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【原來作物有故事】甘蔗 香甜滋味蘊藏血淚故事

十九世紀初安提瓜群島上的甘蔗農莊。圖片來源:Wiki
生活中的甘蔗

去餐廳吃飯時,桌上總會擺著許多小包的砂糖;是否好奇過這些砂糖到底是從哪裡來的呢?

答案是:甘蔗!全世界八成的糖是從甘蔗來的(另外兩成是甜菜),為了吃糖,有九十個國家都種植甘蔗!甘蔗裡面的蔗糖,也是植物主要運輸光合作用產物的形式;甘蔗是C4植物,也是目前公認進行光合作用最有效率的植物。我們現在最熟悉的甘蔗,是原產於中國的竹蔗,也就是水果攤上賣的紅皮甘蔗。除了竹蔗以外,甘蔗屬的成員還有印度甘蔗與熱帶甘蔗喔!水果攤上賣的竹蔗甜度較低、纖維較少,適合用來當作水果;用來製糖的是綠皮的熱帶甘蔗(俗稱白甘蔗),雖然甜度高,但是因為纖維很多很硬,所以不適合食用。

我們的生活中少不了糖。想像一下,果汁裡面少了糖、紅茶與咖啡裡面沒有糖,它們就會變得好酸、好苦喔!不過,隨著利用玉米澱粉製作高果糖糖漿的技術在1960年代被開發出來以後,因為高果糖糖漿使用方便(不用先溶解)、價格又便宜,現在很多飲料裡面加的糖,都已經不是蔗糖而是果糖了。

甘蔗裡的糖除了可以用作調味料以外,還可以用來發酵製作酒精,酒精也是汽車的燃料之一喔!近年來隨著石油的蘊藏量逐步下降,由甘蔗發酵產生的酒精也成為重要的生質燃料。目前全世界生產最多甘蔗的國家是巴西,其次是印度和中國;巴西種甘蔗很大一部分就是為了製作酒精給汽車使用。

甘蔗如何進入人類歷史

雖然現在我們的生活離不開糖,但是歐洲人直到十一世紀十字軍東征以後,才第一次看到甘蔗、嚐到甘蔗的甜味。在這之前,歐洲人主要用蜂蜜幫食物添加甜味。

因為歐洲人引進的甘蔗只適合在緯度較低的地方種植,早期在歐洲蔗糖可以說跟黃金一樣貴。蔗糖一開始還被認為是可以治百病的藥,因此有句用來形容一個人一籌莫展的俗語:「如同沒有糖的藥劑師」流傳下來呢!

因為甘蔗在收割後24-48小時內一定要完成榨汁、濃縮,否則就會發酵;所以在甘蔗收成的時候,需要不斷有人輪班工作。這樣辛苦的事情,要誰來做呢?

奴隸!根據記錄,葡萄牙人與西班牙人在十五世紀於加納利群島等地建立甘蔗農場時,就開始使用奴隸。等到十六世紀,發現甘蔗在中美洲長得很好後,便開始從非洲大量進口奴隸。當時的奴隸是透過所謂的「三角貿易」來到美洲的:從非洲運奴隸運到美洲、從美洲運糖與菸草到歐洲、最後從歐洲運布料、萊姆酒(糖蜜發酵的產物)到非洲交換奴隸。由於運送的過程非常不人道,從十六世紀到十九世紀,在非洲登船的奴隸人數是一千一百萬,但只有980萬人到達美洲。

到了美洲,他們的生活更悲慘。由於蔗汁要在煮漿室經過五次加熱濃縮,再處理才能製成粗糖;因此煮漿室白天的溫度高達60℃,晚上也有49℃,加上煮蔗汁的水分蒸發,真的是又濕又熱!一個奴隸在甘蔗農莊上大約只能存活十年,還不到菸草、棉花農場的一半。這樣的狀況,直到十九世紀初英國國會議員威廉‧威伯福斯與約翰‧牛頓牧師推動廢除奴隸法案後,奴隸買賣才不再合法;但美國真正廢除奴隸則要到1865年南北戰爭結束後才達成。

位於亞熱帶的台灣也適合種甘蔗。根據記錄,台灣可能從元朝就種甘蔗了;到了清朝,台灣的蔗糖佔外銷物資的三到四成,主要都銷往日本。也因此,讓日本人對台灣越來越有興趣,終於在甲午戰爭後取得台灣、建立糖廠。

雖然在1929-30年時,台灣曾是世界第四大產糖國,蔗糖也曾經連續十七年是外銷品第一名;但等到氣候更適合的巴西開始種甘蔗以後,台灣各地的糖廠便逐漸走入歷史了。

您所在的城市有糖廠嗎?去玩過嗎?日本在台灣建立的第一個糖廠是位於高雄的橋仔頭製糖工場,現在已經變成文創園區了。過年期間若有空,可以找個糖廠走走看看喔!被波斯王大流士稱為「不需蜜蜂也有蜜的蘆葦」的甘蔗,也影響了很多人呢!

(本文經編輯後刊載於2017/2/7 國語日報科學版)


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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。

花蓮的夏天總是不缺「巴吉魯」,不只市場裡有賣、有些人家的院子裡就有麵包樹。在地的朋友說,成熟的果實削皮切塊加點小魚乾煮湯很好喝,長不大的果實(雄花花序)用來燃燒驅蚊,據說比蚊香還有效。

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。

第一個看到麵包樹的歐洲人應該是十六世紀末到十七世紀初的葡萄牙航海家佩得羅‧費爾南德斯‧德‧基羅斯。比他晚將近一百年的英國航海家威廉‧丹皮爾船長,他提到麵包樹的果實可以烤來吃。

到了十八世紀,麵包樹突然搖身一變成了「神奇糧食」。到底發生了什麼事呢?原來在1769年與庫克船長乘「奮進號」的英國植物學家班克斯爵士在大溪地看到了麵包樹,因為麵包樹的果實約有四分之一為澱粉、在熱帶地區又長得很好,使班克斯認為麵包樹可能是解決英國在牙買加殖民地奴隸營養問題的解答。於是在1787年,英國皇家科學院派遣邦迪號前往大溪地收集麵包樹帶到加勒比海群島種植。為了這個目的,船上還有一位隨船的植物學家大衛‧尼爾森。

原訂於8月16日出發的邦迪號,因為一連串的延遲,最後終於到了大溪地、收集了足夠數量的麵包樹以後,卻在因為船長布萊一路…

通風報信的植物

植物受傷時會有什麼反應?過去的研究讓我們瞭解,當植物被攻擊(受到病原菌感染、受傷)時,會釋放出揮發性有機物質(VOCs,Volatile Organic Compounds),讓自己以及附近的植物啟動防禦機制。這個作用有點像古代的烽火臺,當敵人來襲就燒起狼煙,附近的人看到狼煙就知道這裡出事了,要加強戒備。

不過,當附近的植物感應到VOCs時,它們會如何加強自己的防禦機制呢?過去的實驗發現,當植物的地上部位受到病原菌感染時,會傳遞信號給自己的根,接著根部的鋁活化蘋果酸運輸蛋白(ALMT1,aluminum-activated malate transporter)便會活化後釋放蘋果酸(malate)到土壤中來召喚枯草桿菌 UD1022(Bacillus subtilis UD1022)這隻植物的益菌。這些現象是否不僅僅發生在苦主、也發生在附近的植物身上呢?

康納(Connor Sweeney)和他在德拉瓦大學的指導教授,最近發現:不只是受傷的植物本身會進行這些防禦機制、附近的植物也會呢!

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。

於是他就開始了他的實驗室生活:下課後、週末以及暑假,康納都在白斯老師的實驗室裡種阿拉伯芥(Arabidopsis thaliana)。雖然他也是高中的游泳校隊,但他盡可能地投入時間作實驗。

成果是豐碩的。兩年後,康納在白斯教授的指導下,解出了植物接到鄰居的「狼煙」以後,接下來做了什麼;他們的成果發表在2017年的「植物科學前鋒」(Frontier in Plant Science)期刊上。

以一個高中生來說,這可是個非同小可的成就;康納不只是付出了許多努力,他也細心觀察每一個實驗。因為他夠細心,所以才沒有錯失了重要的發現。

這個重要的發現是什麼呢?有一天他如常地進行實驗:把一株阿拉伯芥用鑷子弄了幾個傷口,準備明天觀察它的反應。不同的是,這次旁邊有一株阿拉伯芥沒有被他弄傷。

第二天他看到了令他不敢相信的結果:旁邊的阿拉伯芥的主根變長、而且還長出了不少側根。

於是他們做了更多測試。他們發現:旁邊有受傷的伙伴的小芥們,主根生長的速度大約…