自己不了解又無法回嘴的植物充滿了誤解,往往覺得植物跟動物一點也不同,然而在蔡宜芳看來絕非如此,她表示,已經有研究發現,當我們這些動物咬下蔬菜的瞬間,植物裡頭負責傳導的的鈣離子就會產生變化。「大家都覺得植物不會動不會叫,但其實植物是有感知的。」蔡宜芳表示,植物其實都知道,只是用我們不懂的方式在表達,要靠研究才能一句一句地破解植物的密語。

圖/劉志恒攝影

當然研究也不能自己埋頭苦幹,交流非常重要。蔡宜芳擔任植物學期刊 《Plant Physiology》 編輯多年,但回憶起剛建立獨立實驗室的階段,面對那麼多來自審稿人的刁鑽問題,當時的自己也難免生氣。一旦轉換身份成為審稿人,被審的經驗也讓她更明白審查論文時該注意的重點,一來一往的思辨與答辯,反而讓她覺得很好玩。

「我自己有個突破,是因為被質疑的時候很生氣,可是不能光氣,也要想辦法解決。就在生氣的時候,想出來的方法,最後變成我們實驗室很新的工具。」而她也認為自己在替《Nature》等重要期刊審稿時,認真地給出言之有物的評論,幫她累積了領域內的信譽,才讓期刊編輯的位置找到了她。

蔡宜芳曾擔任植物學期刊《Plant Physiology》編輯。圖/《Plant Physiology》網頁截圖

像投稿審稿這般來回思辨的訓練,對科學家的養成非常重要,然而蔡宜芳觀察,科學思辨在台灣教育裡比較缺乏。她舉例,在美國課堂上,老師會要學生先讀一篇論文,接下來整堂課則要學生批評論文有什麼問題。「我們在台灣被訓練的人,都會把 paper 當作傳世經書在讀,讀懂它就覺得很開心了——要去批評它,我們真的沒有習慣。」蔡宜芳坦言那過程對她來說曾經非常痛苦,但會痛就代表該變。

她就此改變了思路:面對知識,蔡宜芳要求自己不僅要讀懂,還要有餘力批評它,說出對、錯在哪裡。蔡宜芳認為,科學就是得永遠抱持著質疑的態度,在不疑處有疑,才能找到真正的答案。「在我自己的實驗室裡面,我也一直在逼學生要去思考」。

蔡宜芳在實驗室中,會不斷要求學生思考、批判。圖/劉志恒攝影

而除了好奇心及思辨能力之外,蔡宜芳認為「毅力」也是科學家在科學界持續前進的重要特質。經驗告訴她,在科學研究中遇見失敗比遇見成功的次數多太多了,革命十次稀鬆平常,如何二十次甚至三十次之後還能繼續往前走?那絕對需要強大的毅力來抗壓才行。

說到壓力,身為科學界的女性,蔡宜芳認為,自己的成長環境中,性別造成的影響並不大,以她所在的中研院分生所為例,研究人員性別比例很平均。但若深入細究,「無意識偏見」(unconscious bias)仍難以避免。她以自己帶過的學生為例,生科領域在大學時期男女比例大約是各半,但隨著碩士、博士一路往上,男性的比例逐漸多於女性。因為許多女學生在面臨職涯選擇的時候,往往會被迫以家庭或是男性伴侶的事業為優先,這種狀況回過頭來又讓部分老師覺得「教育女生有時會是浪費」,成為惡性循環。

榮獲過許多科學成就獎項的她,時常是唯一獲獎的女性,而就在接受採訪不久前,她又獲頒一個獎項,直到頒獎當天的照片寄回到所上,「一片黑西裝裡面,就我穿黃色!」她笑道。所上第五屆台灣女科學家傑出獎得主鍾邦柱老師看到照片時,也對她苦笑說:「哎,革命尚未成功,同志仍需努力。」

「先不要去想會有這個東西,做該做的事情。真正不平的時候,不要安靜不講。」儘管環境仍待改變,蔡宜芳建議女科學人自己先跨出一步,就如同她自己一路走來的態度。

一株莫名異變的阿拉伯芥,遇上一位不放棄的科學家兼植物迷,造就了改變農業、甚至是整體生態未來的契機。如果妳的手機也跟蔡宜芳一樣,裝的幾乎全是自己感興趣、想研究的東西的照片,請別質疑自己是不是怪怪的,或許妳也將靠著研究,改變世界,這是我能想到最浪漫的事了。

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年,台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想,讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎?妳絕對可以!傑出學姊們在這裡跟妳說:YES!:https://towis.loreal.com.tw/Video.php

本文由 台灣萊雅L’Oréal Taiwan 為慶祝「台灣傑出女科學家獎」15周年而規劃,泛科學企劃執行。


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