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從哈伯法(Haber-Bosch Process)說起

自從幾年前開始教通識課以後,對於許多課程要怎麼教,開始有了不同的想法。怎麼說呢?一般專業課程總是強調「專業」,舉個例子好了,學過國高中化學的同學應該都知道哈伯法(Haber-Bosch Process),在高溫高壓下以鐵粉做為催化劑將氮氣與氫氣轉化為氨(ammonia):

N2 + 3H2 → 2NH3

通常化學課的時候,老師只會提到,因為氮氣(N2)的兩個氮原子之間是三鍵,所以要打開氮氣很不容易;因此不但要用高溫高壓,還要用鐵粉當催化劑...

然後?就沒有了。講完了。

但是,哈伯法偉大的地方就只是這樣嗎?哈伯(Fritz Haber)因為發明了這個方法,得到1918年的諾貝爾化學獎。難道就是因為他成功的打斷了氮-氮三鍵而已嗎?

哈伯(Fritz Haber),圖片來源:wiki

當然不是。哈伯法的重要性在於,從此人類打開了以人工提高作物產量的大門,農作物的產量從此大大的提高。

當然,產量提高其實也是有限度的,在植物的營養上,有個名詞叫做「關鍵濃度」(critical concentration)。當土壤中的養分低於這個濃度時,植物的生長與養分的濃度成正比;超過這個濃度以後,植物的生長跟養分的濃度就不成正比了,也就是說,用再多也沒有明顯的效果。

但是,在過去只能使用天然肥料(動物的屍體、糞尿、植物的落葉等)的時代,由於天然肥料必需要等待微生物分解(這部分在堆肥時已經大致完成),再經過土壤中的微生物將其中含氮成分分解為硝酸根(nitrate,NO3-)與銨離子(NH4+)後,才能為植物所吸收,因此效果緩慢。加上為了方便起見,農人們總是會以單作(monoculture)的方式來種田,這種在大片的土地上種植單一作物的方式,很容易會使土壤缺少某些特定的養分(尤其是氮與磷),所以在哈伯法還沒有出現以前,要提高土壤內的氮濃度,除了使用天然肥料之外,就只剩下使用綠肥,或是與豆科植物輪作了。

但是,這些方法,都不能使土壤中的氮的濃度超過關鍵濃度;因此,當哈伯法出現之後,農夫將化學肥料施放在田裡,立刻有了奇效--農作物的產量大大的提升。加上育種改良以及殺蟲劑、除草劑的使用,20世紀小麥與稻米的產量提升了8-10倍(平均產量是4倍)。

但是哈伯法對於科學界的貢獻,並不僅僅在於農作物產量的提升;在哈伯發明化學固氮之前,一直有一派學說認為,這些在生物體中的化合物,只有生物才能合成(也就是所謂的生機論Vitalism)。雖然生機論在科學上的地位在1828年在維勒(Friedrich Wöhler)合成尿素以後,已經岌岌可危;但是直到哈伯法出現以後,生機論才不再被提起。

但是哈伯法對全人類最大的貢獻,還是在於:從此想要多少氮肥,就可以製作多少氮肥。雖然在十九世紀Sach等人的研究,已經使大家了解,要能夠正常的生長與繁殖,植物需要17種元素(稱為必需元素essential element);但是其中最關鍵的氮與磷,卻始終無法足量提供給植物。

但是,大量的施放氮肥,卻造成了另一個效應:死亡海域(Dead zone)。

死亡海域最早出現在1970年代。由於化肥的大量施用早在1930年代就開始了,因此也花了一些時間去釐清到底是怎麼回事。簡單來說就是,大量施放氮肥(主要是硝酸根)與磷肥(磷酸根)到土壤中,但是土壤主要是由矽酸鋁顆粒構成,也是帶負電的,所以同性相斥使得氮與磷無法久留在土壤中,很容易隨著雨水、灌溉水流到附近的湖泊與河流裡,最後流到海裡。

當海裡的氮與磷濃度上昇以後,造成藻類大量生長,形成藻華(algae bloom);藻華隔絕了水下植物的陽光,使得水下植物開始死亡;植物的死亡與分解吞噬了水中的氧氣,接著動物開始死亡...然後就是死亡海域。

由於慣行農法的單作、密植,使得化肥成為農業的必要之惡;所以死亡海域一直都是難以解決的問題。2008年的統計,全球的死亡海域共有405個點;而死亡海域的「熱區」集中在人煙稠密的北半球。

全球死亡海域熱區。圖片來源:wiki
而施放化肥加上灌溉,除了造成死亡海域之外,又會使得土壤酸化、鹽化。雖然哈伯法似乎在短時間內提高了農作物的產量,養活了許多人(這可以由1940年代開始,世界人口急速上昇看出來);

世界人口增長速度。圖片來源:wiki

但是,哈伯法所造成的副作用,包括死亡海域、土壤酸化、鹽化,以及因為人口大幅增長造成土地大量被開發的生態破壞等等...究竟是功是過呢?其實科學家發明了新技術,而這個新技術在大量被使用之後,產生了意想不到的變化,我想這也是當初哈伯始料未及的吧!

參考文獻:

Taiz and Zeiger, Plant Physiology, 5th ed.
Laurance Mee. 拯救死亡海域。2006。科學人。
Wikipedia. World populationDead zone.

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吃到含植物生長激素的水果會性早熟?

今天看到一則新聞「激素催熟鳳梨! 吃多恐性早熟」,害我出考題出到一半又要分心來處理這件事。

這則新聞裡面言之鑿鑿地說:

為了讓兩年生鳳梨,提早賣個好價,有不肖果農在鳳梨心施打生長激素,讓鳳梨變大又變甜,吃進肚子裡,尤其對孩童,可能影響荷爾蒙,導致性早熟

看了真的讓人不知道該說什麼才好。鳳梨的外皮極硬,要「打」生長素進去,筆者不知道要用什麼樣的工具才辦得到;另外,果實的發育是整個一起長的,如果在成長的過程中用針筒之類的去注射鳳梨,整個果實都會停止生長,並非局部變黑。鳳梨局部變黑通常是因為果實發育的過程中氣候變化太劇烈(太熱是常見的原因),整園的鳳梨幾百顆,要用注射的,只能說打到天亮都打不完吧。

噴灑生長素是比較有可能的,植物也的確有生長素,不過植物的生長素真的會對動物有影響嗎?我們先來看一下會讓植物生長的激素們是什麼。

通常我們提到植物的生長素就是說IAA(吲哚乙酸,indole-3-acetic acid)。

吲哚乙酸在植物裡面有非常多的效用,包括讓莖延長、使果實單維結果(不用授粉)、植物的光趨性(通常翻成向光性,phototropism)也跟它有關。

吲哚乙酸的化學式是C10H9NO2,是個小分子化合物。

另外一類會讓果實長大的植物賀爾蒙是吉貝素(gibberellic acid, GA)。

無子葡萄常會用到吉貝素讓果實長大,主要是因為果實裡的種子是天然吉貝素的來源,無子的果實因為缺乏吉貝素會比較小,所以果農會噴灑吉貝素讓果實長大。

吉貝素的化學式是C19H22O6,比生長素大概大了快一倍,不過還是屬於小分子化合物。

但是不管是生長素還是吉貝素,筆者查了很多資料,都沒有提到可以刺激動物生長的活性。倒是合成的生長素2,4-D曾有一度被懷疑可能致癌,不過美國的環保署在2007年也已經宣布沒有任何證據支持它會致癌。2,4-D的化學式是C8H6Cl2O3,還是一個小分子化合物。

至於動物的生長激素呢?以人的生長激素GH1為例,它不是小分子化合物,而是一個由191個氨基酸構成的多肽。

上圖的每個小球就是一個原子,而植物的「生長激素」,不管是生長素、吉貝素還是合成的2,4-D,都是幾十個原子的小東西;動物的生長激素則是數千個原子的龐然大物,根據默克藥典(Merck Index),人的生長激素的化學式是C990H1529N263O299S7,跟植物的「生長激素」大大不相同,怎麼…

再談鳳梨謠言:提早採收是因為噴了「成長激素」?

說實在的,筆者談有關鳳梨的謠言已經談到不想談了;但是昨天(2016/5/28)聽女兒提起一個叫做什麼「台灣味道」(第二季)的節目,裡面竟然有種鳳梨的農民自己在黑其他的鳳梨農,說什麼「其他的農民因為有噴成長激素,所以鳳梨都要提早採收,不然會有酒味」,就讓筆者聽了一整個怒。

首先,現在已經沒有人在幫鳳梨噴生長素(auxin)了!至於什麼成長激素或是生長激素,更是沒有的事。這件事筆者的文章裡面已經講得清清楚楚,如果忘記了,可以再去複習幾次。
至於提早採收,是因為採收以後還要運輸到其他地方,所以一定會早點採收,不然運輸的時候就得放冷藏車,否則到零售市場一定會過熟!在遠足文化出版的「台灣的鳳梨」裡面也講得清清楚楚:「太早採收會影響品質,但採收得太遲,也可能有不耐儲運及老化、劣變等問題。一般而言,鳳梨的採收成熟度以果皮之轉色程度為指標,但轉色程度視採收時期、品種及果實質地(有經驗的農友可用果實敲擊反射音來判斷)而異,例如夏季可在剛轉色時採收,但冬季則應等到轉色達三分之二,甚至全轉色才採收,適口性才會比較好;又例如台農十八號及台農十九號的果實,在夏季時常有青皮黃的問題,如果等到轉色程度較高時才採收,則果肉已經過熟。」(第103頁)
讀者看到這裡,應該就了解,提早採收很難避免,至於提前多久,「若採收後立即或短期幾天內就要消費的果實,可在超過三分之一左右轉色後才採收,需經過一至兩週儲運後才消費的果實,則成熟度降低較適當。」(第103頁)
所以,提早採收跟有沒有噴什麼東東都無關,純粹是跟季節、品種、預計消費時間有關。說真的,個別的農友要怎麼種自己的農產品,大家都管不著;但是詆毀他人辛苦耕種的成果,這就可惡得很了。要讓自己的農產品銷路變好,應該要大家一起努力來開拓市場;而不是靠著造謠詆毀其他農友的心血!
參考文獻:
行政院農業委員會農業試驗所著。台灣的鳳梨。遠足文化出版。

關於蕃薯,你知道你吃的是什麼品種嗎?

蕃薯(Ipomoea batatas)從臺灣人的主食、轉變為副食、又轉變為飼料,最後在養生的風潮下,再度躍上餐桌,成為美食,可有人關心過,我們吃的蕃薯是什麼品種嗎?

上面這張照片裡的蕃薯,中間的TN57與TN66,就是台農57號與台農66號,是臺灣最受歡迎的兩種蕃薯喔!

台農57號在1955年由嘉義農試分所將日治時代培育出的台農27號與南瑞苕種(Nancy hall)雜交育成。它黃皮黃肉,目前還是全臺灣產量最大的蕃薯。口感鬆軟,適合烤、煮食或製作薯條。主要產地在雲林、台南、高雄。適合在四~十月間種植。台農57號還曾經隨著農技團飄洋過海到史瓦濟蘭去,協助他們解決糧食問題呢!

至於台農66號呢,就是所謂的紅心蕃薯啦!台農66號是1975年也是由嘉義農試分所選出,1982年正式命名。它是目前栽植最普遍的食用紅肉番薯。在臺灣,幾乎全年皆可栽種,秋冬作五個月可收穫,春夏作四個月就可以收穫囉!

最右邊的台農73號,就是現在所謂的「芋仔蕃薯」啦!它是在1990年以台農62號(♂)x清水紫心(♀)雜交後,在2002年選拔出優良子代CYY90-C17,並於2007年正式命名。由於肉色為深紫色,所以得到「芋仔蕃薯」的暱稱。本品種富含cyanidin 及peonidin 等花青素,具抗氧化功用。

至於常吃的蕃薯葉,則是以桃園2號與台農71號為主,這兩種葉菜蕃薯都不用撕皮就可以直接煮來吃,而且莖葉不易倒伏,方便農民採收喔!

如果您愛吃的是蕃薯的加工食品,如蕃薯餅、蜜蕃薯、蕃薯酥,其實他們大多也是用台農57號與66號來加工的喔!

參考文獻:

蔡承豪、楊韻平。2004。臺灣蕃薯文化誌。貓頭鷹出版。
行政院農委會。甘藷主題館