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發現植物對抗UVB的武器之一:芥子酸酯(sinapate esters)

葉綠舒
・2014/11/21 ・1325字 ・閱讀時間約 2 分鐘 ・SR值 462 ・五年級

植物如何避免自己被曬傷?不知道有多少人認真想過這個問題。筆者的一位同事,有個非常可愛的小朋友;有一次,她問我為什麼植物每天站在太陽下面那麼久,也沒有撐傘、擦防曬,也不能跑到屋子裡面躲起來,怎麼都不會曬黑呢?

其實植物如果過度曝曬,也是會曬傷的;但是植物曬傷不會曬黑,而是曬白。聽起來好令人羨慕不是嗎?

先別羨慕,其實植物曬白了也是曬傷,由於接收了太多的光子,造成光合作用的電子傳遞鏈產生電子大塞車,

Thylakoid_membrane
光合作用之光反應。圖片來源:wiki

由於這個步驟僅能以擴散作用來進行,因此PQH2要花費幾個毫秒(millisecond,ms)才能將電子送到細胞色素b6f那裡。毫秒就是千分之一秒,看起來似乎很短;但是,如果跟PSII裡面的色素間的能量傳遞速度相比,毫秒其實是非常慢的。怎麼說呢?原來,在PSII裡面進行的能量傳遞,只需要幾個微秒(microsecond,μs)就傳過去了。微秒是毫秒的千分之一喔!所以,當有過多的光子(陽光太強)的時候,自然就會在PQH2發生大塞車啦!塞車的地點主要位於PQH2的部分,因為當它由第二光系統(photosystem II,PSII)接收到電子時,接下來要靠它自己在類囊體膜(thylakoid membrane,如圖所示之膜即是)以擴散作用慢慢的移動到細胞色素b6f(cytochrome b6f)處,將電子交給細胞色素後,再回去PSII接收下一對電子。

塞車的結果就是:有些PQH2上面的電子就會開始離開,到處亂跑,去還原其他不該被還原的分子,然後最後葉綠體就會因為這樣而被燒壞,等到整個細胞的葉綠體都被燒壞,那顆細胞也死了,然後…這樣死掉的植物細胞,因為沒有色素而變成白色…所以就「曬白」了!

植物當然不想被曬傷,我們會為了避免被曬傷而合成黑色素,植物為了避免被曬傷,變出了很多花樣來保護自己。這些花樣包括:讓葉綠體「疊羅漢」以及合成許多可以吸收多餘的光能的分子等等。

讓葉綠體疊羅漢這部分,因為考慮到文章的長度,所以在這裡我們就先不提;第二個部分,過去已經知道,植物裡面的葉黃素(xanthophyll)以及類胡蘿蔔素(carotenoid),還有類黃酮素(flavonoids and isoflavonoids)都具有這方面的功能。而最近,法國的一個研究團隊又發現一族新的化合物也擔任類似的角色:芥子酸酯(sinapate esters)。

Sinapic_acid
芥子酸(sinapic acid)。圖片來源:wiki

芥子酸酯屬於植物次級代謝物中的酚醛類(phenylpropanoids)化合物,在植物中與肉桂酸(cinnamates,肉桂的味道就是來自於肉桂酸)在化學性質上最相近,都是屬於木質素(lignin)一類的化合物。研究團隊們在植物內找到七種芥子酸酯類化合物,當他們把這些芥子酸酯們氣化,再以UVB波照射以後,發現這些分子都能夠吸收UVB,且整體涵蓋的範圍遍及整個UVB的波長。因此,研究團隊認為芥子酸酯也可以協助植物對抗UVB,免於植物被曬傷。

其實,植物為了避免被曬傷,真的是非常用心呢!除了上面所提到的各種化合物以外,植物裡面也還會合成大量的維生素C(vitamin C)來抗氧化,所以不要以為植物不會動,就只能無奈地站在那裡被「曬白」喔!

參考文獻:

原刊載於作者部落格老葉的植物王國

相關標籤: 曬傷 植物
文章難易度
葉綠舒
262 篇文章 ・ 6 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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沒看過打不壞的木製球棒?最新「加工法」讓木材硬度堪比金屬!

Rock Sun
・2021/11/19 ・2152字 ・閱讀時間約 4 分鐘

如果今天你想要好好的切食物,該用什麼樣的刀呢?

大家馬上想到的,應該不外乎就是金屬或是陶瓷吧?自古以來要製作工具,這兩個材料一定是首選,直到當代貪圖方便而使用的塑膠刀叉之外,好像想找不太到其他更好的替代方案了。

但是最近,有一群研究人員打破了大眾的想法和材料科學的界線——用木頭製作的刀來取代金屬。

10 月 20 號,這一群來自馬里蘭大學的材料科學家們在期刊《Matter》上發表了一種全新的加工方法,可以把跟木材大幅強化,製作成餐刀等工具。這把刀的硬度不只跟一般的牛排刀不相上下,可以輕鬆地切開 8 分熟的牛排,還可以多次使用、洗滌、有效的回收再利用,整個產品製造過程的能源消耗也比金屬或陶瓷低非常的多,有望在未來取代這類餐具。

經過最新加工方法製成的木材,所製作出的餐刀可比不鏽鋼材質的更加鋒利。圖/Pixabay

比金屬和陶瓷更環保的選擇:木材

當你環顧生活周遭需要以「堅硬」為訴求的材料,你會發現它們大部分都是人造或經過加工的,因為想製作堅硬的物品,最怕的就是整個物理結構上有裂痕、中空或缺口等等瑕疵,只要有以上任何一種,工具的耐久度就無法維持多久,然而天然材料通常都有這種缺陷,例如木頭內部會有中空導管,石頭內則會有導致它容易剝落或裂開的天然紋理。

所以物質多半都都需要經過高溫冶煉才能夠成為堅硬的材料,例如光是製造陶瓷,就需要將陶土加熱到幾千度的高溫,而在這個講求環保的時代,有時候又要考慮產品的碳足跡……不用說,從地球土壤中開採鐵礦和陶土所耗費的能源,絕對與使用天然材質相對多很多。

所以這群研究人員把腦筋動到了陪伴原始人類到現在、樸實無華的木頭身上,他們覺得人類還沒發揮木頭 100% 的能力。

一般的木材在結構上有裂痕、中空或缺口等等瑕疵,無法加工成非常堅硬的工具。圖/Pixabay

請給我木材!人類尚未 100% 發揮它

好幾千年來,人類就不斷地想在木頭身上動手腳,但是在工具和建築上,木頭的加工通常只限於蒸氣曲木和壓縮法,用這種方法處理的木頭都會有個問題,在一段時間過後,木頭本身會有些許的回彈(定型)。

要知道為什麼就得先了解木頭!

木頭最主要的成分是纖維素,雖然平常可能無感,但纖維素其實有相當高的強度與密度比,表面上看起來是一個輕量又堅固的超理想材質,只看數字的話,甚至凌駕於大部分的高密度建築材料如水泥、金屬等等。但是我們目前加工木頭的方式,都無法把木材的材料潛力發揮到極致,部分是因為纖維素其實只佔了木材的 50%,除此之外還包含半纖維素、木質素等物質,這些聚合物主要是作為介質,而非提供強度,但如果將這些東西去除掉,整個木頭結構會變得容易崩壞。

所以研究團隊找到了方法,移除木頭內比較脆弱的物質,但是仍保留纖維素的結構,這個技術可以把原本木材的硬度整整強化 23 倍,並打造出比不銹鋼刀還鋒利 3 倍的餐刀。

蒸氣曲木加工法,將木材放在充滿蒸氣的箱子內彎曲,能加工出優美的弧線。圖/WIKIPEDIA

兩步驟加工:讓「普通木材」變「超硬木材」

第一步是將木頭浸泡在添加了特定化學物質的水中,並加熱到攝氏 100 度,以去除部分木質素。失去木質素的木材會變得較為柔軟、具有彈性甚至還會黏稠;以往的木材加工通常不會將這個方法用在木材上,除了如上述提到的結構問題外,還會有使用溶劑的毒性問題,但研究人員研發出了毒性較低、還能重複使用的溶劑。

第二步是對木頭進行高溫加壓,去除水分並讓其材質更為緻密,確保不會有結構上的缺陷,連樹木中原本被導管佔用的空間都能夠去除。

藉由這兩個步驟,他們有辦法去除木頭原本的結構問題,而經過這樣處理後的木頭還可以裁切成想要的形狀,然後再塗抹礦物油延長壽命、也隔絕水分讓纖維素不要再吸水,以免洗滌餐具降低刀子的鋒利程度。

將木材加工為「超硬木材」的實驗步驟。圖/參考資料 1

木材應用百百種!「五金材料」的新未來?

同樣的手法可以用來製作其他工具,例如和金屬釘子一樣堅硬的木頭釘子,一樣可以釘穿 3 塊木板,但是好處是木頭釘子不會有生鏽的問題,除了釘子之外,還有很多東西可以用這種木頭材質製作,例如更耐用的木頭地板。

儘管目前這個技術的使用還只是存在於實驗室環境中,但是不可否認的是,我們還沒有發揮木頭百分之百的實力,只要這個技術成熟,加上樹木可以種植並回收的特性,在未來每個人都可以分配到的超級強化木材資源或許可以凌駕於金屬,或只是打造出打不壞的木製球棒、堅不可摧的小木屋、輕量化的木頭汽車和飛機、或者是一把堪比鋼刀的超強木刀。

阿銀,你的木刀原來是這麼來的啊 ?

參考資料

2021,《Hardened wood as a renewable alternative to steel and plastic

Rock Sun
84 篇文章 ・ 331 位粉絲
前泛科學的實習編輯,曾經就讀環境工程系,勉強說專長是啥大概是水汙染領域,但我現在會說沒有專長(笑)。也對太空科學和科普教育有很大的興趣,陰陽錯差下在泛科學越寫越多空想科學類的文章。多次在思考自己到底喜歡什麼,最後回到了原點:我喜歡科學,喜歡科學帶給人們的驚喜和歡樂。 "我們只想盡我們所能找出答案,勤奮、細心、且有條理,那就是科學精神。 不只有穿實驗室外袍的人能玩科學,只要是想用心了解這個世界的人,都能玩科學" - 流言終結者