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細菌能幫助原始動物呼吸

陸子鈞
・2011/05/17 ・883字 ・閱讀時間約 1 分鐘 ・SR值 469 ・五年級

許多微生物扮演和植物一樣的角色,它們能藉由光合作用,大幅增加所處地點的氧氣量。這或許是使原始多細胞生命,在遠古缺氧的環境中還能欣欣向榮的關鍵。科學家分析委內瑞拉洛斯羅克斯潟湖裡的微生物墊,研究這個概念。

和大多現存的微生物墊(microbial mats)一樣,洛斯羅克斯潟湖微生物墊的表面,由藍綠藻或藍藻組成,而較底層則是硫化物氧化菌。但洛斯羅克斯潟湖獨特的高鹽環境,並不適合植食性動物棲息,所以該地區的微生物墊,能像五億四千兩百萬年前的埃迪卡拉(Ediacaran)時期一樣,完整覆蓋整個湖底。當時,多細胞動物才正開始發展。

加拿大阿爾伯塔大學的古生物學家Murray Gingras,分析了微生物墊內外水的化學性質。他和他的同事發現,雖然在微生物墊表面的含氧量極低,約只有0.10大氣壓(atm),但白天可以因為微生物藉由光合作用得到能量,釋出氧氣,而提高到0.25及0.45大氣壓。甚至在微生物墊本身表面的幾毫米處,幾乎能得到純氧,約1.05大氣壓。

現在大氣中的氧氣組成約0.21大氣壓,但多細胞動物方在地球上出現時,環境氧氣普遍只有0.10大氣壓,這並不適合多細胞動物生存。南澳大利亞博物館的古生物學家Jim Gehling解釋:「一天中的氧氣濃度波動,對別於單細胞生物的多細胞動物而言,非常棘手。」

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Murray Gingras和他的研究團隊認為,微生物墊扮演關鍵的角色,幫助早期的多細胞動物得到它們所需的氧氣。他說:「我們推測,這些動物利用很小但富含氧氣的區域,就如同沙漠中的綠洲。」

古生物學家很早就假設原始多細胞動物仰賴微生物墊為生,因為動物化石和微生物墊常常一起被發現。但這項研究是首度證實,微生物墊扮演對動物群供氧的重要角色。

英國牛津大學的古生物學家Martin Brasier也認為,藻類微生物為早期多細胞動物提供氧氣庇護所,是個非常有趣的概念。

但仍有一些小問題。因為高氧氣濃度是光合作用的結果,所以高氧狀態只當陽光照射時存在;而在夜間微生物墊附近就會成為缺氧環境。研究人員在洛斯羅克斯潟湖也發現類似的現象,而居住在墊子裡的小蟲子,在入夜後會進入休眠狀態,以應付缺氧的問題。但科學家不確定,是否早期多細胞動物也有類似的現象。

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資料來源:NatureNews: Bacteria helped early animals to breathe [15 May 2011]

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陸子鈞
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Z編|台灣大學昆蟲所畢業,興趣廣泛,自認和貓一樣兼具宅氣和無窮的好奇心。喜歡在早上喝咖啡配RSS,克制不了跟別人分享生物故事的衝動,就連吃飯也會忍不住將桌上的食物作生物分類。

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從奈米微塵到化學氣體, HEPA 與活性碳如何聯手打造純淨空氣?
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2026/04/17 ・4433字 ・閱讀時間約 9 分鐘

本文由 Amway 委託,泛科學企劃執行。

很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網
在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢 / 圖片來源:envato

到底怎樣才算是「乾淨」?這不是什麼靈魂拷問,而是一個價值上億的商業命題。

在半導體產業的無塵室中,「乾淨」的定義極其殘酷:一粒肉眼看不見的灰塵,就足以讓造價數百萬美元的晶圓直接報廢。空氣品質的好壞,甚至能成為台積電(TSMC)決定是否在當地設廠的關鍵性指標。回到你的家中,雖然不需要生產精密晶片,但我們呼吸系統中的肺泡同樣精密,卻長期暴露在充滿 PM2.5、病毒以及各種揮發性氣體的環境中。為了守護健康,你可能還要付費購買「乾淨的空氣」來用。

因此,空氣議題早已超越單純的環保範疇,成為同時影響國家經濟與個人健康的重要問題。

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很多人可能沒想到,無論是家用的空氣清淨機,還是造價動輒百億的頂尖晶圓廠,它們對抗污染的核心武器並非什麼複雜的雷射防護罩,而是同一件看起來平凡無奇的東西:一片外觀像紙一樣的 HEPA 濾網。但你真的相信,就憑這層厚度不到幾公分的板子,能擋住那些足以毀滅精密晶片、滲透人體細胞的「奈米級刺客」嗎?

這片大家都聽過的 HEPA 濾網,裡面到底是什麼?

首先,我們必須打破一個直覺上的誤解:HEPA 濾網(High Efficiency Particulate Air filter)在本質上其實並不是一張「網」。

細懸浮微粒 PM2.5,是指粒徑在 2.5 微米以下的污染物,它們能穿過呼吸道直達肺泡,並穿過血管引發全身性發炎。但這只是基本,在工廠與汽車尾氣中,還存在粒徑僅有 1 微米的 PM1,甚至是小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」(UFP,即 PM0.1)。 UFP 不僅能輕易進入血液,甚至能繞過血腦屏障(BBB),進入大腦與胎盤,其破壞力十分可怕。

如果 HEPA 濾網像水槽濾網或麵粉篩一樣,單靠孔目大小來「過濾」粒子,那麼為了攔截奈米微粒,濾網的孔目只能無限縮小到幾乎不透氣的程度。更別說在台積電或 Intel 的製程工程師眼裡,一般人認為的「乾淨」,在工程師眼裡簡直像沙塵暴一樣。對於線寬僅有 2 奈米3 奈米(相當於頭髮直徑萬分之一)的晶片而言,空氣中一顆微小的塵埃,就是一顆足以毀滅世界的隕石。

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因此,傳統的過濾思維並非治本之道,我們需要的是原理截然不同的過濾方案。這套技術的雛形,最早可追溯至二戰時期的「曼哈頓計畫」。

HEPA 的前身,誕生於曼哈頓計畫!

1940 年代,製造濃縮鈾是發展原子彈的關鍵。然而,若將排氣直接排向大氣,會導致致命的放射性微粒擴散。負責解決這問題的是 1932 年諾貝爾化學獎得主歐文·朗繆爾(Irving Langmuir),他是薄膜和表面吸附現象的專家。他開發了「絕對過濾器」(Absolute Filter),其內部並非有孔的篩網,而是石綿纖維。

有趣的來了,如果把過濾器放到顯微鏡下,你會發現纖維之間的空隙,其實比某些被攔截的粒子還要大。那為什麼粒子穿不過去呢?這是因為在奈米尺度下,物理規則與宏觀世界完全不同。極微小的粒子在空氣中飛行時,並非走直線,而是會受到空氣分子撞擊,而產生「布朗運動」(Brownian Motion),像個醉漢一樣東倒西歪。

當粒子通過由緻密纖維構成的混亂迷宮時,布朗運動會迫使它們不斷轉彎、移動,最終撞擊到帶有靜電的纖維上。這時,靜電的吸附力會讓纖維就像蜘蛛網般死死黏住微粒。那些狂亂移動的奈米刺客,就這樣被永久禁錮迷宮中。

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現在最常見的 HEPA 材料,是硼矽酸鹽玻璃纖維。

現代 HEPA 濾網最常見的核心材料為硼矽酸鹽玻璃纖維。這些玻璃纖維的直徑通常介於 0.5 至 2 微米之間,它們在濾網內隨機交織,像是一座茂密「黑森林」。微粒進入這片森林後,並非僅僅面對一層薄紙,而是得穿越一個具有厚度且排列混亂的纖維層,微粒極有可能在布朗運動的影響下撞擊並黏附在某根玻璃絲上。

除此之外,HEPA 濾網在外觀上還有一個極具辨識度的特徵,那就是像手風琴般的摺紙結構。濾材會被反覆摺疊、摺成手風琴的形狀,中間則用鋁箔或特殊的防潮紙進行結構支撐,目的是增加表面積。這不僅為了捕獲更多微粒,而是要「降低過濾風速」。這聽起來可能有點反直覺:過濾不是越快越好嗎?

其實,這與物理學中的流速控制有關。想像一條水管,如果你捏住出口,水流會變得湍急;若將出口放開並擴大,雖然總出水量不變,但出水處的流速會變得緩慢。對於 HEPA 濾網而言,當表面積越大,單位面積所需承載的空氣量就越少,空氣穿透濾網的速度也就越低。

低流速代表微粒停留在濾網內的時間也更久,增加被捕捉的機會。此外,越大的表面積也為 HEPA 濾網帶來了高「容塵量」,延長了使用壽命,這正是它能夠稱霸空氣清淨領域多年的主因。

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然而,即便都叫做 HEPA 高效率空氣微粒子過濾網 (High Efficiency Particulate Air filter),但每個 HEPA 的成分與結構還是會不一樣。例如 安麗逸新空氣清淨機 SKY ,其標榜「可過濾粒徑最小至 0.0024 微米」的污染物,去除率高達 99.99%。

0.0024 微米是什麼概念?塵蟎、花粉、皮屑或黴菌孢子,大小約在 2 至 200 微米;細懸浮微粒  PM2.5 大小約 2.5 微米,細菌也大概這麼大。最小的其實是粒徑小於 0.1 微米的「超細懸浮微粒」,大多數的病毒(如流感、新冠病毒)都落在此區間。對安麗逸新 的HEPA濾網來說,基本上通通都是可被攔截的榜上名單。

在過敏防護上,它更獲得英國過敏協會(Allergy UK)認證,能有效處理 19 大類、102 種過敏原,濾除空氣中超過 300 種氣態與固態污染物。

同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」 / 圖片授權:Shutterstock

然而,同樣的過濾邏輯一旦進入半導體無塵室,就必須換一條更為嚴苛的技術路線。因為硼矽酸鹽玻璃纖維對晶圓來說有個致命傷,就是「硼 (Boron)」。

在半導體製程中,硼是常見的 P 型摻雜物,用來精準改變矽晶圓的電性。如果濾網有任何微小的破損、老化或化學侵蝕,進而釋放出極微量的硼離子,就可能直接污染晶圓,改變其導電特性,導致晶片報廢。

此外,無塵室要求的是比 HEPA 更極致的 ULPA(超低穿透率空氣濾網) 等級的潔淨度。ULPA 的標準通常要求對 0.12 微米 的粒子達到 99.999% 甚至 99.9999% 的超高攔截率。在奈米級的競爭中,任何多穿透的一顆微塵,都代表著一筆不小的經濟損失。

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為了解決「硼」的問題並追求極限的過濾效率,材料學家搬出了塑膠界的王者,PTFE 也鐵氟龍。鐵氟龍不僅耐酸鹼、耐腐蝕,還能透過拉伸製成直徑僅 0.05 至 0.1 微米 的極細纖維,其細度遠勝玻璃纖維。雖然 PTFE 耐化學腐蝕,但它既昂貴且物理上也很脆弱,安裝時若不小心稍微觸碰,數萬元的濾網就可能報銷。因此,你只會在晶圓廠而非一般家庭環境看到它。

即便如此,在空氣濾淨系統中,還有一樣是無塵室和你家空氣清淨器上面都有的另一張濾網,就是活性碳濾網。

活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附?

好不容易將微塵擋在門外時,危機卻還沒有解除。因為空氣中還隱藏著另一類更難纏的大魔王:AMC(氣態分子污染物)

HEPA 或 ULPA 這類物理濾網雖然能攔截固體微粒,但面對氣態分子時,就像是用網球拍想撈起水一樣徒勞。這些氣態分子如同「幽靈」一般,能輕易穿過物理濾網的縫隙,其中包括氮氧化物、二氧化硫,以及來自人體的氨氣與各種揮發性有機物(VOCs)。

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為了對付這些幽靈,我們必須在物理防線之外,加裝一道「化學濾網」。

這道防線的核心就是我們熟知的活性碳。但這與烤肉用的木炭不同,這裡使用的是經過特殊改造的「浸漬處理(Impregnation)」活性碳。材料科學家會根據敵人的不同性質,在活性碳上添加不同的化學藥劑:

  • 酸鹼中和:對付氮氧化物、二氧化硫等酸性氣體,會在活性碳上添加碳酸鉀、氫氧化鉀等鹼性藥劑,透過酸鹼中和反應將有害氣體轉化為固體鹽類。反之,如果添加了磷酸、檸檬酸等酸性藥劑,就能中和空氣中的氨氣等鹼類。
  • 物理吸附與凡德瓦力:對於最麻煩的有機揮發物(VOCs,如甲醛、甲苯),因為它們不具酸鹼性,科學家會精密調控活性碳的孔徑大小,利用龐大的「比表面積」與分子間的吸引力(凡德瓦力),像海綿吸水般將特定的有機分子牢牢鎖在孔隙中。
活性碳如何從物理攔截跨越到分子吸附? / 圖片來源:Amway

空氣濾淨的終極邏輯:物理與化學防線的雙重合圍

在晶圓廠這種對空氣品質斤斤計較的極端環境,活性碳的運用並非「亂槍打鳥」,而是一場極其精密的對戰策略。

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工程師會根據不同製程區域的空氣分析報告,像玩 RPG 遊戲時根據怪物屬性更換裝備一樣——「打火屬性怪要穿防火裝,打冰屬性則換上防寒裝」。在最關鍵的黃光微影區(Photolithography),晶圓最怕的是人體呼出的氨氣,此時便會配置經過酸性藥劑處理的活性碳進行精準中和;而在蝕刻區(Etching),若偵測到酸性廢氣,則會改用鹼性配方的濾網。這種「對症下藥」的客製化邏輯,是確保晶片良率的唯一準則。

而在你的家中,雖然我們無法像晶圓廠那樣天天進行空氣成分分析,但你的肺部同樣需要這種等級的保護。安麗逸新空氣清淨機 SKY 的設計邏輯,正是將這種工業級的精密防護帶入家庭。它不僅擁有前述的高規 HEPA 濾網,更搭載了獲得美國專利的活性碳氣味濾網。

關於活性碳,科學界有個關鍵指標:「比表面積(Specific Surface Area)」。活性碳的孔隙越多、表面積越大,其吸附能力就越強。逸新氣味濾網選用高品質椰殼製成的活性碳,並經過高溫與蒸氣的特殊活化處理,打造出多孔且極致高密度的結構。

這片濾網內的活性碳配重達 1,020 克,但其展開後的總吸附表面積竟然高達 1,260,000 平方公尺——這是一個令人難以想像的數字,相當於 10.5 個台北大巨蛋 的面積。這種超高的比表面積,是市面上常見濾網的百倍之多。更重要的是,它還添加了雙重觸媒技術,能特別針對甲醛、戴奧辛、臭氧以及各種細微的異味分子進行捕捉。這道專利塗層防線,能將你從裝潢家具散發的有機揮發氣體,或是路邊繁忙車流的廢氣中拯救出來,成為全家人的專屬空氣守護者。

總結來說,無論是造價百億的半導體無塵室,還是守護家人的空氣清淨機,其背後的科學邏輯如出一轍:「物理濾網攔截微粒,化學濾網捕捉氣體」。只有當這兩道防線同時運作,空氣才稱得上是真正的「乾淨」。

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紅紅的葉子要怎麼行光合作用?紅葉和黃葉裡也有葉綠素嗎?——《樹葉物語》
時報出版_96
・2023/10/29 ・2029字 ・閱讀時間約 4 分鐘

顏色會依照我們觀看的對象吸收和反射的光而有所不同。樹葉因為會吸收所有藍色和紅色系光譜,只反射綠色,因此看起來是綠色的,而讓樹葉顯現綠色的東西,便是負責養育生命的葉綠素。

需要光合作用時也只會紅通通的日本紅楓

當然,也有葉子不是綠色的。樹木一生中雖然會變換顏色,但也有一開始長葉就不是綠色的。關於這類樹木,首先想到的便是日本紅楓(Acer palmatum ‘Shojo-Nomura’)。

日本紅楓連剛冒出葉子時也不泛綠色,和它的名字一模一樣,打一開始就很紅。那麼,日本紅楓紅色的葉子裡沒有葉綠素嗎?如果缺少葉綠素,樹木無法行光合作用;若不行光合作用,將無法製造生存所需的養分,那究竟該如何生存呢?

所有樹葉裡都有葉綠素,但是除了葉綠素,還有類胡蘿蔔素、花青素和單寧等各種成分,我們需要從這裡找出頭緒。類胡蘿蔔素、花青素和單寧等成分分別呈現黃色、紅色和褐色,葉子雖然從一開始就具備多種顏色的成分,但在更需要光合作用的時候,葉綠素會上來表面;待過了秋季,逐漸接近無法行光合作用的冬季,其他顏色的成分才會開始活躍,秋楓便是如此。然而,日本紅楓即使在需要光合作用的時期,葉子也只會紅通通的,非常奇妙。

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淺綠色顯露出來的瞬間

圖/wikimedia

日本紅楓是人們培育出來的品種,以做為造景用的觀賞樹木。換言之,日本紅楓並不是在自然狀態下生長的樹木,而是人們為了更長時間觀賞楓樹的紅色葉子所培育的品種,讓它一年四季都能呈現紅色。雖說紅色葉子裡頭同時含有泛綠色的葉綠素,但不管再怎麼看,都看不到綠色。

我再次重申,觀察樹木需要長時間、仔細地觀察。日本紅楓葉子上的紅色氣息轉淡的現象一年大概會發生兩次,分別是開花與果實逐漸成熟時,也就是樹木最需要養分的時刻。這時的日本紅楓葉子會發生非常細微的變化,乍看之下無法得知其差異:仍然泛著紅色,仔細觀察卻能在葉子某些部分感覺到綠色的氣息。

雖然葉子顯現紅色,但葉綠素若不進行光合作用,樹木就無法存活,在開花和結果等需要大量養分的關頭更是如此,這種時候只要仔細確認日本紅楓的葉子,將能感覺到葉綠素行光合作用活動的跡象。葉子上面延展的葉脈或葉柄端的紅色會轉淡,非常顯眼。果實結果和逐漸成熟時也一樣,可以在變淡的紅色之間突然看見綠色。即便葉子是紅色的,葉綠素還是會在它非常迫切需要養分時活躍起來,無怪乎顯現了綠色。

黃金松的樹葉只有黃色嗎?

日本紅楓是人工選育的品種,但自然狀態下也有樹木不是發綠色的芽,好比名為黃金松(Pinus densiflora ‘Aurea’)的樹木。雖然松樹的葉子一年四季都是綠色,黃金松的葉子卻呈金黃色。黃金松是松樹的品種之一,是相當稀有的樹木,它只有下方呈綠色,整體看來葉子是金黃色的。據說從以前開始,只要天氣乾旱,黃金松的金黃色葉子就會變成褐色,梅雨季則變成綠色,對於觀察氣候十分必要,不過這種說法並無科學根據。儘管如此,據說以前農夫們乾脆叫黃金松「天氣木」。

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非常稀有的黃金松是在自然狀態下也會發金黃色、而不是綠色的芽。

韓國曾經發現幾棵自然狀態下的黃金松,特別是慶尚北道蔚珍郡周仁里的黃金松就被指定為地方紀念物,是一株受到保護的珍貴樹木。這棵黃金松曾是預測氣候的標準,村裡亦相傳若發生戰爭,它的葉子會泛紅。

蔚珍郡周仁里的黃金松和旁邊其他樹木的葉子顏色不同,一眼就能清楚看出來。這棵佇立在斜坡上的樹木已有五十歲左右,由於被指定為文化財,四周圍上了柵欄、被確實地保護著。雖然遠處就見得到它神祕的模樣,但務必近距離觀察。必須仔細觀察葉子,才能得知樹木的祕密,知道樹木如何用金黃色的葉子製造養分、使自己生長。

即便植物圖鑑裡記載「除了葉子的基部,其他都是黃色」,實際上再怎麼觀察,仍然很難說是黃色,非要講的話,比較接近綠色和黃色混合在一起的淡綠色。當然,顏色以針葉來說算特別,但不能說是黃色或金黃色。與其說黃金松的葉子是金黃色的,不如說是以綠色為底,黃色顯現得稍微強一點。

無法丟掉綠色的原因

我們談日本紅楓和黃金松,但擁有紅葉或黃葉的樹木不只這些,尤其是觀賞用的培育品種中,還有不少葉子的顏色相當五彩繽紛。然而,不管是哪種樹木,都無法完全丟掉綠色,因為綠色是葉綠素的顏色,而葉綠素是樹木的生命之窗。

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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
174 篇文章 ・ 38 位粉絲
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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夜間公園運動、臥室擺盆栽,會有害健康嗎?
何宗岳(股素人)_96
・2023/04/17 ・3959字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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編按:此為個人實驗結果,對內容有疑問者可向作者詢問。

自從退休之後,6 年來已習慣晚上到附近公園運動,某日,讀國小四年級的金孫跟我說:「阿公,植物白天光合作用會吸收二氧化碳,晚上會吐出二氧化碳,空氣不好,不要晚上去公園運動啦!」;確實,上網搜尋,有不少類似「夜間公園空氣不好」、「臥室不要擺盆栽」等擴大解讀植物光合作用的文章。

夜間(19 時~22 時)在公園運動的人不少,有慢跑的年輕人、有散步的銀髮族、有跳舞或練功的社團群眾,也有帶小孩玩溜滑梯、盪鞦韆等遊戲的家庭成員,那麼多人在夜間的公園活動;因此,「夜間公園空氣不好(太多二氧化碳),有害健康」的說法,似乎不符合常識邏輯,否則應有大半之慢跑、快走的人,將會休克,叫救護車送醫了。

其次,如果「臥室擺盆栽,有害健康」係金ㄟ,那麼,山上居民豈不會多病或短壽?似乎也不符合常識邏輯;敝宅客廳擺了 6 棵盆栽,N 年來夜間看電視 4 小時,健康損多少?

光合作用的 CO2 及 O2 值可以量測嗎?

網路上可找到許多探討「森林(樹木)的碳吸存」之類的文章,諸如:不同植物(喬木、灌木、草本…)的固碳量、每年每棵樹約可吸收 12kg 的 CO2、一棵成熟樹約可提供一戶 4 口家庭的氧氣需量、植物大約吸收人類排碳量的 29% 等;林務局的網站說:「根據光合作用【森林碳儲存】反應式,林木生物量每增加 1 公噸,可吸收 1.6 公噸的二氧化碳,同時釋放 1.2 公噸的氧氣…」,這些公認的超現實數據,可否簡單地以一棵盆栽樹,來證實光合作用吸多少二氧化碳?釋放出多少氧氣?

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在探討室內空氣品質(Indoor Air Quality)時,有一定的安全參考值,例如:連續 8 小時之二氧化碳 ≦1,000 ppm、一氧化碳 ≦9 ppm、甲醛 ≦0.08 ppm、氧 ≧18%,醫院及百貨商場等公共場所,多設有室內空氣品質監測儀器;顯然,有儀器可以量測二氧化碳、一氧化碳及氧等氣體的具體數值。

為了跟金孫簡單地解釋光合作用的「吸碳排氧」理論,特別花 2 萬多元買了一組可量測空氣中之二氧化碳、氧氣及溫濕度的空氣品質分析儀(Lutron/AQ-9918SD,精確度:CO2±40ppm、O2±0.2%、溫度±0.8℃),分別於正午及半夜,到公園、植物園區及大停車場等場所,量測白天及夜間之 CO2(ppm))和 O2(%) 的變化,並且順便於自己臥室,量測在有、無盆栽狀態下,1 人睡覺時之 CO2 和 O2 的變化,結果卻逆轉「夜間公園運動、臥室擺盆栽,有害健康」的常識

國小的光合作用反應式: 二氧化碳+水     葡萄糖+氧+水

「夜間公園運動、臥室擺盆栽,有害健康」的理論,顯然與植物的光合作用有關,姑且由我們所認知的空氣成份常識談起,在維基百科中可找到如表 1 的空氣成份,例如,標準空氣之 O2 含量為 20.942% 及 CO2 含量為 330ppm(0.033%)等。

呼吸時,吐出最多的氣體是二氧化碳?

首先,以新購之空氣品質分析儀,進行人體呼吸實驗;以鼻吸口吐方式(圖 1),將吸氣吐入密封塑膠袋中,測試紀錄如下表,約經過 3 分鐘後(NO.7),CO2 由正常值之 373ppm 劇升為 15,606ppm 以上,而 O2 由正常值之 21.5% 降為 17.3% 以下(空氣氧含量安全值:≧18%),同時,吐出氣體含水汽,使露點溫度(℃dp)由 18.4℃ 劇升為 22.2℃ 以上(塑膠袋內產生水汽);此證實人體呼吸確實是吸入 O2 而吐出 CO2 及水汽,將儀器探棒取出後(NO.14),CO2 及 O2 含量則逐漸恢復正常(如表 2 所示)。

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圖 1 呼吸測試(夾鏈袋 25*20 cm) 圖/作者提供

由表 2 的數據,如果你以為人體呼吸吐出的氣體中,大多是 CO2 和水汽,那就錯了。依維基百科的資訊,因為鼻子吸入的空氣中,氮佔 78%、氧佔 21%、CO2 佔 0.033%、水汽佔 1.3%,所以,人體吐出的氣體中,體積比最多的依舊是氮氣,約佔 78%(不被需要,又被吐出來)、氧約佔 13%~16%(減少)、CO2 約佔 4%~5.3%(增加)、水汽約佔 5%(增加),以及原被吸入的痕量氣體,又被原封不動的吐出來。

盆栽光合作用的量測值,違反吸碳排氧理論

其次,找一棵種了約 6 年多的鳶尾花戶外盆栽(圖2)做實驗;以透明塑膠袋罩住(圖3),進行光合作用實驗,5 秒記錄 1 筆,持續 25 分鐘,為節省篇幅,僅摘錄每 1 分鐘 1 筆。

如表 3 所示,可看出前 4 分鐘(NO.1~5)之 CO2 值有明顯下降(吸碳),符合光合作用的吸碳理論,但是,O2 值也由 21.4% 降至 20.2% (吸氧而非排氧);然而,自第 5 分鐘(NO.6)開始,CO2 值又逐漸回升至第 25 分鐘(NO.26)的 632ppm(排碳),而 O2 值仍續降至最後的 18.2%(吸氧),亦即自第 5 分開始(NO.6),完全顛覆了植物光合作用的「吸碳排氧」理論

此時,塑膠袋內佈滿霧狀水汽(露點溫度由 20.0℃ 劇升至 35.4℃,即為數據明證),溫度也由起始的 27℃ 升至 56.8℃(如同密閉汽車日曬而溫升至 60℃ 以上一樣)。

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圖 2 戶外鳶尾花盆栽 (直徑 55cm,高 39cm)。 圖/作者提供
圖 3 罩塑膠袋的光合作用實驗。 圖/作者提供

因為「光合作用的吸碳排氧理論」是眾所皆知的知識,筆者不死心,分別於白天(正午)及夜間(深夜),量測灌木欉、喬木園區、大停車場、大稻田及臥室的 CO2 與 O2 值,方法或許不夠嚴謹,但是,若依表 4 的量測值總表,確實無法證明植物光合作用的「吸碳排氧」理論。

表4說明:

  1. NO.1、2、3 是開放空間的量測結果;夜間的 CO2 值均低於白天,且夜間的 O2 值均高於白天,因此,「夜間不宜在公園運動」的常識可能有誤
  2. NO.4 及 5(與植物無關)的量測值,其夜間、白天的 CO2 值及 O2 值互有高低,量測值仍在儀器誤差範圍內;然而,可確定「CO2 值及 O2 值,除了海平面高度與地點因素之外,亦會隨著溫、濕度之變化而改變」。
  3. NO.6 之臥室在有、無盆栽時(圖 4)的量測結果,由 6b 之比值可知,無論有、無盆栽,CO2 值幾乎無變化(無盆栽 66.73%,有盆栽 66.70%),對此結果感到非常詫異。
  4. 重做一次如 NO.7、7a、7b,結果依舊近似,無盆栽為 73.52% 與有盆栽為 71.78%,而 O2 量亦維持減少 0.47%;顯然,「臥室擺盆栽,有害健康」的常識,亦可能有誤
  5. NO.7b 的 CO2 均值,白天(+73.52%)比夜間(+71.78%)高 1.74%,可能出自儀器誤差,或 NO.8 之 CO2 值下降 9.27% 之故。
  6. 為了解 NO.6b 及 7b 的結果是否正確,做一次「臥室無人睡僅擺盆栽」的量測,結果如 NO.8,盆栽在夜間 7 小時中,CO2 量減少了 9.27%,O2 量增加了 4.69%,與植物夜間呼吸作用的「吸氧排碳」理論顛倒。
  7. 因而再做 NO.9 的量測,將盆栽移至臥室南側的窗邊(圖 5,日曬 9:05~14:20),由 9:00 量測至 16:00(7小時),CO2 減少 12.4%,似乎有吸碳功能,但 O2 減少了 1.4%(在儀器誤差內),也不符合植物光合作用的「排氧」理論。
圖 4 夜間擺盆栽(臥室 5.3m*3.2m*3.6mH) 圖/作者提供
圖 5 白天擺盆栽移至窗邊。 圖/作者提供

本文之 10 次量測實驗,均有完整記錄,但限於篇幅,僅能提供如表 4 的總表;在做了數次量測之後,發現即使是同一植物或場所,以同一台儀器量測,可能因(1)陽光強度(雲層厚度)、(2)環境溫濕度、(3)量測方式、(4)取樣時距(10秒、20秒、30秒…)、(5)量測時間(20分、30分、60分、120分…)之不同,而有不同的結果,不過,這五種不同情況的量測誤差,多在 ±3% 之內。

表 4 量測方式之說明例

為了證明筆者確實有做量測實驗,於此說明表 4 NO.7 的量測方式與記錄如下:

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因為(同一地點)空氣中的 CO2 及 O2 值,會隨溫濕度變化而改變,所以,本量測方式,以上床後之前 10 分鐘與醒來離床前 10 分鐘的均值做比較,每 5 分鐘記錄一筆,持續 7 小時,分別做了臥室無盆栽有盆栽之量測;1 人睡覺的 CO2、O2、℃db(溫度)及 ℃dp(露點溫度)的 7 小時記錄值如表 5a、表 5b,不論是無盆栽(表5a)或有盆栽(表5b),CO2 值均呈緩緩上升的趨勢,而 O2 值均只降了 0.1%,仍在儀器誤差範圍內,無法證明 O2 值是增加或減少。

將表 5 的量測記錄,轉換為趨勢圖,可看出在無盆栽及有盆栽的 7 小時量測期間,雖然兩者的起始值不同,但是,CO2 值均呈緩緩上升的趨勢,且兩者之線性(y=ax+b)迴歸分析的斜率(a)幾乎相同,因此,可證明夜間臥室擺盆栽,不會增加 CO2 量,亦即無法證明「臥室擺盆栽,有害健康」的常識為真。

圖 6 臥室有、無盆栽之 CO2 值量測記錄趨勢。圖/作者提供

結語

樹葉真有能力分解空氣,只吸收空氣中僅佔約 400ppm 的 CO2,而不吸入空氣中的其他成分氣體?光合作用的「吸碳排氧」理論,是否被過度解讀?由前述的人體呼吸實驗,正確的說法,是否應為「吸入空氣僅部份的 CO2 被吸收,而有部份的 CO2 和不被需要的氮氣、氧氣等均被吐出」?

筆者非植物專家,僅是一位秉持常識邏輯思考原則的退休工程師;本文之 10 種場合的量測樣本數仍嫌不足,不宜此結果下定論;但是,量測結果不符合植物「光合作用」的「吸碳排氧」理論,無法給金孫一個合理的解釋,反而搞混她在學校所學的「光合作用」知識,希望有專家賜教,指正本文之錯誤或做合理的說明。

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何宗岳(股素人)_96
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何宗岳,1950 年雙子座。 美國Memphis大學機械碩士、甲級冷凍空調技術士、機械技師及冷凍空調技師高考及格,50年冷凍空調經歷;有11本冷凍空調書籍、8項專利及3套空調工程設計軟體,並提供空調負荷、水管壓損及風管壓損之免費線上計算器https://www.hvacnr.com.tw/。65歲轉斜槓作家(筆名股素人),曾6次上電視財經台節目談理財,有ETF攻略筆記、財務自由初學指引、拒當下流老人的退休理財計劃、不當肥羊,聰明買保險!等9本投資理財書及台海對抗黑皮書(寓言小說)。終身學習理念:廣泛精讀、邏輯思考、比較分析、檢討改善。