在一次仿效可在植物與某些細菌中發現的光合作用系統的嘗試裡，科學家在開發人造光收成系統（light-harvesting system，LHS）上，已向前跨出一步，該系統符合一項關鍵需求︰近乎 100% 的能量轉移效率（energy transfer efficiency）。在一套有用的人造 LHS 的開發上，雖然高能量轉移效率只是元件之一，不過，這項成就能導致乾淨的太陽燃料（solar-fuel）技術，那將日光轉換成化學燃料。

這些研究者，由來自東京都立大學（Tokyo Metropolitan University）的高木慎介（Shinsuke Takagi）以及科學技術振興機構（Japan Science and Technology Agency，JST）的 PRESTO 計畫領導，已將他們邁向人造 LHS 的研究發表在最近一期的 Journal of the American Chemical Society 期刊上。

“為了要實驗一套人造光收成系統，近乎 100% 的能量轉移效率是必要的，” 高木表示。”因為光收成系統由許多能量轉移步驟組成，如果每一步驟的能量轉移效率為 90%，那麼，總能量轉移效率就會變低。例如，如果這有五個能量轉移步驟，那麼總能量轉移為︰0.9 x 0.9 x 0.9 x 0.9 x 0.9 = 0.59。那麼，在為人造光收成系統實現高效能日光收集上，一套高效能能量轉移反應扮演著一個重要的角色。”

如同研究者在其研究中的解釋，天然的 LHS（如那些在紫色細菌或植物葉子中的系統）是由分子的規律排列所組成，那有效地收集日光並將激發能（ excitation energy）攜往該系統的反應中心。一套人造 LHS（或稱「人造葉子」）試圖藉由利用功能性染料分子（functional dye molecules），辦到相同的事。

建立在先前研究的結果之上，科學家們為此目的，選擇使用二種紫質（ porphyrin）染料分子，將其排列在陶磁表面上。這些分子易於在陶磁表面上聚集（aggregate）或分散（segregate），這對於要將這些分子以規律方式，如其天然的相似物那樣排列的科學家來說，構成了挑戰。

“分子以一適當的分子間（intermolecular）距離排列，對於達成近乎 100% 的能量轉移效率而言很重要，” 高木表示。”如果分子間距離太近，將會發生其他反應，諸如電子轉移和／或光化學反應。如果分子間距離太遠，激發染料的活性消失，會抑制能量轉移系統。”

為了要達到適當的分子間距離，科學家們開發出一套新穎的製備技術，那能匹配（matching）紫質分子中帶電位置（charged sites）之間的距離，以及陶磁表面上帶負電（陰離子）位置之間的距離。此效應，研究者們稱之為「尺寸匹配法則（Size-Matching Rule）」，協助抑制促成紫質分子易於聚集或分散的主因，並使分子固定在一適當的單一（uniform）分子間距離。如高木的解釋，這種策略顯然不同於其他達成分子圖樣（molecular patterns）的嘗試。

“這種方法學很獨特，” 他說。”在一般自我組裝系統的例子中，排列是透過客體–客體交互作用（guest-guest interactions）來體現。在我們的系統中，主體–客體交互作用（host-guest interactions）在實現染料的特殊排列上，扮演著一個關鍵性的角色。因此，藉由改變主體材料，要控制染料在陶磁表面上的分子排列是有可能的。”

如研究者的示範，分子的規律排列導致激發能轉移效率接近 100%。這些結果指出，紫質染料分子與陶瓷主體材料對於人造 LHS 而言，看起來是大有可為的候選者。

“目前，我們的系統只包含二種染料，” 高木表示。”下一步，結合數種染料以吸收所有的日光是必要的。我們系統的特徵點之一是，可輕易地同時使用數種染料。因此，我們的系統對一套真正的、能運用所有日光的光收成系統來說，是一個有前途的候選者。我們相信，即使是光化學反應部份，都能被結合到相同的陶瓷表面。如果這套系統被實現了，而且與光化學反應中心結合，那麼這套系統就能被稱為「無機葉子（inorganic leaf）」。”

資料來源：physorg: Artificial light-harvesting method achieves 100% energy transfer efficiency [September 1, 2011 ]

原刊載於 only-perception

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近年來，大眾對於「氣候變遷」這個詞越來越不陌生，國際間也會簽訂不同協議與政策，來減緩溫室氣體的排放，講到這邊，我們通常會想到化石燃料的使用，但較少被人們注意到的是，畜牧業也是排放甲烷、二氧化碳、一氧化二氮等溫室氣體的大宗，甚至會造成水污染及空氣污染。

最近由心理學家團隊發表的研究，提出一種可能的解決方案，以減少畜牧業對環境的影響，也就是——「教小奶牛上廁所」！

看到這邊一定頭上冒出好幾個問號，為什麼畜牧業會對氣候變遷造成影響？是哪方面的影響？為什麼教奶牛尿尿可能可以減緩對環境的衝擊呢？要怎麼教？

畜牧業和氣候變遷到底有什麼關係？

首先，根據聯合國糧食與農業組織 (FAO) 的報告，全球畜牧業每年約排放 7.1 兆噸的二氧化碳，大約是人為排放溫室氣體的 14.5%，其中，牛是排放量最大的物種，佔畜牧業排放量的 65 %，而大約來自於腸道發酵、糞便儲存與加工、飼料生產過程、其他能源使用等活動，FAO 也提出了目前評估可實行的減緩方案，其中一項便是提高奶牛的飼料開發以及飼養技術，來減少消化過程中和分解糞便時產生的甲烷 (CH₄) 與一氧化二氮 (N₂O) 。

而這篇研究的主角之一就是一氧化二氮 (N₂O) ，雖然它只佔全球溫室氣體總排放量的 5% ，但它把熱留在地球的能力卻將近是二氧化碳的 300 倍！除此之外，每次排放的一氧化二氮 (N₂O) 都會停留在大氣中超過一世紀，可以說是一種「長壽」的溫室氣體。從 1990 年起，紐西蘭的一氧化二氮排放量增加了五成，主要是來自乳製品業擴展以及氮肥使用，因此紐西蘭政府制定了一個目標，要在 2050 年之前將一氧化二氮的排放減少到淨零。

但這和牛有什麼關係呢？

從「牛尿尿」開始的氮旅程

原因是牛尿液中氮含量很高，而動物尿液中的氮來源主要是尿素  (CH₄N₂O)，在紐西蘭和澳洲，通常將牛飼養在戶外，牠們排尿之後，就開始一趟名為「氮循環」的旅程，首先尿素會迅速在土壤裡被水解成銨鹽 (NH₄⁺) ，再經過微生物「亞硝化菌」氧化成亞硝酸根 (No₂^–)，接著，另外一群微生物「硝化菌」，將亞硝酸鹽 (No₂^–) 再氧化成硝酸根 (NO₃^–)，以上的過程稱為「硝化作用 (Nitrification) 」。

當然，旅程還沒有結束，另一群稱作「脱硝菌」或「脫氮菌」的微生物會將硝酸鹽還原成氮氣 (N₂)，叫做「去硝化作用」或「脫氮作用」，而一氧化二氮 (N₂O) 是反應的中間產物，會直接被釋放到大氣中。

難道把牛飼養在牛舍裡就沒有問題了嗎？

代誌不是憨人想得這麼簡單！當牛尿液中的氮和地板上的糞便混在一起時，會產生另一種空氣污染物——氨 (NH₄)。

所以，如果牛的尿液可以被收集處理，裡面所含的氮就可以被轉換，減緩對環境的衝擊，但是要怎麼收集牛的尿液呢？

最直接的方式就是，教小牛到「廁所」裡尿尿。

要怎麼教會小牛尿尿？獎勵和拆解步驟是關鍵

研究團隊利用行為心理學的原理，訓練小牛到特定的地方排尿，這個原理便稱為「操作制約 (Operant Conditioning)」，由美國哈佛大學心理學教授史金納 (B.F. Skinner) 於 1938 年提出，當時有個著名的動物實驗稱為「史金納箱 (Skinner Box)」，將飢餓的小白鼠放在箱子裡，內有電動裝置紀錄動物的正確反應次數和頻率，因飢餓不安而活動的小白鼠，偶然壓到槓桿就會得到少量食物，當以後小白鼠看到槓桿，再去壓桿的頻率就會比以前高。對小白鼠來說，因反應而出現的食物是「強化物」，對壓桿這個「操作性反應」產生了強化作用。

除此之外，他們還運用訓練小孩上廁所，一種叫做「反向鏈接技術 (Backward Chaining Technique) 」的方式，將目標拆解成小步驟，從最後一步開始訓練到第一步。

首先，小牛被限制在圍欄設置成的廁所區域裡，當小牛排尿後再給予牠們喜歡的食物進行強化。然後，把小牛帶到圍欄外的一條走廊上，並再次強化進去廁所裡尿尿的行為，如果小牛在走廊上就排尿，便會用讓牠稍微不開心的噴水阻止牠。

經過幾次強化訓練，他們訓練的八頭小牛中，有七隻學會了在廁所尿尿，而且學習的速度和人類小孩差不多快！牠們大約只受了 15 天的訓練，大部分的小牛在 20 至 25 次排尿後學會了整套，比三到四歲的人類小孩還快。

小奶牛在廁所尿尿的影片。資料來源／參考資料 1

由此，研究團隊得到了兩個結論，第一是牛能夠學會注意自己的排尿反射，在準備尿尿時會移動到廁所裡；第二，在可以得到獎勵的情況下，牠們學會先憋尿，除非到了正確的地方。

牛牛學會了，然後呢？

在知道可以訓練牛牛到廁所排尿後，下一步要怎麼做才能夠離減排溫室氣體的目標越來越近呢？

作者認為希望未來可以優化廁所裝置，自動檢測排尿以及給予獎勵，就像是放大版的史金納箱一樣。除技術層面外，像是紐西蘭、澳洲等地的畜牧業，大多將牛飼養在開放的圍場，應該要把廁所設在哪裡，或者牛願意走多遠過來上廁所，都是需要進一步了解的問題，也才能夠將這項技術真正運用在不同國家的畜牧業，實際做到減緩畜牧業對氣候變遷的影響。

參考資料

1. Dirksen, N., Langbein, J., Schrader, L., Puppe, B., Elliffe, D., Siebert, K., … & Matthews, L. (2021). Learned control of urinary reflexes in cattle to help reduce greenhouse gas emissions. Current Biology, 31(17), R1033-R1034.
2. Gerber, P. J., Steinfeld, H., Henderson, B., Mottet, A., Opio, C., Dijkman, J., … & Tempio, G. (2013). Tackling climate change through livestock: a global assessment of emissions and mitigation opportunities. Food and Agriculture Organization of the United Nations (FAO).
3. 張春興（民80）。教育心理學：三化取向的理論與實踐。台灣東華書局。
4. Backward Chaining Technique
5. 全國法規資料庫：空氣污染防治法施行細則
6. The science of nitrous oxide

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