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從草地開始的三餐


圖片來源:Wikipedia
※本文是筆者為「青年尬科學」說明會所進行的科普演講改寫而成,內容與演講略有不同。

今天早餐吃了什麼?不論是麵包、玉米片還是稀飯,其實來源都是同一家族的植物:禾本科(Poaceae)。禾本科雖然只是種子植物的第五大家族,但我們的主食卻少不了它:麵包(小麥)、玉米片(玉米)、稀飯(稻米),甚至小米粥(小米)或是五穀或十穀飯,裡面都有大量的禾本科植物。當我們工作累了,決定要去郊外「踏踏青」的時候,有多少人想到,我們三餐主食的出身,本來也跟我們腳下的這些「草」沒有兩樣呢?

從以恐龍糞便化石中的植矽體(phytoliths)的樣貌,在白堊紀末期初登場以後,禾本科植物已經是種子植物中覆蓋地球最廣的科別了。那些默默在肥沃月彎年復一年地開花、結子,隨後散落一地的一粒麥(einkorn)與二粒麥(emmer),是在哪個時間點吸引了人們的注意力而被採集,又是從什麼時候開始,人類決定要開始種植它們的呢?

確切的年代無法得知,但伴隨著農業行為的開始,成熟後散落一地的麥粒,慢慢的成了依附在麥稈上金黃的麥穗;由於小麥不需要插秧、也不必挖穴種植,很快的它就成了重要的糧食,而種植它的人們,也為了照顧它放棄了四處為家的生活。

在這互相馴化的過程裡,除了小麥,大麥也是人們的朋友。但是,羅馬人卻愛上了小麥,而將大麥棄之如敝屣。當田地在年復一年地耕種後變得不再適合種植小麥以後,羅馬人甚至寧願離鄉背井、攻城掠地,去尋找新的小麥產區,也不願委屈自己吃大麥。他們對小麥的偏執,甚至造成了埃及的滅亡。

愛上小麥的不僅僅是羅馬。埃及人相信小麥發芽代表了生殖能力,於是將小麥作為婦女驗孕的工具:懷疑自己可能有孕的婦女,將尿液撒在小麥的種子上面,看看過幾天會不會發芽,以此作為是否懷孕的指標。

盼望著為家庭增添新成員的埃及婦女,每天回到播種的地方,冀望看到青翠的麥苗在風中搖擺;在另一個時空裡,華北的漢民族看著青翠的小米秧苗,吟詠著「彼黍離離,彼稷之苗」。因為生長期短、容易栽種,小米成為陪伴漢民族在華北平原成長的先驅部隊,直到小麥與稻米先後將它逼退。即便在唐朝中葉以後,小米的地位已大不如前,但居住在北方的漢民族仍有吃小米的習慣。

身為南方人的我們,總以為只有東亞民族吃米。其實稻米也是非洲部分區域的主食,在十七、十八世紀,當非洲住民因為新大陸對勞工的需求,而被違背意願地綁架到美洲時,他們也在這塊殘酷的大陸上回憶家鄉的味道。於是過去在家鄉過年才煮的hoppin' John成了美國南方週一的傳統美食:紅豆飯(red beans and rice)。

在台灣吃慣了蓬萊米(粳米)的我們,有多少人知道我們原本都是吃在來米(秈米)的呢?吃不慣秈米的日本人佔領了台灣,也帶來了粳米;甚至也幫台灣育出了適合台灣風土氣候的台中65號,也因此有了「蓬萊米」與「在來米」的名稱。

對於年紀跟我差不多或更年長的人,小時候「爆米香」應該是難忘的點心。雖然長輩基於愛惜糧食,極少答應我們的請求;所以爆米香時,總只能在一旁觀看。潔白的米香混上麥芽糖,家境稍好的、或是捨得花的家庭,還會加入花生,在物資缺乏的童年,終究還是無緣一嚐的點心。但地球的另一端的孩子們,爆米花可能是更難以品嚐的佳餚。

同樣是禾本科的種子,玉米在加溫後,爆裂為潔白無暇的花朵,成為阿茲特克人祭神的祭禮之一。相比於爆米香以瞬間減壓方式爆開米粒,爆米花則需要爆裂種玉米來達成任務。阿茲特克人、馬雅人、印加人崇拜玉米,但玉米無法自然脫粒與播種,也限制了這些文明的開展。

當年居住在中南美洲的人們可能不知道的是,他們所敬拜的玉米,到了歐洲竟然被認為營養不佳、只適合作為動物飼料,等到義大利與法國爆發糙皮病(pellegra)之後,玉米更是備受歧視。同樣來自新大陸、一起被打入冷宮的還有馬鈴薯與蕃茄。隨著時間過去,玉米不但洗脫了罪名,還與大豆一起以另一種形式躍上我們的餐桌;而爆米花更搖身一變,成為北美大陸最受歡迎的零嘴。

在現代社會,人幾乎不能離開玉米;我們吃的肉是從玉米與大豆為原料的動物飼料而來、用的甜味劑是來自玉米水解轉化後的高果糖玉米糖漿;甚至在北美大陸,他們還把玉米加進汽車裡。但是,在我們把玉米倒進飲料之前,陪伴我們的甜味劑是同樣來自禾本科植物--甘蔗--的糖。

由於甘蔗是熱帶作物,直到「十字軍東征」(1096-1099 A.D.)時,才第一次看到甘蔗。由於甘蔗無法在歐洲大部分的區域生長,在中世紀的歐洲,蔗糖成為貴族與富人的專利;加上當時歐洲人還不懂定期潔牙,使得窮人的牙齒普遍比富人好。

在歐洲人發現加勒比海群島適合種植甘蔗後,因為甘蔗種植以及蔗糖煉製都極為耗費人力,使得超過千萬的西非黑人被迫流離失所,許多甚至無緣得見大海彼端的陸地,便葬身海底。雖然奴隸的買賣於1807年禁止,但中南美洲以及美國南部的非法買賣卻不絕如縷,而存在於美國國內對非裔人種的矛盾,最後更導致了美國的南北戰爭(1861-1865)。雖然美國在1865年5月9日後,理當釋放所有來自非洲的黑人及其後裔,但真正使他們完全重獲自由的,是農業機械;而真正讓有色人種與白人完全平等,更要等到超過一百年以後的民權運動(1954-1968)開花結果,才得以真正落實。

所有的植物在被馴化後,植株的高度幾乎都有減低的趨勢;唯一的例外可能是竹子。對東亞的居民來說,竹子的葉子可做包裝紙、莖可製紙,大的竹子甚至可以製作家具、造屋、造船,而老的竹節(頭)可以用來雕刻,製作藝術品等。世界上最大的禾本科植物,是原產於中國南方與台灣的綠竹(Bambusa oldhamii),高度可達20米,直徑可達10公分;只需要將竹節部分鋸下,便可直接當作飯碗來使用。由於竹子以地下莖(rhizome)繁殖,我們看到的一片竹林,往往只是一兩株竹子構成,當禾本科的竹子如它家族中的其他成員一樣在開花後死亡時,往往造成人們驚異不已,也嚴重影響到以竹子為食的動物(如貓熊)的食物來源。

以上這些「草」,無不都是我們三餐所需;除它們之外,同屬於禾本科的高粱、燕麥、裸麥、黑麥等,則被列入雜糧之列。但是它們在歷史上,也是荒年時的救命恩物。我們是如此的倚靠禾本科,怎能不對他們多些敬意呢?這些草兒們,除了餵飽我們,也屢次在科學研究上幫助人類了解大自然的奧秘:如玉米與跳躍基因以及燕麥與光敏素,不都是植物教導我們的課程嗎?我們要向植物學習的地方,還多著呢!

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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…