植物与生活

地球上有丰富的水及大气层,孕育了各种生物,每种生物都在自然界中扮演重要的角色,维护着整个脆弱的地球生态圈。或许未来的人类可以藉由先进的科技独自生存,不需依赖其他生物,但是现在所有动物包括人类,都属于複杂生物链中消费者的角色。消费者并不能直接把无机分子转变为含有化学能的有机分子,因此无法自给自足,必须藉由摄取其他消费者或生产者(也就是光合生物,如植物)以获得生长所需的能量。

光合作用是最重要的生物反应之一;绝大多数地球上的生物都是直接或间接受益于光合作用的产物;光合作用也是地球上碳氧循环中非常重要的步骤。可进行光合作用的生物包括光合细菌、浮游光合生物、藻类及植物,它们可把光能转换为化学能。简单来说,光合作用以二氧化碳和水为原料,由阳光供给能量,合成含有化学能的碳水化合物。

藻类与细菌的光合作用

演化早期的光合作用系统始于厌氧细菌,由化石证据推测可能开始于 34 亿年前,绿硫菌、紫硫菌等光合细菌利用菌体叶绿素吸收光能,以硫化氢等还原性有机物做为氢及电子供给者,生成葡萄糖及硫,但不会释出氧气。而大气中的氧气主要来自于至少 23 ~ 24 亿年前出现的产氧性光合作用,随着蓝绿藻的出现,光合作用进入新的阶段。

蓝绿藻没有细胞核,构造类似细菌,具有红、黄、绿、褐、黑等丰富多变的颜色。它的颜色来自体内色素:叶绿素、叶黄素、胡萝蔔素和藻胆素,如藻蓝素、藻红素等,具有类似高等植物叶绿体的类囊体构造。蓝绿藻以水做为氢及电子的供应者,光合作用释放出来的氧气逐渐改变了大气的组成,能量利用效率更高的蓝绿藻渐渐具有生存优势。蓝绿藻称霸地球约 20 亿年,之后其他藻类逐渐出现,也演化出不同的叶绿素及其他色素。

藻类与人类

藻类在生态系中扮演初级生产者的角色,是其他初级消费者如鱼、虾等的主要食物来源。藻类对人类也有许多重要的贡献,例如大气中 50% 的氧是由藻类光合作用产生的。此外,许多藻类一直是人类的桌上佳餚,如昆布、紫菜等。果冻所使用的洋菜,就是萃取自红藻细胞壁的多醣类。

近年藻类更跃升为健康食品,经由人工大量培养製成锭剂或添加于食物中,如超市中常见的螺旋藻食品就来自蓝绿藻家族。甚至硅藻骨骼化石都有经济价值,具有吸收水分及坚硬的特性。硅藻土经过加工研磨广泛被业界採用,生活中许多建材、过滤器、美容,甚至驱虫产品,都含有这些硅藻化石。

藻类族群对人类生活也有很大的影响。水域会因氮、磷过量累积而优养化,人为的优养化主因源自肥料或清洁剂排放污染河川或湖泊。这些含氮、磷的成分对藻类无异是一顿大餐,刺激藻类大量增生,产生藻华现象。

一旦环境中空间不足或养分消耗殆尽,加上光线无法穿透表层聚集的藻类,造成位于较下层的藻类无法行光合作用而死亡,或因夜间藻类行呼吸作用,造成水中含氧量急速下降,使较封闭的水体中鱼贝类窒息死亡。这些死亡的藻类或鱼贝尸体滋生大量细菌加剧水质恶化,降低水域中生物族群的多样性,增加水库净水成本,也造成养殖渔业的损失。

另外引发红潮的甲藻或称涡鞭毛藻,也令许多爱吃海鲜的人闻之色变,但并非每一种涡鞭毛藻都会产生毒素。红潮对海洋生物的影响主要是导致海水缺氧,使鱼类因缺氧或鳃阻塞而死亡。部分产生毒素的品种会导致鱼类和海洋无脊椎动物死亡,有些滤食性的生物虽不会直接受到毒害,但毒素会在体内累积,导致人类食用后中毒。发生于民国 75 年高屏地区民众食用西施舌中毒案例,就是涡鞭毛藻毒素造成的。

陆生植物的光合作用

数亿年前地球大气的含氧量已达到现在大气的百分之十,其中一部分位于大气层上层的氧气,受到紫外线催化成臭氧,产生臭氧层滤除危险的紫外线,海洋中的生物才能登上陆地,即光合生物演化出陆生苔藓植物、蕨类植物及种子植物。

陆生高等植物的光合作用发生于叶肉组织细胞内的叶绿体,光反应则在叶绿体中的囊状堆叠构造(也就是类囊体)中进行。叶绿体色素主要吸收红光及蓝光进行反应,绿光区域多不被吸收而直接反射,因此光合作用旺盛的叶子都是翠绿色。

收集光能反应单元称为光合系统(photosystem, PS),可分为 PSI 及 PSII。PSII 最大量吸收的是波长 680 nm 的光波,PSI 最大量吸收的是波长 700 nm 的光波。光反应最终的产物是 ATP 与 NADPH,这两种分子把光能转换成可贮藏的化学能,用于接下来的碳固定暗反应中,提供碳水化合物合成必需的能量。暗反应则是在叶绿体基质中合成醣类,这反应又称为卡尔文循环(Calvin cycle)。它把大气中的二氧化碳固定合成碳水化合物,再经由生物体内各种化学反应合成更複杂的有机分子。

植物与人类

和人类生活息息相关的植物种类繁多,五穀杂粮提供每日所需的澱粉,蔬果是维他命及矿物质的重要来源,豆科植物含有丰富的胺基酸,可以补充所需的蛋白质。用来搾油、炼糖与香辛调味料的植物,更是烹调美味食物不可缺少的推手。

提神醒脑的茶与咖啡,带有恋爱滋味的巧克力,都是植物製品。棉、麻是纺织业重要原料,竹、蔺草、藤蔓的纤维常用于席垫、家居编织用品。高大的树木如松、桧,质地坚硬且芳香,是最天然的建材。木製家具带有美丽的木纹为居家生活带来温暖色泽,观赏植物则能点缀都市及居家环境。

以植物为原料的纸类,更是每天必须用到的生活必需品,仕女爱用的香水及保养品中,很多原料也来自植物的萃取物。山坡地上完整的植被及森林,可以涵养水资源,巩固土壤,避免颱风雨季发生土石流,在假日也是人类与大自然亲近享受森林浴的好去处。

植物的药用成分也提供西药发展上除化学合成途径外的另一条捷径。新药的开发必须配合现有化学合成及酵素反应,修饰具药效的分子,并配合实验分析新分子的药效。然而收集统计足量的临床数据,不仅耗时且需庞大资金,加上病原快速变异及高龄化社会老化问题激增,使新药研发产生供需不平衡的状态。传统草药由于已累积多年临床使用经验,可望缩短新药开发时间;加上崇尚天然风气渐起,天然保健食品开始受到重视,各大知名药厂及产业龙头纷纷投入研发工作,试图从植物草药中找出灵丹。

人类生活大量使用化石原料,如交通工具用油、发电、塑料产品、家用瓦斯都属于这一类。形成石油和天然气需要几千万年的时间,依照化石原料存量及人类使用的速率,除了力行节约化石能源、提高热功转换效率外,开发新能源已是刻不容缓。大量使用化石燃料所释出的二氧化碳,已造成温室效应并引起全球性的气候变迁,使得地球生存环境日益恶化。

许多科学家开始研究替代能源,最先出现的产品是太阳能板,可以直接把光能转换为电能,已取代电池应用于小型电子产品上,更大型的太阳能发电及车辆也在积极研发量产中。另外,利用植物吸收太阳能固定二氧化碳,再利用这些碳水化合物製成燃料,如发酵产生酒精或以种子、藻类提炼油脂製造生质柴油,虽仍需经过燃烧步骤,但对大气中二氧化碳的总含量并无影响。在能源短缺的未来,这些取之不尽又对环境友善的新能源会是明日之星。

绿色革命与种子战争

绿色革命始于 1940 年代,是一项由洛克斐勒基金会资助墨西哥贫困农民提高小麦产量的计画,由美国农业学家诺曼.博洛格博士主导,採用把原生种杂交育成新种的方式,经过 20 年的培育,挑选出矮秆、抗病虫害并提高 2 到 3 倍产量的优良新品种小麦。在 40 年代,墨西哥一半以上的粮食仍仰赖进口,但在採用新品种小麦后,在 1964 年已转变为小麦出口国,每年可外销 50 万吨的小麦。

这项计画也拓展到巴基斯坦及印度,从 1965 年到 1970 年,在巴基斯坦收穫量从 460 万吨提升到 840 万吨,约 1.8 倍以上,在印度也提高 1.6 倍以上的产量。在 1968 年的年度报告中,国际开发机构的主持人高德以「绿色革命」描述在巴基斯坦和印度的重大进步,绿色革命一词因此成名。

1960 年于菲律宾成立的国际稻米研究机构,是最早设立较具规模的粮食作物种源及育种中心,所培育的 IR 系列稻米品种被誉为奇蹟米,提高了东南亚国家稻米的每公顷平均产量 2.5 倍以上。而博洛格博士也于 1970 年获得诺贝尔和平奖,在获奖演说中,他期许农业改造运动能在 20 世纪满足世界上每个人的基本粮食需求,把农改运动推到高峰。

儘管绿色革命使得 1950 ~ 1990 年间全球榖物产量增加了近两倍,但自 90 年代以后,米、麦增产率开始低于人口成长率。依照 2002 年国际粮农组织公布的统计资料,世界上仍有超过 8 亿的人口处于饥饿或长期缺乏基本营养需求的状态,加上生态环保意识抬头,绿色革命也必须接受世人重新论断功过。

大量使用化学肥料虽能提高作物产量,但土地退化、土壤肥料残存不平衡等问题也随之而来,需要越来越多的化学肥料来保持作物产量,使生产成本提高,多余的肥料被沖刷入河川也造成优养化问题。害虫对农药不断产生抗药性,迫使农民使用更多农药,新型及毒性更强的农药也不断施放于农地,但抗药性问题未曾解决,反而杀死其他非害虫生物,破坏生态中食物链的平衡。

新颖的农业技术、化学肥料及农药都是从先进国家进口,除售价高昂外,也导致生产农作物净利甚少。因此真正需要粮食的国家往往贫穷,先进国家却有多余的粮食可供畜牧,实施现代化农业反而拉大各国贫富差距。在可耕地有限的情况下,如何援助第三世界使其能自给自足,提升粮食质与量,更有效地利用有限的资源,是地球村永续发展的重要议题。

随着基因工程技术日渐成熟,开始有人提出「第二次绿色革命」,以生物科技为号召,展开全球第二波新品种育成行动。虽然目前的实验数据仅来自有限的时间及空间,在粮食问题日趋恶化下只能妥协。带有跨物种基因的转殖作物离开实验室进入田间耕作,会对环境及其他生物造成什么影响,无人能断言。基因改造农产品流入畜牧及食品业,人们对其安全性也有不同的接受度,因此各国都已针对基因改造食品着手研拟法令规範。

由于植物品种已可申请专利,位居花卉龙头的荷兰每年都有许多新专利品种花卉上市,美国的孟山都、瑞士的诺华、德国的艾格福等农产企业,则专注于粮食作物品种专利。这些新一代的种子育成技术多由先进国家独占鳌头,种子公司把部分基改作物设计成不稔或产量逐代降低,或必须使用指定的化学药剂才能正常生长的遗传特性,以确保自身利益,凭藉这些种子专利创造出无限的商机。

植物参与我们生活的食、衣、住、行、育、乐,在读完这篇文章后,当你低头望见脚边的小草、花团锦簇的花园、身旁的大树和水族箱里的水草时,心中会不会对生活中有它们的相伴多了一分新的感受?这些生产者的存在使动物得以生生不息,在生理及心灵层面丰富了我们的生命,更把地球妆点得多采多姿。

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