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農田裡的科學家(上):科學家改行當農夫 讓福壽螺退散!

劉珈均
・2015/08/12 ・3095字 ・閱讀時間約 6 分鐘 ・SR值 513 ・六年級

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林芳儀分享從科學家變成農夫、在農田作實驗的心得。圖/陳亭瑋攝。

林芳儀和陳毅翰,一個為野生動物保育博士、一個是生物學碩士,這對伴侶前年由學者轉行為農夫,到宜蘭種田,目前種植面積1.6公頃。「科學魂」不減的他們,在農田裡實行一系列科學試驗,今年首先發起「福壽螺退散計畫」,鎖定農夫的頭號公敵!

他們在田裡放置方格取樣,數算福壽螺出沒數量,發現牠們是「夜貓子」,每分地(約970平方公尺)晚上約比白天多了兩千多隻;他們也實驗得出福壽螺最愛米糠,若以此為餌製作陷阱,每分地放25個裝置誘捕一週,移除率可達50%。

林芳儀強調,生態不只存於人跡罕至的山林,與人類關係最密切的是農田,但學界卻缺乏農田生態的資料庫,一般人也認為農田只是生產糧食之地。他們把眼光放在十年後,打算一年執行一個計畫,逐步累積資料庫,並拉攏更多農民加入。

福壽螺是「最熟悉的陌生人」

走進農村,翠綠稻田如波浪般迎風起伏,畫面一片和諧──除了稻桿上、溝渠壁一串串豔粉色的福壽螺卵塊顯得突兀。說福壽螺是最讓農民咬牙切齒的生物都不為過,「農夫甚至會比賽誰的田被吃最多,看別人田裡的慘狀就覺得安慰一點了!」林芳儀苦笑著說。

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稻田中常見粉紅色的福壽螺卵塊。圖/劉珈均攝。

福壽螺原產於南美洲,在70年代作為食用螺類引進台灣,但後來發現不合台灣人胃口,被棄置淪落溝渠,這一來倒正中牠下懷,牠適應力好、不挑食,稻子、芋頭、蓮花等水生植物都吃,溫度不適時還能鑽進土裡休眠,且繁殖力良好,一顆母螺每年可產7000~9000顆卵。

看到田地裡一排排整齊的「稻子陣列」之間有個坑窪,就是福壽螺幹的好事。剛插秧的一個月內是關鍵期(稻子茁壯後福壽螺就不愛啃),「福壽螺會啃掉整株秧苗,若來不及補秧,被吃掉多少,收成就是沒了。」文獻記載福壽螺一天能吃掉12株苗,陳毅翰和林芳儀換算,一隻福壽螺一天的食量大約可以吃掉半碗飯的米粒,每年造成上億元損失。

林芳儀常形容:「福壽螺是最熟悉的陌生人。」關於福壽螺的研究只有80年代零星幾篇論文是觀察生態習性,之後皆著重於如何防治、消滅牠們。農村中對福壽螺的習性也眾說紛紜,有人說晚上抓福壽螺抓比較多(因此許多農夫插秧前後都掛著深重的黑眼圈),有人說牠喜歡待在靠近田埂處,有人用高麗菜葉誘捕,又有研究說牠喜歡吃香蕉。 身為科學家,遇到問題當然就做實驗囉!

他們蒐集這些「鄉野傳說」,撥出一塊0.8公頃的水稻田做實驗,像節目「流言終結者」般透過實驗一一確認,希望找出更有效率、且不傷害生態的防治法。過去沒有人想過要知道田裡有多少福壽螺,但要評估陷阱的效率,就得先知道族群量等資訊,實驗就在今年一期稻作時展開(註1)。

敵情測探報告:福壽螺晚上出沒、聚眾田邊、愛吃米糠

樣方
實驗田劃分成小方格,放置一個個樣方。圖/取自「農田裡的科學計畫」網站。
夜晚數福壽螺
夜晚數福壽螺。圖/取自「農田裡的科學計畫」網站,陳毅翰攝。

首先設置30個90×90 公分的樣方作為先期試驗,看看日夜習性與空間分佈,他們早晚七八點各計數一次,每個木框平均晚上比白天多2隻福壽螺,這已具統計上的顯著意義,相當於每分地晚上會比白天多2395隻!折合重量為21.6台斤(約13公斤,農夫們抓螺習慣秤斤論兩);空間分布上則是田埂邊和入水口較多。

謹慎起見,他們也曾隨機選個樣方,晚上抓10隻福壽螺貼上編號標籤,白天再數一次,10隻都在樣方內,只是有的鑽到土裡深處,確認了福壽螺並非晚上「越獄」以致於白天點名時比較少。

接下來估算族群量,考量到人力和時間,他們決定容許10%誤差值,設置了90個樣方,因為福壽螺分佈不均,分層後依據面積比例,田埂區隨機擺設30個樣方,田中央區擺60個,換算每分地福壽螺族群量約有22000隻。「有人會問,知道牠行為有什麼用呢?知道牠在晚上出沒,陷阱放過夜效果會比較好;知道牠的分佈靠田埂邊,就知道陷阱可以放那,巡田水時順便換,這是很實際的應用!」林芳儀解釋。

第二階段的誘餌實驗選了香蕉、高麗菜、米糠加鹿仔菜,這選擇根據來自業界和學界:鴨子喜歡吃福壽螺,捕螺人會以米糠誘引、捕捉福壽螺賣給養鴨場;香蕉來自一篇學術研究(註2);高麗菜則是當地農民喜歡用的。

他們把實驗田分成兩邊,各放12組自製的寶特瓶陷阱,一邊當做對照組,只放陷阱不放餌食,另一邊的12組又分為三組,實驗三種餌料,擺放為時一週。實驗得出福壽螺最愛吃米糠,每天每個米糠陷阱平均可補到75.2隻福壽螺,「果然作生意的最準。」林芳儀笑著說。米糠是糙米碾為白米脫去的那層殼,是小農最易取得的材料,若一分地放25個米糠陷阱誘捕一週,移除率可達50%。

一公頃放置250個陷阱,若勤勞每天巡田水時收放陷阱,一天要彎腰500次,但比起原本彎腰上萬次的人工撿螺,已減輕不少負擔。

今年秋冬計畫:趁福壽螺冬眠前突襲

他們預計九月在科學募資平台「SciMu」募資,製作1000個米糠餌食的誘捕裝置,號召四個小農,移除四甲土地50%的福壽螺,作為裝置量產前的試驗!

「宜蘭田冬天是放滿水的,根本就在養福壽螺。」林芳儀說。他們認為九月底、十月初會不錯的捕捉時間點──這是農夫打田菁放水後、福壽螺冬眠前。多數農夫在插秧後一個月就不管牠們了,但牠們仍快樂地持續繁殖,「福壽螺在南美洲多在雨季時繁殖,但(宜蘭)這裡沒有明顯乾濕季差異,比較明顯控制牠活動的是溫度,(宜蘭)3至10月底都是適合牠活動的溫度。」趁秋冬休耕時多捕一點,或許就能降低隔年春耕的危害。

他們有考慮進一步研究福壽螺依水稻田的農事節奏(打田、放水、放乾、插秧、曬田……)水位變化的族群量改變;而下一個「田野揭秘」腹案也在醞釀中,計畫觀察水田最常見的鳥類「紅冠水雞」習性,「有的田沒有紅冠水雞,有的人卻看到牠們一家四口出來散步,還拔光三分之一田的秧苗。」林芳儀說,翻查文獻,相較於秧苗,牠更偏好吃螺這類的小型軟體動物,還有許多謎團待研究(又是個讓農夫頭痛、充滿鄉野傳說的生物……)。

林芳儀說,他們把眼光放在十年後,就目前資源,以一個生態系為研究單位範圍太大了,他們打算一年執行一個計畫,慢慢累積出農田資料庫;加上現在有許多青年回到農村,年輕一代對生態保育較感興趣,也較有能力執行類似實驗、蒐集資料,十年後這些人成為務農主力時,或許也能兼任「公民科學家」,他們期待拉進更多農民加入,建構出農業知識網絡。

想繼續了解這系列實驗與科學家的農村生活,可追蹤「農田裡的科學計畫」或「晴耕雨讀」FB。

【下篇 農田裡的科學家(下):「固執」是科學家和農夫的共通點

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當時的實驗田現在已結實累累。因為實驗緣故,這塊田較晚插秧,周圍的田地都收割了,唯這一小塊田還留有金黃稻穗。圖/劉珈均攝。

 

註:

  1. 第一期稻作:約3~4月插秧,7月收成
    第二期稻作:約7~8月插秧,11~12月收成。
  2. 鄭嬿甄(2005)。福壽螺(Pomacea canaliculata)誘引劑開發之研究。國立台灣大學動物學研究研究所碩士論文,未出版,台北

單位換算:
一公頃=100公畝=10000平方公尺
一公頃≒一甲=十分地
一分地≒970平方公尺

延伸閱讀

〈福壽螺真的是夜貓子嗎?〉,農田裡的科學計畫網站。
〈福壽螺引進的省思〉,台中農改場。
林金樹。1986。 福壽螺之生態觀察。台中區農業改良場研究彙報 13: 59-66。

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劉珈均
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PanSci 特約記者。大學時期主修新聞,嚮往能上山下海跑採訪,因緣際會接觸科學新聞後就不想離開了。生活總是在熬夜,不是趕稿就是在屋頂看星星,一邊想像是否有外星人也朝著地球方向看過來。

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海邊戲水要小心!一次帶你認識刺毒魚類,與被刺傷後的自救方法
自然保育季刊_96
・2022/07/20 ・4724字 ・閱讀時間約 9 分鐘

刺毒魚類是什麼?有刺的魚 ≠ 刺毒魚類

海洋是生命的發源地,其環境複雜多樣,孕育出多種多樣的海洋生物。在漫長的演化過程魚類發展出多樣適應環境的機制,包括物理性、化學性及生物性的調適,其中刺毒(venoms)屬於較為複雜的化學性防禦機制。

然而具有尖刺的魚類就等於是刺毒魚類嗎?答案是「否」的。

刺毒魚類的硬棘上附有毒腺,除了能為掠食者帶來物理性(刺傷)傷害以外,並會造成化學性(毒液)的二次傷害,毒腺所分泌的毒液會使傷口產生更為強烈的疼痛感,是一種特殊的防禦機制。

可能比你想像中多:世界上的刺毒魚類有多少?

全世界的魚類約有 30,000 多種,曾被報導過的刺毒魚類約有 2,500 多種(表 1),約占所有魚類的 8%,其主要可分為四大類,分別為:

(一)軟骨魚類中的銀鮫目(Chimaeriformes)、異齒鯊科(Heterodontidae)、角鯊科(Squalidae)

(二)軟骨魚類中的燕魟亞目(Myliobatoidei)

(三)硬骨魚類中的鯰形目(Siluriformes)

(四)硬骨魚類中的鰭棘魚類(Acanthomorphs)(Smith and Wheeler 2006;邵廣昭 2021)。

表 1 各類群刺毒魚類種類數量及毒刺部位。表/自然保育季刊

第一類刺毒軟骨魚類的毒刺主要分布於背鰭上,數量 1 至 2 根。

第二類魟類,現生種類約 200 多種,毒刺分布於尾柄上(Nelson et al. 2016),當其尾柄上的毒刺擊中掠食者後,毒液會經由外皮鞘(integumentary sheath)的破壞而全數釋出(Fenner 2004)。著名的電視節目主持人鱷魚先生 Steve Irwin 就是被大型魟類尾部的毒刺傷及心臟而喪命的。

黑線銀鮫(Chimaera phantasma)。箭頭標示處為其毒刺。圖/自然保育季刊

第三類鯰形目魚類,大多為淡水種類,其中有毒的種類大約為 1,500 種,毒刺分布於胸鰭及背鰭(Wright 2009),其毒刺外緣具鋸齒(圖 1A)。

鯰形目魚類在美洲具較高的多樣性,占所有種類的 60%(Nelson 2006)。臺灣產12種,淡水的種類有鈍頭鮠科(Amblycipitidae)1 種、鯰科(Siluridae)1 種、鬍鯰科(Clariidae)2 種、鱨科(Bagridae)2 種,鱨科的種類因背鰭(1 根毒刺)、胸鰭(2 根毒刺)具毒刺,故俗稱為三角姑;

海水的種類有鰻鯰科(Plotosidae)1 種,及海鯰科(Ariidae)5 種,兩者的俗稱分別為沙毛及成仔丁,毒刺的位置與鱨科一致。

圖 1 刺毒魚類毒刺形態之一。圖/自然保育季刊

A. 線紋鰻鯰(Plotosus lineatus)胸鰭硬棘。 B. 瞻星魚(Uranoscopus sp.)匙骨上的棘。C. 褐臭肚魚(Siganus fuscescens)背鰭硬棘。 D. 托爾逆鈎鰺(Scomberoides tol)背鰭硬棘。縮寫:gr,groove 溝槽。

第四類鰭棘魚類,由六個類群所組成,分別為蟾魚目(Batrachoidiformes)、鮋亞目(Scorpaenoidei)、刺尾魚亞目(Acanthuroidei)、䲁亞目(Blennioidei)、逆溝鰺亞科(Scomeroidinae)及鱷亞目(Trachinoidei),雖然僅有 585 至 650 種,但相對於前面的三個大類群,毒刺的形態則顯得更為多樣化,毒腺可發現於牙齒、主鰓蓋骨(opercle)、匙骨(cleithrum) (圖 1B)、背鰭、腹鰭和臀鰭多個部位(Smith and Wheeler 2006)。

圖 2 刺毒魚類毒刺形態之二。圖/自然保育季刊

A. 中華鬼鮋(Inimicus sinensis )背鰭硬棘。 B. 魔鬼簑鮋(Pterois volitans )背鰭硬棘。C. 眉鬚鱗頭鮋(Sebastapistes strongia)背鰭硬棘。 D. 眉鬚鱗頭鮋頭部的棘。縮寫:gr, groove 溝槽;vg, venom gland 毒腺。

雙斑櫛齒刺尾鯛(Ctenochaetus binotatus)。圖/自然保育季刊

臺語有云:「一魟、二虎、三沙毛」

在海岸活動頻繁的臺灣,亦不乏關於刺毒魚類的諺語:一魟、二虎、三沙毛、四斑五、五象耳、六倒吊,或者是四臭肚、五變身苦;四變身苦、五成仔丁。

不管何種版本,「魟、虎、沙毛」均是刺毒危險程度的前三名。

線紋刺尾鯛(Acanthurus lineatus)。圖/自然保育季刊
線紋鰻鯰(Plotosus lineatus)。箭頭標示處為其毒刺。圖/自然保育季刊

諺語中的,是泛指所有尾部具有毒刺結構的燕魟亞目魚類,身體呈圓盤形,大部分種類尾巴為細長的鞭狀,依不同種類尾部毒刺的數量可達 2 根或以上,大部分漁民在捕獲後,均會把尾部的毒刺去除。多數的魟類為底棲性魚類,部分種類更具潛藏於沙中的習性,因此在沙灘嬉水遊玩時,須多加注意腳下情況以免誤踩而被其刺傷。

沙毛指的是線紋鰻鯰(Plotosus lineatus),廣泛分布於臺灣沿海並常被釣獲,其體表光滑無鱗不易被抓住,故處理時須多加注意以免被刺傷;其幼魚常成聚集成群,被稱為鯰球。

黑帶稀棘䲁(Meiacanthus grammiste)。其毒腺位於下頜兩顆大型犬齒中。圖/自然保育季刊

二虎:多樣性豐富的刺毒魚類大家族

虎魚泛指臺灣產鮋亞目(Scorpaenoidei)的種類,其英文俗名有 scorpionfishes、stonefishes 、 waspfishes 等,有關 scorpionfishes 名稱的由來,或許命名者對其毒刺如蝎子螫到的觸感有著很深刻的體會。

除了虎魚這俗名外,石狗公、石頭魚亦為牠們常見的中文俗稱,因其偽裝(camouflage,一些種類會利用特化的皮瓣偽裝成礁石及表面的生物)或保護色,致使體態、體色與棲地環境極為相似而得名。

該類群是著名且危險的刺毒魚類,毒刺十分發達(圖 2),雖然鮋亞目魚類的頭部具有不少的棘(圖 2D),但具毒腺的部位僅為背鰭、腹鰭及臀鰭之硬棘(圖 2A-C) (Nelson et al. 2016),為海洋刺毒魚類的最大宗(Low et al. 1993;Church and Hodgson 2002;Vetrano et al. 2002;Fenner 2004),臺灣大約有 42 屬 100種(邵廣昭 2021)。

多數種類為底棲性魚類,棲息於沿海岩礁地形,行動緩慢並常靜止於礁石上,即使靠近之亦不動如山,其體色與環境十分相似不易被察覺,因此在潮間帶或岩礁海岸活動時,稍一不慎則有可能誤踩而遭其刺傷。目前被刺傷的個案僅國外有報導,被刺傷者大部分為漁業從事人員(Haddad et al. 2003),臺灣雖暫無相關學術文章報導,但大部分地區的海洋活動亦相對頻繁,相信有不少被刺傷的個案。

金圓鱗鮋(Parascorpaena aurita)。鮋科魚類多具備良好的偽裝能力,其體色與周遭環境融為一體。圖/自然保育季刊

鮋亞目魚類毒素均為蛋白質(Kiriake et al. 2013),結構並不穩定,遇熱後因蛋白質變性而失去毒性(伍漢霖 2006),亦有研究顯示斑點鮋(Scorpaena guttata)的毒素在 50°C 的條件下處理,短期內即失去活性(Schaeffer et al. 1971),表示魚肉在加熱煮熟後可食用。

俗稱獅子魚(Lionfish, Turkeyfish)的危險刺毒魚類亦同屬於鮋亞目家族的成員(簑鮋類 Pteroini),但與石狗公、石頭魚的不同之處在於其十分花枝招展的外觀,平常毫不躲藏、並徐徐地遊弋於礁石間。

因其華麗的外觀而常見於觀賞魚市場,亦因此經由水族觀賞魚途徑被棄養放生(Hamner et al. 2007;Betancur et al. 2011;Johnson et al. 2016),魔鬼簑鮋(Pterois volitans)自 1980 年起現踪於佛羅里達(Florida) (Freshwater et al. 2009),延長及發達的毒刺使其在當地幾乎沒有天敵,並逐漸擴張遍布整個大西洋西岸形成穩定的族群(Betancur et al. 2011;Ferreira et al. 2015;Johnson et al. 2016),而其驚人的食量對當地魚類族群造成極大的威脅,與另一種獅子魚—斑鰭簑鮋(P. miles)為知名的入侵物種。

毒擬鮋(Scorpaenopsis diabolus)。具備良好偽裝能力的鮋科魚類之一,喜靜止於礁石上伺機捕食路過之獵物。圖/自然保育季刊

毒刺的部位、結構及釋出毒液的機制

刺毒魚類的毒刺結構可發現於胸鰭、腹鰭、背鰭、臀鰭、尾柄、牙齒、主鰓蓋骨、肩帶上的匙骨等部位。大部分毒刺均由硬棘(spine)、溝槽(groove)及毒腺(venom gland)所組成。刺毒魚類這類用毒動物不同於河魨,其毒素由自體產生(河魨毒素由食物累積於體內),經毒腺分泌,藉由硬棘導引或注射到防禦對象身上(Bulaj et al. 2003;Fenner 2004;Smith and Wheeler 2006)。

毒腺附著於硬棘上,硬棘具溝槽。毒液的釋放是一種被動形式,並不能主動發射,當毒腺受壓迫時,毒液釋出並沿著溝槽導流至防禦對象的傷口上。被刺後傷口附近立刻產生劇烈疼痛感,隨後延伸擴散,會伴隨噁心、嘔吐、呼吸困難等症狀(伍漢霖 2006)。疼痛感可持續數小時之久,過敏體質者更會休克、甚至死亡。

波氏擬鮋(Scorpaenopsis possi)。具備良好偽裝能力的鮋科魚類之一,體表具備海藻狀之皮瓣。圖/自然保育季刊

如何預防刺傷,刺傷後應該如何處理?

刺毒魚類並不會主動利用毒刺進行攻擊,因此進行海岸活動或沿海作業時,應注意隨時週遭環境並穿戴相關保護措施(如手套、涉水鞋等)避免身體裸露、降低被刺傷的機會;若在必要情況下須接觸具尖刺且種類不明的魚類時,應避免徒手直接捕捉並藉由工具謹慎處理之。

刺毒魚類另一個對人類造成危害的地方,在於其造成的傷口可能會因為細菌感染而產生二次傷害,嚴重者會導致局部組織壞死、敗血症,甚至感染創傷弧菌(Vibrio vulnificus),而創傷弧菌感染後惡化快速,其所引致的併發症通常具較高的死亡率。

輻紋簑鮋(Pterois radiata)。獅子魚在遭遇威脅時,胸鰭及背鰭會展開,並以腹部朝著礁石、背部朝外的方式抵禦掠食者。圖/自然保育季刊

刺毒魚類的毒性依種類及釋放量而有所不同,而毒素主要為蛋白質,其結構不穩定,易受熱、酸鹼所破壞而失去毒性。遭刺傷後應盡快移除毒刺,在適當的條件下擠出毒液,使用熱、酸、鹼條件處理傷口,破壞毒素的活性,並做好傷口的清潔及消毒的工作,防止細菌的感染。

刺毒魚類所造成的傷害反應因人而異,經過現場初步處理後,應盡早送醫處理。

野外活動時要注意

刺毒魚類約占所有魚類的 8%。牠們形態多樣,彼此並非姐妹群關係,亦即起源於多個祖先,換言之,刺毒機制是多次獨立演化出來的,刺毒魚類一共可分為四個大類群,軟骨魚和硬骨魚各占兩大類,包括軟骨魚中的:(一)銀鮫目、異齒鯊科、角鯊科,(二)燕魟亞目;以及硬骨魚類中的(三)鯰形目,(四)鰭棘魚類。毒刺結構可發現於多個部位,如胸鰭、腹鰭、背鰭、臀鰭、尾柄、牙齒、主鰓蓋骨、肩帶上的匙骨等。

因為臺灣為海島地形,海岸線曲折漫長,周邊海域均有刺毒魚類的分布,民眾於海域進行經濟或休閒活動時均有機會接觸到刺毒魚類。雖然刺毒多為被動的防禦機制,並不是主動攻擊的手段,但部分刺毒魚類具備十分良好的偽裝能力,在靜止的狀態下難以被察覺,因此在野外活動時應隨時注意周遭環境是否存在刺毒魚類,並穿戴相關防護衣物、鞋子,避免誤觸而受傷,增加海域活動的安全性。

若不幸被刺毒魚類刺傷,在現場進行緊急處理後,應盡早求醫,以策安全。

斑馬短鰭簑鮋(Dendrochirus zebra)。胸鰭內側顏色鮮艷,具警戒作用。圖/自然保育季刊
自然保育季刊_96
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自然保育季刊為推廣性刊物,以推廣自然教育為宗旨,收錄相關之資源調查研究、保育政策、經營管理及生態教育等成果,希望傳達自然科普知識並和大家一起關注自然!

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餵飽全人類,需要她與她的科學——余淑美專訪
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/03/29 ・5129字 ・閱讀時間約 10 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。

  • 2014 年「台灣傑出女科學家獎」傑出獎第七屆傑出獎得主

余淑美帶我們走進她在中研院分子生物研究所的辦公室,小的讓我意外。一台小型的葉片式電暖器放在門邊,就佔掉了一大塊空間。「這是給植物保暖用的,因為最近比較冷。」我們這群採訪者擋在門口還來不及動作,貴為院士的她就俐落地收起電暖器的插頭,將其移到另一側。「這舊電暖器要移動有個角度,我比較知道怎麼推。」她隨即拉來兩張椅子招呼我們坐下,採訪這天下午一連多日的寒流稍退,冬陽在此時斜斜曬入,點綴著大小綠色植栽的辦公室,在我眼中突然像是森林一隅,變得好大。

氣候條件跟植物生長狀況息息相關,這點你知、我知,我們老祖宗也知,因此才有了一萬多年前,被某些學者指稱為「農業革命」的時代,越來越多人類族群放棄狩獵採集,發展農牧生活型態。只不過這革命因為各種因素,過程極為緩慢、停停走走有時甚至還逆轉,而且並不是只帶來益處……。一萬多年後的此刻,科學家對農業與農作物的理解比老祖宗高出何止百萬倍,但人口暴增、耕地破碎、過度施用肥料與農藥、土壤與水源污染、加上氣候變遷造成的高溫、乾旱、洪患、海平面上升等,就連像余淑美這樣最頂尖的科學家也擔憂。

但比起現在才在煩惱氣候變遷的你或我,她早就採取了行動。

圖/余淑美提供

農業要發展,育種很重要

「農業其實跟我們生活息息相關,可是太廉價容易獲得,所以大家都不珍惜,辜負了辛苦的農夫。」余淑美院士小時候就跟許多同年代的孩子一樣,在農村成長,在水稻田邊玩邊學。雖然家庭經濟狀況不佳,但父親一直鼓勵她讀自己真正有興趣的,不要為了家境委屈求全,因此她從北一女畢業後,雖然同時考上國防醫學院護理系,可以畢業即就業,但從小就喜歡植物的她,最後選擇就讀中興大學植物病理學系,就此一直鑽研水稻,勤奮不懈,成為國際上舉足輕重的「水稻教母」。

就像 SARS-CoV-2 這新冠病毒不斷變異,余淑美說所有的生物基因都在不斷變化,就像人類的癌症來自基因突變,而現代社會能豐衣足食,也要感謝育種學家跟農夫持續透過作物雜交來改造基因。她說最早的玉米跟現在長得一點都不一樣,只有幾顆種子,而且又硬又難吃。不過透過化石證據,發現 7,000 年前到 500 年前這段時間的玉米不斷經過育種,外表已跟目前非常接近。另外,如今我們常吃的蔬菜,像是高麗菜、白菜、花椰菜、青花菜、羽衣甘藍……等,雖然名字跟外型差很多,但祖先其實都是十字花科的油菜,基因定序後會發現只有非常小部分不同,這都是育種多年的成果。

然而「育種多年」,也就等同速度太慢,而且也不一定想育什麼種,就出什麼種。過程艱辛也使得田間育種的人才越來越少。因此,新的生物技術接連誕生,有的使用化學藥劑,有的則透過放射線來誘發基因突變,速度雖然快了一些,但依舊是隨機突變,會出現難以預料的性狀,而且通常是我們不想要的。

基因轉殖,或你可能更常聽見的「基改」,則是速度更快更精準的育種方式,也是余淑美實驗室的專業。「我們知道很多水稻基因的功能,非常容易複製及插進好的作物品種基因體裡面。目前有技術可以精確地控制要插在哪裡,不會影響基因體其他基因的功能。」相較於其他育種方式起碼要六年到八年,余淑美表示基因轉殖兩到三年就可以完成,創造了已廣泛種植的基改玉米跟黃豆。因此,現代育種需要結合分子生物學、生物化學、物理化學、生物資訊學、組織培養技術、農園藝、病蟲害防治等技術,才能在短時間培育出好品種。余淑美說目前更已進入電腦育種時代,透過運算讓已經縮短的育種時間更短、產出更佳。

30 年來投入水稻研究,從 1993 年完成全世界第一個利用農桿菌轉殖水稻基因,到建立臺灣水稻突變種原庫、參與國際 C4 水稻計畫,余淑美持續突破,於前年(2019)10 月發表在《美國國家科學院期刊》加長版(PNAS, Plus)的研究,更發現了水稻抵抗逆境的關鍵機制。雖然這份研究在實驗時還是用基因轉殖技術,但隨著基因編輯技術發展盛行,她也向我們透露實驗室已經用基因編輯成功實現。

「我們平常追求 100 分的產量,可是如果雖只有 90 分的產量,水卻只用三分之一,經濟成本是很划算的,我們希望將來可以推這些技術。」對基因編輯稻米新品種,她樂觀期待。

基改的難題:要克服的不只有技術,還有人心

余淑美相信基因轉殖改良的作物能夠為世界創造更高的價值。以玉米這種易受玉米螟、玉米穗蟲加害的主要作物為例,農民可以噴灑蘇力菌(Bacillus thuringiensis Berliner, Bt)來防治。這種細菌的孢子會產生結晶蛋白,當幼蟲吃進腸道裡,會導致腸道穿孔,而且不同菌種有特定的殺蟲對象,能避免誤殺益蟲,也是對人類很安全的一種農藥。孟山都公司以此原理,透過基因轉殖技術,讓植物自行產生這種抗蟲蛋白,就可以連蘇力菌都不用噴了,而且一樣安全。
除了玉米之外,大豆、棉花、油菜、馬鈴薯也都陸續由生物科技公司開發出基改抗蟲品種,因此大幅降低了農藥的噴灑量達 3/4,間接保護了農人與消費者的安全,降低了環境保護跟生產的成本。另外像是香蕉萎縮病、木瓜輪點病等極難防治的疾病,影響貧窮地區的人民甚鉅,透過基因轉殖創造新品種也是最有效的作法。余淑美認為有些生技公司儘管名聲不好,但其對全球大量減少使用殺蟲劑的貢獻足以獲得諾貝爾和平獎。

科技上不斷突破、讓育種比過往更快更精準,降低農藥與肥料施用,從而減少環境影響;增加產量跟營養,讓食物更便宜可親。但在許多國家地區的政策跟民眾觀感中,基因轉殖作物始終過不了關,包括臺灣。

攝影/呂元弘

余淑美認為,相較於其他更不精準的育種技術,基因轉殖作物受到的要求太高了。生物安全評估的成本一層層疊加,「所以你可能十塊錢的成本,一塊錢是研發,九塊錢是花在生物安全評估上。」她說,這也使得這遊戲只有大公司玩得起,有志創新的小公司反而被排擠。

雖然臺灣面對少子化、人口下降,但就全球來說,總人口依舊還在快速增加,往 95 億前進,即使是此刻,全球也有 10 億人處於飢餓狀態。而一份統整了 500 篇研究的報告,顯示糧食生產的速率完全趕不上人口成長,屢創紀錄的自然災害,如旱災、洪荒、野火、高低溫、病蟲害等,更讓余淑美估計糧食危機將提早到來。

以稻米來說,「日本原來的品種都比較適合低溫,現在溫度越來越高,他們到臺灣來要品種去做雜交,因為他們的稻米現在已經開始不耐高溫了。」她接著指出前年(2020)花蓮有機米也因為高溫產量減少四成,桃竹苗第二期稻作也因為乾旱而休耕,去年(2021)中部許多地方第一期也休耕。她表示其實只要政策願意開放,她有把握可以育出不需要用那麼多灌溉水的品種。

除了耐旱,耐鹽也是余淑美認為值得開發的特性。像是歐洲唯一的稻米區——法國與西班牙南部就遇到地中海海平面上升、鹽水侵襲的問題;同樣的問題在臺灣,余淑美指出也有 30,000 公頃的耕地地層下陷受鹽害,影響範圍從彰化到臺南,在這些地方耐鹽的品種就能派上用場。

那現在最熱門的「基因編輯」呢?余淑美表示基因編輯的厲害之處,就是可以有效精準改變與改進基因,而且沒有外來基因,能夠提升消費者的接受度,她的實驗室也已經在做,但基因轉殖依舊是最能解決糧食問題的育種方式。余淑美認為,有機與基改其實訴求一致,都是要避免化肥跟農藥過量傷害環境與人體,尤其在臺灣每公頃農藥用量為亞洲第一的情況下,其實更該反思現行農法的問題。或許隨著教育、科普、跟糧食危機逼近,社會對基改作物的接受度也會逐漸提升吧!「我們家的豆腐都是挑基改的買喔!」她笑著說。

不斷前行的步伐與堅定的意志

除了力挺基改食材,身為研究糧食作物的生物學者,余淑美還有別的堅持,例如自己做飯。

「孩子小時候我都給他們每天帶便當。我雖然很忙,沒辦法幫他們做很多事,可是有些事情我很堅持。」余淑美回顧自己剛回國時的生活:兒子才滿月,女兒也只有兩歲,與先生趙裕展(同為中研院分生所研究員)互相配合,例如自己下午五點下班回家做飯,晚上八點回辦公室,換先生回家陪小孩,然後到十點換她回家顧小孩,輪到先生回辦公室繼續工作到十二點。

不過難以想像的是:回國 33 年,這般勤奮竟然一直延續至今!兩人如今還是每天早上九點半到辦公室,晚上抽空回家做飯、然後又回到辦公室,近半夜十一點半才回家。真的是連學生都不得不努力了。

「我小時候媽媽身體非常不好,我從小學一年級開始就要做很多家事,洗衣燒飯。冬天很冷,屋瓦上都會結霜,還是要到溪邊去洗衣服。」也因此,即使研究工作再忙再累,余淑美或許早已習慣,做事極有效率。身為家中老大,下有三個妹妹、一個弟弟的長女,成長的年代也曾感受過被視為「賠錢貨」的社會氛圍。負面的刻板印象反而刺激了她,讓她更努力,要讓所有人看見女生可以做得跟男生一樣好。

攝影/呂元弘

2014 年,得到第七屆「傑出女科學家」的肯定,余淑美因此多了許多到高中女校演講的邀約。她總是以自身為例,鼓勵學生要衝破家庭與學校教育給他們的窠臼,就像她父親告訴她的:想要唸、可以唸就往上唸,沒有一定要幫家裡賺錢或是早點出來工作。而當了母親的余淑美也總是鼓勵一對兒女盡量接觸各種興趣,自行探索方向。

就算在原本的路上撞了牆,或是想換條路走,余淑美也覺得沒什麼關係,但她建議學生要把握原有的基礎,在那之上學習新東西,才能為自己加分。「因為這種跨領域的人才其實更少,在這麼競爭的環境下,更可以凸顯你的能力。」她表示。

相較於其他科學領域,生命科學領域堪稱性別平衡,以余淑美所在的中研院分子生物研究所來說,男女比就幾乎各半,工作領域也無同工不同酬的問題。另外她認為,相較於美國女性婚後大多冠夫姓,臺灣沒有這情形,算是很不錯。

不少女性研究者在家庭裡負擔較多的工作,例如照顧長輩跟小孩,她認為的確比較辛苦,也因此另一半非常重要。她就有一些學術領域的朋友,因為先生跟家庭不太能諒解她們長時間待在實驗室而起衝突。她自己分析,即使生命科學領域女性跟男性比例平衡,但有許多女性未婚或沒有生育;若是成家有小孩的,另一半也幾乎都是學者,比較能體諒研究者的需求。由於分子生物領域非常重人力,進行各項精細實驗皆仰賴研究者的細心與耐心,加上也不太耗體力,她認為很適合女性。然而在她的學生當中,也會有女學生遇到職涯與家庭的兩難考驗。余淑美當然會予以鼓勵,但若她們仍舊放棄,在尊重其決定之餘,有時也不免覺得可惜。她認為每一個人都應該有權利追求自己的興趣,人生才有意義,但仍需要一定的幸運。

如今帶領多國學生的余淑美,笑著說實驗室像是聯合國一樣,巴基斯坦、印度、越南等許多南亞與東南亞國家的學生紛紛慕名而來,一方面是因為在這些國家,稻米是很重要的作物,他們也覺得很有發展前景,另一方面,她說,因為臺灣的學生想研究農業科學的越來越少了,因此國際學生佔比就不斷提高。

「我很喜歡手機定時欸,可以訂好多不同的時間提醒我。」在跟我們分享她怎麼安排每天的工作時間與指導學生的節奏時,余淑美眼睛一亮地冒出這麼一句話,讓人覺得十分可愛。這句單獨聽起來一點也沒什麼的話,放在脈絡裡,其實是這位頂尖科學家 30 多年來日復一日、研究、教學、與服務不歇的證據。不論是在對基因轉殖的認識、採納上,還是對農業與糧食安全的體悟上,或許臺灣還需要一些時間趕上她的腳步,只不過,到時候余淑美肯定又已經走得更前了吧!

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水稻基因改造的專家!中研院余淑美院士-第七屆台灣傑出女科學家獎得主/YouTube

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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透過花粉考古認識古代氣候!——宜蘭 2 千年前的豪雨,竟和聖嬰現象有關?
科技大觀園_96
・2021/12/13 ・3861字 ・閱讀時間約 8 分鐘

宜蘭梅花湖,林淑芬採樣沉積物的地點之一。圖/林淑芬

用花粉認識古代氣候

人類從古至今都受到氣候影響,想認識古代人類,勢必要了解當時當地的環境條件。考古領域中,擅長古代氣候的專家也有一席之地,中央研究院歷史語言研究所的研究副技師林淑芬,就扮演這樣的角色。

林淑芬在臺灣大學地質科學系就讀碩士班時,專注的題材是土壤。後來因緣際會進入中研院史語所工作,接觸到考古學,因此就讀博士班時改以花粉為主題,調查宜蘭近 4,200 年來的花粉紀錄,藉此探討古代的環境及氣候,與宜蘭史前文化發展的關係。這些工作令她成為臺灣罕見以花粉研究考古的專家。

植物是環境中重要的一部分,但是植物的組織幾乎難以留存;所幸小小的花粉不但輕、數量多,而且結構堅固,有機會長期保存。花粉專家只需要普通的光學顯微鏡,多半能識別到植物「屬」的層級,再加上電子顯微鏡,可以進一步分辨出「物種」。 

電子顯微鏡下的蒿屬花粉。圖/林淑芬

然而,環境中每種植物花粉留存下來的機率不一,光憑花粉不足以重建當時的地貌;不過比較各種植物花粉組成在不同年代間的變化,推論氣候、環境在不同年代的改變,倒是十分合適的分析策略。

林淑芬主要研究宜蘭的古代花粉,她從梅花湖、龍潭湖等地點採樣,分析地層中不同年代留下的沉積物,推測當時的氣候與環境。在取得豐富成果的過程中,她曾經犯下推論錯誤,卻意外成為目前新方向的突破契機,還連結到反聖嬰現象對臺灣史前文化的影響。這其中的曲折是怎麼回事呢?

茵陳蒿的誤會:耐旱植物,反而是豪雨指標

距今約 800 年前,宜蘭有大量茵陳蒿的花粉留下。一般認為茵陳蒿是長在沙地的耐旱植物,所以沉積物中見到大量茵陳蒿花粉,表示那時氣候乾燥,有利於耐旱植物大量生長。當時的考古紀錄也出現超過百年的中斷,即沒有人類活動的紀錄,林淑芬推論那時大環境乾旱,不利於人類生存。

然而,其他資訊令林淑芬懷疑自己早期的推論。詳細考察茵陳蒿在宜蘭的生長模式以後,林淑芬驚覺真相其實完全相反:耐旱的茵陳蒿,事實上是暴雨頻繁的指標!

羅東溪上游河床上的茵陳蒿。(圖/林淑芬)

宜蘭有些河流,在雨量少的季節地表水量不足,河水往往潛入地下成為伏流。乾涸的河床佈滿礫石,不利植物生長,只有如茵陳蒿一類的耐旱植物可以生存。在雨季或颱風帶來大雨時,河床恢復為流水的河道,乾季時生長在河床的植物會被沖走;等到再度進入乾季,茵陳蒿又會再次長滿河床。

上述狀況若是一再反覆發生,花粉記錄中茵陳蒿的出現數量就會大增。假如古代狀況一樣,意謂茵陳蒿大量生長的年代,其實是豪雨頻繁發生的時期;因此當時考古紀錄中斷,其實和降雨過多有關,而非氣候乾燥。

宜蘭的環境與考古記錄

藉由花粉及其他資訊,可以重建宜蘭古代的環境、氣候變化。宜蘭地形如同口袋般,三面被高山圍繞,一面朝向太平洋。冰河時期結束後,海平面上升。距今約 14,000 年前,海水逐漸湧入宜蘭平原地區;8,000 多年前,淹沒面積達到最大,當時宜蘭平原只有現在一半大。接著,海水漸漸後退,距今 3,000 年前,海水退到距離目前海岸線西方 2 到 3 公里處。 

丸山遺址。圖/蘭陽博物館提供

宜蘭最早的考古遺址可能距今達 5,000 年。在新石器時代早期、中期,整體上遺址數量稀少,位置接近海邊;到了新石器時代晚期(以丸山文化為代表),遺址數量增加;距今 2,400 到 3,600 年間,遺址幾乎都位於內陸的丘陵地帶,或許和平原被海水入侵有關。

有趣的是,宜蘭在距今 2,000 多年前之後,幾乎不再有人類活動的記錄,要等到 1,300 年前才恢復。距今 800 到 1,300 年間,宜蘭進入鐵器時代早期(以十三行文化普洛灣類型為代表),遺址分佈於海岸附近,接著便是上述提到超過百年的中斷期。直到距今 600 年前的鐵器時代晚期開始(以十三行文化舊社類型為代表),宜蘭平原上再度留下大量遺址。

宜蘭地區史前遺址分布圖。圖/林淑芬

宜蘭 2000 年前頻繁豪雨,竟然和聖嬰現象有關?

為什麼距今 2,000 多年前開始,人類在宜蘭消失那麼久?氣候應該是重要因素。不論河流沖積扇或湖泊沉積物,都見證當時頻繁的豪雨,而且比距今 800 年前的規模更大。那段時期出現不少赤楊屬植物的花粉,赤楊是所謂的先驅植物,通常在植被匱乏的地區搶先生長,若它們能留下大量花粉,意謂那個時期原本的植被遭到消滅。

不過數百年的龐大雨量也改變了宜蘭的地貌,創造出更平坦、肥沃的沖積平原,彷彿「都更」一般,令宜蘭平原成為更適合人類居住的地區,才有隨後鐵器時代的興旺。

非常有趣的是,宜蘭最近數千年來降雨量最高的兩個時段,距今 800 和 2,000 多年前之後一段時期,剛好都是聖嬰—南方震盪(El Niño-Southern Oscillation,簡稱 ENSO)最頻繁發生的時候。這令林淑芬想到:莫非太平洋遠方發生的 ENSO,也影響到遙遠的宜蘭? 

宜蘭梅花湖沉積物的氾濫砂層,可與熱帶東太平洋自距今 2,000 年前開始,ENSO 活動頻繁發生的時期相對應。上方為加拉巴哥群島 El Junco 湖泊的砂級沉積物百分比,中間為宜蘭梅花湖(MHL-5A 岩心)中的砂級沉積物百分比,下方為宜蘭梅花湖(MHL-5A 岩心)中的沉積物性質變化。圖/林淑芬

東北季風與颱風,共伴效應帶來豪雨

颱風以外,宜蘭降雨主要來自秋冬季的東北季風。假如颱風經過臺灣南方,當時又有東北季風同時出現,颱風的外圍環流與東北季風交互作用,便可能導致豪雨,稱為「共伴效應」。由於牽涉東北季風,共伴效應往往在 9、10、11 月上演。此時路過的颱風有機會變成共伴颱風,即使颱風沒有靠近臺灣,仍可能引發共伴效應。

林淑芬由蘇澳、宜蘭、竹子湖氣象站取得 1982 到 2016 年的降雨數據,和颱風等資訊比較,判斷這 35 年間至少出現過 18 次共伴颱風。有些颱風距離臺灣數百公里遠,臺灣甚至沒有發佈颱風警報,但是它們導致的共伴效應,仍帶給宜蘭龐大雨量。

反聖嬰年,共伴颱風數目最多

ENSO 發生的地點位於太平洋東部赤道一帶,卻可能帶來世界性的影響,使某些地區出現極端氣候。根據海洋聖嬰指標的定義,假如區域內的海洋表面溫度(SSTA)連 5 個月比平均高出 0.5 度,便定義作異常溫暖的「聖嬰年」;反之,則為異常寒冷的「反聖嬰年」。1982 到 2016 年期間有 13 年為正常年,聖嬰、反聖嬰年各 11 年。

18 次共伴颱風中,13 個正常年出現 2 次,11 個聖嬰年出現 5 次,反聖嬰年最多,11 年出現 11 次。研究鎖定的 35 年間,共伴颱風在反聖嬰年出現的數量、比例都最高。例如 2010 年的梅姬颱風,就是反聖嬰年在宜蘭帶來豪雨的共伴颱風。

熱帶太平洋地區 1982-2016 年 Nino 3.4 海洋聖嬰指標(Oceanic Niño Index, ONI)隨時間變化圖。黃色菱形符號為宜蘭地區的秋季共伴颱風事件;位於紅色區塊為聖嬰年,發生 5 次,藍色區塊為反聖嬰年,發生 11 次,未填色區塊為正常年,發生 2 次。圖/修改自林淑芬,2018,《大氣科學》。

反聖嬰年為什麼有更多共伴颱風?一個可能是反聖嬰年颱風生成的位置距離臺灣比較近,路過臺灣的機率更大;另一個可能是反聖嬰年的東北季風比較強,不過仍需要更多證據。ENSO 會不會、如何影響臺灣,至今仍沒有定論。假如推論正確,表示儘管臺灣距離遙遠,至少在擁有獨特口袋地形,能突顯共伴效應的宜蘭,仍然會受到 ENSO 的影響。 

林淑芬認為,在反聖嬰年,東北季風與颱風發生共伴效應的事件較多,帶給宜蘭龐大雨量。圖/何庭劭繪

不過上述研究對象是現代,該如何應用於千百年前的考古?古代 ENSO 事件沒有這麼詳細的逐年解析度,只能估計一段時間內發生的頻率;對照之下,發現古代宜蘭降雨量高的時期,ENSO 的頻率也高。假如 ENSO 透過共伴效應影響臺灣,可以想像宜蘭受到的影響最大,而考古上宜蘭人類消失的時候,周圍的臺北、新北、花蓮仍持續有人居住。 

宜蘭平原。圖/林淑芬

上百年頻繁豪雨,應該不會只有單一成因;人類活動除了氣候之外,也還受到許多因素影響。不過透過古代花粉、最近的氣象記錄,林淑芬依然找到一條很有價值的線索。倘若歷史上 ENSO 真的影響過臺灣,或許不只限於宜蘭,也在臺灣其他地區造成過不一樣的影響——這也是林淑芬接下來希望回答的問題。

即使如今科技水準遠勝古代,現代人依舊受到氣候影響。研究現在能找到認識古代的線索,了解古代也能替現在帶來指引,這是考古學研究過去,對現在的一大意義。

參考資料

  • 林淑芬,2008,聚落發展與自然環境變遷——以宜蘭地區史前為例,《臺灣史前史專論》
  • 林淑芬,2018,宜蘭地區秋季共伴豪雨與聖嬰—南方震盪的遙相關,《大氣科學》
  • 林淑芬,2019,大地脈動下的宜蘭史前先民,《地質,38卷,第4期,第66-70頁》
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