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葉綠體的升級版?光合作用更佳化的奈米管葉綠體

Candace
・2014/06/24 ・1182字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 560 ・八年級

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葉綠體(chloroplasts)是如何完成它們神奇的工作呢?植物胞器吸收來自太陽的光能,將光能轉變為化學能,最終將化學能像積木般累積起來後,用來合成葡萄糖,做為植物能量的來源,同時這些植物也為動物提供能量。

雖然葉綠體可如煉金術般,合成出許多能量,但它就像所有其他的胞器,這些葉綠體,畢竟都是小小的機器。現在看來,為了提供更有效率的生產,他們理當要進行升級改造。

研究人員正使用的近紅外顯微鏡來讀取嵌入在阿拉伯芥植物中的碳納米管傳感器的輸出。
研究人員正使用的近紅外顯微鏡來讀取嵌入在阿拉伯芥植物中的碳納米管傳感器的輸出。(Photo Credit: Bryce Vickmark)

發表在Nature Materials的一篇論文上提到,在美國麻省理工學院的化學工程師們發現,當注射單壁碳奈米管(single-walled carbon nanotubes,SWNTs)於葉綠體之後,可以誘導出比一般情況更有效的光合作用,包含增加三倍光合活性(photosynthetic activity),提高最大電子傳遞速率(maximum electron transport rates)。

光合作用的第一階段,俗稱「光反應」,包括色素的激發與多個光系統間的電子連續傳遞。研究人員使用電子流當作光合作用速率的測量,結果發現,碳奈米管可以增加49%的電子流。

葉綠素(Chlorophyll)是普遍存在於葉綠體內的一種色素,只能吸收介於400~500奈米和600~700奈米範圍的光線--僅佔光線中的一小部分,進入植物內。雖然研究人員無法提出解釋為何碳奈米管可以提高葉綠體的效率,團隊推論可能碳奈米管使得植物的可吸收的光譜範圍變寬。因為單壁碳奈米管已知可以吸收光源中的紫外線,可見光和近紅外光譜。

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麻省理工學院的工程師寫道:「提高光合作用效率,可能需要增加吸收太陽能光的吸收範圍,尤其是近紅外光譜範圍內,因為近紅外光能夠更深的穿透到生物體。」而他們最成功的一項報告是將葉綠體從植物中移除後,讓碳奈米管直接注入胞器內。

在另一項實驗中,研究人員試圖找到一種方法將碳奈米管傳遞到活的植物體內。為了做到這一點,他們開發出一種新的技術叫做脂質交換滲透膜(lipid exchange envelope penetration)。基本上,他們利用水溶液相的奈米管,透過葉下表面的氣孔吸收,而且在碳奈米管加上帶負電荷的DNA,讓通過葉綠體脂質膜的可能性提升。當他們導入這種技術在活的植物體內後,發現葉綠體接收僅比正常增加30%的光合作用效率,但這種傳輸技術已經算是一種新的突破。

根據此原理,研究人員正著手將植物細胞包覆一種可保護不受光的照射而產生有害影響的顆粒物質,並改用另一種已證明對一氧化氮敏感的碳奈米管。有了這樣的技術,化學工程師將來可開發出利用植物作為汙染源檢測的技術。事實上,研究人員相信他們的工作成就,已建立了一個全新的領域,叫做植物奈米仿生(plant nanobionics)。

資料來源:

  1. Bionically Enhanced Chloroplasts Boost Photosynthesis and Spawn a New Field. IEEE [March 17, 2014]
  2. Plant nanobionics approach to augment photosynthesis and biochemical sensing. Nature Materials [March 21, 2014]

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Candace
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PanSci兼任編輯|Finding Neverland 擁有科學夢的謎樣女性(?) 小時看十萬個為什麼,長大唸了生醫領域碩班, 正職養貓,興趣多元。 個性古靈精怪,樂於分享著迷的事物,收藏奧妙的小東西。 夢想有一天能對人類社會和醫學有所貢獻。

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/11/01 ・2113字 ・閱讀時間約 4 分鐘

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鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
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數學藏在哪裡?絕對難不倒你!隱藏在植物中的「費布納西數列」——《生物世界的數學遊戲》
天下文化_96
・2022/10/24 ・1626字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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大多數植物和費布納西數列有密不可分的關係

生物世界的數學本質,在植物王國裡更能顯現出美麗而神祕的形式。

在《論生長與形態》這部書裡,有一整章就是在專門討論植物與眾不同的幾何學及數術,諸如葉子沿著莖的排列、花朵裡形成的奇特螺線模式(圖十一),以及花瓣的數目等等。這部分所隱含的數學真的很奇特。

在絕大多數的情形下,植物的結構牽涉到一串被稱為「費布納西數列」(Fibonacci sequence)的有趣數字:

1、2、3、5、8、13、21、34、55、89、144……

呈現出費布納西數列的巨大向日葵 Helianthus maximiliani。圖十一/天下文化

費布納西數列的規則

費布納西數列本身就有漂亮的模式:

從「3」以後的每一項,都是前兩項的和,例如 55=34+21。

這個數列,是比薩的雷奧納多(Leonardo of Pisa,約 1170-1250)在 1202 年所創。雷奧納多是位偉大的數學家,偶然發現了印度人與阿拉伯人所發明的新記數法,不同於當時通用的羅馬記數法;在這兩種系統中,相同的符號若放在不同的位置,可能代表著不同的意義:以費布納西數列裡的 55 為例,第一個 5 代表「50」,而第二個則代表「5」。

雷奧納多為阿拉伯記數法,寫下一部劃時代的專書。圖/Wikipedia

雷奧納多為印度——阿拉伯記數法,寫下一部劃時代的專書,於是西方世界便將現行的算術體系,歸功於他的大力推廣。

十八世紀的法國數學家李布里(Guillaume Libri),給了他一個綽號「費布納西」(Fibonacci),由於這個綽號一直廣為沿用,所以讓大多數人誤以為是十二、十三世紀就存在的名字(Fibonacci 一字原文的意思是 son of Bonacci,Bonacci 是他父親的名字)。

費布納西的兔子謎題

此外,費布納西也設計出一套「兔子謎題」,問題是這麼說的:假定現在是第零個飼育季,我們剛好有一對未成熟的兔子,而兔子經過一季的時間就可以成熟。

再假定每對成熟的兔子,每一季可以生出恰好一對未成熟的兔子,也一樣要花一季的時間才能成熟。最後我們假設兔子不會死。

兔子謎題:在設定的條件下,每一季會有多少對兔子?圖/Pixabay

那麼每一季會有多少對兔子? 此問題的結果是,在接下來各季,兔群的數目將依循費布納西數列——而且有大量的重要數學,繼續從這個簡單的發現發展出來。然而,真正的兔群並不會按照費布納西的模型,如果實際去數兔子數目,你不會發現明顯的費布納西數。

花草的世界中也藏著許多費布納西數

但是,如果去數花的花瓣、萼片、雄蕊及其他部分,你就能找到這些數。例如,百合有三個花瓣,毛莨有五瓣,飛燕草有八瓣,金盞花十三瓣,紫菀二十一瓣,而多數的雛菊有三十四瓣、五十五瓣或八十九瓣,除了這些數目之外,沒有其他任何數目會出現得那麼頻繁。

費布納西數也隱藏在向日葵所呈現的模式裡,如果仔細看圖十一,你會看到兩組螺線,一組呈順時鐘方向,另一組是逆時鐘。

現在如果請你數數看每一組各有多少螺線,你會發現兩組的答案都是費布納西數。圖/Pixabay

現在如果請你數數看每一組各有多少螺線,你會發現兩組的答案都是費布納西數。

——本文摘自《生物世界的數學遊戲》,2022 年 9 月,天下文化,未經同意請勿轉載。

天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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什麼!樹木也能分陰、陽?這到底是風水還是植物學啊?——《聆聽樹木的聲音》
麥田出版_96
・2022/08/30 ・2618字 ・閱讀時間約 5 分鐘

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  • 作者/詹鳳春

樹的光飽和點:陽樹比陰樹更需要陽光

樹木主要可分為陰樹、陽樹及中性樹。所謂陽樹,即偏好日照,當日照不充足便容易枯損衰弱。反之,即使日照不充足也可以健全生長,稱為陰樹。還有介在陰樹與陽樹之間,稱為中性樹。

植物的葉子進行生命維持活動。對植物而言,光為生存的能量,如同動物攝取食物般的重要。換句話說,能否取得充分的日照為樹木的死活問題。

葉子為了收集光照,在葉的構造內也下了不少的功夫。常見葉大且薄,在葉的背後及內側可有效的收集光照。葉表面附著了一層薄膜的角質層,除了讓水分難以透過以外,還可防止葉表蒸發,保護葉內組織。

櫻花樹是陽樹,日照需求高。圖/Wikipedia

自葉的生理角度來看,陰樹與陽樹的最大差異,在於光飽和點光合作用速度不同。一般光照量的最高限度,稱為光飽和點。因此日照需求度高的樹木為陽樹,能耐日蔭為陰樹。

陰陽特質的掌握,有助於適地適木的配植。例如櫻花樹(陽樹)的光飽和點高,受到強光而不斷增加光合作用量,當光照變弱時光合作用量也隨之降低,長期下來影響櫻花樹的生長。

樹木陰陽的差異並沒有明確基準,如一天必須要達到多少小時才能存活?這是隨著原生地的環境,以及培育經驗法則所分類。樹木的成長,是隨著光照強度性質而改變。

例如,幼木時可以在林蔭弱光環境下生長,長大為成木對光的需求也慢慢增大。相對的,需要強光生長為陽樹,周邊若有高大喬木環境時生長受阻,而陰樹即使周邊有大樹也可生長。

一般陽樹多為落葉樹種,因生長快速,樹幹易粗大且短命趨勢。相對的陰樹多為常綠樹種,生長慢,壽命也較長。

除了樹種外,葉子也可分為陰葉、陽葉

此外葉子也可區分陰葉及陽葉;陽葉受到強光,光合作用量增加,陰葉則是利用較弱的光照度進行光合作用。

對樹木而言,最適切的光照度為晴朗的上午,午後的西曬通常帶給部分樹種生長阻礙。路邊常見的紫薇,當夏季午後受到強烈西曬、高溫過熱,反而光合作用量頓時減少。過於高溫時,葉內含水量隨之減少,葉內的氣孔關閉後便無法呼吸交換而影響光合作用。

都市行道樹的日照條件也決定樹木生死,受到各方高樓環抱而遮蔽日照,光合作用也會受到影響。尤其當陽樹日照不充分時生長容易出現阻礙,即使為耐陰的山茶花、冬青也會出現樹勢低下及開花不良、病蟲害等問題。

路邊常見的紫薇,若受到強烈日照,反而會減少光合作用量。圖/Wikipedia

一片葉子的生命有多長?

針葉樹與闊葉樹的葉型,表現出樹木存活的戰略。

常見的針葉樹種柳杉、松樹等為常綠樹種,葉子細長、如針狀。這是為了取得更多的日照得以行光合作用,並不斷的往上生長。藉由向上生長與其他植物相互競爭,取得日照。

雖然稱為常綠樹,但也並非不落葉。尤其光合作用效率變低後,老葉陸續落葉並與新葉進行交替更新。樹木為了維持葉子也需要充分的養分,除了蓄積於枝條、樹幹以外,也儲藏於針葉樹葉內。

一般常綠樹的葉子壽命平均一到兩年,松樹的葉子甚至二到十年的也有。常綠樹的壽命,取決於環境。即使相同種,也會因日照、降雨量、土壤環境的不同而出現差異。

當環境要素越是不良時,葉子的壽命也就越長。簡單說,光合作用效率變低,養分的回收期間也就更長,而葉子的壽命也變長。一般熱帶地區的常綠樹,多數葉子的壽命為三個月。

即使先天抽了一張好牌,沒有好的成長環境也是枉然

樹木的生長條件之中,氣溫扮演著非常重要的角色。例如:將暖地生長的樹木種植於寒冷地,易受寒害,葉子變黑、枯死。相反的,習慣寒冷地的樹木若種植於暖地時,就容易出現新芽生長停頓等現象。

諸如此類的現象,可以說是樹木各自的生理特徵。

梨子在冬季容易受到寒害,造成葉子變黑、枝幹枯死。圖/台中市政府

樹木以根系吸收養水分,枝葉進行光合作用並製造能量。暖地或喜日照的樹木,光合作用能力非常旺盛,所製造的糖直接被樹體吸收使用,而水及空氣自葉的氣孔排出為蒸散。

就另一個角度來看;當氣溫升高時,蒸散旺盛而葉溫也隨之下降。而蒸散旺盛也會讓樹木失去大量水分,甚至引起脫水狀態。

因此,樹木為了維持本身機能平衡,配合氣候進行生理活動。例如:熱帶雨林的樹木行光合作用時,根系需要吸收大量水分;而沙漠的植物幾乎處於冬眠,受到強烈熱氣後關閉氣孔,將水分儲存於體內等。

生活在都市裡的樹木,面對了哪些壓力?

樹木面對各式各樣環境要素,其生活樣式也不同。然而這樣的生活並非一朝一夕,而是經過不斷演變而獲得的機能。當環境突然改變時,樹木當然也面對很大的生長壓力。

行道樹面對的都市環境,如水泥、柏油等人工基盤,引起的高溫化要比郊外氣溫還高,遠遠不同於自然環境生長的樹木。

那些生存在都市內的行道樹和景觀樹,它們面臨的氣候環境,又是截然不同的情況了。圖/Pixabay

面對嚴峻的都市微氣候環境,水分吸收為生存的關鍵要素之一。當水分不充足,直接反映於蒸散的受阻。而通風不良時,枝葉蒸散也容易出現病蟲害。

相對的,風過大反而帶給樹木物理損傷,同時引起土壤蒸散、落葉等問題。尤其長期遭受東北季風吹襲,因低溫使根系衰弱無法吸收水分,間接影響蒸散能力。行道樹受到大樓風影響也容易出現落葉、枝條斷裂、傾倒等災害,其環境因素直接影響樹木生理。

——本文摘自《聆聽樹木的聲音》,2022 年 7 月,麥田出版

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麥田出版_96
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1992,麥田裡播下了種籽…… 耕耘多年,麥田在摸索中成長,然後努力使自己成為一個以人文精神為主軸的出版體。從第一本文學小說到人文、歷史、軍事、生活。麥田繼續生存、繼續成長,希圖得到眾多讀者對麥田出版的堅持認同,並成為讀者閱讀生活裡的一個重要部分。