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若大禹再世(二):森林保育 治水,從頭開始!

陳妤寧
・2014/12/20 ・3959字 ・閱讀時間約 8 分鐘 ・SR值 518 ・六年級

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採訪編輯 / 陳妤寧

本文由科技部補助,泛科學獨立製作

林業試驗所集水區經營組黃瓊彪組長(圖片來源:作者自攝)
林業試驗所集水區經營組黃瓊彪組長(圖片來源:作者自攝)

水土保持牽涉的面向廣袤,如果聚焦於「上游」來研究集水區經營對水災、土石流的影響,森林專家對此會有什麼觀點?本篇專訪中,林業試驗所集水區經營組的黃瓊彪組長,扎實地解釋了集水區經營森林的學問、森林又如何影響逕流和崩塌;治山與治水何者為先?而台灣的環境保護策略又有什麼盲點?即便是在風調雨順之年,臺灣人也不能淡忘土石流帶來的危機。

林業試驗所有鑑於自光復初期至民國70年之間,台灣的水土保持問題日益加劇,故而於民國76年設立了「集水區經營系」,專門從事集水區水土資源保育之試驗研究工作。其下有森林水文研究室、水化學研究室和防災研究室,森林水文研究室負責森林土地上的水文氣象,水化學研究室著重於水質在自然與人為情況下的變化,而防災研究室關注於因自然或人為因素所造成的土壤沖蝕及崩塌問題。

試驗集水區的研究方法

黃組長解釋,「集水區」作為一個土地單元,範圍是隨出水口的定義而變化的;出水口可以定義在水系上的任何節點,而該節點上游以上所涵蓋的流域,即為其「集水區」。因此集水區可大可小,規模可以大如淡水河流域,也可以小如石門水庫集水區。或著根據不同的用地性質,定義農地集水區、森林集水區、水庫集水區、都市集水區(例如愛河)等等。

林業試驗所會在特定的小範圍集水區內進行試驗,觀察試驗前後水土特質的變化。例如在兩個先天條件非常類似的集水區進行控制組和對照組的實驗,即所謂「駢對集水區」。首先蒐集降雨、逕流等各種基本資料,再於控制組進行伐木或造林的試驗,觀察水質會如何變化?逕流量會增加或減少?而對照組的功能在於凸顯控制組呈現出的變化、排除實驗變項以外的自然變化。

由於林業試驗所的所轄範圍不大,試驗集水區的面積約在數十公頃以內(1平方公里=100公頃)。雖然可試驗的範圍小,但對於掌握土壤和水文特性較為容易,在調查降雨量、逕流率、滲透量、幹流量等不同參數之後,再以「由小見大,具體而微」的方式,乘上轉換率來推算大規模集水區的狀況。轉換計算除了面積要素之外,也會納入大小集水區之間集流時間、洪峰時間的差異。

逕流量大還是小才是好?

森林可以增加保水能力,這是大家都知道的常識。不過除了滯留雨水的功能之外,樹木自身的生長也會消耗大量水份。當珍貴的水資源從天而降時,究竟應該優先餵給森林,還是索性鋪上塑膠布、搶在雨水滲入土壤之前蒐集100%的雨水供人類使用?

林業試驗所在埔里的蓮花池研究中心曾研究小規模「皆伐」(指全數砍伐)對集水區的影響,結果年度逕流量增加約20%。不過不僅流出的水量增加,每小時的尖峰逕流量也增加了,這代表水來的快去的也急,加劇溪水暴漲、土壤沖蝕。相反地,在樹木覆蓋率較高的集水區,尖峰逕流量的上升下降曲線較為平緩,意即在暴雨之後釋出的逕流量緩慢而長久,到一週後仍有適量的逕流釋出,這樣的形態很適合人類取水使用。森林的逕流率大約是在 50% 至 75% 之間,如果是草生地視狀況其逕流率約比森林地區稍高。若經人為開發或形成崩塌地,其逕流率可上升至 85% 至 100%。

我們也許會希望可以一網打盡每次降下的水資源,但水庫不一定具有相應的儲備容量。為此,颱風來臨前水庫必須估算預先洩洪的程度,即使雨後無法儲存到預期中的水量,也必須這麼做以防止溢壩危機。雖然洩洪聽來令人惋惜其中的水資源,但其實洩洪也兼具了排沙的好處,而且近年來預測技術的進步已經讓洩洪量的估算越趨精準。

水土保持之間的交互作用

如果尖峰逕流量極端化,不僅對人類集水用水不利,對於自然環境也有許多負面作用。首當其衝的便是因劇烈沖蝕引起的土壤劣化問題。黃組長解釋,土壤的形成需要上百萬年才能累積兩、三公分,但被暴雨沖走卻只需要一、兩分鐘。

土壤沖蝕引起的後遺症可說是牽一髮而動全身,除了下游淤塞、水庫優養化,土壤中有養分的腐植質也會被帶走,當農地土壤失去了生產力,伴隨而來的往往是為生產而大量使用肥料和農藥。肥料只能為土壤帶來暫時的表面養分,植物沒有良好的抵抗力,於是農藥也隨之加入,衝擊當地生態。黃組長表示,原本在海拔七、八百公尺以下才會出現的小果蠅,現在 3000 公尺的高山也開始現身了,就是跟著做為肥料的雞糞一起上去的。「阿里山的山葵種植地一整片白白的,就是混了雞羽毛的雞糞肥。」

水和土之間的問題複雜交織,那麼從人類的角度而言,究竟治山還是治水優先?黃組長認為,水的「個性單純」:哪兒有路就往哪走,沒路可走自然氾濫成災。但在有人類活動的地方,不論是建物、道路或是農地都可能阻斷水路;因此,若先處理土地利用的問題,不過度開墾、不逆水性而行,水的問題自然可獲得解決。

那麼,上中下游應該優先治理哪個區塊?黃組長認為從上游下手才是「治本」的作法,如果上游已經崩塌得一塌糊塗,那麼下游只能把堤防越建越高,消極抵擋洪水和泥沙。以八八風災後的林邊溪為例,河床一夕之間增加十幾公尺,都是從山上崩塌而來的土沙堆積而成。興建堤防,可謂防不勝防。有些沿海地區地層下陷嚴重,例如屏東林邊鄉一帶沿海地區,有些地段之地勢已經比海平面更低,這種時候一旦下游發生破堤將更加危險,「低窪地區瞬間就會變成滯洪池」。

森林經營的學問

森林為何要經營?既然森林無限好、不是種越多樹越好嗎?事實上,為了預防崩塌,有些條件好的林地反而更需要經營、甚至「疏伐」。黃組長解釋,很多樹木生長良好的天然林,反而是暴雨來臨時崩塌得最劇烈的地方!這是因為天然林往往都位處坡度平緩、土壤深厚、養分和水份都充足的地方,在森林規模尚小時一切平安,但當林木和根系的重量逐漸累積使得土壤「超載」,一旦此時發生地震或強降雨,就容易發生超大型崩塌,規模更甚「每次都會崩一點」的過度開墾區。像八八風災的小林村、五峰鄉,都是這類深層滑動型崩塌的例子,其中當然脆弱而破碎的地層結構,也是重要禍首之一。

為了處理「不崩則已,一崩驚人」的林地,當樹木長到過於密集時應進行「疏伐」,增加平均每棵樹可生長的面積,或著以「擇伐」除去部分不健康的樹木,促進整體森林的健康生長。而砍伐掉的樹仍然有其經濟價值,例如做為紙漿用材。黃組長表示,森林對水源地保育固然有無上的價值,但只要能永續經營,按照適宜性區分土地的不同用途,林地仍然可以發揮其經濟價值,提供人類使用。但在某些保留區,樹木種類的經濟價值其實不高,反而具有生態多樣性的保育價值,例如福山植物園。

另一方面,為了處理水庫面臨的水質難題,翡翠水庫從一開始就規劃且嚴格執行「水庫保護帶」具體的經營管理辦法:在水庫滿水位以上的集水區四十公尺的水平距離內範圍,全部劃設為保護帶並密植造林,建立過濾緩衝帶,已經有效減少將近九成的泥沙、農藥或其他污染物,水質全台第一。

經濟發展和環境保護的「雙輸」

臺灣的年降雨量(高達2515mm)事實上約為全球平均的 3 倍,但是坡陡流急的地理條件使得大部分的降雨直接流入海中,同時因為地狹人稠,臺灣的每人每年所分配到的水資源(降雨量*國土面積/人口數)僅有 3,950 立方公尺,約為全球平均的七分之一而已。

為什麼臺灣的水資源如此匱乏、每人可用水量約為全球平均的七分之一,大家仍然若無其事?黃組長強調:「太便宜的水價有很大的責任。現在一噸的原水只要七、八元,如果一瓶 500ml 的礦泉水以十五元計算,同樣的水量價格至少要三萬元。七、八元和三萬元之間的落差令人匪夷所思。而某些食品服務業從開工打開水龍頭之後,為了『衛生考量』一整天都不會再關上,水價補貼的政策亟需重新設計思考。」

犧牲自然環境,其實未必會為經濟發展帶來好處。黃組長說,在民國 80 到 83 年他擔任福山植物園分所長時,烏來福山村與宜蘭員山鄉的哈盆溪谷地,一度面臨開發危機。「哈盆溪是原生林帶,而南勢溪是大台北最後的水源地。如果翡翠水庫仰賴的北勢溪不敷使用,那麼南勢溪就是最後不得已的唯一水源了。」如果開拓了連接烏來福山村與宜蘭員山鄉之間約五十多公里長的公路,台北人可以更便利的到宜蘭遊玩,員山居民也望可賺一筆觀光財。「但事實上這段路不過五十多公里,遊客迅速的經過後就可直接到夜生活更為發達的宜蘭市或礁溪鄉住宿,山林除了垃圾、噪音和空氣污染之外,能夠獲得的經濟利益恐怕微乎其微。」

黃瓊彪組長主張以科學的作法,有條件也有效地開發土地、讓地盡其利,同時也不希望社會為了短期利益,忽略未來大自然反撲時,對於身家財產、產業經濟更難以計算的災害。假若開發自然環境可獲得的經濟產值為五億元,當水土保持崩潰、水資源受污染、土壤崩塌,造成的災害恐怕連五百億都不只。差別僅在於後者由全體納稅人共同承擔,和口袋裡的錢相比容易讓人麻痺。山坡地濫墾濫伐帶來的災害,全面地影響著我們的生命安全、生活品質、以及經濟收入,無人能自外而獨善其身。(本文由科技部補助「新媒體科普傳播實作計畫─重大天然災害之防救災科普知識教育推廣」執行團隊撰稿)

 

本文原發表於行政院科技部-科技大觀園「專題報導」。歡迎大家到科技大觀園的網站看更多精彩又紮實的科學資訊,也有臉書喔!

責任編輯:鄭國威|元智大學資訊社會研究所

 

若大禹再世系列專題:

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陳妤寧
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熱愛將知識拆解為簡單易懂的文字,喜歡把一件事的正反觀點都挖出來思考,希望用社會科學的視角創造更宏觀的視野。

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低調卻又無所不在:你我身邊熟悉的陌生人,臺灣森林裡的「野生釀酒酵母菌」
研之有物│中央研究院_96
・2022/07/11 ・6154字 ・閱讀時間約 12 分鐘

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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。

  • 採訪撰文/寒波、簡克志
  • 美術設計/蔡宛潔

臺灣「野生釀酒酵母」的多樣性研究

釀酒酵母,一種被人類廣泛利用的微生物,釀酒、做麵包都會用到,此外也被大量用於科學研究。可以說不論在食品或學術上,釀酒酵母早已進入你我的生活。然而,釀酒酵母除了人類常用菌株(strain)是來自原有已知的幾個馴化譜系(domesticated lineage)之外,其實還有非常多野生譜系不為人知。中央研究院「研之有物」專訪院內生物多樣性研究中心蔡怡陞副研究員,他與研究團隊尋覓臺灣野生的釀酒酵母,意外發現臺灣島的面積雖然相比之下較小,野生釀酒酵母的遺傳多樣性卻是世界最高!論文已於 2022 年 3 月 31 日發表於《基因組研究》(Genome Research)。

不管釀酒還是做麵包,都不可或缺的釀酒酵母

釀酒酵母的學名叫作 Saccharomyces cerevisiae(簡稱 S. cerevisiae),它在釀酒或烘焙等食品業中最具代表性,也是最常見的模式生物之一。釀酒酵母作為單細胞真核生物的代表,大量用於學術研究,蔡怡陞團隊的成果即是一例。

至於釀酒酵母的產業應用,例如常見的愛爾(Ale)與拉格(Lager)啤酒來說,前者發酵溫度在 20℃ 左右,菌株就是上述的 S. cerevisiae,味道較濃郁;後者的特色是低溫發酵 10℃ 左右,菌株是人類特別選殖的雜交品系(註 1),味道較清爽。

常溫發酵的愛爾啤酒較濃郁、顏色深,低溫發酵的拉格啤酒較清淡、顏色淺。圖/Pexels

有趣的是,世界各地的人、歷史與文化也許有別,愛酒的心卻都一樣,歐洲培育出發酵啤酒的品系,日本也獨立馴化獲得釀造清酒的酵母菌。

除了釀酒之外,製作麵包也需要釀酒酵母,故 S. cerevisiae 也稱作麵包酵母。仰賴小規模手工業的古時候,麵包師都有自己的獨家酵母,師傅教徒弟時,傳承的不只技術,也包括酵母麵團。

邁入近代社會以後,各行各業都走向標準化,釀酒酵母也不例外。如今不同麵包師大都使用同一種量產酵母。

釀酒酵母不只用於釀酒,烘焙業也常拿來讓麵團發酵,做出好吃的麵包。圖/Unsplash

啤酒與麵包這些案例鮮活地說明,釀酒酵母深受人類影響,這也是大部分酵母菌演化研究關注的主題。

然而蔡怡陞實驗室則不同,他關心的對象是處於人類影響以外、還沒有被馴化的野生釀酒酵母們。這些野生釀酒酵母們和食品業常用的菌株是同一物種(species),學名都是 S. cerevisiae,但是為不同菌株(strain)。

由於釀酒酵母的產業運用和微觀機制探討已經相當成熟,但是人們對於釀酒酵母在生態中的角色依然所知有限,以前人們甚至懷疑過,真的有野生的釀酒酵母嗎?後來才知道不但有,而且多樣性還不小,與人類密切接觸的只是少數幾款。

那麼,蔡怡陞團隊是如何找出低調的臺灣野生釀酒酵母呢?

看不到卻無所不在:臺灣野生釀酒酵母的探尋之旅

蔡怡陞過去就對酵母菌相當有興趣,因為這是他在倫敦帝國學院就讀博士班的起家主題!當時他研究的是釀酒酵母最近的親戚 Saccharomyces paradoxus

回到中研院後,他決定在臺灣再度開啟野生釀酒酵母的研究,與博士生李佳燁、助理劉育菁、柳韋安等人多年奮鬥後,有了出乎意料的發現!如今回首 6 年來的探索過程,並不容易。

要研究野生的釀酒酵母,第一步當然是去野外採集,可是人的眼睛看不見酵母菌,所以沒辦法用視覺辨識直接採樣,要把樣本帶回實驗室,初步處理後浸入培養液,等待兩個星期才能得知結果:釀酒酵母是否存在。

實驗室使用特製培養液,有利於釀酒酵母生長,不利其他微生物。理想上,即使釀酒酵母原本的存在感很低,也能在培養液中放大。

因為酵母菌肉眼不可見,研究團隊需在廣大森林中採樣,並將處理後的樣本浸入培養液長達兩週,之後嘗試分離微生物並鑑定,才能確認是否成功採集到釀酒酵母。圖/研之有物(酵母菌圖源/蔡怡陞提供、腦海工作室製圖)

假如等待一段時間後,培養液長不出酵母菌, 也許是一開始就真的沒有,但是有沒有可能是因為採樣和培養時有缺失,害得酵母菌長不出來?或是釀酒酵母確實存在,卻由於數量太少而無法見到?

蔡怡陞回憶,開始這項計畫的第一年,幾乎一無所獲。根據歐洲與美洲的研究經驗,野生釀酒酵母常常於橡樹表面生長,橡樹屬於殼斗科植物,所以一開始多半以市區外圍森林,如殼斗科的樹皮為目標,卻不斷失敗。

後來往更廣的範圍採樣,並與生多中心研究人員鍾國芳黃仁磐等實驗室合作,這才克服難關,順利從多種植物的果實、樹葉、樹幹、地面、甚至是地衣等來源獲得酵母菌,並且訝異地得知,釀酒酵母在臺灣的森林其實非常普遍。

蔡怡陞歸納出的模式是:臺灣野外森林中,釀酒酵母普遍存在,但是比例非常低,可謂低調卻無所不在。

釀酒酵母在顯微鏡下的照片。釀酒酵母有人類馴化過的菌株,也有野生譜系。野生的釀酒酵母在自然界中普遍存在,但是比例相當低。
圖/Wikimedia

如何歸納出以上結論呢?這要利用如今基因體學的新工具:總體基因體學(metagenomic)。原理是取得環境樣本後,直接定序其中所有 DNA 片段,或是所有物種都有的擴增子(amplicon),再與資料庫對照;如此一來,便能估計目標佔整體的比例,蔡怡陞團隊就是去估算釀酒酵母佔其生長環境中的比例。

從環境採樣培養出釀酒酵母以後,由中研院定序核心實驗室的呂美曄,回頭定序該樣本的擴增子,接著由蔡怡陞實驗室的林渝非分析。野外採集的樣本中,絕大部分是細菌,通常高達至少 99% 之多;剩下多半為真菌(和原生生物等等),其中只有極低比例是釀酒酵母,最多也只佔 0.012%。因此同樣是細菌、真菌等微生物,釀酒酵母的存在感是低於 1% 中的 0.012% 以下,換句話說,不超過百萬分之 12!

透過總體基因體學的分析,能夠量化釀酒酵母在天然環境下的存在感。蔡怡陞也強調培養液很重要,否則無法讓低調的酵母菌現形。抓到目標後就能分離酵母菌,培育建立新的菌株,並且經由團隊成員李昕翰、柯惠棉的定序、組裝獲得完整的基因組。藉此獲得一百多個臺灣各地的菌株及其遺傳訊息,用於進一步研究。

蔡怡陞實驗室中,放入培養液和樣本的 6 支試管。培養液相當重要,負責讓低調但無處不在的釀酒酵母現身。圖/研之有物

釀酒酵母的多樣性,臺灣竟然世界最複雜?

要了解蔡怡陞實驗室新論文的意義,必須先認識別人過去的研究。

2018 年就有研究者從世界各地收集超過一千個釀酒酵母品系,探討親緣關係。分析發現野生釀酒酵母們彼此的變化差異還不小,東亞的中國為最多變之處;將所有酵母菌擺在一起畫演化樹,中國採集到的品系能歸類到不同譜系(lineages),包括與同類最早分家,差異最大的譜系。

演化樹是一種建構親緣關係的工具,所有樣本中,兩個樣本假如有最近的共同祖先,通常遺傳上的差異也會愈少,便會被歸類到一塊;這一批和其次相近的另一批樣本們,又會被歸類到一群,就這樣一直向前回溯(見下圖),形成看似樹狀的關係。而這棵樹上愈早分離的譜系,也就代表差異愈大,愈早和其他樣本分家。

演化樹與地理關係的示意圖,通常有兩種情況,左邊表示不同地點(A,B,C,D)採集的樣本,在演化樹上有明確先後次序,可推論出如何在地理上傳播;右圖表示不同地點(A,B,C,D)採集的樣本,在演化樹上無明確先後次序,傳播路徑交織在一起。圖/研之有物

中國採集的釀酒酵母們,不但有些被歸類到較晚分家的不同群,幾個樣本更自成一群,形成最早分出的演化樹枝。這些證據有力地支持:中國是釀酒酵母的起源地。然而,案情並不單純!

將臺灣的一百多個菌株擺進演化樹,驚奇的事發生了!臺灣存在的釀酒酵母們,竟然也被歸類進各大譜系,並有新的譜系,這表示臺灣的釀酒酵母多樣性,和中國一樣高。而且還有一款進入之前於中國採集到,與同類最早分家的那一群。

驚奇之處在於,擺在全世界的尺度下看,臺灣只是一個很小的島,地處東亞大陸邊緣。中國面積龐大,釀酒酵母具備全世界最高的多樣性並不意外,也被認為很可能是發源地;可是小小的臺灣,竟然也存在一樣高的複雜度。

簡化過的野生釀酒酵母演化樹示意圖,蔡怡陞團隊採集到的臺灣野生釀酒酵母譜系中,發現有一款和先前中國採集樣本都是最早分家的一群(黃框處),地理傳播也交織在一起。這表示臺灣的釀酒酵母多樣性,和中國一樣高,兩者皆為世界第一。圖/研之有物(資料來源/蔡怡陞)

有沒有可能臺灣多變的品系,並非起源自當地,而是被人類無意間帶來的呢?應該不可能,因為根據遺傳差異估計,那些野生譜系們分家後衍生的年代,都早於人類在附近活動的時間;由此可以推論,目前的分佈狀況,非常可能是自然傳播的結果(或許是隨著殼斗科森林)。

所以我們可以說,臺灣是釀酒酵母最初的起源地嗎?不行。符合已知證據,比較合理的解釋是,釀酒酵母於東亞發跡,所以在東亞地區的遺傳多樣性也最高;而臺灣也包含於此一交流範圍之內,從最早的始祖開始,從古至今逐漸分家的釀酒酵母們,可能陸續,或是在同一段交流時期進入臺灣,一直低調默默生存到現在,仍保持原鄉的面貌。

然而,好的研究不只要知道有多少已知,更要知道還有多少未知。蔡怡陞提醒我們,目前研究有個盲區:東南亞地區的取樣仍十分有限。根據已知的樣本,最早與同類分家的酵母菌,它們的後裔位於中國和臺灣,故推論東亞地區是起源地。

可是取樣匱乏的東南亞,會不會住著更早分家前輩的後裔呢?這是目前無法回答的問題。

野生釀酒酵母在中國與臺灣的實際採樣分布,發現臺灣譜系的數量是全世界同尺度地區中最高的。其中 TW1 和 CHN-IX 皆為最早分家的一群,證明了台灣是發跡地之一。小小的臺灣卻擁有如此高的多樣性,就是讓人驚奇之處。圖/研之有物(資料來源/蔡怡陞)
釀酒酵母實際的演化樹,這是從樹狀圖捲曲起來的另一種表達形式,其中 TW1 和 CHN-IX 皆為野生樣本,且是最早分家的一群。圖/研之有物(資料來源/蔡怡陞)

你我所不知道的小世界,野生釀酒酵母的生殖、生態學

總之根據現有的資訊,臺灣釀酒酵母的多樣性在同樣尺度下比較確實為世界最高

大量取樣下還能觀察到,距離非常近的採集地點,竟然同時住著遺傳上差異很大,不同譜系的菌株(甚至在同一棵樹!)。相比之下,中國酵母的多樣性也高,但是分佈並不密集,相近的地理範圍內通常存在遺傳上類似的菌株。

不同研究的手法不同,這會不會是中國研究者採集較為稀疏,取樣方式導致的偏誤呢?蔡怡陞表示,的確無法排除前述可能性;但是他反而認為過去的採集方式,說不定都忽略了微生物近距離的分佈與多樣性,所以更需要反思過往認知微生物的生物地理關係。

不過他也認為中國的釀酒酵母確實住的比較分散;因此差異大的品系住在附近這回事,搞不好真的是臺灣特色,至少是率先在臺灣觀察到。

了調查臺灣野生釀酒酵母的多樣性,蔡怡陞團隊也發現野生的釀酒酵母大部分是採取無性生殖,不同品系之間雖然會有遺傳交流,但是相當有限。圖/研之有物

另一件有趣的發現是遺傳交流。釀酒酵母是單細胞真核生物,實驗室環境下可以無性生殖,自己複製自己;也可以隨時切換成有性生殖,和同類一起生寶寶。利用菌株間的遺傳差異,可以預測自然界的釀酒酵母,大部分時候採行無性生殖(這是蔡怡陞博士班時期努力的主題!)。

既然臺灣存在許多遺傳有別的野生品系,有時候又住的很近,它們之間會遺傳交流嗎?

比對基因組得知,會,不過不常見,大約每幾百到幾萬次無性生殖才有 1 次有性生殖。這證實蔡怡陞對酵母菌生殖的推論,替釀酒酵母生態學新添一分認識。

讓學術研究結合產業應用,找到野生釀酒酵母之後

有趣歸有趣,但是研究臺灣野生釀酒酵母有什麼意義呢?

從學術上來說,蔡怡陞指出,臺灣生態系複雜,本次透過基因體學手法得到量化證據,支持釀酒酵母這種微生物,在臺灣的多樣性很高。這項在臺灣採樣的本土研究,也大幅增進全世界對釀酒酵母的認識,並可更進一步開始探討釀酒酵母在自然界所扮演的角色。

從產業上來說,在蔡怡陞團隊的辛苦調查與記錄之後,未來我們是否可以期待廠商用臺灣在地的野生釀酒酵母做啤酒呢?

釀酒酵母是與人類互動最密切的微生物之一,但是人們對野生的釀酒酵母了解卻很有限,可謂無比熟悉的陌生人。蔡怡陞採集到眾多野生的菌株品系,不論學術研究或產業應用,都可能有進一步發展。

目前實驗室正在把這些菌株「帶」回實驗室,開始量化相關的表現型(phenotypes)。等到時機成熟,他歡迎各界合作,一起探索臺灣自然資源的潛力。

蔡怡陞與實驗室團隊合影,前排由左往右為:李佳燁、柯惠棉;後排由左往右為:蕭禎、劉育菁、蔡怡陞、林渝非。這次論文中公開的眾多野生釀酒酵母菌株,不論學術研究或產業應用,都有相當的發展潛力。圖/研之有物

註解

  1. 拉格啤酒採用的菌株是 Saccharomyces pastorianus,為 S. cerevisiae 及 S. eubayanus 兩者雜交而成。

參考資料

  1. 蔡怡陞(2017)。〈多樣性決定味覺豐富度,釀酒酵母的「萬年傳統全新感受」〉,《環境資訊中心》。
  2. Lee, T. J., Liu, Y.-C., Liu, W.-A., et al. (2022). Extensive sampling of Saccharomyces cerevisiae in Taiwan reveals ecology and evolution of predomesticated lineages. Genome Research.
  3. Peter, J., De Chiara, M., Friedrich, A. et al. (2018). Genome evolution across 1,011 Saccharomyces cerevisiae isolates. Nature, 556, 339–344.
  4. Duan, S. F., Han, P. J., Wang, Q. M. et al. (2018). The origin and adaptive evolution of domesticated populations of yeast from Far East Asia. Nat Commun, 9, 2690.
  5. White, C., & Zainasheff, J. (2010). Yeast: The Practical Guide to Beer Fermentation. Brewers Publications.
  6. Tsai, I. J., Bensasson, D., Burt, A., & Koufopanou, V. (2008). Population genomics of the wild yeast Saccharomyces paradoxus: Quantifying the life cycle. PNAS, 105(12), 4957–4962.

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研之有物│中央研究院_96
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研之有物,取諧音自「言之有物」,出處為《周易·家人》:「君子以言有物而行有恆」。探索具體研究案例、直擊研究員生活,成為串聯您與中研院的橋梁,通往博大精深的知識世界。 網頁:研之有物 臉書:研之有物@Facebook

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IPCC最新氣候變遷報告說了什麼?更熱的地球與更脆弱的人類
台灣科技媒體中心_96
・2022/03/03 ・3926字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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氣候變遷衝擊面向更廣,台灣準備好了嗎?

正當全球關注俄羅斯與烏克蘭的戰事發展時,昨(2/28)日聯合國氣候變遷專門委員會(IPCC)發布了最新氣候變遷第六次評估報告第二冊《衝擊、調適與脆弱度》(AR6 Climate Change 2022: Impacts, Adaptation and Vulnerability),再次呼籲各界積極應對氣候變遷衝擊,並立即展開應對政策與調適行動。

該重量級報告指出,人類活動引起的氣候變遷現象,已在世界各地造成極大負面衝擊與不可逆的環境危機,危及大量的陸地與海洋物種生存,目前已有多達 33~36 億人口生存在易受氣候變遷衝擊的脆弱環境中,且氣候變遷影響不僅止於生態物種,更危及人類社會的糧食、水資源、都市及健康問題。

台灣多位專家隨之呼籲,許多過去未被注意到的風險,如心理健康、土木工程都可能遭受衝擊,台灣應重新盤點、反思各領域可能的衝擊與調適策略,以因應不斷變動的氣候變遷衝擊。近年當紅的「自然解決方案(Nature-based Solutions, NbS)」,也首次被納入 IPCC 科學報告,值得相關當局關注。

為協助台灣社會掌握最新氣候發展脈動,台灣科技媒體中心偕同財團法人台達電子文教基金會,於報告發表隔日公開本次報告完整的決策者摘要(SPM)中文翻譯,以及台灣專家回應觀點,協助相關單位制訂更適切的氣候變遷調適策略。

這份重量級報告指出,人類引起的氣候變遷,已在世界各地造成極大負面衝擊與不可逆的環境危機。圖/envato elements

第六次報告強調的重點為何?

台灣科技媒體中心舉辦記者會,邀請台灣大學生物環境系統工程學系教授童慶斌、中央大學水文與海洋科學研究所教授李明旭、銘傳大學都市規劃與防災學系副教授石婉瑜解析這份重量級報告。這份報告是整個第六次評估報告(AR6)中的第二份,關注氣候變遷造成的衝擊、風險與人類的調適發展。

IPCC 再次呼籲,應對日益增加的氣候變遷風險應即時行動。相較於第五次評估報告,本次更強調,只要升溫超過攝氏 1.5 度,對生態或是人類系統的風險將大幅升高;而且升溫越多,人類將越無法調適。

童慶斌回應報告提到的風險,指出我們應該找出具有一致性與標準性的國家評估方法、建立可靠的科學證據;並根據 AR6 氣候情境,來評估台灣未來氣候變遷下的危害地圖,才能依此做出好的調適。同時標準化的評估方法,有助於不同層級、部門一起協力,建立夥伴關係,應對個別部門很難單一處理的跨領域風險。進一步形成跨部會、跨層級的公私協力夥伴關係,並考量永續發展目標。

童慶斌也提醒「衝擊與調適」在不同部門之間可能互斥,也可能互利。例如農業部門、民生部門、工業部門都會同時面對缺水問題,目前遇到這個問題,台灣是將農業用水調給民生工業部門,但這會與糧食安全互斥。另一面向,當我們面對淹水的問題,處理好淹水也會同時減少病媒蚊滋生的環境,與公共衛生領域共利。

李明旭則指出,這次報告與第五次評估報告的最大差異,是強調全球暖化超過攝氏 1.5 度將產生的額外嚴酷風險。報告特別提醒調適與減緩之間,需要更好的權衡,並避免導致「不適當的調適」,而不適當的調適可能在解決一個氣候風險問題之後,產生新的衝擊問題,甚至進入高脆弱度、暴露與風險的困境。

這次報告強調全球暖化超過攝氏 1.5 度將產生的額外嚴酷風險。圖/envato elements

6個氣候變遷即將帶來的衝擊

1. 從氣候變遷觀察到的衝擊:

人為引起的氣候變遷,包括更頻繁、劇烈的極端天氣事件,對自然和人類造成廣泛的負面影響,且其造成的衝擊,可能超過人類與自然可調適的範圍。

a.     生態方面

全球評估大約一半的物種已經向極地或更高海拔的地區移動。極端高溫造成數以百計的物種損失,以及陸地及海洋大規模生物死亡的事件。有些生態損失是不可逆的,例如已滅絕的物種;有些衝擊接近不可逆的狀態,例如冰河退縮導致的水文變化。

b.    人類社會

(a)  糧食與水的安全首當其衝。中低緯度地區受到較大的負面衝擊,致使數百萬人面臨嚴重糧食不安全。水產養殖與漁業也受到負面影響。

(b)  人類身體與心理健康的不利影響。例如:極端高溫導致人類死亡、提升發病率;擴大病媒蚊傳播範圍;極端天氣事件造成心理創傷等。

(c)   在城市中,主要的衝擊集中在經濟與社會弱勢的居民。此外關鍵基礎設施,如交通、水、能源系統,也正在受到極端天氣事件的影響。

報告中觀察到,全球評估大約一半的物種已經向極地或更高海拔的地區移動。圖/envato elements

2. 生態系統與人類的脆弱度和暴露:

a.     生態

全球僅不到 15% 的土地、21% 的淡水、8% 的海洋屬於保護區,且多數保護區缺乏降低氣候變遷影響的管理制度。預計世界上大部分的森林、珊瑚礁和低窪沿海地區,會受氣候影響而退化或損失。

b.    人類社會

大約 33-36 億人生活在極易受到氣候變遷影響的環境中。西非、中非、東非、南亞、中南美洲、小島嶼國家、北極地區是人類高度脆弱的熱點。

大約 33-36 億人生活在極易受到氣候變遷影響的環境中。圖/envato elements

3. 近期(2021-2040)風險:

在近期全球升溫就可能達攝氏 1.5 度,將會造成多種氣候災害增加。在近期自然和人類系統的氣候風險,取決於脆弱度與暴露程度,而非排放情境。與暖化加劇的情境相比,將升溫限制在1.5度可以大幅減少自然和人類的損失,但不能完全消除。

4. 中長期(2041-2100)風險:

2040 年後,氣候變遷的風險與全球暖化的程度高度相關。

a.     生態

估計在全球升溫攝氏 1.5-2 度間,生物多樣性熱點地區的特有物種的滅絕風險至少翻倍;如果升溫幅度為攝氏 1.5-3 度,則至少增加 10 倍。

b.    人類社會

在中長期所有評估中,暖化程度越高,可使用的水資源風險及水有關的危害程度越大;糧食生產和取得的壓力增加;熱浪的暴露人口持續增加;城市、關鍵基礎設施的風險增加,預計如果全球平均海平面相較於 2020 年上升 0.15 公尺,遭受百年一遇洪災的人口會增加 20%。

5. 氣候變遷的衝擊與風險越來越複雜、越來越難以管理。

多種氣候災害同時發生,且氣候與非氣候的風險交互作用,將導致新的衝擊與風險。

6. 暫時超出攝氏 1.5 度的風險:

目前的推估模型對於這個路徑的評估有限。但暫時超過攝氏 1.5 度仍會造成部分低恢復力的生態系統,如極地、山區、沿海生態系不可逆的影響。

我們該如何提高氣候韌性?

報告中,針對氣候韌性提出四大重點:

  1. 各個國家地區基於資源、脆弱度、文化價值的差異,選擇不同的排放情境,導致實現氣候韌性發展的機會之窗正在迅速縮小。
  2. 當政府、民間社會和私部門做出以減少風險、公平和正義為優先的發展選擇,且決策過程與資金都有跨部門的合作,最可能實現氣候韌性發展。
  3. 鑑於氣候變遷對生態系統與生物多樣性的威脅,保護生物多樣性與生態系統,是發展氣候韌性的基礎。
  4. 毫無疑問,氣候變遷已經擾亂自然與人類系統。未來十年採取的社會選擇與行動,決定了在中長期路徑上氣候韌性的高低。重要的是,如果當前不迅速減少溫室氣體排放,特別當升溫超過攝氏1.5度,氣候韌性發展的前景,將會越來越有限。

李明旭認為,這份報告不斷提到「包容式的治理過程」,強調資訊公開、決策透明。同時需建立夥伴關係、減少調適的軟性限制,透過政策工具與組織制度,建立促進調適發展的重要基礎。同時這次的報告強調「未來十年,人類的行動將會決定未來我們要面對多少風險」,且與 2030 永續發展的目標緊密扣連。

石婉瑜提到與過去相比,AR6 採用新的框架評估與討論氣候風險。從人類社會、自然生態與氣候,三個系統的依存關係與交互作用,尋求達成氣候韌性的方法。石婉瑜指出,傳統的系統經常造成「不永續」與「氣候變遷」,因此這份報告強調人類與生態系統的永續、公正轉型,以及各種系統的創新轉變。

圖/envato elements

石婉瑜強調都市化是全球的趨勢,全球大部分的人口居住在都市中,而越來越多的城市暴露在高氣候風險之下,因此「城市」的氣候科學與調適已經是 IPCC 的關注焦點。石婉瑜認為報告中所指不當調適、災害風險不均、氣候正義問題,值得決策者重視,且須納入各類知識與族群參與規劃。此外以生態系統為基礎的「自然解方」,首次被納入 IPCC 報告的城市調適策略,未來台灣規劃調適策略與氣候韌性路徑時,也應列為核心考量。

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福島核災十年後,當地的野生動物還健在嗎?
羅夏_96
・2021/11/09 ・3255字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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2011 年 3 月,一場大地震和隨之而來的海嘯,對日本東北部造成巨大的損害,但災難可遠遠不僅如此。地震與海嘯也侵襲了福島第一核電站,在各種天災與人禍下,最終發展成近年來最大的核事故。為了避免民眾受到核輻射的傷害,日本政府撤離了約 15 萬居民。雖然在後續幾年,部分地區因輻射量大幅降低,已陸續有民眾返回,但不少區域至今仍無人居住。人們撤離是要免受輻射的傷害,不過野生動物可無法撤離,因此這就讓科學家們好奇,這些核輻射究竟對牠們有怎樣的影響。由美國科羅拉多州立大學、喬治亞大學和日本的福島大學所組成的國際聯合團隊,近期發表在 Environment International 上的研究顯示,這些野生動物在核災後,長期暴露在輻射環境中,並沒有出現任何明顯的不良健康影響[1]

核電廠周邊地區的輻射影響和核廢料污染,是不少科學家和民眾長期關注的話題。圖/Pixabay

輻射究竟是什麼?

在福島核災之後,大眾普遍對「輻射」一詞充滿恐懼。但在我們害怕輻射以前,勢必得先了解輻射是甚麼,這樣才不會陷入不必要的恐懼之中。

輻射其實是很常見的現象。輻射是一種從中心點將能量向四面八方送出的方式,而這種方式可透過粒子或電磁波的形式。舉例來說,太陽所發出的太陽光是一種輻射、蠟燭的火光所發出的光與熱也是輻射,甚至手機與電腦螢幕發出的光也是輻射,因此講到這邊你應該就知道,輻射是稀鬆平常的事。

不是所有輻射都會造成危害

既然輻射很常見,那麼為何有些輻射對人體會有危害?這就與輻射的能量有關了。

前面提到,輻射是能量傳送的方式。若今天發出的輻射能量不高,那自然對人體不會有甚麼傷害。但如果發出的輻射能量極高,能改變甚至破壞如蛋白質和 DNA 等生物分子,這就會傷害人體了。在科學上,這種高能量且會傷害生物體的輻射被稱為「游離輻射」,而那些低能量也不會傷害生物體的輻射,則被稱為「非游離輻射」。因此輻射並非都是不好的,首先要明確知道所談的輻射種類為何,而我們在報章雜誌、社群媒體和科學文獻中看到,會傷害人體的輻射,指的都是游離輻射。在後面的文章中,我會用輻射一詞替代游離輻射,以方便閱讀。

輻射種類。圖/行政院原子能委員會

輻射會改變與破壞生物分子,若輻射強度夠高,是能直接讓細胞死亡的。就算輻射強度沒那麼高,也足以改變細胞內部的構造,使其突變與癌化的機率大幅提高。而人們所懼怕的輻射傷害,很大程度就是後者的狀況。

輻射傷害可分為污染和暴露兩種。輻射暴露指身體直接受到外在輻射線之照射,會傷害人體但不會傳染影響他人;輻射污染是指身體內外留有會發出輻射之物質(又稱放射性物質),不僅會持續危害自身健康,也會導致接觸者被輻射污染物所傷害。而在福島第一核電廠發生爆炸後,大量的放射性物質便隨著爆炸散佈到空氣中。這些在空氣中的放射性物質,會隨著重力沉降或降雨等方式回到地表,沉降累積在土壤、河川或海洋中,讓環境被放射性物質所污染。

當生物處在被放射性物質所污染的環境中,就會持續被輻射所傷害。這也是為什麼在福島第一核電廠爆炸後,日本政府會撤離大量的居民。人類雖然撤離了,但許多野生動物仍繼續在輻射污染區生活,而這就讓科學家們好奇,在這樣的環境中,持續接收輻射是否會對這些動物們產生不良的影響?

野豬與鼠蛇作為觀察指標

由美國科羅拉多州立大學、喬治亞大學和日本的福島大學所組成的國際聯合團隊,於 2016 年至 2018 年研究福島的野豬和鼠蛇在一系列輻射暴露中的生理情況。以往用來模擬輻射傷害的生物是小鼠,為何研究團隊會選擇這兩個物種做為觀察對象呢?

首先是在生理上,野豬比起小鼠更接近人類,因此是更適合研究輻射傷害的動物。選擇鼠蛇的原因在於,它們的生活型態是貼近地面的。而地面累積不少放射性物質,這使牠們會長期接觸到大量的輻射,受到輻射的傷害也更明顯。而研究團隊選定的觀察生理指標為端粒的長短壓力賀爾蒙的量

端粒是位於染色體兩側的保護性結構,當生物體的 DNA 有損傷或受到持續的壓力,端粒的長度會縮短。研究團隊本來猜測,這些長期生活在輻射污染區的野豬和鼠蛇,會因 DNA 損傷而有端粒縮短的現象。但研究結果顯示,這些生活在污染區的動物,其端粒長度與生活在非污染區的動物沒有區別,另外,端粒的長度與動物生存環境中的輻射量高低沒有關聯。研究團隊也檢測部分與 DNA 損傷相關的指標,但結果和端粒的長度類似。也就是說,環境中的輻射並不會對野生動物的 DNA 造成危害性損傷。

雖然輻射對野生動物所造成的 DNA 損傷影響不大,但在壓力賀爾蒙上卻有所影響。研究顯示,野豬體內的壓力賀爾蒙的量,會隨著環境中的輻射量升高而降低。研究團隊認為持續的輻射傷害,會干擾動物體內壓力賀爾蒙的分泌,進而使壓力賀爾蒙的量降低。

正常來說,若遇高壓環境(此研究中為輻射傷害),動物會分泌更多壓力賀爾蒙來維持體內平衡,然而壓力賀爾蒙對身體是種負擔,為了讓身體適應高壓環境,壓力荷爾蒙的分泌量反而會減少,這在生理學上稱為「負回饋機制」,當壓力賀爾蒙分泌量減少後,也可能會出現一系列不良的生理反應。(想想那些長期處在高壓環境且賀爾蒙失調的人)

不過雖然壓力賀爾蒙的量有下降,但動物們卻沒有出現任何不良的生理反應。而且野生動物群的數量在這些年來是越來越多。

綜合以上的結果,研究團隊認為目前在輻射污染區中的輻射量,不會對生活在此的野生動物群造成不良的健康影響。

動物沒事,代表人類也能沒事嗎?

看到這兒,想必一些讀者會想:既然野生動物們在輻射污染區中,不僅沒受到致命影響,還欣欣向榮,是否表示人在這些污染區中也沒事呢?答案是不知道。

首先,不同物種對於輻射的耐受度都不盡相同,例如人類能承受的最高輻射量,對於野豬而言,可能只是低劑量。另外,目前生活在污染區的動物們都受到輻射的長年洗禮,或許已發展出應對輻射的生理能力,而這些能力可能是人類不具有的。因此,野豬和鼠蛇在這樣的環境雖沒受到影響,但該環境對人體可能仍有一定的影響。

其二是在測量環境輻射量上的困難。目前我們對於輻射對生物體的傷害,絕大多數是在實驗以定量的放射性物質進行的研究。在實驗環境中,我們能清楚地控制與計算動物究竟會接受到多少的輻射。但在自然環境中,輻射量會隨著環境的改變而有所變動,因此我們無法知道野生動物所接受的確切輻射量。事實上,我們對於放射性物質在自然環境中會如何改變,是不清楚的。因此,在實驗室中會對動物產生不良影響的輻射劑量,在自然環境中可能不會產生問題。

雖然這篇研究的結果顯示在福島核災後,野生動物在污染區內沒有產生不良影響。但這個結果,長期來看是否仍是如此,仍有待持續觀察(雖然車諾比核災的案例已告訴我們:野生動物長期在污染區內生活,反而欣欣向榮)。當然,我不認為這個研究是要說輻射污染已不是問題,而是提出一個較為客觀的觀察。福島核災後,社會對於輻射的恐懼已到不理性的地步。輻射使用不當確實很可怕,但我們生活中的很多方面,其實都受益於輻射。與其一股腦地恐懼輻射,不如好好地認識輻射,或許才是面對輻射更好的態度。

車諾比核災於 1986 年發生於烏克蘭境內,是人類史上最嚴重的核電廠事故。圖/Pexels

參考資料

  1. Cunningham K et al. Evaluation of DNA damage and stress in wildlife chronically exposed to low-dose, low-dose rate radiation from the Fukushima Dai-ichi Nuclear Power Plant accident. Environ Int. 2021 Oct; 155:106675. 
  2. Radiation: Effects and Sources
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羅夏_96
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同樣的墨跡,每個人都看到不同的意象,也都呈現不同心理狀態。人生也是如此,沒有一人會體驗和看到一樣的事物。因此分享我認為有趣、有價值的科學文章也許能給他人新的靈感和體悟