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調適兼減碳的新農業型態

陳 慈忻
・2013/07/20 ・1855字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 574 ・九年級

2013年7月11日,蘇力颱風進逼台灣,全台各地能用上的採收機具全都有如派上戰場,農民們把握時間搶救颱風侵襲前的收穫,這不僅是減少生產者的損失,也同時影響市場價格,以及風災後消費者能否買到足量的食材。民以食為天,如何面對氣候變遷及災難,是當今農業的重要課題。

從新竹坐上內灣線的火車,往東的第1站就是千甲,千甲里位於新竹市區和鄉間的交界處,陳建泰就在這裡找尋科技與農業的交會點。

外貌憨厚老實的陳大哥和幾個原住民朋友聊著天,很難想像他原是工研院的研究員,他說,糧食是世界上所有人的共同交集,每個人都在工作以換取食物,而一個自給自足的社區,也同時可能是面臨全球氣候變遷下具有調適力、永續性的生活型態。

迎向氣候變遷 從CBA到CSA 

Community-supported agriculture@wikipedia
Community-supported agriculture@wikipedia

早期聯合國簽訂京都議定書,將因應氣候變遷的工作著重在「減碳」項目上,但是人類漸漸發現這種根除氣候變遷的行動已不及阻擋它帶來的影響,2009年的哥本哈根會議(COP15),更正視氣候變遷的「調適」問題,強調人類需要一種生活型態,在經濟、文化、教育等層面,有足夠的韌度能夠面對極端氣候,以社區為基礎的調適策略(community-based adaptation,CBA)在這樣的國際情勢下被提出來。

台灣2012年的糧食自給率為30.6%,雖然此一計算方式及其代表的意義尚有爭議,但大型災害影響運輸系統正常運作,即使食物生產本身未受災害本身傷害,取得方式也會受到威脅。「社區支持型農業」(community supported agriculture,CSA)目的就是縮短生產與消費的距離,確保緊急情況之下的基本需求足以自立。到底CSA要怎麼做呢?

社區的意義包含了兩個社區,一是生產的社區,二是消費群體的社區,兩者之間的距離要近,簽訂以年為單位的契約,讓消費者與生產者共同承擔生產風險。透過小規模、可持續性的生態農業,每個月配「定量、不定種類」的當季新鮮蔬果,保證食材的新鮮、安全,而非一般市場最在乎的農產品長相好壞。2009年的研究《Small Scale Sustainable Farmers Are Cooling Down The Earth》指出,這樣的生態農業生產模式,比起工業化的農作模式,在10年內有望將生產量加倍。

除了調適 更能實踐減碳的新生活模式

陳大哥指出,社區支持型農業不只是種具有調適能力的生活型態,也同時對工業化農業的反省,而能夠減少碳排放量的農業型態。不單純只是訴求「回到過去」,而是結合密集的農業知識、策略,以及新興科技的新農業型態。

首先,社區支持型農業的消費者以社區為單位,而非散客客戶,只要三到五個社區,就有一百個家庭的消費者,可以減少生產者分散運送的時間成本,也同時減少碳足跡,以千甲里的生產社區、和工研院的消費社區為例,原先工研院職員的食材碳足跡為216公里,大約是雲林到新竹的距離,然後CSA計畫開始執行後,平均碳足跡降為8公里,足足相差了27倍。

第二,陳大哥透過「厚土法」模擬森林生態系的狀況,由下而上分為3層,基層是由枯落物組成,為天然的肥料,中層是由雜草組成的遮蔽層,具有遮蔽陽光、保濕土壤的功能;上層即蔬菜層,可以吸收到最多的陽光。化肥是農業排放溫室氣體的主要來源,由於含氮肥料會釋放出氧化亞氮(N2O, 一氧化二氮)氣體,其溫室效應約為二氧化碳的296倍,微生物的環境經營可以促使農田生態系自營產生肥力,是生態農業減少化肥使用的關鍵之一。

第三,藉由「稻穀殼碳化」減少化肥生產過程中使用的化石燃料。稻穀殼碳化是將穀殼進行「熱裂解」的過程,也就是在高溫、缺氧的環境下分解有機物,生產的碳化穀殼具有孔隙多、吸附力強等特性,可以保有肥力,陳大哥使用稻穀殼碳化後,使用的化肥只有傳統農法的三分之一。

最後,「混種」是生態農業的精隨,過去大面積的單一作破壞了自然生態的多樣性,生產過程因此需要化學產品去避免蟲害、維繫作物生長,而CSA藉由混種,即便農場規模小,也能夠提供消費社區不同的食材,並且以生態多樣性的力量取代化學藥劑使用。

人類同時面對慾望和自然界的限制,除了討論「開源」的適切方式,如何可能達成「節流」也是重要的課題,CSA正在台灣實踐1條減碳與調適的路,也是在災難頻仍下仍能確保糧食安全的好方法。

延伸學習:

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!


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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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