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【原來作物有故事】瘧疾的救星-金雞納(Cinchona officinalis)

金雞納樹皮。圖片來源:wiki

秘魯總督欽喬伯爵的太太得了瘧疾,用盡方法治療無效的醫師建議試試「厄瓜多樹皮」。聽起來很不可思議,但是因為已經無計可施了,所以欽喬伯爵同意試試看…沒想到真的好了。當林奈在1753年命名金雞納樹時,為了紀念這件事,他便用了欽喬伯爵的名字來命名。不過,他把欽喬伯爵的姓給拼錯了;於是就成了金雞納樹了。

金雞納原產南美洲安地斯高地,在當地總共有大約四十種金雞納樹,不同種對瘧疾的療效差異很大。耶穌會教士由秘魯的印第安人處學會了使用金雞納樹皮,並引進歐洲,所以金雞納樹皮又稱為「耶穌會教士樹皮」。在不同教派互相排斥的當時,據說就是因為這個名稱,讓克倫威爾拒絕服用,最後死於瘧疾。

從黃帝內經開始,就有瘧疾的記載。瘧疾這個古老的疾病奪走許多人的生命,包括建立橫跨歐、亞、非三洲大帝國的亞歷山大大帝。教廷甚至曾在十四世紀初因為羅馬瘧疾大流行,不得不搬到法國的亞維農68年呢!等到歐洲人發現新大陸,瘧疾也跟著一起移民了;後來,全世界除了南極洲以外都出現瘧疾。

在沒有金雞納之前,歐洲人對瘧疾一點辦法也沒有。這可以從當時古書記載的瘧疾療法看出來:除了放血、吃草藥,竟然還有讀「伊里亞德」!所以金雞納樹的發現,對歐洲人來說真的就像找到救命仙丹!但是每患一次病要用掉4.4公斤的樹皮才能治癒;而早期剝皮採用環割法,使得樹被剝完樹皮就死了。到了1795年,每年要砍掉兩萬五千株金雞納樹;但是新種的樹要十年才能開始剝皮,根本就趕不上啊!因為金雞納樹對歐洲國家實在太重要了,英國的邱園便在1858年派遣斯普魯斯與馬卡姆兩位植物獵人前往南美洲尋找金雞納樹,隨後開始在爪哇與印度種植。

奎寧。圖片來源:Wiki

除了種樹以外,科學家們也努力地從金雞納裡面找尋可以治瘧疾的成分。終於在1820年,法國科學家卡文特與伯特爾從金雞納樹皮中分離出奎寧。分離出有效成分後,接著就要想辦法開發人工合成奎寧的方法。在二戰期間,因為日本佔據了爪哇,造成奎寧的來源中斷,反而加速了美國發明氯奎的腳步。

二戰結束後,世界衛生組織展開根治瘧疾運動。除了以氯奎治療瘧疾患者以外,也到處噴灑DDT、在水溝噴灑柴油、掛蚊帳。一開始很成功,但後來卻發現DDT有毒、瘧原蟲對氯奎產生抗藥性、瘧蚊對DDT也產生抗藥性。

越來越多瘧原蟲對氯奎產生抗藥性,使中國在1967年啟動瘧疾防治藥物研究工作。一開始不是很順利,後來屠呦呦女士由東晉葛洪的著作「肘後備急方」的「青蒿一握,以水二升漬,絞取汁,盡服之」領悟到要用較低的溫度萃取,終於在1971年由青蒿中萃取新的瘧疾治療藥青蒿素。這個發現,也讓她得到2015年的諾貝爾生理醫學獎。

雖然青蒿素的發現,為瘧疾的根治帶來了一線曙光;但是瘧疾這種古老的疾病,並不會這麼容易就認輸的!到2015年時,高棉、寮國、越南、緬甸與泰國已經出現抗青蒿素的瘧原蟲。

現在根治瘧疾主要是為了大家的健康,但在十七到二十世紀初期,歐洲各國之所以如此重視金雞納主要是為了穩定勞力的供應。當時許多雇主都會買奎寧給工人,以確保生產力;英國政府甚至供給願意移民印度者免費的奎寧,使得直到印度第一次獨立戰爭前,許多英國人可以為了奎寧而移民。事實上,若沒有奎寧,英國人根本不可能在十九世紀於奈及利亞建立殖民地:當時每千名到非洲的白人就有350-800位因為瘧疾而喪命,因此非洲被稱為「白人的墳墓」。由此可知,這看起來不怎麼起眼的一棵樹,可影響了許多國家的命運;如果當年那些印地安人知道金雞納對歐洲人在全球殖民的影響,是否還會教導耶穌會教士使用它呢?

瘧疾那麼可怕,卻也曾經被當作藥來使用喔!二十世紀初,德國的瓦格納-堯雷格發現梅毒螺旋體對熱敏感,於是他把瘧原蟲接種在末期梅毒病人身上,讓病人瘧疾發作發高熱個三、四次便可殺死瘧原蟲。接著在治療瘧疾就好。聽起來很不可置信,但在抗生素還沒有出現的年代,這個方法不但被採用,他也因此獲頒1927年諾貝爾生理醫學獎。

(本文經編輯後刊登於2017.4.18 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…