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【原來作物有故事】古柯 背負誤解的印加聖樹

古柯。圖片來源:Wiki

原產於安地斯山脈的古柯,可能是世界上受到最多誤解的植物了。大家提到古柯,一定會想到古柯鹼;依據2017年世界毒品報告,古柯鹼為世界第五大毒品,2015年全世界共有一千七百一十萬人使用古柯鹼,佔總毒品使用人口的6.7%。在美國,光是2015年因古柯鹼過量致死的就有6,784人。在我國,古柯鹼與海洛因、嗎啡、鴉片同列為一級毒品,不論是製造、持有、販賣、吸食,刑罰都是最重的。

在中南美洲種植古柯的區域,主要為玻利維亞、厄瓜多、秘魯、哥倫比亞。為了解決毒品問題,美國與哥倫比亞在1998-1999年展開「哥倫比亞計畫」,在種植古柯的區域噴洒嘉磷塞(商品名:年年春),結果古柯產生了對嘉磷塞有抗性的變種:超級古柯。

古柯鹼這麼可怕,是否真的該消滅古柯呢?事實上,古柯是印加人的聖樹。在印加帝國滅亡之前,嚼古柯葉是貴族、僧侶、軍人以及執行任務的信差的專利。印加人嚼古柯葉的歷史可以回溯到公元前三、四千年;咀嚼古柯葉一般可以加入以藜麥與石灰製作的碳酸鉀,如此一來古柯葉中的成分—包含古柯鹼以及其他芳香族化合物—會釋放得更完全。由於印加帝國有一半的領土位於高海拔區,首都庫斯科更位於海拔3657公尺的高山上;咀嚼古柯葉不僅可協助抵禦高山症,還可以提升專注力、降低食物需求。連2015年方濟各教宗訪問玻利維亞時,都先喝古柯葉泡的茶來預防高山症呢!更不用提印加的僧侶藉由咀嚼古柯來與神靈合而為一,因此在祭典中絕對少不了它。

在1532年十一月印加帝國滅亡後,因為古柯與印加人的宗教儀式有關,天主教會很快在1569年於利馬舉行的主教會議中,決議古柯是有害的,不應該使用。

雖然天主教會要禁古柯,但是由於採礦的需要,古柯不僅沒有被禁絕,反而大量地被西班牙人礦主採用;尤其在位於四千公尺的高山上的波托西銀礦區被發現以後,古柯的使用變得更廣泛。礦主們很快就發現,只要給印加礦工古柯葉,工作效率提升四成到六成,食物的需求量反而下降五分之一到四分之一;加上導入汞齊法,以水銀將銀由礦石中溶出,白銀的產量立刻增加五倍。但水銀與古柯的使用,嚴重的戕害印加人的生命;在1560-1620年間,每年大約有一萬名印加人死亡。

等到1855年蓋德克分離出古柯鹼、1860年尼曼改良萃取過程,歐洲終於可以開始生產古柯鹼了。1884年柯勒發現古柯鹼可使用於眼部麻醉、後來發現古柯鹼還有其他的麻醉功能,這使得古柯立刻身價百倍。1885年,帕克-戴維斯公司派遣植物學家盧斯比到玻利維亞的叢林中去尋找古柯及其他藥材。找到的古柯種在爪哇、加勒比群島、北美等區域。

當時古柯鹼被認為可以治療許多疾病,連精神分析學的創始人佛洛伊德也使用過它!二十八歲的佛洛伊德,因為讀了德軍在巴伐利亞之役使用古柯鹼的報告,決定以身試藥。服用後感覺很好,不僅他本人繼續使用,同時也開古柯鹼處方給病人;直到他的朋友弗雷許-馬克索死於古柯鹼過量以後,佛洛伊德才不再使用古柯鹼了。

除了藥用,古柯還被用在飲料。1863年法國化學家馬里亞尼把古柯葉泡在葡萄酒裡,並命名為「馬里亞尼酒」。由於馬里亞尼酒非常受歡迎,美國亞特蘭大的藥劑師彭伯頓在1884年模仿馬里亞尼酒製作了「法國古柯葡萄酒」。沒想到亞特蘭大不久決定要禁止販賣含酒精飲料,彭伯頓只好改良配方、重新將飲料命名為「Coca cola」:也就是可口可樂。雖然當初的可口可樂是含有古柯葉萃取物的,不過現在的配方早就沒有了喔。

使用古柯鹼會上癮,為何印加人嚼古柯葉卻不會呢?關鍵在於他們只嚼嫩葉,不嚼成熟的葉子。嫩葉古柯鹼較低、其他芳香族化合物較多;這些芳香族化合物,對身體也有好處。古柯葉含有維生素A、維生素B2、維生素B3、維生素C、鐵、磷、鈣,只要嚼兩盎司就足以提供一天維生素所需;其中鈣質尤其豐富,還曾有一位玻利維亞的部長建議將古柯葉作為學童的營養補充品!

但是西方世界從化學革命開始,便認為任何物質的有效成分都可以化約成一個化合物。結果,脫離了古柯葉的古柯鹼成了毒品,讓這印加人的聖樹蒙受不白之冤,真讓人難過呢!

(本文經編輯後刊登於2017/10/3 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。

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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。

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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…