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結合細菌與晶片的仿生葉(Bionic leaf)

替代能源的發展,除了生質酒精、生質柴油外,其實也有許多研究團隊在研發如何將太陽能轉為可儲存的能源。畢竟,太陽能不需要如生質能源背負與人爭食或砍伐森林的罪名,只要天空沒有被雲籠罩,它就是取之不盡用之不竭。

過去,哈佛Nocera老師的研究團隊,曾經發表過以矽(Si)為原料的半導體電池,它可以在接受光能後,利用光能轉化的電能將水分解為氫氣(H2)與氧氣(O2)。雖然氫氣也可以用於燃料,但由於氫氣非常容易自燃(佔大氣4%以上即有自燃的風險)、運輸較液態能源(汽油、柴油、酒精)不便,加上目前的內燃機(引擎)都還是使用液態能源看來,雖然氫氣真的很環保(燃燒完就剩下水),但卻不大適合。

於是研究團隊開始尋找能把氫氣轉換成為液態能源的方式。這次,他們結合了加大洛杉磯分校的研究團隊。加大團隊將Ralstonia eutropha這隻菌做了一些修改,使它在養分不足(nutrient-limited)的狀況下將乙醯輔酶A(acetyl-CoA)用來產生異丙醇(isopropanol)。原本Ralstonia eutropha會將乙醯輔酶A合成PHB(polyhydroxybutyrate)儲存起來,但加大的研究團隊用生物工程的方法把中間的兩個酵素去掉,然後植入帶有另外四個基因的質體,使細菌不再能夠合成PHG,卻有了合成異丙醇的能力。於是,當這隻菌在缺乏氮源的時候,只要提供給它氫氣與二氧化碳,它便開始產生異丙醇了。雖然二氧化碳要額外打進去,但以現在地球的狀況來說,二氧化碳多得很,不是正好可以用掉嗎?

結合細菌與晶片的液態能源產生系統。圖片來源:Science, Li et. al., 2012
但是光只是這樣還不行,這個系統還有一些需要調整的地方。由於使用電極來分解水,除了氫氣已外也會產生氧氣,而在通電的狀況下,不免會產生一些自由基妨礙細菌生長;另外是,電極若使用貴金屬白金或銦(indium),不僅這些金屬價格昂貴、不易取得,這些金屬在自然狀況下(別忘記,這個系統使用了細菌,所以所有的操作要盡量符合自然狀況)對水的電解力也不高(除非提高電壓,但如此一來又會產生更多自由基)。

研究團隊首先使用了磷酸鈷(CoPi)與鎳錳鋅/不鏽鋼的電極,解決了貴金屬與電解力不足的問題;但是自由基仍不免產生,於是研究團隊嘗試加入來自牛肝的過氧化氫酶(catalase)。在過氧化氫酶順利處理掉了自由基的問題後,整個系統的產能來到每公升培養液產出216毫克的異丙醇,若換算為太陽能-生質能轉換則來到3.2%,為目前所有地球上的系統中最高,連在生長季節的植物也只有1.4%-2.0%而已呢!由於異丙醇可以用於內燃機,容易儲存與運輸,所以這個改良可說是生質能源的大進步。

過去單純的使用太陽能發電,由於電能只能短時間儲存(電池),造成一定程度的浪費;如能有將光能轉換為化學能(如光合作用)的方法,便可以將光能儲存起來。過去許多轉換的方式,若不是儲存困難(氫氣),便是只能小量施作,無法擴大。現在哈佛開發的方法,可以將光能以化學能的方式儲存起來,又能擴大施作,產生的化學能還可直接用於內燃機。雖然異丙醇燃燒會產生二氧化碳,但這個方法所產製的異丙醇也是由二氧化碳而來,構成了一個完整的循環。真的非常令人期待呢!

本文版權為台大科教中心所有,需經同意方可轉載)

參考文獻:

Wikipedia. Hydrogen.

Han Li, Paul H. Opgenorth, David G. Wernick, Steve Rogers, Tung-Yun Wu, Wendy Higashide, Peter Malati, Yi-Xin Huo, Kwang Myung Cho, James C. Liao. 2012. Integrated Electromicrobial Conversion of CO2 to Higher Alcohols. Science. 335:1596

Joseph P. Torella, Christopher J. Gagliardi, Janice S. Chen, D. Kwabena Bediako, Brendan Colón, Jeffery C. Way, Pamela A. Silver, and Daniel G. Nocera. 2015. Efficient solar-to-fuels production from a hybrid microbial–water-splitting catalyst system. Proc. Natl. Acad. Sci. USA. doi: 10.1073/pnas.1424872112

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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…

孔雀秋海棠的光合作用魔術

原產於馬來西亞雨林的孔雀秋海棠(Begonia pavonina),只有在光線極弱的狀況下葉片會出現藍色。當光線夠強的時候,葉片上的藍色就不會出現了。

因為這藍色是如此的美麗,使它得到了「孔雀秋海棠」(peacock begonia)的美名。大家搶著種它,想要看到那美麗的孔雀藍;但到底為什麼要出現這美麗的孔雀藍呢?

通常我們都認為,在葉片裡面除了葉綠素以外的光合色素,都是輔助色素:在光線不夠時,幫忙吸收更多光能;在光線太強時,把多餘的能量發散。所以孔雀秋海棠的孔雀藍,是否也是一種輔助色素呢?

之前的研究已經發現,這些孔雀藍,應該是來自於被稱為虹彩體(iridoplast)的一種色素體(plastid)。虹彩體位於葉片上表皮的細胞中,為葉綠體的變體。在最近的研究發現,這些虹彩體的類囊體(thylakoids)以一種不尋常的方式排列:每疊葉綠餅(grana)由三到四個類囊體組成,厚度約為40奈米;而一疊一疊的葉綠餅之間的距離約為100奈米。


一般的葉綠體,通常葉綠餅的排列是散亂的(如圖);孔雀秋海棠的虹彩體的葉綠餅卻排得如此整齊,有什麼作用呢?

研究團隊測量了20個虹彩體,發現它們的特殊構造賦予它們反射435~500奈米的光波的能力。這個波長正好就是藍光波段的最右邊,與綠光交界的位置。這就是為什麼孔雀秋海棠是藍色的原因吧!

不過,這些虹彩體不只是會反射藍光而已。研究團隊還發現,虹彩體讓孔雀秋海棠吸收較長波的綠光與紅光的能力提升了!這對孔雀秋海棠是非常重要的,因為它們通常在熱帶雨林的地面上生長。

在熱帶雨林裡,光線都被大樹給遮住了,使得地表的光線極弱。弱到怎樣的地步呢?大約是樹冠光線強度的百萬到千萬分之一喔!而且還不只是光線變弱而已,因為雨林中的大樹們把進行光合作用所需的兩個主要波段的光(460奈米與680奈米)都吸收得差不多了,在這樣的環境下,孔雀秋海棠如果不發展出吸收一點綠光的本事,還真的會混不下去。

事實上,因為這些特殊的構造,虹彩體比一般的葉綠體進行光合作用的效率更高。研究團隊藉著測量葉綠體的螢光(葉綠體進行光合作用時,一部份的葉綠素會把吸收的光以暗紅色的螢光發射出去;所以可以藉著測量螢光了解植物進行光合作用的效率)發現,虹彩體進行光合作用的效率,比一般的葉綠體都好。不過,當光線變強的時候,虹彩體的效率就沒有那麼好了;這或許就是為何,當我們把孔雀秋海棠種在光線…

【原來作物有故事】鳳梨 漂洋過海在臺灣發揚光大

作者:葉綠舒、王奕盛、梁丞志

在台灣提到鳳梨,一定會想到鳳梨酥這代表台灣的伴手禮。但是鳳梨其實不是台灣原產的水果喔!鳳梨原產於熱帶南美洲,在哥倫布1493年的第二次航行時於瓜德羅普的村莊中發現後引進歐洲,約於16世紀中葉傳入中國;台灣則是在1605年先由葡萄牙人引進澳門,再由閩粵傳入台灣,至今已有三百多年歷史。

在台灣,鳳梨因為台語諧音「旺來」很吉利而廣受大眾喜愛,但其實鳳梨的名字是根據它果實的型態來的,因為果實的前端有一叢綠色的葉片,讓以前的人覺得很像鳳尾,加上果肉的顏色像梨,所以就取名為「鳳梨」。至於英文的名稱也是因為果實的外型像毬果、而肉質香甜,所以就被取名為「松蘋果」(pineapple)啦!其實鳳梨果實的毬果狀的外觀主要是因為鳳梨是「聚合果」,每顆鳳梨是由200朵鳳梨花集合而成的!而它的學名Ananas則是來自於圖皮語,意思是很棒的水果。

在哥倫布把鳳梨引進歐洲以後,因為它的香甜好滋味讓它大受歡迎;但是身為熱帶水果的鳳梨,在溫帶的歐洲長得並不好!為了要讓王公貴族們吃到鳳梨,十六世紀的園丁們發明了「鳳梨暖爐」:把單顆鳳梨放在由馬糞堆肥做的暖床上的木製棚架,並升起爐火來保持溫暖,好讓鳳梨這熱帶植物可以在溫帶的歐洲開花結果;世界上第一個溫室就這樣誕生了,並由此開啟了歐洲建造溫室的熱潮!

鳳梨不只是改變了歐洲,在日本人到台灣後,嚐到了鳳梨的香甜滋味,便開始推動鳳梨產業。1903年,岡村庄太郎於鳳山設置岡村鳳梨工廠,生產鳳梨罐頭;後來逐漸形成中部以員林、南部以鳳山為中心的鳳梨生產體系。在1938年時,鳳梨罐頭工廠女工竟然佔了全台灣女性勞動人數三分之一以上呢!光復以後台灣的鳳梨產業也曾在1971年登上世界第一,讓台灣被稱為「鳳梨王國」。但是後來不敵其他國家的競爭,已經由外銷罐頭改為多以內銷鮮食鳳梨為主的型態了。

從清朝、日治時代直到現在,台灣的鳳梨品系一直都一樣嗎?當然不是囉!最早的鳳梨被稱為「在來種」,後來日治時代為了製作罐頭方便,從夏威夷引進了開英種;到了1980年以後,因為罐頭外銷敵不過競爭,台灣的鳳梨改為內銷且以鮮食為主,為了挽救鳳梨產業,農改場、農試所便培育出各種不同適合鮮食的鳳梨:包括不用削皮可以直接剝來吃的釋迦鳳梨(台農4號),最適合在秋冬生產的冬蜜鳳梨(台農13號),有特殊香氣的香水鳳梨(台農11號),以及因為果肉乳白色被稱為牛奶鳳梨的台農20號等…