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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

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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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數學藏在哪裡?絕對難不倒你!隱藏在植物中的「費布納西數列」——《生物世界的數學遊戲》
天下文化_96
・2022/10/24 ・1626字 ・閱讀時間約 3 分鐘

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大多數植物和費布納西數列有密不可分的關係

生物世界的數學本質,在植物王國裡更能顯現出美麗而神祕的形式。

在《論生長與形態》這部書裡,有一整章就是在專門討論植物與眾不同的幾何學及數術,諸如葉子沿著莖的排列、花朵裡形成的奇特螺線模式(圖十一),以及花瓣的數目等等。這部分所隱含的數學真的很奇特。

在絕大多數的情形下,植物的結構牽涉到一串被稱為「費布納西數列」(Fibonacci sequence)的有趣數字:

1、2、3、5、8、13、21、34、55、89、144……

呈現出費布納西數列的巨大向日葵 Helianthus maximiliani。圖十一/天下文化

費布納西數列的規則

費布納西數列本身就有漂亮的模式:

從「3」以後的每一項,都是前兩項的和,例如 55=34+21。

這個數列,是比薩的雷奧納多(Leonardo of Pisa,約 1170-1250)在 1202 年所創。雷奧納多是位偉大的數學家,偶然發現了印度人與阿拉伯人所發明的新記數法,不同於當時通用的羅馬記數法;在這兩種系統中,相同的符號若放在不同的位置,可能代表著不同的意義:以費布納西數列裡的 55 為例,第一個 5 代表「50」,而第二個則代表「5」。

雷奧納多為阿拉伯記數法,寫下一部劃時代的專書。圖/Wikipedia

雷奧納多為印度——阿拉伯記數法,寫下一部劃時代的專書,於是西方世界便將現行的算術體系,歸功於他的大力推廣。

十八世紀的法國數學家李布里(Guillaume Libri),給了他一個綽號「費布納西」(Fibonacci),由於這個綽號一直廣為沿用,所以讓大多數人誤以為是十二、十三世紀就存在的名字(Fibonacci 一字原文的意思是 son of Bonacci,Bonacci 是他父親的名字)。

費布納西的兔子謎題

此外,費布納西也設計出一套「兔子謎題」,問題是這麼說的:假定現在是第零個飼育季,我們剛好有一對未成熟的兔子,而兔子經過一季的時間就可以成熟。

再假定每對成熟的兔子,每一季可以生出恰好一對未成熟的兔子,也一樣要花一季的時間才能成熟。最後我們假設兔子不會死。

兔子謎題:在設定的條件下,每一季會有多少對兔子?圖/Pixabay

那麼每一季會有多少對兔子? 此問題的結果是,在接下來各季,兔群的數目將依循費布納西數列——而且有大量的重要數學,繼續從這個簡單的發現發展出來。然而,真正的兔群並不會按照費布納西的模型,如果實際去數兔子數目,你不會發現明顯的費布納西數。

花草的世界中也藏著許多費布納西數

但是,如果去數花的花瓣、萼片、雄蕊及其他部分,你就能找到這些數。例如,百合有三個花瓣,毛莨有五瓣,飛燕草有八瓣,金盞花十三瓣,紫菀二十一瓣,而多數的雛菊有三十四瓣、五十五瓣或八十九瓣,除了這些數目之外,沒有其他任何數目會出現得那麼頻繁。

費布納西數也隱藏在向日葵所呈現的模式裡,如果仔細看圖十一,你會看到兩組螺線,一組呈順時鐘方向,另一組是逆時鐘。

現在如果請你數數看每一組各有多少螺線,你會發現兩組的答案都是費布納西數。圖/Pixabay

現在如果請你數數看每一組各有多少螺線,你會發現兩組的答案都是費布納西數。

——本文摘自《生物世界的數學遊戲》,2022 年 9 月,天下文化,未經同意請勿轉載。

天下文化_96
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天下文化成立於1982年。一直堅持「傳播進步觀念,豐富閱讀世界」,已出版超過2,500種書籍,涵括財經企管、心理勵志、社會人文、科學文化、文學人生、健康生活、親子教養等領域。每一本書都帶給讀者知識、啟發、創意、以及實用的多重收穫,也持續引領台灣社會與國際重要管理潮流同步接軌。

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長達 5 億年的空白:真核生物從何而來?「洛基」是人類起源的解答嗎?──《纏結的演化樹》
貓頭鷹出版社_96
・2022/08/06 ・2927字 ・閱讀時間約 6 分鐘

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有細胞核的真核細胞,究竟從何而來?

當渥易斯去世時,還在爭議中的最大謎團之一便是真核細胞的起源,也就是說,我們生命最深處的開端,直至今日仍然沒有定論。

當時真核細胞的起源目前還沒有一個定論,不過可以確定的是,粒線體扮演著相當關鍵的角色。圖 / Pixabay

如果像渥易斯在一九七七年宣布的那樣,存在三個生命領域,其中一個領域是真核生物,包括所有動物、植物、真菌,和所有細胞裡面含有細胞核的微生物,那麼這個最終演化出人類和我們可見的所有其他生物的譜系的基礎故事是什麼?是什麼讓真核生物如此不同?

是什麼讓牠們走上如此不同的道路,從細菌和古菌的微小和相對簡單,走向巨大而複雜的紅杉、藍鯨和白犀牛,更不用說人類和我們對地球的所有特殊貢獻,像是美國職棒、抑揚五步格和葛利果聖歌?哪些部分以及哪些過程組合在一起,形成了第一個真核細胞?

如此重大的事件大概發生在 16 億到 21 億年前之間。這個足足有 5 億年之久的窗口,反映當前科學不確定性的程度。

最關鍵的線索?粒線體與「內共生理論」

不同陣營的意見強烈分歧,都提供了一些假設。

岩石中早期微生物形式的化石證據,並沒能提供多少解答,科學家還是從基因體序列中發掘出更精確多樣的線索,並且其中一些線索仍然來自 S 核糖體 RNA,這要歸功於渥易斯當初的洞察力,以及後來四十多年間他的追隨者的心血。

但是這些數據的涵義為何則見仁見智。現在所有的專家都同意,當年內共生作用發揮了重要作用:不知何故,某個細菌被另一個細胞(宿主)捕獲並且在體內被馴化,然後成為粒線體

它們一旦存在早期真核細胞中並且數量變多後,就會提供大量能量,遠遠超出當時可用的任何能量,讓這些新細胞可以增加體積與複雜性,進而演化成多細胞生物。

粒線體的構造,成為了生物學家探索原生生物起源的重要線索。圖/Elements Evato

複雜性增加的一個顯著特徵,就是控制,特別是對遺傳材料的控制。

從生命的起源之地尋找答案——前往深海

更具體地說,這意味著將每個細胞的大部分 DNA 包裝在一個內部胞器中,也就是由膜包圍住的細胞核。

因此,真核生物起源之謎包含三個主要問題:

一,原始宿主細胞是什麼?

二,粒線體的獲取是否觸發了最關鍵的變化?或者,是由它引起的嗎?

三,細胞核是從何而來的?

更簡化的提問方式則是:一個東西跑到另一個東西裡面,形成複雜之類的東西?這些「東西」到底是什麼?

關於前兩個問題,最近的新證據來自一個意想不到的地點:大西洋底部。它來自於格陵蘭和挪威之間,一個近兩千四百多公尺深的區域所挖掘出的海洋沉積物,這地區附近有一個稱為洛基城堡的深海熱泉。

洛基是北歐神話中既狡猾又會變形的神;挪威主導團隊在發現這個熱泉後取了這個名字,因為這個礦化的噴口看起來就像一座城堡,而且所在位置難以尋找。

為了尋找證據,科學家將目光投向了一般生物無法安然生長的海底熱泉,而科學家也把這個發現洛基古菌的地點命名為「洛基城堡」(Loki’s Castle)。圖 / Youtube

他們與其他科學家一起分析這些海洋沉積物裡面所包含的 DNA,發現這代表了一個全新的古菌譜系,這些細菌的基因體與已知的任何東西都截然不同,似乎代表一個獨特的分類門(門是非常高的分類位階;比方說,所有脊椎動物都同屬於一個門)。

帶領這項基因體研究的生物學家,是任職於瑞典一所大學的年輕荷蘭人,名叫艾特瑪。他結合深處城堡和狡猾神祇的語義,將這個族群命名為洛基古菌

全新的發現!最接近真核生物的古菌:洛基古菌

艾特瑪團隊於二〇一五年公布這項發現。這項發現具有廣泛報導的價值,因為洛基古菌的基因體,似乎與我們人類譜系起源的宿主細胞非常接近。

實驗室培養出來的洛基古菌在顯微鏡底下的樣貌。圖 / biorxiv

《華盛頓郵報》的一則標題說:「新發現的『失落的環節』顯示人類如何從單細胞生物演化而來。」這些從深海軟泥中提取的古菌,真的是二十億年前那些,自身譜系在經過激烈分化後,變成現代真核生物的古菌的表親嗎?這些古菌是我們最親近的微生物親戚嗎?也許真的是。這一點引起大眾的注意。

但是,使艾特瑪的研究在早期演化專家當中引發爭議的,還有另外兩點。

首先,艾特瑪團隊提出證據,表明洛基古菌等細胞在獲得粒線體之前,就已經開始發展出複雜性。也許是重要的蛋白質、內部結構、可以包圍並吞噬細菌的能力。

若是如此,那麼偉大的粒線體捕獲事件,就是生命史上最大轉變的結果,或一連串變化其中之一的事件,而不是原因。某些人,例如馬丁,會強烈反對。

雖然科學家發現了洛基古菌,但也引起了許多爭議和討論,真核生物的演化謎團仍然沒有被完全解答。圖 / Pixabay

其次,艾特瑪團隊將真核生物的起源置於古菌中,而不是古菌旁邊。如果這個論點正確的話,便意味著我們又回到一棵兩個分支的生命樹,而兩大分支不管哪一支,都不是我們長久以來珍而重之、視為己有的。

這也就是說,我們人類就是古菌這種獨立生命形式的後代,這在一九七七年之前是無法想像的。(這種情況會產生錯綜複雜的糾葛,牽扯到在我們的譜系開始之前,細菌的基因水平轉移到我們的古菌祖先中,結果導致細菌也混入我們的基因體內,但本質仍然是:喔,我們就是它們!)

某些人,例如佩斯,會強烈反對。渥易斯也不會同意,只是他在世的時間不夠長,無緣被艾特瑪二〇一五年發表在《自然》期刊上的論文激怒。

六月的一個早晨,在多倫多的一間會議室裡,艾特瑪向一屋子全神貫注的聽眾描述這項研究,其中包括杜立德和幾十名研究人員,還有我。

當我之後與杜立德碰面時,他用一貫的自嘲式幽默說:「我有點被洗腦了。」也是後來,我坐下來與艾特瑪對談。我們談到他當時仍未發表的最新研究,這會把同樣的涵義推得更進一步:粒線體是大轉變的次要因素,人類祖先植根於古菌中,位於兩分支的生命樹上。他很清楚反對的觀點,也清楚自己將會遭遇何等激烈的爭論。

他說:「我真的有在為某些可能迎面撲來的風暴做準備。」

——本文摘自《纏結的演化樹》,2022 年 7 月,貓頭鷹,未經同意請勿轉載。

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貓頭鷹是智慧的象徵。1992年創社,以出版工具書為主。經過十多年的耕耘,逐步擴及各大知識領域的開發與深耕。現在貓頭鷹是全台灣最重要的彩色圖解工具書出版社。最富口碑的書系包括「自然珍藏、文學珍藏、台灣珍藏」等圖鑑系列,不但在國內贏得許多圖書獎,市場上也深受讀者喜愛。貓頭鷹的工具書還包括單卷式百科全書,以及「大學辭典」等專業辭典。貓頭鷹還有幾個個性鮮明的小類型,包括《從空中看台灣》等高成本的視覺影像書;純文字類的「貓頭鷹書房」,是得獎連連的知性人文書系;「科幻推進實驗室」則是重新站穩台灣科幻小說市場的新系列,其中艾西莫夫的科幻小說,已經成為台灣讀者的口碑選擇。

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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
鳥苷三磷酸 (PanSci Promo)_96
・2022/04/06 ・3848字 ・閱讀時間約 8 分鐘

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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。

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。

台灣傑出女科學家獎邁入第 15 年,台灣萊雅鼓勵女性追求科學夢想,讓科學領域能兩性均衡參與和貢獻。想成為科學家嗎?妳絕對可以!傑出學姊們在這裡跟妳說:YES!:https://towis.loreal.com.tw/Video.php

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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