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從哈伯法開始說起……

葉綠舒
・2014/10/07 ・1949字 ・閱讀時間約 4 分鐘 ・SR值 515 ・六年級

自從幾年前開始教通識課以後,對於許多課程要怎麼教,開始有了不同的想法。怎麼說呢?一般專業課程總是強調「專業」,舉個例子好了,學過國高中化學的同學應該都知道哈伯法(Haber-Bosch Process),在高溫高壓下以鐵粉做為催化劑將氮氣與氫氣轉化為氨(ammonia):

N2(g) + 3H2(g) → 2NH3(g) (反應為可逆反應)    ΔHo, 反應熱為-92.4 kJ/mol。
 

通常化學課的時候,老師只會提到,因為氮氣(N2)的兩個氮原子之間是三鍵,所以要打開氮氣很不容易;因此不但要用高溫高壓,還要用鐵粉當催化劑…

然後?就沒有了。講完了。

但是,哈伯法偉大的地方就只是這樣嗎?哈伯(Fritz Haber)因為發明了這個方法,得到1918年的諾貝爾化學獎。難道就是因為他成功的打斷了氮-氮三鍵而已嗎?

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哈伯(Fritz Haber),圖片來源:wiki
哈伯(Fritz Haber),圖片來源:wiki

當然不是。哈伯法的重要性在於,從此人類打開了以人工提高作物產量的大門,農作物的產量從此大大的提高。

當然,產量提高其實也是有限度的,在植物的營養上,有個名詞叫做「關鍵濃度」(critical concentration)。當土壤中的養分低於這個濃度時,植物的生長與養分的濃度成正比;超過這個濃度以後,植物的生長跟養分的濃度就不成正比了,也就是說,用再多也沒有明顯的效果。

但是,在過去只能使用天然肥料(動物的屍體、糞尿、植物的落葉等)的時代,由於天然肥料必需要等待微生物分解(這部分在堆肥時已經大致完成),再經過土壤中的微生物將其中含氮成分分解為硝酸根(nitrate,NO3-)與銨離子(NH4+)後,才能為植物所吸收,因此效果緩慢。加上為了方便起見,農人們總是會以單作(monoculture)的方式來種田,這種在大片的土地上種植單一作物的方式,很容易會使土壤缺少某些特定的養分(尤其是氮與磷),所以在哈伯法還沒有出現以前,要提高土壤內的氮濃度,除了使用天然肥料之外,就只剩下使用綠肥,或是與豆科植物輪作了。

但是,這些方法,都不能使土壤中的氮的濃度超過關鍵濃度;因此,當哈伯法出現之後,農夫將化學肥料施放在田裡,立刻有了奇效–農作物的產量大大的提升。加上育種改良以及殺蟲劑、除草劑的使用,20世紀小麥與稻米的產量提升了8-10倍(平均產量是4倍)。

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但是哈伯法對於科學界的貢獻,並不僅僅在於農作物產量的提升;在哈伯發明化學固氮之前,一直有一派學說認為,這些在生物體中的化合物,只有生物才能合成(也就是所謂的生機論Vitalism)。雖然生機論在科學上的地位在1828年在維勒(Friedrich Wöhler)合成尿素以後,已經岌岌可危;但是直到哈伯法出現以後,生機論才不再被提起。

但是哈伯法對全人類最大的貢獻,還是在於:從此想要多少氮肥,就可以製作多少氮肥。雖然在十九世紀Sach等人的研究,已經使大家了解,要能夠正常的生長與繁殖,植物需要17種元素(稱為必需元素essential element);但是其中最關鍵的氮與磷,卻始終無法足量提供給植物。

但是,大量的施放氮肥,卻造成了另一個效應:死亡海域(Dead zone)。

死亡海域最早出現在1970年代。由於化肥的大量施用早在1930年代就開始了,因此也花了一些時間去釐清到底是怎麼回事。簡單來說就是,大量施放氮肥(主要是硝酸根)與磷肥(磷酸根)到土壤中,但是土壤主要是由矽酸鋁顆粒構成,也是帶負電的,所以同性相斥使得氮與磷無法久留在土壤中,很容易隨著雨水、灌溉水流到附近的湖泊與河流裡,最後流到海裡。

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當海裡的氮與磷濃度上昇以後,造成藻類大量生長,形成藻華(algae bloom);藻華隔絕了水下植物的陽光,使得水下植物開始死亡;植物的死亡與分解吞噬了水中的氧氣,接著動物開始死亡…然後就是死亡海域。

由於慣行農法的單作、密植,使得化肥成為農業的必要之惡;所以死亡海域一直都是難以解決的問題。2008年的統計,全球的死亡海域共有405個點;而死亡海域的「熱區」集中在人煙稠密的北半球。

全球死亡海域熱區。圖片來源:wiki
全球死亡海域熱區。圖片來源:wiki

而施放化肥加上灌溉,除了造成死亡海域之外,又會使得土壤酸化、鹽化。雖然哈伯法似乎在短時間內提高了農作物的產量,養活了許多人(這可以由1940年代開始,世界人口急速上昇看出來);

世界人口增長速度。圖片來源:wiki
世界人口增長速度。圖片來源:wiki

但是,哈伯法所造成的副作用,包括死亡海域、土壤酸化、鹽化,以及因為人口大幅增長造成土地大量被開發的生態破壞等等…究竟是功是過呢?其實科學家發明了新技術,而這個新技術在大量被使用之後,產生了意想不到的變化,我想這也是當初哈伯始料未及的吧!

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本文轉載自作者部落格

參考資料:

  1. Taiz and Zeiger, Plant Physiology, 5th ed.
  2. Laurance Mee. 拯救死亡海域。2006。科學人。
  3. Wikipedia. World populationDead zone.
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葉綠舒
262 篇文章 ・ 9 位粉絲
做人一定要讀書(主動學習),將來才會有出息。

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ECU: 汽車大腦的演化與挑戰
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2025/07/02 ・3793字 ・閱讀時間約 7 分鐘

本文與 威力暘電子 合作,泛科學企劃執行。

想像一下,當你每天啟動汽車時,啟動的不再只是一台車,而是一百台電腦同步運作。但如果這些「電腦」突然集體當機,後果會有多嚴重?方向盤可能瞬間失靈,安全氣囊無法啟動,整台車就像失控的高科技廢鐵。這樣的「系統崩潰」風險並非誇張劇情,而是真實存在於你我日常的駕駛過程中。

今天,我們將深入探討汽車電子系統「逆天改運」的科學奧秘。究竟,汽車的「大腦」—電子控制單元(ECU),是如何從單一功能,暴增至上百個獨立系統?而全球頂尖的工程師們,又為何正傾盡全力,試圖將這些複雜的系統「砍掉重練」、整合優化?

第一顆「汽車大腦」的誕生

時間回到 1980 年代,當時的汽車工程師們面臨一項重要任務:如何把汽油引擎的每一滴燃油都壓榨出最大動力?「省油即省錢」是放諸四海皆準的道理。他們發現,關鍵其實潛藏在一個微小到幾乎難以察覺的瞬間:火星塞的點火時機,也就是「點火正時」。

如果能把點火的精準度控制在「兩毫秒」以內,這大約是你眨眼時間的百分之一到千分之一!引擎效率就能提升整整一成!這不僅意味著車子開起來更順暢,還能直接省下一成的油耗。那麼,要如何跨過這道門檻?答案就是:「電腦」的加入!

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工程師們引入了「微控制器」(Microcontroller),你可以把它想像成一顆專注於特定任務的迷你電腦晶片。它能即時讀取引擎轉速、進氣壓力、油門深度、甚至異常爆震等各種感測器的訊號。透過內建的演算法,在千分之一秒、甚至微秒等級的時間內,精準計算出最佳的點火角度,並立刻執行。

從此,引擎的性能表現大躍進,油耗也更漂亮。這正是汽車電子控制單元(ECU)的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)。

汽車電子控制單元的始祖—專門負責點火的「引擎控制單元」(Engine Control Unit)/ 圖片來源:shutterstock

ECU 的失控暴增與甜蜜的負荷

第一顆 ECU 的成功,在 1980 年代後期點燃了工程師們的想像:「這 ECU 這麼好用,其他地方是不是也能用?」於是,ECU 的應用範圍不再僅限於點火,燃油噴射量、怠速穩定性、變速箱換檔平順度、ABS 防鎖死煞車,甚至安全氣囊的引爆時機……各種功能都交給專屬的 ECU 負責 。

然而,問題來了:這麼多「小電腦」,它們之間該如何有效溝通?

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為了解決這個問題,1986 年,德國的博世(Bosch)公司推出了一項劃時代的發明:控制器區域網路(CAN Bus)。你可以將它想像成一條專為 ECU 打造的「神經網路」。各個 ECU 只需連接到這條共用的線路上,就能將訊息「廣播」給其他單元。

更重要的是,CAN Bus 還具備「優先通行」機制。例如,煞車指令或安全氣囊引爆訊號這類攸關人命的重要訊息,絕對能搶先通過,避免因資訊堵塞而延誤。儘管 CAN Bus 解決了 ECU 之間的溝通問題,但每顆 ECU 依然需要獨立的電源線、接地線,並連接各種感測器和致動器。結果就是,一輛汽車的電線總長度可能達到 2 到 4 公里,總重量更高達 50 到 60 公斤,等同於憑空多載了一位乘客的重量。

另一方面,大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。更別提這些密密麻麻的線束,簡直是設計師和維修技師的惡夢。要檢修這些電子故障,無疑讓人一個頭兩個大。

大量的 ECU 與錯綜複雜的線路,也讓「電子故障」開始頻繁登上汽車召回原因的榜首。/圖片來源:shutterstock

汽車電子革命:從「百腦亂舞」到集中治理

到了2010年代,汽車電子架構迎來一場大改革,「分區架構(Zonal Architecture)」搭配「中央高效能運算(HPC)」逐漸成為主流。簡單來說,這就像在車內建立「地方政府+中央政府」的管理系統。

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可以想像,整輛車被劃分為幾個大型區域,像是車頭、車尾、車身兩側與駕駛艙,就像數個「大都會」。每個區域控制單元(ZCU)就像「市政府」,負責收集該區所有的感測器訊號、初步處理與整合,並直接驅動該區的馬達、燈光等致動器。區域先自理,就不必大小事都等中央拍板。

而「中央政府」則由車用高效能運算平台(HPC)擔任,統籌負責更複雜的運算任務,例如先進駕駛輔助系統(ADAS)所需的環境感知、物體辨識,或是車載娛樂系統、導航功能,甚至是未來自動駕駛的決策,通通交由車輛正中央的這顆「超級大腦」執行。

乘著這波汽車電子架構的轉型浪潮中, 2008 年成立的台灣本土企業威力暘電子,便精準地切入了這個趨勢,致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台。他們專精於開發電子排檔、多功能方向盤等各式汽車電子控制模組。為了確保各部件之間的溝通順暢,威力暘提供的解決方案,就像是將好幾個「分區管理員」的職責,甚至一部分「超級大腦」的功能,都整合到一個更強大的硬體平台上。

這些模組不僅擁有強大的晶片運算能力,可同時支援 ADAS 與車載娛樂,還能兼容多種通訊協定,大幅簡化車內網路架構。如此一來,車廠在追求輕量化和高效率的同時,也能顧及穩定性與安全性。

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2008 年威力暘電子致力於開發整合 ECU 與區域控制器(Domain Controller)功能的模組化平台 /圖片來源:shutterstock

萬無一失的「汽車大腦」:威力暘的四大策略

然而,「做出來」與「做好」之間,還是有差別。要如何確保這顆集結所有功能的「汽車大腦」不出錯?具體來說,威力暘電子憑藉以下四大策略,築起其產品的可靠性與安全性:

  1. AUTOSAR : 導入開放且標準化的汽車軟體架構 AUTOSAR。分為應用層、運行環境層(RTE)和基礎軟體層(BSW)。就像在玩「樂高積木」,ECU 開發者能靈活組合模組,專注在核心功能開發,從根本上提升軟體的穩定性和可靠性。
  2. V-Model 開發流程:這是一種強調嚴謹、能在早期發現錯誤的軟體開發流程。就像打勾 V 字形般,左側從上而下逐步執行,右側則由下而上層層檢驗,確保每個階段的安全要求都確實落實。
  3. 基於模型的設計 MBD(Model-Based Design) 威力暘的工程師們會利用 MatLab®/Simulink® 等工具,把整個 ECU 要控制的系統(如煞車),用數學模型搭建起來,然後在虛擬環境中進行大量的模擬和測試。這等於在實體 ECU 誕生前,就能在「數位雙生」世界中反覆演練、預先排除設計缺陷,,並驗證安全機制是否有效。
  4. Automotive SPICE (ASPICE) : ASPICE 是國際公認的汽車軟體「品質管理系統」,它不直接評估最終 ECU 產品本身的安全性,而是深入檢視團隊在軟體開發的「整個過程」,也就是「方法論」和「管理紀律」是否夠成熟、夠系統化,並只根據數據來評估品質。

既然 ECU 掌管了整輛車的運作,其能否正常運作,自然被視為最優先項目。為此,威力暘嚴格遵循汽車業中一本堪稱「安全聖經」的國際標準:ISO 26262。這套國際標準可視為一本針對汽車電子電氣系統(特別是 ECU)的「超嚴格品管手冊」和「開發流程指南」,從概念、設計、測試到生產和報廢,都詳細規範了每個安全要求和驗證方法,唯一目標就是把任何潛在風險降到最低

有了上述這四項策略,威力暘確保其產品從設計、生產到交付都符合嚴苛的安全標準,才能通過 ISO 26262 的嚴格檢驗。

然而,ECU 的演進並未就此停下腳步。當ECU 的數量開始精簡,「大腦」變得更集中、更強大後,汽車產業又迎來了新一波革命:「軟體定義汽車」(Software-Defined Vehicle, SDV)。

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軟體定義汽車 SDV:你的愛車也能「升級」!

未來的汽車,會越來越像你手中的智慧型手機。過去,車輛功能在出廠時幾乎就「定終身」,想升級?多半只能換車。但在軟體定義汽車(SDV)時代,汽車將搖身一變成為具備強大運算能力與高速網路連線的「行動伺服器」,能夠「二次覺醒」、不斷升級。透過 OTA(Over-the-Air)技術,車廠能像推送 App 更新一樣,遠端傳送新功能、性能優化或安全修補包到你的車上。

不過,這種美好願景也將帶來全新的挑戰:資安風險。當汽車連上網路,就等於向駭客敞開潛在的攻擊入口。如果車上的 ECU 或雲端伺服器被駭,輕則個資外洩,重則車輛被遠端鎖定或惡意操控。為了打造安全的 SDV,業界必須遵循像 ISO 21434 這樣的車用資安標準。

威力暘電子運用前面提到的四大核心策略,確保自家產品能符合從 ISO 26262 到 ISO 21434 的國際認證。從品質管理、軟體開發流程,到安全認證,這些努力,讓威力暘的模組擁有最高的網路與功能安全。他們的產品不僅展現「台灣智造」的彈性與創新,也擁有與國際大廠比肩的「車規級可靠度」。憑藉這些實力,威力暘已成功打進日本 YAMAHA、Toyota,以及歐美 ZF、Autoliv 等全球一線供應鏈,更成為 DENSO 在台灣少數核准的控制模組夥伴,以商用車熱系統專案成功打入日系核心供應鏈,並自 2025 年起與 DENSO 共同展開平台化量產,驗證其流程與品質。

毫無疑問,未來車輛將有更多運作交由電腦與 AI 判斷,交由電腦判斷,比交由人類駕駛還要安全的那一天,離我們不遠了。而人類的角色,將從操作者轉為監督者,負責在故障或斷網時擔任最後的保險。透過科技讓車子更聰明、更安全,人類甘願當一個「最弱兵器」,其實也不錯!

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整個宇宙都是我的動物園?——歡迎進入「天文化學」的思考領域
ntucase_96
・2021/09/24 ・3150字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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  • 撰文|許世穎

本文轉載自 CASE 科學報整個宇宙,都是我的動物園——天文化學

整個宇宙就像是一座「分子動物園」,藉由研究的分子光譜,我們可以得知這分子的分佈、溫度等性質;而由於不同的分子有著不同的「習性」,我們還可以得知孕育這些分子的星際環境。

要了解星際環境,可以從透過分子開始!圖/ESA/Hubble, CC4.0

天文化學是什麼?

天文學是研究宇宙間天體的自然科學,除了一般大眾較為知道的「天文物理學」以外,宇宙擁有很多的面向,其中一個就是本文的主題:「天文化學」。

同樣都是研究「物質」的科學,物理學與化學卻是以不太一樣的方式來觀察這個世界。天文化學著重那些宇宙間「不同天體環境中的原子、分子、離子」等,研究它們的形成、分布、彼此之間的交互作用,或是與環境的交互作用。(接下來為了方便起見,我們將分子、離子等統稱為分子。)

天文學雖然是最古早的科學之一,但是天文化學這個學門,則要到 20 世紀中期才開始慢慢出現。理由很簡單:因為分子看不到呀!星星那麼大一顆,用望遠鏡都不一定能看清楚了,更何況是擺在眼前都看不到的分子呢?

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因此要研究宇宙中的分子,必須要靠特別的技術才行;其中,最重要的技術之一,就是「光譜學」。

研究宇宙中的分子,必須依賴「光譜學」才行。圖/envato elements

光譜(spectrum)是將光依照波長或頻率排列出來的圖案,像「彩虹」就是一種光譜,是太陽光依照不同頻率分開來的圖案。而光的範疇除了可見光以外,還有很多肉眼看不到的波段,例如無線電波、紅外線、紫外線、X光……等。

每一種分子都有著屬於自己的光譜,在地球上的我們,如果想要知道分子的光譜長什麼樣子的話,除了可以做實驗量測以外,更多的是用電腦做精密的模擬計算來預測。分子的光譜就像它們的「指紋」,就像警察會將採集到的指紋與資料庫比對,來得知這枚指紋是哪個人留下來的,天文學家則是將觀測到的光譜與資料庫比對,來得知遙遠星際的另一端有哪些分子,甚至是它們的含量、溫度等(圖 1)。

想要了解更多天文學家如何使用光譜學,可以參考:<把光拆開來看:天文學中的光譜>。

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銀河系中央的光譜,從中可以分析出很多不同的分子,甚至包括他們的含量、溫度、分佈等等。圖/ESO/J. Emerson/VISTA, ALMA (ESO/NAOJ/NRAO), Ando et al. Acknowledgment: Cambridge Astronomical Survey Unit [2]

為什麼宇宙是「分子動物園」

動物們往往能反應出當地的環境,舉例來說,看到河馬就知道那邊是有水有草的環境;看到櫻花鉤吻鮭就知道有水溫偏低的溪流 [3]。將宇宙視為分子動物園也是一樣的,觀察分子的分佈、含量,也可以讓我們回推物理環境。目前,我們已從星際間,觀測到了約 200 多種分子,這裡就介紹幾種常見的星際分子吧!

宇宙中有很多不同的分子,分佈在不同的地方(示意圖)。圖/EAS2020[4]

氫分子(molecular hydrogen, H2

宇宙中含量最高的分子,也是「分子雲」的主要成分。分子雲中每一立方公分大約有一萬個氫分子(104 cm-3)。

分子雲是恆星、行星誕生的地方,所以了解氫分子的分佈,能幫助我們研究恆星形成。同時,氫分子能與較重的元素反應,是許多化學反應的催化劑,產生其他的分子如一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、 氰基自由基(CN)等。

氫分子對天文化學來說相當重要,可惜在分子雲這種均溫只有零下 200 多度的環境,幾乎是不太可能觀測到(因為它是個對稱的分子,有興趣的讀者可以再進一步了解。)[5][6]

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一氧化碳(carbon monoxide, CO)

一氧化碳分佈在星際間低溫、高密度的區域。它是星際間含量第二高的分子。

比起氫分子,一氧化碳容易觀測太多了,所以天文學家更容易從一氧化碳的圖像,來得知分子雲的分佈。由於分子雲幾乎沒辦法用可見光直接觀測,早期的科學家根本不知道我們周邊有這麼多分子雲的存在,直到觀測了一氧化碳的圖像之後才大開眼界。 [5][6][7]

被戲稱為「中指星雲」的分子雲。圖/維基百科, CC0

氨(ammonia, NH3

氨也是很容易被觀測到分子。歷史上第一個觀測到的分子是就是氨。氨有許多譜線,而這些譜線的強度對於環境變化非常敏感,能對應到很多種不同的星際環境。對氨的觀測能讓我們更精確地回推出該處的環境狀況 [8][9]

宇宙中的環境變化太大了,不同的環境下化學反應可能會有很大的差異。宇宙間的發散星際雲(diffuse cloud)、密集分子雲(dense cloud)、恆星形成的熱原恆星核(hot core)等這些已經偵測到大量分子的區域,溫度分佈從 10 K~1000 K(約攝氏 -200 度到 +800 度)、密度從每立方公分一百顆粒子到十兆顆粒子(102 cm-3~1013 cm-3)都有!

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這裡接著再介紹幾種分子含量高的星際環境。

恆星形成區域(star-forming region)

分子雲內部高密度、正在形成恆星的地方。獵戶座 KL 星雲(Orion KL)是獵戶座大分子雲中,恆星形成最活躍的區域。在這裡有許多的「複雜飽和有機分子」出現,如:甲醇(CH3OH)、甲酸甲脂(HCOOCH3)等,也有一些長鏈的碳分子,如:氰基乙炔(HCCCN)[10]

獵戶座 KL 星雲。圖/NASA, ESA/Hubble [10]

彗星 67P/Churyumov-Gerasimenko (comet 67P/C-G)

在近幾年的觀測資料中,科學家在這裡看到了含量極高的氧分子(molecular oxygen, O2),這讓他們感到非常意外。因為氧分子在宇宙中很容易起反應、變成其它的分子,而在彗星這麼樣一個容易揮發的環境中,卻能有高含量的氧分子存在,代表這些氧分子很有可能是在彗星形成的時候,就已經存在周遭的環境中,並且冰封在彗星上 [11][12]

彗星 67P/C-G(右)以及它的光譜(左)。圖/ESA/Rosetta/NAVCAM [12], CC 3.0(右)A. Bieler et al. (2015) (左)[11]

天文化學所牽涉到的範圍很廣,橫跨了許多不同的領域。 整個宇宙就是一座「分子動物園」。天文學家觀察這些宇宙中的分子,來得知遙遠天體中具有什麼樣的環境。星際間也發現了許多有機分子,研究這些分子甚至能幫助我們理解生命的起源,這是現在天文化學研究的一個重點方向。

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ntucase_96
30 篇文章 ・ 1486 位粉絲
CASE的全名是 Center for the Advancement of Science Education,也就是台灣大學科學教育發展中心。創立於2008年10月,成立的宗旨是透過台大的自然科學學術資源,奠立全國基礎科學教育的優質文化與環境。

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為了活下去!植物硝酸鹽吸收暗藏機密
研之有物│中央研究院_96
・2018/07/03 ・5083字 ・閱讀時間約 10 分鐘 ・SR值 537 ・八年級

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植物的「硝酸鹽轉運蛋白」為什麼重要?

過去僅知道植物會利用氮肥中的硝酸鹽做為養分來源,而利用分子生物學的技術,可探討植物吸收硝酸鹽的機制,及如何有效利用硝酸鹽等未解之謎。藉由了解轉運蛋白的作用機制,進而提升植物利用氮肥的效率,從最微小的基因尺度,用科學方法來改善農業、環境以及能源等問題。

長年投身於研究植物硝酸鹽轉運蛋白,中研院分子生物研究所特聘研究員蔡宜芳的研究成果,不僅刊登於國際頂尖期刊 Cell 中,更於日前獲頒臺灣傑出女科學家獎。 攝影/張語辰

從大學時開始進入實驗室做實驗,到現在擁有自己的研究團隊,蔡宜芳也帶領著下一個世代繼續研究。她向我們分享這一路走來的點點滴滴,望著窗外一片青綠,蔡宜芳談起為什麼願意投身植物的研究,她笑說:「因為覺得植物很美,植物默默在那邊生長,無怨無悔地提供我們人類養分。」

氮肥吸收暗藏秘密

Q:植物是如何吸收硝酸鹽作為養分,及其中轉運蛋白如何運作?

植物可以吸收的兩種氮源型態為:硝酸鹽、氨鹽。不管是施用什麼形式的氮肥,土壤中的細菌都會幫忙轉換成植物可以吸收的型態。而在土壤中,由於硝酸鹽的含量比較高,所以植物主要是吸收硝酸鹽進入體內作為氮源。

我們在三十年前就知道氮肥很重要,並且多是以硝酸鹽形態被植物吸收,但相關的研究主要集中在傳統生理探討,並不知道在這個機制裡,植物體內負責吸收硝酸鹽的蛋白是什麼。

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細胞膜是通往細胞內外的必經路障。而硝酸鹽是帶電離子,無法自己通過由脂質構成的細胞膜,必須由蛋白質的協助才能通過。

1990~1993 年,我在美國做博士後的時候,植物的分子生物技術才剛發展起來。在那之前的實驗多是測植物吸收硝酸鹽的能力;或是在不同環境下,吸收能力變化等較傳統的生理實驗。然而,我們以前都不知道,是什麼樣的蛋白質在負責硝酸鹽的通輸。

因為這個蛋白質很難找,差不多有兩年的時間,我經常整天都坐在電生理實驗檯上。在當時的技術背景下,需要建立新的研究方法。當時的實驗室老闆也曾經一度想停掉這個計畫案,擔心我白白花費太多時間在這上頭,但我想的是既然都作到一半了,就繼續堅持下去。

1994 年回臺灣之後,我們團隊陸續發現,位於植物細胞膜上的硝酸鹽轉運蛋白 CHL1 身兼數職。

CHL1 蛋白不僅轉運硝酸鹽進入細胞內進行運用,更會感測土壤環境中的硝酸鹽濃度後,調控下游基因表現來幫助植物更有效率地利用硝酸鹽。透過研究此轉運蛋白,我們可更進一步了解農作物利用氮肥的原理與機制。

位於細胞膜,身兼數職的硝酸鹽轉運蛋白 CHL1 。 圖/C.-H. Ho, S.-H. Lin, H.-C. Hu, and Y.-F. Tsay* (2009) 圖說重製/江佩津、張語辰

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植物對環境很敏感,全是為了活下去!

Q:從早期的植物研究方法,到現今的分子生物研究技術,如何在這類研究中進步、成長?

在有分子生物技術之前,多是進行遺傳學或生理學的研究。很早以前,荷蘭的研究團隊就已經找到無法正常吸收硝酸鹽的阿拉伯芥突變株 (mutant),並開始研究它的生化特性,確認它就是硝酸鹽 (nitrate) 吸收壞掉的突變株,但當時因為沒有分子生物技術,而無法做進一步研究。

我常說,在我十歲的時候這個突變株就在了,可是因為沒有分子生物學的技術,而無法確知是哪個基因出問題導致它無法吸收硝酸鹽。

在 1990 年,分子生物技術剛建立起來,而我就利用這個工具去找。找到這個基因後,我們也開始做一些延伸性研究。由於在植物體內有另外 52 個基因和 CHL1 同屬一個蛋白家族,我們團隊也逐一地去了解它們的基因功能。經過數年研究,了解到植物是如何吸收硝酸鹽進來,而後送往地上部,又如何在不同環境下重新分配不同組織內的硝酸鹽。

我們發現,植物會想盡各種策略來確保年輕葉片有足夠的硝酸鹽,並且在開花結果後,植物也會把硝酸鹽輸送給種子做利用。

這樣一系列的反應都被研究出來後,就可了解硝酸鹽在植物中輸送的各種路徑。

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小學跟中學常考的一個植物學考題是:根據教科書的教條,認為無機的氮源(例如硝酸鹽)只會在木質部中輸送,有機的氮源(例如胺基酸)才會在韌皮部篩管中輸送。但是,我們的研究發現教科書的教條需要修改,硝酸鹽可以在韌皮部篩管中輸送,而且這個輸送機制對植物的生長很重要。

另一部分,我也對蛋白質的調控感興趣。植物本身有兩種硝酸鹽的吸收系統,在土壤硝酸鹽含量很低時,負責作用的系統為「高親和性系統」;在土壤中的硝酸鹽含量很高時,負責作用的系統為「低親和性系統」。植物利用此兩個吸收系統去應對外界多變的硝酸鹽環境。

以前科學家都認為這是兩個獨立的系統,直到 2003 年我們實驗室的博士班學生劉坤祥研究發現:轉運蛋白 CHL1 可藉由磷酸化的轉換,感受到細胞外面的硝酸鹽濃度變化,來調節自身的吸收模式。

(左圖)當環境中硝酸鹽濃度較低時,CHL1 會因磷酸化,而成為高親和性的轉運蛋白。
(右圖)當硝酸鹽濃度較高時,CHL1則被去磷酸化,以轉換成低親和性的轉運蛋白。
圖/K.-H. Liu and Y.-F. Tsay*. (2003)  圖說重製/江佩津、張語辰

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這個研究告訴我們:植物有能力感應外界環境的硝酸鹽變化;不只是轉運蛋白會改變,植物也知道濃度低的時候省著點用、濃度高就貯存,因應變化來調控基因表現。這一系列反應很快,三十分鐘就會誘發基因表現。

我曾有一次聽植物鈣離子傳導的演講,演講者說:「實驗發現傷害植物的時候,鈣離子的訊息會增強。」所以會不會有可能當你吃生菜沙拉的時候,植物其實是會痛、有反應的?因為在自然界中,植物不能動,所以它對環境一定要有很好的偵測方法,還有因應策略。不管種子在哪裡發芽,都要想盡辦法在那個環境中存活下來。

改善植物吸收肥料的效率,以利生態環境

Q:過往普遍認知氮肥可幫助作物生長、提供產量,但近年發現氮肥會影響生態、也有食物殘留風險等,這如何能透過生物技術、研究來改善?

1950 年代的綠色革命發現氮肥可以讓產量翻倍,人口因此開始增加。原本的肥料是取自海鳥糞,後來找到了硝石礦,但仍是不足以應付需求,因此德國化學家弗里茨‧哈伯 (Fritz Haber)找到方法把氮氣轉換成植物能應用的形式。但氮氣的鍵結是很強的,要打斷鍵結要高溫高壓,是非常耗能的事,以至於全世界約有 1~2% 能源是花費在製造氮肥。

氮肥到土壤裡會被細菌轉換成硝酸鹽,但硝酸鹽不易保存在土壤中,下雨就會沖刷、進入到水循環。如此耗能生產的氮肥,施用下去田間,其實只有一半或少於一半能夠被植物利用。而湖川海洋中過多的硝酸鹽會造成優養化作用,形成藻華、Dead Zone,這其實是全球性的生態影響。

因此,我們希望想辦法解決這個問題,讓植物吸收硝酸鹽的效率好一點,進而減少環境的汙染、製造氮肥的能源消耗。

氮肥供應充足的時候,硝酸鹽養份主要會送往成熟葉;但在缺乏氮肥時,植物會把儲存在老葉的硝酸鹽運送到嫩葉。看到這種轉移的情況,我們就想:如果能夠強化這種轉移養分的機制,是不是就能夠加強氮肥的利用效率?

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如下圖,我們研究發現,葉子中有一個 NRT1.7 基因有這個作用,如果能加強 NRT1.7 的基因表現,或是活化參與這個轉移機制的蛋白質活性,就可以提高植物利用氮肥的效率,進而促進植物生長。目前已經在阿拉伯芥實驗成功,也已取得臺灣和美國的專利,現在則是在水稻、菸草上進行試驗,這其實是個很漫長的過程,但一旦成功,對於生態環境是一大助益。

阿拉伯芥中,調控硝酸鹽吸收的基因 NRT1.11, NRT1.12 和 NRT1.7 ,透過不同路徑養護嫩葉。 
圖/Ya-Yun Wang∗, Yu-Hsuan Cheng∗, Kuo-En Chen and Yi-Fang Tsay(2018)S.-C. Fan, C.-S. Lin, P.-K. Hsu, S.-H. Lin, and Y.-F. Tsay*(2009) 圖說重製/江佩津、張語辰

對我來說,要一直用新的技術來回答新的問題,因為新的技術一定能夠讓問題的答案更深入,但我認為最重要的還是找到你要問的問題。而我最想問的問題是:植物是如何去處理它的養分,來做它最好的生長反應?研究過程中經常解決了一個問題後,還會有下個問題。

我一直喜歡植物研究的一個特色是,你可以從分子生物的尺度、到整株植物的生理去探索你的問題的答案,並發現這一切都相互呼應。

因為太專注於分子生物層面的東西,有時候是細微到只看到蛋白質的交互作用,但這樣細微作用如何影響到整個作物的生長,甚至是最後到農業的產量,這是我最感興趣的。

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不只是學術,科學研究的重重挑戰

Q:當初為何會投入植物、科學的研究?

我覺得投入研究的重點是「好奇」。你一定要有好奇心,會想追求一些新問題的答案。一名科學家必須要有好奇心,同時也需要有你的邏輯思考能力去尋求答案。

我大學是台大植物系的,會就讀植物系其實是個很浪漫的原因──只是因為我很喜歡植物而已。我喜歡走進森林的感覺,讓我很想去了解植物。

大四時,進到實驗室是做組織培養,那時候是很熱門的題目,因為很新奇。植物組織加入不同荷爾蒙,就會變成地上部的葉子或地下部的根,那是由於植物細胞有全能分化的能力。組織培養雖然有趣,但知其然不知其所以然,完全不知道是什麼原因造成這些變化,無法滿足我喜歡打破砂鍋問到底的個性,所以碩士就開始就往分子生物的領域走。不過因為那時植物的分生研究還沒發展起來,我就先從研究酵母菌開始,把分生基礎打好;等到讀完博士班,開始找研究題目、看論文時,發現仍是植物相關研究最能觸動我的神經,所以我就決定要再回去研究植物。

圖/pixabay

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我覺得在科學的養成上,技術是一環,但邏輯思考的養成比技術的養成更難。邏輯思考的養成更要慢工出細活,很難一步到位。

看論文時,去找到這篇論文的核心價值是很重要的。做研究還要知道在這個領域中,最重要的問題是什麼。畢竟,找到問題後就是賭博了。要知道哪個方向的研究值得投資,要知道實驗資料和數據所代表的意義是什麼,如何解讀數據也是很重要的邏輯思考訓練,這些將都會成為你設計新的實驗時的依據。

其實,最辛苦的是剛開始設立自己的實驗室的時候。因為要訓練人,不是自己做就好,還要承擔所有的成敗。而且科學也是需要對外溝通,告訴資助單位、期刊還有大眾這個研究的重要性為何。

女性從事科學研究有多一層的考驗,因為社會對女性有許多的期許與要求,要兼顧家庭、事業兩方會是蠻大的挑戰。我覺得我算是蠻幸運,先生對我支持度也很高。在很多時候,女性碰到在家庭跟事業之間做抉擇時,會較容易放棄自己的事業。因此我常跟女學生說:對於家事能夠取得幫忙,就去取得,妳可以克服的,女性也可以顧全自己的事業。

延伸閱讀:

本著作由研之有物製作,原文為《找到植物吸收養分的關鍵──專訪蔡宜芳》以創用CC 姓名標示–非商業性–禁止改作 4.0 國際 授權條款釋出。

本文轉載自中央研究院研之有物,泛科學為宣傳推廣執行單位

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