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如何預測來年楓糖漿(maple syrup)的產量?

圖片來源:wiki
隨著台灣的飲食日漸西化,相信吃過美式鬆餅(pancake)的朋友一定不少。鬆餅可以配果醬、奶油、巧克力醬,但是筆者最愛加了楓糖漿的鬆餅。

美洲大陸食用楓糖漿的歷史已經數不清了,從北美的印地安人(North American Indians)的口述歷史中可以得知,他們很早就懂得在春天來時,在糖楓(sugar maple)樹上鑽孔,收集樹汁(篩管phloem的汁液)再加熱蒸發製成楓糖漿。

一般來說都是在春天來時製作,此時糖楓把儲存在根部的養分分解成為蔗糖(sucrose),經由篩管運輸到地上部分,提供樹木本身長出新芽與新葉使用。由於葉片是植物主要進行光合作用的器官,如糖楓這類落葉喬木,在秋天的時候會把葉片裡面的養分分解後運輸到根部儲存,接著開始落葉;因此,等到春天來時,在新芽尚未長成新葉時,便需要根部提供養分。所以,這時候樹汁的量是最多的,裡面的糖份也相對較高。

楓糖漿。圖片來源:wiki
要製成上面這樣一瓶甜蜜蜜的楓糖漿可不容易。糖楓包括了三種品種的楓樹:糖楓(the sugar maple,Acer saccharum), 黑楓樹(the black maple,A. nigrum)以及紅楓樹(the red maple,A. rubrum)。糖楓要長到三十到四十歲的才能開始採樹汁,每棵樹最多只能鑽三個孔。每棵樹每年春天只能產出35-50公升的樹汁,而這個樹汁還要加熱濃縮20-50倍,才成為我們看到的楓糖漿。真的是滴滴皆辛苦啊!

雖然糖楓可以生產到百歲,但是,因為每棵樹每季大約只能產出一公升的楓糖漿,因此,楓糖農夫們最關心的就是:到底明年的楓糖產量如何?

楓糖的產量要從兩個角度去看,一個是樹汁的多寡,另外一個是樹汁的品質。由於楓樹的樹汁裡面只有2-3%是糖份,再濃縮是必需的手段,但是樹汁裡糖份的百分比也很重要。雖然百分之二跟百分之三好像只相差百分之一,但是在濃縮的過程中,含有百分之三糖份的樹汁,當然可以少濃縮很多囉。

過去,楓糖農夫們經常試著用今年的天氣來預測來年楓糖漿的產量。但是,最近哈佛大學的研究團隊,在收集了十七年的資料,分析以後發現:真正對楓糖漿產量影響最大的,不是天氣,而是糖楓的種子產量。

研究團隊收集了十七年來Vermont地區的氣候、楓糖漿產量,以及當地糖楓的種子產量。他們發現,在2000年、 2006年、與2011年這三個年份,糖楓樹們產生了大量的種子,而2001年、2007年、2012年楓糖樹汁的質與量都下降了。

糖楓大約每二到五年就會來一次種子大爆發(mast seedling event),由於楓樹的種子是靠風傳播,因此當種子大爆發時,就會看到滿天的迷你竹蜻蜓在飛翔。而滿天的迷你竹蜻蜓起飛之後,接著就是糖楓樹汁產量下降。

糖楓的種子。圖片來源:wiki

其實仔細想想,種子的產量影響來年樹汁的質與量,並不意外。怎麼說呢?因為形成種子的時候,植物一定會把大部分的養分都灌注到種子上,這樣在種子離開親本以後才能有足夠的養分對抗可能的逆境。而每年植物也只有一樣多的日子可以吸取養分、進行光合作用,所以當種子大爆發的時候,也就意味著大部分的養分都拿去結子了,當然留在根部用來形成來年的樹汁的部分就減少囉!

不過,雖然種子的產量是主要影響糖楓樹汁的產量的因素,天氣還是有些影響的。主要影響糖楓樹汁的產量的天氣因素包括當年三月的最低溫與最高溫,以及四月的最高溫。當研究團隊把種子的產量、三月最低溫與最高溫,以及四月的最高溫一起列入考慮時,大約可以預測79%的糖楓產量上的變數了。

最後,哈佛的團隊也告訴大家,今年Vermont的糖楓們種子產量並不多,因此只要天氣沒有太大的變化,明年對糖楓農夫們來說,應該會是個好年頭。

參考文獻:

Wikipedia. Maple Syrup.

2014/11/3. Maple syrup production declines after big seed year. Science Direct.

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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。

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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。

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康納是德拉瓦州(Delaware)的高中生。他因為對科學有興趣,寫了e-mail給德拉瓦大學(University of Delaware)的白斯教授(Harsh Bais),表達希望能進他的實驗室學習。當白斯老師回信說「OK」的時候,康納高興得不得了。

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