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光合作用的爭論與希爾反應

葉綠舒
・2014/10/05 ・1507字 ・閱讀時間約 3 分鐘 ・SR值 521 ・七年級

在十七世紀中期的比利時的菲爾普爾德(Vilvoorde,在布魯塞爾附近),有位退休的醫生范‧海爾蒙特(Jan Baptist van Helmont)。說他已經退休,並不代表他老了;事實上,他是因為娶了有錢人家的女兒瑪格麗特(Margaret van Ranst),由於瑪格麗特帶來豐厚的財產,使得他可以早早退休,花更多的時間在他喜歡的研究與自然觀察上。

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范‧海爾蒙特。圖片來源:wiki

雖然范‧海爾蒙特是個神秘主義者,對煉金術非常有興趣;但是他也受到同時代的哈維(William Harvey)、伽利略(Galileo Galilei)以及培根(Francis Bacon)等人的影響,對於實證主義(Empiricism)相當的認同。
有一天,他在一個大盆子裡種下一棵柳樹。他把土壤與柳樹都秤重,同時也記錄下他每次加的水的重量。五年以後,他發現柳樹增加了74公斤重,但是土壤的重量幾乎沒有改變。

於是他做了一個結論:植物能把水轉化為它自身的質量。

當然這個結論並不十分正確,但是在當時也已經算是相當大的發現了;後來到十八世紀末瑞士的Jean Senebier與Nicolas-Théodore de Saussure(他同時也發現了植物需要特定元素才能存活)把參與光合作用的基本原料確立下來:水、二氧化碳、光。

但是,當時研究光合作用的人認為,光合作用的產物之一,也就是氧氣,是由二氧化碳產生的(「氣生派」)。現在當然知道這是錯誤的,但是以當時的知識與技術來看,由氣體轉化出氣體,似乎也沒什麼不對。

這個想法,直到Cornelius Bernardus (Kees) van Niel的出現,才被挑戰了。van Niel是一位微生物學家,他研究了兩種光合細菌(綠硫菌與紫硫菌),發現這些菌會產生黃色的元素硫(有些後來接著被氧化),於是提出「光合作用的氧氣不是來自於二氧化碳,而是來自於水」的說法(可以稱這個說法為「水生派」)。

但是畢竟細菌不是植物,所以還是有不少人不相信van Niel的說法。直到Robert Hill發現了Hill Reaction以後,「水生派」才開始佔上風。

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Robert Hill,圖片來源:wiki

Robert Hill似乎對自己的名字有些意見,因此他要求大家稱呼他為Robin。他在1922年來到劍橋大學生化所,一開始是研究血紅素。1926年開始研究細胞色素c(cytochrome c)。1932年開始跨足植物界,而且在1937年發現了希爾反應:在提供外加的電子接受者給葉綠體時,葉綠體可以在不消耗二氧化碳、也不產生碳水化合物(也就是不進行卡爾文循環)的狀況下進行光反應並產生氧氣。

由於希爾反應並不消耗二氧化碳,但是還是會產生氧氣;這使得學界意識到,氧氣應該不是來自於二氧化碳,而是來自於水。

不過,有些科學家還是有懷疑。直到Samuel Ruben 與 Martin Kamen在1940年代早期,將用同位素氧18標定的水提供給植物,同位素氧的標記只出現在氧氣而非碳水化合物時,到底氧氣是來自於二氧化碳或是水的爭論,才終於底定。

我們現在在植物生理學實驗中,所做的希爾反應,就是重現當年Robin Hill所做的實驗。

當我們把分離出來的葉綠體放在加入電子接受者(如2,6-Dichlorophenolindophenol,DCPIP)中,並提供光照,由於DCPIP在還原後會由藍色轉為無色,所以就可以從顏色的變化了解到反應的進行;如果使用分光光度計來量化整體顏色的變化,就可以測定出反應速率。

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希爾反應在光照後顏色的變化。藍色是控制組。 photo courtesy: 周帛暄老師

最後要提到的事是,Robin Hill這個人其實非常有意思;雖然他一開始的研究主題是血紅素,但是他的後半生幾乎都奉獻給植物相關的研究,而且對於天然色素非常專精。閒來無事他會畫水彩畫,使用的顏料都是他自己萃取出來的。他在67歲那年(1966年)由劍橋退休,但仍一直研究不輟,直到以91高齡去世。

參考文獻:

  • Taiz and Zeiger, Plant Physiology, fourth edition.
  • Wikipedia, Robin Hill, Photosynthesis, C.B. van Niel

 

原刊載於作者部落格老葉的植物王國


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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

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・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。

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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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