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光合作用的爭論與希爾反應(Hill Reaction)

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。

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。

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。

 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

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為什麼「種豆南山下,草盛豆苗稀」?

陶淵明在「歸園田居」詩中,曾經提到「種豆南山下,草盛豆苗稀」。這首詩大家都很熟了,也是很受歡迎的國文教材,但是,有多少人認真去想為什麼「草盛豆苗稀」呢?難道只是因為陶淵明不會種田嗎?

雖然根據歷史的記載,「歸園田居」可能真的就是在他剛隱居的時候寫的(1);而在那時候,可能他的耕種技術也的確是還有待提升;不過筆者卻認為,從生物學的角度來看,「草盛豆苗稀」也不全是耕種技術的問題。

首先,我們來看一下氣候。陶淵明隱居的地點在潯陽柴桑,也就是現在的江西省九江市星子縣。當地是北緯29.44度,在北回歸線以北,屬於濕潤型亞熱帶氣候(2),1971-2000的年平均溫度為攝氏17.03度,每年四月就不再有攝氏零度以下的低溫(3)。雖然還是比臺灣偏北(台北市是北緯25.02度),大致上還是屬於溫和的氣候,植物的種類應該也不會相差太多。即使考慮近年來全球暖化的問題,應該也不會超過攝氏一度(4)。

在亞熱帶的台灣,夏天通常並不是植物茂盛生長的時期。為什麼呢?因為世界上90%的陸生植物是C3植物,這些植物在氣溫超過攝氏30度時,會因為光呼吸作用(photorespiration)造成水分的消耗大量上昇。C3植物(如大豆)在攝氏30度時,每抓一個二氧化碳分子就要消耗833個水(5),於是植物的生長速度就開始變慢。

不過,並不是所有的植物在夏天時生長速度都會變慢唷!有些植物,如玉米、甘蔗等,反而在夏天時長得特別好。為什麼呢?

原來玉米與甘蔗是所謂的C4植物,它們既耐熱又耐旱,跟C3植物比較起來,在攝氏30度時C4植物每抓一個二氧化碳的分子只消耗277個水(5),所以夏天的時候,它們的生長速度ㄧ點都不受影響呢!
說到這裡,讀者可能會想:什麼是C4植物?為什麼它們能夠既耐熱又耐旱呢?
所謂的C3、C4植物,指得是它們在光合作用上的不同。C3植物進行光合作用時,是由卡爾文循環(Calvin cycle)的酵素(RuBisCo,如圖二)直接抓取溶解在細胞中的二氧化碳,與核酮糖1,5-二磷酸(ribulose 1,5-bisphosphate,RuBP)進行反應;


而C4植物則在卡爾文循環上面,又增加了幾個步驟,而且這幾個步驟還跟卡爾文循環在不同的組織中進行呢(如圖三)!為什麼會這樣呢?


原來,C4植物多半都生活在亞熱帶或熱帶,在這些氣候區,植物進行光合作用時,會遇到一個大問題。

這個問題來自於卡爾文循環的第…

【原來作物有故事】麵包樹 熱帶果實引發電影傳奇

第一次聽到麵包樹的名字,是在小學的校園裡。當時老師說麵包樹雖然果實真的長得像麵包,但因為台北太冷了,原生於熱帶的它沒辦法在台北開花結果。

後來在花蓮當老師時,發現學校餐廳夏天有時會出現一種特別的蔬菜湯:裡面有黃色果肉、白色種子的「菜」。在地的同事告訴我,那叫做「巴吉魯」,也就是麵包樹的果實。

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麵包樹是桑科波羅密屬的多年生大型喬木,花為單性花,雌雄同株;果實是由30-68朵雌花所形成的多花果。麵包果通常在採收後五天到一週內食用最好吃,如果冷藏可以保存二到三週。

目前的研究認為麵包樹源自大洋洲新幾內亞、馬來半島、與西密克羅尼西亞。台灣的麵包樹原生於蘭嶼。在蘭嶼,麵包樹稱為“chipogo”,達悟族人用於製作船首、船尾板、坐墊,及住屋用的宗柱、主屋之踏腳板與木笠、木盤等用具,而分泌的乳白色汁液具黏性,可以當作粘接劑。

達悟族較少食用麵包果,倒是台灣東部的阿美族與太魯閣族經常拿麵包果來吃;不過太平洋群島上最常見的吃法應該是將麵包果放在鋪了葉片的坑洞內發酵成可以放二、三年的「果醬」。由於太平洋群島夏季常有颱風,這些「果醬」對各地原住民們是颱風後很重要的緊急糧食。既然麵包樹這麼重要,「南島語族」(包括台灣的原住民)不論坐船到哪裡,總是帶著麵包樹的種子。所以,麵包樹在太平洋各群島上是常見的風景。

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