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如何殺死一棵山核桃──《植物的性愛與生死的秘密》

大家出版_96
・2016/05/21 ・3660字 ・閱讀時間約 7 分鐘 ・SR值 496 ・六年級

大約十五年前,社區鄰居卡特擴建他們家後面。他們利用擴建的地基土整平了院子。由於他們的小院子和周圍鄰居之間形成陡坡,因此不得不在土地交界處建築九十公分高的擋土牆。

一棵近十二公尺高的山核桃立在擋土牆旁三公尺處。卡特家和他們的鄰居都很喜歡那棵樹,不只因為它渾然天成的優雅和秋天時金光粼粼的樹葉,也因為它拱狀的樹枝伸展到他們家屋頂,為他們的屋子遮蔽陽光,顯然替他們省下一筆電費。卡特家知道把土加到樹根上可能會危害山核桃,所以就用鐵軌枕木在樹幹周圍蓋了九十乘九十公分的「樹井」。

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山核桃的樹根被埋起一部分的情形。放大圖為根尖。

山核桃枝繁葉茂地繼續生長了許多年。然而,兩年前的夏天,我發現它的葉片變小,比往常稀疏,我感到納悶,但並不以為意。今年初夏,它的綠葉似乎一夜之間發皺,變成紫褐色。一些粗枝的樹皮翻了起來,這棵樹顯然已經死去。我一月寫下這些的時候,它還站在那裡,不過春天時想必它就不在了。

卡特家覺得這棵樹是去年春天持續乾旱的倒楣受害者。不過它的死不是因為乾旱,而且並非無法避免。原來,添加的土壤讓底下的根挨餓窒息而死。樹井的立意良善,卻救不了樹。問題是,為什麼不行?

黑爾斯對於解釋水在植物體中如何移動頗有進展,但他沒研究水一開始是如何進入根裡。他確實和早他幾十年的馬爾皮吉和格魯一樣注意到,根尖後方長了一道細小無色的毛。這些細毛聚在一起,看起來就像微小的瓶刷。他們三位都誤以為這些根毛並不重要。其實這些根毛是植物存活的關鍵,負責從土壤中吸收植物所需的水分和養分。

每根根毛都是根部表皮延伸而出的細胞。根毛長度不到一公釐,大部分都無法用肉眼看見,所以它們其實是以多取勝。舉例來說,四個月大,種在直徑三十公分盆裡的裸麥,大約有一百四十億根根毛。如果有個現代版的薛西佛斯,懲罰是把這些根毛頭尾相連,那這些根毛幾乎可以從洛山磯一路排到波士頓,再排回來。根毛總體的表面積大幅增加了根部和土壤、水分子、微細空氣泡之間的接觸面。為了加強聚積水分的關鍵能力,根毛分泌了一種帶糖分的黏性物質(也就是黏液),用來拉聚水分子和土壤微粒。水分先靠著滲透作用(不用耗費能量)穿過根毛的細胞壁,然後穿過包住細胞的細胞膜,最後穿過木質部的內皮,進入木質部。植物(包括隔壁的山核桃)需要有足夠的根毛,才能補充它們蒸散作用失去的水分。

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植物透過根毛來吸收水分和生存必要的元素。圖/fukuoka-edu

如果種植在花園或盆栽裡的植物,從葉子蒸發的水分多於進入根毛的水分,可就糟了。植物開始枯萎時,水分從木質部抽出,然後薄壁組織的細胞間隙會失去水分,最後細胞本身的水分也被抽出,這時薄壁細胞的內膜會像洩氣的氣球一樣癟下去,有時會在過程中破裂。如果沒下雨,或是你隔太久才澆水,細胞內部需要水的化學作用就無法進行。重複或長期的枯萎都會傷害植物。

黏液也為固氮細菌提供了友善的環境。氮是生命不可或缺的元素。少了氮,動植物都無法形成生理運作和生殖所需的蛋白和DNA。雖然地球的大氣中七十八%都是氮氣,我們動物卻無法利用我們每一口吸進的氮。至於植物,它們透過氣孔讓空氣流入、吸收空氣中的氮的能力,也沒有比較強。

問題在於大氣中的每個氮原子都和另一氮原子形成三鍵的鍵結。兩個氮原子形成的分子(N­2)就像舞池裡的愛侶,嘴脣緊貼,手深深插在彼此的後口袋裡,毫不注意環繞周圍的群眾。N­2分子無法直接結合到蛋白鏈和核苷酸之中。地球上的生物很幸運,因為植物可以吸收固定的氮,也就是一個氮原子和三個氫原子結合成的氨分子(NH3)。

閃電釋放的強大能量可以切開大氣裡的N­2,讓一個氮原子和三個氫原子結合。不過閃電固定的氮只占地球上總固氮量的十%以下。全球固氮量的其他九十%完全由固氮細菌完成。

【作者注:二十世紀初,德國的鮑許和哈柏發明了把大氣中氮氣轉換成氨的工業法。固氮細菌把氮轉化成N­的速率將地球的人口量限制在大約四十億人。現在,哈柏法製造的人工肥料產生的食物,養活了將近半數的全球人口(目前總人口大約七十億)。當然了,所有陸地額外的氮以及增加的人口,和牲畜族群汙染的增加,對環境都造成強烈的衝擊。】

有些種類的固氮細菌獨立存活在土壤中;有些則在豆科植物(如苜蓿、豌豆和大豆)的根上形成共生的根瘤。所有固氮細菌都利用酵素緩緩將土壤中空氣泡裡氣態的氮轉換成氨,然後再轉換成硝酸鹽,成為植物可以利用的固定氮。而我們為了得到氮,需要吃植物來獲得二手的氮,或是吃其他吃植物的動物,取得三手的氮。

光是一小棵植物,就需要非常廣大的根系才能讓幾兆的根瘤菌提供幾十億根根毛足夠的氮(以及水和其他礦物質)。以一般的馬鈴薯為例,一個生長季末,植株的根會蔓延到直徑一.五公尺的範圍,深度可及九十公分,利用大約一.六立方公尺的土壤(大約要十二到十五趟推車才載得完)。其實馬鈴薯植株的根系就是小馬鈴薯。一棵菜豆的根可以蔓延到五.六立方公尺的土壤中,或是直徑二.四公尺、深一.二公尺的圓柱狀土壤中。樹根的數字更驚人。樹根在地下占據的面積可能比葉子覆蓋的面積大上五倍。這和一般的認知不同。樹根蔓延的距離常常遠超過「滴水線」,也就是植物最外層的葉子圍出的那個圓。樹根最遠可以延伸到樹高的距離。

一棵樹的樹根大約有九十%都長在表層四十六公分的土壤中,而且大部分是在十公分左右的表土裡。這裡是根最理想的進食場所。在一片森林裡,許多最細的根其實是往上長,稍稍冒出土表,進入酸性腐植層,這是由茅草、葉子和其他分解中的植物組織組成。在森林裡聳立的樹木若移至郊區的草坪,很少能長得那麼大棵、活得那麼長命,主要就是因為我們勤快地清理難看的酸性腐植層,還壓緊表土,在上面鋪東西。說到表土,庫里克在《揭開根的面紗》裡寫道:「除掉表層的五公分……園藝災難即將發生。」我們在樹下和樹周圍種草皮,更是雪上加霜,因為這麼一來,樹根還得和草根競爭水和養分。

我們鄰居的底土含有大量黏土。黏土是土壤的一種無機的成分,除此之外還有砂土和粉砂。我原來以為土壤裡有黏土不是好事,但最理想的土壤其實含有二十%的黏土(其餘最好是砂土與粉砂各半)。三種成分之中,黏土顆粒顯然最細。如果把砂粒看成馬鈴薯大,那麼一顆黏土就是針頭那麼大。黏土的細小顆粒總體的表面積非常大─棒球大的黏土塊攤開成一粒黏土的厚度,可以覆蓋超過一畝的面積。每個黏土顆粒都帶著微弱的負電,而地下水中混合的礦物質帶微弱的正電,黏土顆粒因此有助於讓水和必需的無機分子接觸到根。

但是當卡特家的營造商把黏土底土堆到山核桃的側根上時,黏土就成了問題。根被太多的水包圍,土壤微粒之間的細小空氣泡都被水填滿。根毛需要用氧氣燃燒根部儲存的碳水化合物,釋放能量,但這時根毛能利用的氧氣變少了。水可以靠著滲透作用進入木質部,但讓礦物質進入則需要能量,因為這些分子太大,沒辦法溜過根的細胞膜。沒有氧氣可以燃燒碳水化合物,山核桃就像快餓死的人,虛弱到無法把食物放進嘴裡。在此同時,厭氧菌和真菌在含氧量低的地方很活躍,這些細菌和真菌很可能住進柔弱的根尖,以根尖為食。根毛的數量逐漸下降,樹木可以得到的養分(包括氮)就變少了。

除此之外,根部細胞燃燒碳水化合物的時候,會釋放二氧化碳,就像火爐裡的木柴或引擎裡的汽油燃燒會釋放二氧化碳。先前山核桃的根處在空氣流通的表土或酸性腐植層中,二氧化碳很快就會消散在空氣中。但根埋在九十公分深的密實土壤下,二氧化碳廢氣就會累積。溺死的人不止是死於缺氧,也死於體內有毒的二氧化碳含量過高。同樣地,樹在淹死、失去根毛,因為缺乏養分而衰弱的同時,也逐漸被悶死。

為什麼樹沒在院子填平之後立刻死亡?我們無從確認,不過很可能是因為土壤一開始比較鬆,之後漸漸變得密實。土變得結實,根尖的數量隨之逐漸減少,最後樹木得到的養分再也不夠產生健康的葉子,才會長了兩季發育不良的葉子。上一個春天,山核桃產生的葉子不足以製造醣類,所以就完了。山核桃乍看之下死得突然,但其實推土機把土覆蓋住根的那天,山核桃就踏上了死亡之路。

【作者注:而且樹井太小了。只要高度提高兩米,樹井就可以救樹一命,不過還得有良好的排水,確認根部可以得到空氣。按照西維吉尼亞推廣服務處的建議,樹井應該圍在樹幹周圍算起至少九十公分之外。加上表土之前,要先在整個根系上鋪三十到六十公分深的石頭和碎石,確保多餘的水可以排到根系以外的地方。】


 

 

 

一個好奇的居家園藝者,回到人類蒙昧狀態中對植物進行發掘,以新鮮的眼光看著植物如何一步步向人類揭露自身,還有圍繞在植物學發展過程中,那些趣味橫生的歷史和人物,以及讓人不時墜入沉思的科學樂趣。《植物的性、愛與生死的祕密》,大家出版

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名為大家,在藝術人文中,指「大師」的作品;在生活旅遊中,指「眾人」的興趣。


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揭開人體的基因密碼!——「基因定序」是實現精準醫療的關鍵工具

科技魅癮_96
・2021/11/16 ・1998字 ・閱讀時間約 4 分鐘

為什麼有些人吃不胖,有些人沒抽菸卻得肺癌,有些人只是吃個感冒藥就全身皮膚紅腫發癢?這一切都跟我們的基因有關!無論是想探究生命的起源、物種間的差異,乃至於罹患疾病、用藥的風險,都必須從了解基因密碼著手,而揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。

揭開基因密碼的關鍵工具就是「基因定序」技術。圖/科技魅癮提供

基因定序對人類生命健康的意義

在歷史上,DNA 解碼從 1953 年的華生(James Watson)與克里克(Francis Crick)兩位科學家確立 DNA 的雙螺旋結構,闡述 DNA 是以 4 個鹼基(A、T、C、G)的配對方式來傳遞遺傳訊息,並逐步發展出許多新的研究工具;1990 年,美國政府推動人類基因體計畫,接著英國、日本、法國、德國、中國、印度等陸續加入,到了 2003 年,人體基因體密碼全數解碼完成,不僅是人類探索生命的重大里程碑,也成為推動醫學、生命科學領域大躍進的關鍵。原本這項計畫預計在 2005 年才能完成,卻因為基因定序技術的突飛猛進,使得科學家得以提前完成這項壯舉。

提到基因定序技術的發展,早期科學家只能測量 DNA 跟 RNA 的結構單位,但無法排序;直到 1977 年,科學家桑格(Frederick Sanger)發明了第一代的基因定序技術,以生物化學的方式,讓 DNA 形成不同長度的片段,以判讀測量物的基因序列,成為日後定序技術的基礎。為了因應更快速、資料量更大的基因定序需求,出現了次世代定序技術(NGS),將 DNA 打成碎片,並擴增碎片到可偵測的濃度,再透過電腦大量讀取資料並拼裝序列。不僅更快速,且成本更低,讓科學家得以在短時間內讀取數百萬個鹼基對,解碼許多物種的基因序列、追蹤病毒的變化行蹤,也能用於疾病的檢測、預防及個人化醫療等等。

在疾病檢測方面,儘管目前 NGS 並不能找出全部遺傳性疾病的原因,但對於改善個體健康仍有積極的意義,例如:若透過基因檢測,得知將來罹患糖尿病機率比別人高,就可以透過健康諮詢,改變飲食習慣、生活型態等,降低發病機率。又如癌症基因檢測,可分為遺傳性的癌症檢測及癌症組織檢測:前者可偵測是否有單一基因的變異,導致罹癌風險增加;後者則針對是否有藥物易感性的基因變異,做為臨床用藥的參考,也是目前精準醫療的重要應用項目之一。再者,基因檢測後續的生物資訊分析,包含基因序列的註解、變異位點的篩選及人工智慧評估變異點與疾病之間的關聯性等,對臨床醫療工作都有極大的助益。

基因定序有助於精準醫療的實現。圖/科技魅癮提供

建立屬於臺灣華人的基因庫

每個人的基因背景都不同,而不同族群之間更存在著基因差異,使得歐美國家基因庫的資料,幾乎不能直接應用於亞洲人身上,這也是我國自 2012 年發起「臺灣人體生物資料庫」(Taiwan biobank),希望建立臺灣人乃至亞洲人的基因資料庫的主因。而 2018 年起,中央研究院與全臺各大醫院共同發起的「臺灣精準醫療計畫」(TPMI),希望建立臺灣華人專屬的基因數據庫,促進臺灣民眾常見疾病的研究,並開發專屬華人的基因型鑑定晶片,促進我國精準醫療及生醫產業的發展。

目前招募了 20 萬名臺灣人,這些民眾在入組時沒有被診斷為癌症患者,超過 99% 是來自中國不同省分的漢族移民人口,其中少數是臺灣原住民。這是東亞血統個體最大且可公開獲得的遺傳數據庫,其中,漢族的全部遺傳變異中,有 21.2% 的人攜帶遺傳疾病的隱性基因;3.1% 的人有癌症易感基因,比一般人罹癌風險更高;87.3% 的人有藥物過敏的基因標誌。這些訊息對臨床診斷與治療都相當具實用性,例如:若患者具有某些藥物不良反應的特殊基因型,醫生在開藥時就能使用替代藥物,避免病人服藥後產生嚴重的不良反應。

基因時代大挑戰:個資保護與遺傳諮詢

雖然高科技與大數據分析的應用在生醫領域相當熱門,但有醫師對於研究結果能否運用在臨床上,存在著道德倫理的考量,例如:研究用途的資料是否能放在病歷中?個人資料是否受到法規保護?而且技術上各醫院之間的資料如何串流?這些都需要資通訊科技(ICT)產業的協助,而醫師本身相關知識的訓練也需與時俱進。對醫院端而言,建議患者做基因檢測是因為出現症狀,希望找到原因,但是如何解釋以及病歷上如何註解,則是另一項重要議題。

從人性觀點來看,在技術更迭演進的同時,對於受測者及其家人的心理支持及社會資源是否相應產生?回到了解病因的初衷,在知道自己體內可能有遺傳疾病的基因變異時,家庭成員之間的情感衝擊如何解決、是否有對應的治療方式等,都是值得深思的議題,也是目前遺傳諮詢門診中會詳細解說的部分。科技的初衷是為了讓人類的生活變得更好,因此,基因檢測如何搭配專業的遺傳諮詢系統,以及法規如何在科學發展與個資保護之間取得平衡,將是下一個基因時代的挑戰。

更多內容,請見「科技魅癮」:https://charmingscitech.pse.is/3q66cw

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《科技魅癮》的前身為1973年初登場的《科學發展》月刊,每期都精選1個國際關注的科技議題,邀請1位國內資深學者擔任客座編輯,並訪談多位來自相關領域的科研菁英,探討該領域在臺灣及全球的研發現況及未來發展,盼可藉此增進國內研發能量。 擋不住的魅力,戒不了的讀癮,盡在《科技魅癮》